Двухкоординатный преобразователь угловых перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B7/30 

9 i 10 Фиг. Г

Изобретение относится к электроизмерительной технике и автоматике и может быть использовано в системах управления перемещением подвижных объектов, таких как машин, тракторов, судов, летательных аппаратов.

Известен двухкоординатный преобразователь угловых перемещений, содержащий диэлектрический корпус, звено связи с управляющим объектом, выполненным в виде цилиндрического стержня, закреплённого консольно в основании корпуса, подвижный электропроводящий неферромагнитный брус, с поперечным сечением в виде квадрата, имеющий центральное отверстие, диаметром больше диаметра стержня, и вихретоковый измеритель перемещений бруса, включающий в себя блок электроники и четыре идентичные катушки индуктивности, диаметром, не превышающим половины стороны поперечного сечения бруса, установленные в диэлектрическом корпусе, оси которых расположены в одной плоскости, плоскости которых параллельны граням бруса под углом 90° друг к другу симметрично относительно оси стержня, катушки индуктивности, установленные под углом 180° соединены дифференциально между собой и с соответствующим входом блока электроники.

Недостатком преобразователя является отсутствие компенсации мультипликативной составляющей температурной погрешности, что ограничивает температурный диапазон использования преобразователя.

Действительно, при изменении температуры изменяется электропроводность электропроводящего подвижного элемента - бруса. За счет дифференциального включения катушек индуктивностей при исходном положении бруса устраняется аддитивная составляющая температурной погрешности, если между противоположными гранями бруса нет градиента температуры. Однако при отклонении бруса от исходного меяяются расстояния между катушками индуктивности и гранями бруса и при изменении электропроводности бруса, что адекватно изменению расстояния, появляется мультипликативная температурная погрешность (погрешность чувствительности преобразователя). Эта составляющая имеет максимальную величину при наибольших отклонениях стержня с брусом.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является двухкоординатный преобразователь угловых перемещений, содержащий диэлектрический корпус, закрепленный консольно в его

основании упругий стержень связи преобразователя с управляющим объектом, подпружинивающего его цилиндрическую пружину, ось которой совпадает с осью

стержня, взаимодействующий со стержнем электропроводный неферромагнитный экран, размещенный соосно со стержнем и состоящий из двух пластин, которые имеют форму плоских колец с одинаковыми внеш0 ними диаметрами, скошенных по внешним образующим в четырех взаимно-перпендикулярных плоскостях, плоские кольца экрана расположены в параллельных плоскостях с воздушным зазором между ними и уста5 н овлены перпендикулярно оси упругого стержня связи и чувствительный к перемещениям экрана вихретоковый измеритель зазоров, включающий в себя блок электроники и четыре идентичные катушки индук0 тивности,установленныев

диэлектрическом корпусе в общей плоскости, параллельно плоским кольцам экрана и под 90й одна к другой симметрично относительно оси упругого стержня, катушки ин5 дуктивности, размещенные одна против другой, соединены попарно дифференциально и подключены к соответствующему входу блока электроники.

Этот преобразователь имеет тот же не0 достаток, что и предыдущая конструкция. За счет дифференциального включения катушек индуктивности компенсируется аддитивная составляющая температурной погрешности (температурная погрешность

5 нуля), но не компенсируется мультипликативная составляющая температурной погрешности (температурная погрешность чувствительности), Чем больше температурный диапазон использования преобразова0 теля, тем больше мультипликативная составляющая температурной погрешности, которая может превысить допустимую Целью изобретения является повышение точности преобразования за счетумень5 шения аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности.

