Устройство для преобразования углового перемещения в фазу электрического сигнала Советский патент 1993 года по МПК G01B7/30 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений различных объектов.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема поворотного трансформатора; на фиг. 2 -электрическая схема устройства для преобразования углового перемещения в фазу электрического сигнала; на фиг. 3 и 4 показана структура формирователя питающего сигнала: компаратор фазы и питающий генератор, управляемый по частоте.

Устройство для преобразования угловых перемещений в фазу электрического сигнала представляет собой замедляющую

систему и содержит цилиндрический каркас 1 из диэлектрического материала, выполненную на нем первичную обмотку 2, состоящую из секций, включенных последовательно и размещенных на поверхности каркаса 1 по образующим цилиндра на боковой поверхности и по диаметру на верхнем и нижнем основании с шагом по углу. Внутри каркаса 1 расположен ротор 3. связываемый в процессе измерения посредством вала 4 с контролируемым объектом. На роторе размещена вторичная обмотка 5, выполненная односекционной, рамочного типа. Выводы вторичной обмотки 5 через полость вала 4 подсоединены к зажимам 6 (металлическим кольцам). К крайним выводам секций первичной обмотки 5

00

ю VJ

СЛ СО

VI

могут быть дополнительно подключены емкостные элементы 7. Выводы 8 и 9 обмотки возбуждения подключены к формирователю питающего сигнала, состоящего из питающего генератора 10, управляемого напряжением и компаратора фазы 11. управляющего частотой генератора 10. Один вывод 8 первичной обмотки 2 соединен с выходом питающего генератора 10, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора фазы 11, один вход которого присоединен к началу, выводу 8, первичной обмотки 2,нагруженной на согласующее сопротивление ZH, примерно равное ее волновому сопротивлению, а другой вход - к концу, выводу 9, первичной обмотки выходу питающего генератора 10 и входу измерителя 12 разности фаз, информационный вход которого подключен ко вторичной обмотке 5.

Компаратор фазы 11 может быть выполнен, например, в виде двух компараторов 13 и 14 сигналов, входы которых соединены с выводами 8, 9 первичной обмотки 2, а выходы являются первыми входами вентилей 15, 16 и 17, 18 соответственно. Вторые входы вентилей 16, 15, 17, 18 подключены к прямым и инверсным выходам соответственно первого 19 и второго 20 триггеров, входы установки в логическую 1 и О которых соединены с выходами вентилей 15, 18, 17, 16, причем прямые выходы триггеров также подключены к управляющим входам коммутатора аналоговых сигналов 21, аналоговые входы которого подключены к разнополяр- ным опорным напряжениям, а выход к входу интегратора 22, выход интегратора 22 соединен с управляющим выходной частотой входом питающего генератора 10, который в свою очередь реализован, например, в виде генератора управляемого напряжением 23, компаратора 24, счетчика 25. соединенных последовательно, коммутатора аналоговых сигналов 26, управляющий вход, которого подключен к выходу счетчика 25. а аналоговый вход - к выходу генератора 23, выход коммутатора 26 подсоединен к входу усилителя мощности 27, выход которого является выходом питающего генератора 10.

Устройство работает следующим образом.

Электрический сигнал, поступающий с выхода питающего генератора 10 на вывод 8 первичной обмотки 2, генерирует волну тока заданной формы, которая в момент появления сигнала начинает распространяться по обмотке датчика с фазовой скоростью, определяемой реактивными параметрами цепи первичной обмотки. Изменение фазы тока обмотки относительно входного сигнала на секцию первичной обмотки эквивалентно временному сдвигу At, поэтому ЭДС. наводимая током обмотки возбуждения в измерительной обмотке будет пропорциональна величине

Us Us 2) sln(w(t +Atk)

k 0

cos{(k-V)A$.(1)

где Us. Ue - мгновенное и амплитудное значение напряжений на выводах поворотного трансформатора;

w - круговая частота питающего тока;

к 0,1,2п - номер секции обмотки

возбуждения;

а, Да - абсолютный угол и шаг, по углу, расположения секции первичной обмотки;

р/Аа; р - угол поворота ротора.

Напряжение с зажимов 6 вторичной обмотки 5 поступает на вход измерителя разности фаз 12, а с вывода 9 первичной обмотки 2 на вход компаратора 13 компаратора фазы 11, на другой компаратор 14 которого подается сигнал с выхода питающего генератора 10. Пороги срабатывания компараторов выбраны таким образом, что компаратор 13 выдает напряжение высокого уровня в момент окончания сигнала на выводе 8 первичной обмотки и остается в этом состоянии, а компаратор 14 - в момент появления сигнала на выводе 9 первичной обмотки и возвращается в состояние низкого уровня при окончании последнего. Начало цикла измерения определяется моментом появления питающего сигнала на выводе 8 первичной обмотки 2, конец - положительным фронтом компаратора, который срабатывает последним.

