ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к техническим средствам измерительного преобразования перемещений в электрические сигналы с применением индуктивных датчиков. Она может быть использована в системах управления подвижными объектами, в технологическом оборудовании, содержащем контролируемые подвижные объекты. Известен преобразователь перемещений, содержащий блок считывания, который включает в себя дифференциальный индуктивный датчик с магнитопроводным якорем и двумя рабочими обмотками, а также две компенсационные обмотки и четыре резистора. Первая ветвь блока считывания образована последовательным соединением первой рабочей обмотки, первого резистора, второй рабочей обмотки, второго резистора; вторая ветвь блока считывания образована последовательным соединением первой компенсационной обмотки, третьего резистора, второй компенсационной обмотки, четвертого резистора. Преобразователь содержит также источник переменного напряжения с двумя выводами, один из которых соединен с первыми крайними выводами, а другой - со вторыми крайними выводами обеих ветвей блока считывания и с шиной нулевого потенциала. Кроме того, данный преобразователь включает в себя компаратор, одновибратор, два устройства выборки-хранения (УВХ) и блок деления.
Выводы второго резистора соединены со входами компаратора, прямой выход которого через одновибратор связан с управляющими входами первого и второго УВХ. Средний вывод первой ветви блока считывания подключен к информационному входу первого УВХ, а средний вывод второй ветви - к информационному входу второго УВХ. Выходы первого и второго УВХ подключены соответственно ко входам делимого и делителя блока деления [1]. Данный преобразователь обладает способностью компенсировать нерабочие изменения амплитуды и частоты переменного напряжения, питающего блок считывания.
Недостатком данного преобразователя является низкая точность и наличие соответствующей динамической погрешности, обусловленной накоплением расхождений между положением якоря в момент очередной выборки (дискретизации) считываемой первичной информации и его положением к моменту следующего акта выборки, потому что в междискретизационном временном промежутке с длительностью, определяемой периодом переменного питающего напряжения, уровень выходного сигнала преобразователя не обновляется.
Кроме того, данный преобразователь имеет ограниченную область применения, поскольку он не способен осуществлять измерение перемещений в разнозначных (положительном и отрицательном)
поддиапазонах и формировать соответствующие им выходные сигналы разной полярности.
По технической сущности наиболее близок к предлагаемому в настоящей заявке преобразователь перемещений, содержащий блок считывания, источник переменного напряжения, шину нулевого потенциала, компаратор, одновибратор, два УВХ, блок деления, вычитатель, источник опорного напряжения. Блок считывания, в свою очередь, содержит дифференциальный индуктивный датчик с магнитопроводным якорем и двумя последовательно включенными рабочими обмотками, образующими обмоточную пару, а также две последовательно включенные компенсационные обмотки и два резистора. С первым выводом источника переменного напряжения соединены первые крайние выводы соответственно обмоточной пары и пары компенсационных обмоток. Ко второму крайнему выводу обмоточной пары подключен один из выводов первого резистора и первый вход компаратора, а ко второму крайнему выводу пары компенсационных обмоток - один из выводов второго резистора. Другие выводы первого и второго резисторов связаны с шиной нулевого потенциала и вторым входом компаратора. Прямой выход компаратора через одновибратор связан с управляющими входами первого и второго УВХ. К информационному входу первого УВХ подключен средний вывод обмоточной пары датчика, а к информационному входу второго УВХ - средний вывод пары компенсационных обмоток. Выходы первого и второго УВХ связаны со входами соответственно делимого и делителя блока деления, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу уменьшаемого вычитателя, причем со входом вычитаемого вычитателя соединен выход источника опорного напряжения [2]. Как и вышеуказанное устройство-аналог [1], данный преобразователь способен компенсировать нерабочие колебания уровней амплитуды и частоты переменного напряжения, питающего блок считывания.
Недостатком данного преобразователя, принятого за прототип заявляемого технического решения, является низкая точность, обусловленная наличием значительной динамической погрешности преобразования перемещений. Эта погрешность проявляется при скоростном движении наблюдаемого объекта, к которому прикреплен якорь датчика, в каждом временном промежутке между моментами смежных выборок считываемых информативных сигналов; данный временной промежуток определяется длительностью периода переменного напряжения, питающего блок считывания. Здесь уровень выходного сигнала преобразователя привязан к моменту предыдущей выборки (дискретизации) и не учитывает изменений величины считываемых сигналов, происходящих за счет сдвигов якоря во время между смежными по времени выборками.
-4
-2
r
Так, при частоте питающего блок считывания переменного напряжения порядка (5...10)кГц (чему соответствует период Т порядка (10...2·10)с), скорости якоря υ=(5...10)см/с, диапазон преобразования ±x=±2,5 мм приведенная динамическая погрешность, вызываемая отклонениями якоря от положения, которое соответствовало моменту предыдущей выборки считываемых информативных сигналов, характеризуется значениями
∞
r
γ=υT/x=(0,2...0,8)%,
что имеет самой основной погрешности преобразователя в целом.