Это достигается тем, что двухкоординатный преобразователь угловых переме0 щений, содержащий диэлектрический корпус, закрепленный консольно в его основании упругий стержень связи преобразователя с управляющим объектом, подпружинивающую его цилиндрическую

5 пружину, ось которой совпадает с осью стержня, взаимодействующий со стержнем электропроводный неферромагнитный экран, размещенный соосно со стержнем и состоящий из двух пластин которые имеют форму плоских колец с одинаковыми внешними диаметрами, скошенных по внешним образующим в четырех взаимно-перпендикулярных плоскостях, плоские кольца экрана расположены в параллельных плоскостях с воздушным зазором между ними и установлены перпендикулярно оси упругого стержня связи и чувствительный к перемещениям экрана вихретоковый измеритель зазоров, включающий в себя блок электроники и четыре идентичные катушки индуктивности, установленные в диэлектрическом корпусе в общей плоскости, параллельной плоским кольцам экрана и под углом 90° одна к другой симметрично относительно оси упругого стержня связи, катушки индуктивности, размещенные одна напротив другой, соединены попарно дифференциально и подключены к соответствующему входу блока электроники, он снабжен регулировочной шайбой с закрепленным на ней термочувствительным диэлектрическим кольцом, установленной в корпусе между его основанием и одной из кольцевых пластин экрана цилиндрической пружиной, а также четырьмя пластинчатыми пружинами, размещенными в пазах корпуса между его внутренней поверхностью и цилиндрическими участками поверхности этой же пластины экрана, ширина другой кольцевой пластины экрана, которая приклеена к термочувствительному диэлектрическому кольцу, должна быть не меньше диаметра одной катушки индуктивности, а толщина di одной и толщина da другой кольцевой пластины экрана выбираются из условия: di+da+h 0,5R, где R - радиус одной катушки индуктивности; h - расстояние между обеими пл астинами экрана, величина которого h I а Д Т, где I - толщина термочувствительного диэлектрического кольца, а. - температурный коэффициент линейного расширения материала кольца, AT - максимально допустимое отклонение температуры кольца.

На фиг.1 показано диаметральное сечение внешнего вида двухкоординатного преобразователя; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - типовая блок-схема блока электроники.

Двухкоординатный преобразователь угловых перемещений содержит диэлектрический корпус 1, состоящий из соединенных между собой верхней части и основания, которое может быть выполнено проводящим. Упругий стержень 2 связи с управляющим объектом закреплен консольно в основании корпуса 1 и подпружинен с помощью цилиндрической пружины. Электропроводящий неферромагнитный экран 3 состоит из пластины 4 толщиной ch. которл« выполнена в виде кольца со скошенными участками 5 на его внешней образующей в четырех взаимно-перпендикулярных плоскостях и другой пластины б. выполненной толщиной da в виде кольца со скошенными участками, идентичными по размерам и ориентации скошенным участкам 5 пластины Л.

Эта пластина 6 экрана 3 отделена от тасти- ны А расстоянием 7 величиной h, Регулировочная шайба 8 установлена на резьбе на экране 3.

К боковой поверхности регулировочной

шайбы 8 приклеено термочувствительное кольцо 9 толщиной I и с коэффициентом линейного расширения а , причем I а Д . где AT - максимально допустимое отклонение температуры кольца 9 от номинального значения, на которое приклеена пластина б. Цилиндрическая пружина 10 установлена между основанием корпуса 1 и экраном 3. Четыре пластинчатые пружины 11 установлены в пазах 12 корпуса 1 между корпусом 1 и торцем пластины 4 экрана 3.

Две пары дифференциально включенных идентичных катушек индуктивности соответственно 13, 14 и 15, 16 радиуса R установлены в диэлектрическом корпусе 1 над пластиной 4 таким образом, что расстояние между осями дифференциально соеди- ненных катушек 13, 14 и 15, 16

индуктивности равны расстоянию между скосами 5 экрана 3. Размеры 3 выбираются с учетом радиуса R одной из катушек 13, 14, 15, 16 индуктивности: di+d2+h 0.5R (1). Выводы каждой пары катушек 13.14 и 15, 16

индуктивности соединены с соответствующими входами блока 17 электроники.