Цифровые сигналы с компараторов 13 и 14 через вентили 15-18 поступают на триггеры 19,20, срабатывающие по положительному фронту. Поэтому, если сигнал на выходе первичной обмотки появится раньше, чем произошло окончание возбуждающего сигнала, компаратор 14 выдаст активный фронт раньше компаратора 13. Этот сигнал, пройдя через разрешенный напряжением логической 1 (с инверсного выхода триггера 19) вентиль 18, подключит посредством коммутатора 21, например, положительное напряжение на вход интегратора 22. Изменение напряжения на выходе интегратора будет происходить до момента срабатывания компаратора 13, сигнал с выхода которого через вентиль 16, разрешенный логической 1 с прямого выхода триггера 20, установит последний в исходное состояние, а состояние триггера 19 не изменится.

Если раньше сработает компаратор 13, то произойдет аналогичное переключение триггера 19 и на вход интегратора будет подано отрицательное напряжение.

Сигнал с выхода интегратора поступает на управляющий вход питающего генератора 10 и осуществляет подстройку его частоты в соответствии с соотношением

wAt Aa .(2)

Секции первичной обмотки включены последовательно и распределены по окружности каркаса с угловым шагом

Ла тя/(п +1).(3)

где т 1,2,...;

п - число секций.

Поэтому окончательное выражение примет вид

us у Us sin (ft)t ) .(4)

Следовательно, фаза напряжения в из- мерительной обмотке, обусловленная потоком индукции обмотки возбуждения, линейно зависит от угла поворота ротора.

Выражение (4) справедливо в случае отсутствия в первичной обмотке 2 отражен- ных волн, что обеспечивается работой питающего генератора 10 следующим образом. Выходной сигнал генератора 23 преобразуется в цифровой с помощью компаратора 24 и поступает на счетчик 25. который посредством управления коммутатором 26 обеспечивает формирование выходного сигнала стробируемого генератора 10 в виде отрезка синусоиды. Длительность запирающего коммутатор состояния счет- чика 24 выбирается из условия затухания отраженных волн, возникающих после окончания цикла измерения. Таким образом, на время цикла измерения сигнал, распространяющийся по первичной обмотке, явля- ется падающей волной тока. Поскольку для падающей волны справедливо соотношение

),(5)

где /3- волновой коэффициент или фазовая постоянная;

УФ - фазовая скорость.

или ft ( До/Д t).

(6)

5

10

15

20

5 0 5 0

5

0

где I - коэффициент,определяемый размерами поворотного трансформатора, то выполнение (2) означает ft const.

Из этого следует независимость фазы ЭДС, наведенной во вторичной обмотке, от электрических параметров датчика, напряжения источника питающего сигнала, несинусоидальности его выходного сигнала и дрейфа этих параметров от воздействия внешних дестабилизирующих факторов. Кроме того.при увеличении частоты возбуждающего сигнала возможно снижение габаритов и веса устройства.

Формула изобретения Устройство для преобразования углового перемещения в фазу электрического сигнала, содержащее поворотный трансформатор, питающий генератор переменного тока, присоединенный одним выводом к началу первичной обмотки трансформатора, шину нулевого потенциала, к которой присоединен второй вывод питающего генератора, симметрирующее сопротивление и подключенный к выводам вторичной обмотки трансформатора измеритель разности фаз, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен компаратором фазы, один вход которого присоединен к началу, а второй - к концу первичной обмотки трансформатора, питающий генератор выполнен с управляющим его выходной частотой входом, к которому присоединен выход компаратора фазы, а поворотный трансформатор выполнен в виде размещенной на ферромагнитном роторе сосредоточенной вторичной обмотки рамочного типа, размещенной на диэлектрическом каркасе, охватывающем ротор, первичной обмотки, которая состоит из последовательно соединенных k секций с токоотводами, распределенными по окружности каркаса с постоянным угловым шагом Да m л/п + 1, где m - целое число, и п конденсаторов, каждый из которых присоединен между токоотводом от соответствующей секции первичной обмотки и шиной нулевого потенциала, а симметрирующее сопротивление присоединено к концу последней секции первичной обмотки

.

- t /

., V

Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью повышение точности устройства для преобразования углового перемещения в фазу электрического сигнала, которое содержит поворотный трансформатор, первичная обмотка которого выполнена из п последовательно соединенных секций с токоотводами, к которым присоединены конденсаторы для образования замедляющей системы, а вторичная обмотка выполнена сосредоточенной в виде рамки и размещена на ферромагнитном роторе, предназначенном для связи с контролируемым объектом. Благодаря конечному времени распространения по первичной обмотке трансформатора электрического сигнала, имеющего частоту, линейно связанную с фазовой скоростью его распространения по этой обмотке, изменяется сдвиг фазы сигнала, наводимого во вторичной обмотке трансформатора, относительно фазы питающего напряжения на его первичной обмотке. 4 ил, w Ё

fe.Ј

.ЗСоставитель Е.Скоробогатов

Редактор С.КулаковаТехред М.МоргенталКорректор М.Петрова

Заказ 2352ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Лее./

#(/

9ul.f