Техническим результатом является повышение точности преобразования перемещений за счет снижения динамической погрешности (при обеспечении компенсации нерабочих изменений амплитуды и частоты переменного напряжения, питающего блок считывания).
Технический результат достигается тем, что в преобразователь перемещений, содержащий блок считывания, источник переменного напряжения, шину нулевого потенциала, компаратор, первый одновибратор, блок деления, вычитатель и источник опорного напряжения, причем блок считывания включает в себя дифференциальный индуктивный датчик с якорем и двумя последовательно соединенными рабочими обмотками, образующими обмоточную пару, а также резистор, включенный последовательно с обмоточной парой, первый крайний вывод обмоточной пары подключен к первому выводу источника переменного напряжения и ко входу делителя блока деления, а ее второй крайний вывод - к первому входу компаратора и одному из выводов резистора, другой вывод которого вместе со вторым выводом источника переменного напряжения соединен с шиной нулевого потенциала и вторым входом компаратора, прямой выход компаратора подключен ко входу первого одновибратора, выход блока деления соединен со входом уменьшаемого вычитателя, а ко входу вычитаемого вычитателя подключен выход источника опорного напряжения, введен второй одновибратор, ко входу которого подключен инверсный выход компаратора, причем выходы первого и второго одновибраторов объединены между собой, средний вывод обмоточной пары подключен ко входу делимого, а объединенный выход первого и второго одновибраторов - к синхронизирующему входу блока деления.
Совокупность отличительных признаков заявляемого устройства способна обеспечить достижение технического результата, присущим настоящей полезной модели.
На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого преобразователя перемещений, на фиг.2 - функциональная схема блока деления, на фиг.3 - временные диаграммы формирования импульсов управления операциями
получения отношения информативного и компенсационного считываемых сигналов.
Преобразователь перемещений (фиг.1) содержит блок 7 считывания, источник 2 переменного напряжения, шину 3 нулевого потенциала, блок 4 деления, вычитатель 5, источник 6 опорного напряжения, компаратор 7, первый 8 и второй 9 одновибраторы. Блок 7 включает в себя якорь 10, первую 77 и вторую 72 рабочие обмотки, последовательное соединение которых образует обмоточную пару, а также резистор 13; якорь 10 и обмоточная пара образуют дифференциальный индуктивный датчик. Якорь 10 прикреплен к контролируемому подвижному объекту (не показан).
Первый крайний (левый по фиг.1), средний и второй крайний (правый) выводы обмоточной пары помечены на схеме фиг.1 символами соответственно а, b, с, объединения выходов первого 8 и второго 9 одновибраторов - через d.
Резистор 13 включен с обмоточной парой блока 7 последовательно. Средний вывод Ь обмоточной пары подключен ко входу делимого блока 4. Первый (правый по фиг.1) вывод источника 2 соединен с первым крайним выводом d обмоточной пары, а также со входом делителя блока 4.
Выход блока 4 связан со входом уменьшаемого, а выход источника 6 - со входом вычитаемого вычитателя 5, выход которого является в то же время общим выходом преобразователя перемещений. Второй крайний вывод с обмоточной пары, подключенный к одному из выводов (правому по фиг.1) резистора 13, соединен также с первым (верхним по фиг.1) входом компаратора 7, а другой (левый по фиг.1) вывод резистора 13 соединен со вторым (правым по фиг.1) выводом источника 2, шиной 3 и вторым (нижним по фиг.1) входом компаратора 7. Прямой (верхний по фиг.1) выход компаратора 7 соединен со входом первого одновибратора 8, а инверсный (нижний) выход компаратора 7 - со входом второго одновибратора 9. Выходы одновибраторов 8, 9 соединены между собой, а также с синхронизирующим входом блока 4.
Блок 4 (фиг.2) состоит из повторителя - инвертора 14, устройства выборки-хранения (УВХ) 15, формирователя 16 отношения напряжения к коду, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 17 и входного усилителя 15. АЦП 17 имеет выход 19 двоичного кода уровня (абсолютной величины) его входного напряжения и выход 20 знакового разряда, отображающего знак данного входного напряжения АЦП 17.
Информационный вход повторителя - инвертора 14 и вход усилителя 18 являются в то же время входами соответственно делимого и делителя блока 4 в целом, а соединенные между собой управляющий вход УВХ 15 и вход синхронизации АЦП 17 представляют собой общий вход синхронизации блока 4. Выход повторителя - инвертора 14 соединен с информационным входом УВХ 15, выход которого подключен к
аналоговому входу формирователя 16. Выход 20 АЦП 17 связан с управляющим входом повторителя - инвертора 14, а выход 19 АЦП 17 подключен к кодовому входу формирователя 16.