Для обеспечения коррекции чувствительности преобразователя из-за влияния температуры окружающей среды во всем

диапазоне возможных перемещений экрана 3 под действием стержня 2 ширина пластины 6 выбрана не меньше диаметра катушек 12,13,14,15, индуктивности, т.е. не меньше возможного диапазона перемещения экрана 3, приводящего к изменению выходного сигнала с блока 17 электроники. Экран 3 имеет центральное осевое отверстие 18, обеспечивающее нечувствительность преобразователя к

перемещениям стержня 2 относительно исходного, исключающее появление ложных сигналов на выходе блока 17 электроники. Блок 17 электроники (фиг.З) собран по типовой схеме вихретоковых измерителей, выпускаемых серийно, например, ТПН и состоит из последовательно соединенных генератора 19 импульсов, формирователя 20 импульсов и двух усилителей 21, 22 мощности, каждый из которых подключен к выводам соответствующих пар катушек 13, 14, 15, 16 индуктивности, средние выводы которых подключены ко входам соответствующих усилителей 23, 24, выходы которых соединены с сигнальными входами соответствующих синхронных детекторов 25,26, опорные входы которых соединены с выходом формирователя 20 импульсов. Выходы синхронных детекторов 25, 26 являются выходами блока 17 электроники вихретокового измерителя,

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном состоянии стержень 2 связан с управляющим объектом и за счет своей жесткости занимает положение, перпендикулярное экрану 3. Экран 3 за счет пружин 10, 11 занимает положение, при котором отсутствуют воздушные зазоры между пластиной 4 экрана 3 и катушками 13, 14, 15, 16 индуктивности (минимальные расстояния от экрана до катушек) и закрывает равные площади поверхности катушек 13, 14, 15, 16 индуктивности. При питании катушек

13,14, 15, 16 индуктивности напряжением переменного тока, которое поступает от блока 17 электроники (от последовательно соединенных генератора 19 импульсов, формирователя 20 импульсов и соответствующих усилителей 21, 22 мощности) и имеет частоту, обеспечивающую проникновение электромагнитного поля через весь экран 3, в пластинах 4 и 6 экрана 3 наводятся вихревые токи. Выбираем радиусы R катушек 13,

14,15, 16 индуктивности в соответствии с математическим выражением (1), создается условие, обеспечивающее высокую чувствительность поля вихревых токов к изменением толщины экрана 3. Магнитные поля вихревых токов, воздействуя на катушки 13, 14, 15, 16 индуктивности, приводят к появлению на них одинаковых сигналов. Таким образом, со средних точек пар катушек 13- 14 и 15-16 индуктивности будет сниматься нулевой сигнал. Величина h расстояния между пластинами 4 и 6 экрана выбирается экспериментально в процессе калибровки преобразователя с помощью регулировочной шайбы 8, установленной на экране 3. При этом исходное значение h зависит от используемого материала термочувствительности кольца 9, например, полиэтилена, его толщины и возможного диапазона максимально допустимого изменения температуры в процессе эксплуатации и устанавливается не меньше, чем I а А Т.

Зазор между экраном 3 и стержнем 2 обеспечивает нечувствительность преобразователя к небольшим угловым перемещениям стержня 2 относительно исходного положения, исключает появление ложных сигналов, При отклонении стержня 2 на угол, превышающий угол нечувствительно0 сти преобразователя, стержень 2 начинает перемещать экран 3 в плоскости, параллельной плоскости катушек 13, 14, 15, 16 индуктивности, изменяя площади их перекрытия, причем у соединенных между собой

5 катушек 13,14 или 15, 16 сигналы меняются в противоположных направлениях, таким образом на входе блока 17 электроники появляются сигналы, отличные от нуля. Эти сигналы, отличные от нуля. Эти сигналы пре0 образуются с помощью усилителей 23, 24 и синхронных детекторов 25, 26.

На выходе блока 17 электроники изменение сигналов происходит до момента смещения экрана 3 от исходного на расстояние,

5 равное радиусу катушек 13, 14, 15, 16 индуктивности. В таком положении экрана 3 площадь поверхности одной из соединенных между собой катушек 13, 14 или 15, 16 индуктивности будет полностью перекрыта эк0 раном 3, а поверхность другой катушки индуктивности этой же пары будет полностью открыта.

При перемещении экрана 3 только по одной из координат (направлений катушек

5 13, 14 или 15, 16 индуктивности) во всем возможном диапазоне его перемещения сигналы на катушках индуктивности другой координаты не изменяются, т.к. не изменяется площадь их перекрытия экраном 3. Это

0 обеспечивается выполнением на экране 3 скошенных участков 5, одинаково ориентированных на обеих кольцевых пластинах 4 и 6 экрана 3 и выбором их длины, превышающей возможный диапазон перемещений эк5 рана 3. Таким образом, в преобразователе отсутствует влияние канала на канал формирователя сигналов. При изменении температуры окружающей среды произойдет изменение электропроводности экрана 3.

0 При повышении температуры электропроводность экрана 3 уменьшится, поскольку он выполнен из проводящего неферромагнитного материала, например, меди.

Конструкция данного преобразователя

5 позволяет обеспечить необходимую точность преобразования угловых перемещений по двум координатам в широком заданном диапазоне температур, что расширяет область использования преобразователя.

Формула изобретения Двухкоординатный преобразователь угловых перемещений, содержащий диэлектрический корпус, закрепленный консольно в его основании упругий стержень связи преобразователя с управляющим объектом, подпружинивающую его цилиндрическую пружину, ось которой совпадает с осью стержня, взаимодействующий со стержнем электропроводный неферромагнитный экран, размещенный соосно со стержнем и состоящий из двух пластин, которые имеют форму плоски колец с одинаковыми внеш- ними диаметрами, скошенных по внешним образующим в четырех взаимно перпендикулярных плоскостях, плоские кольца экрана расположены в параллельных плоскостях с воздушным зазором между ними и установлены перпендикулярно оси упругого стержня связи, и чувствительный к перемещениям экрана вихретоковый измеритель зазоров, включающий в себя блок электроники и четыре идентичные катушки индуктивности, установленные в диэлектрическом корпусе в общей плоскости, параллельной плоским кольцам экрана и под углом 90 одна к другой симметрично относительно оси упругого стержня, катушки индуктивности размещенные одна напротив другой, соединены попарно дифференциально и

5

0

5

30

подключены к соответствующему входу блока электроники, отличающийся тем. что. с целью повышения точности преобразования путем уменьшения аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности, он снабжен регулировочной шайбой с закрепленным на ней термочувствительным диэлектрическим кольцом, установленной в корпусе между его основанием и одной из кольцевых пластин экрана цилиндрической пружиной, э также четырьмя пластинчатыми пружинами, размещенными в пазах корпуса между его внутренней поверхностью и цилиндрическими участками поверхности этой же пластины экрана, ширина другой кольцевой пластины экрана, которая приклеена к термочувствительному диэлектрическому кол ь- цу должна быть не меньше диаметра одной катушки индуктивности, а толщина di одной и толщина d2 другой кольцевой пластины экрана выбираются из условия di+d2+h 0.5R, где R - радиус одной катушки индуктивности ah- расстояние между обеими пластинами экрана, величина которого h I а Д Т. где I - толщина термочувствительного диэлектрического кольца; а- температурный коэффициент линейного расширения материала кольца; AT - максимально-допустимое отклонение температуры кольца.

Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью повышение точности преобразования угловых перемещений в условиях больших колебаний температуры окружающей среды за счет одновременной компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности. Двухкоорди- натный преобразователь угловых перемещений содержит -электропроводный экран 3, который выполнен в виде двух пластин 4 -а и 6 толщиной соответственно di и 6г и расстоянием h между ними, удовлетворяющим соотношению di + d2 + h 0,5R, где R - радиус одной катушки индуктивности вих- ретокового измерителя рабочих зазоров. Пластина 6 экрана, выполненная в виде кольца со скошенными участками, жестко скреплена с термочувствительным диэлектрическим кольцом 9, имеющим толщину I и коэффициент линейного расширения а . Расстояние между пластинами экрана устанавливается с помощью шайбы 8 не меньшим, чем I Т, где Д Т - максимально допустимое изменение температуры, Под действием температуры изменяют толщины пластин 4, 6 и расстояние 7 между ними, что компенсирует возникшее изменение электропроводности этих пластин, вследствие чего изменение температуры не оказывает влияния на выходные напряжения дифференциально соединенных пар катушек 13-14 и 15-16 индуктивности преобразователя. 3 ил. + XI 00 ь. 00 со XI

12

A-S.

Фиг

Фиг.з