Выполнение повторителя - инвертора 14 представлено в описании известного преобразователя перемещений в код [3] (позиция 16, фиг.2) Формирователь 16 представляет собой известную схему включения цифроаналогового преобразователя в цепь обратной связи операционного усилителя [4, с.234-235, рис.9.4, б]; указанная схема реализует режим деления (с известным коэффициентом пропорциональности) величины напряжения, подаваемого на ее аналоговый вход, на значение кода, поступающего по ее кодовому входу. Выполнение АЦП 17 с выходным параллельным двоичным кодом также достаточно хорошо известно [4, с.239-251]; очередной рабочий акт АЦП 17 запускается синхроимпульсом, поступающим по соответствующему входу синхронизации блока 4. Усилитель 18 предназначен для нормализации уровней переменных напряжений, поступающих на вход делителя блока 4. Ниже для определенности представлено использование АЦП 17 с двузначным входным диапазоном преобразуемых напряжений (имеет поддиапазоны отрицательных и положительных значений), а также использование усилителя 18, работающего в режиме инвертора (с отрицательным коэффициентом преобразования).
Заявляемый преобразователь работает следующим образом.
П
m
Электрическая ветвь блока 7, состоящая из обмоточной пары дифференциального индуктивного датчика и резистора 13, залитывается от источника 2 переменным напряжением u с амплитудой U периодом Т:
П
m
u=Usinωt,
где ω=2π/Т - круговая частота; Т- время.
1
2
r
Изменения координаты Х якоря 10 дифференциального индуктивного датчика, отсчитываемой вдоль оси измеряемых перемещений х, вызывают разнозначные приращения индуктивностей L, L соответственно первой 11 и второй 12 рабочих обмоток. В пределах ±x диапазона преобразователя перемещений такие разнозначные приращения следующим образом влияют на величины данных индуктивностей:
1
δ
2
δ
L=-λX+L, L=λX+L,
δ
0
0
где λ - крутизна изменения индуктивности рабочей обмотки, вызываемого изменением положения якоря 10 на оси х; L - балансная индуктивность рабочей обмотки, соответствующая нулевому значению координаты Х. При движении якоря 10 со скоростью υ от начального положения Х координата Х определяется суммой (Х+υt).
Суммарная индуктивность обмоточной пары
1
2
δ
L+L=2L,
1
2
в отличие от ее составляющих L, L, функцией координаты Х и скорости υ не является.
В электрической ветви блока 1 протекает переменный ток
m
i=Isin(ωt-φ)
m
П
с амплитудой I и фазовым сдвигом относительно переменного напряжения u, составляющим φ=arctgQ;
1
2
1
2
Q=ω(L+L)/(r+r+R),
1
2
где r, r - активные сопротивления соответственно первой 11 и второй 12 рабочих обмоток; R - активное сопротивление резистора 13,
m
m
1
2
2
1/2
I=U/((r+r+R)(Q+1))
Величины выходных переменных напряжений блока 1 - считываемых сигналов, снимаемых с выводов а, b, с отсчитываются относительно нулевого потенциала шины 3.
С первого крайнего вывода а обмоточной пары снимается компенсационный считываемый сигнал - напряжение
a
1
2
1
2
1
2
u=(L+L)i'+(L+L)'i+(r+r+R)i,
m
где i'=di/dt=ωIcos(ωt-φ);
1
2
1
2
δ
(L+L)'=d(L+L)/dt=d(2L)/dt=0,
то есть
a
δ
1
2
u=2Li'+(r+r+R)i.
Co среднего вывода b обмоточной пары снимается информативный считываемый сигнал - напряжение
в
2
2
2
u=Li'+L'i+(r+ R)i,
2
2
0
б
где L=dL/dt=d(λ(X+υt)+L/dt=λυ,
то есть
в
δ
2
u=(λХ+L)i'+(λυ+r+R)i.
c
Co второго крайнего вывода с обмоточной пары снимается управляющий считываемый сигнал - напряжение u=Ri.
c
7
c
7
c
Состояние выходов компаратора 7 определяется уровнем сигнала u, поступающего на его первый вход; на втором входе компаратора 7 постоянно поддерживается нулевой потенциал шины 3. Если напряжение и, положительно, то на прямом выходе компаратора 7 выделяется сигнал u высокого уровня U, соответствующего логической единице; в противном случае (отрицательного или нулевого значения и) на прямом выходе компаратора 7 выделяется сигнал u нулевого уровня, соответствующего логическому нулю (фиг.3). Для тех же полярностей сигнала u на инверсном выходе компаратора 7 выделяются: при
c
c
7
положительных значениях u - нулевой уровень выходного сигнала , соответствующий логическому нулю; при отрицательных или нулевом значениях u - высокий уровень U выходного сигнала u, соответствующий логической единице.
7
c
c
Любой из одновибраторов 8-9 генерирует выходной импульс малой длительности Δτ≪T [2] при воздействии на вход данного одновибратора положительного перепада (от нулевого к высокому уровню) его входного сигнала: для первого 8 одновибратора - напряжения u; для второго 9 одновибратора - напряжения . Такие перепады имеют место на выходах компаратора 7 при прохождении напряжения u - и, соответственно, тока i=u/R - через нулевое значение.
7
2k-1
П
2к
Положительные перепады напряжения u на прямом выходе компаратора 7 возникают в моменты времени t, (к - целочисленный индекс наблюдаемого периода напряжения u), соответствующие нулевому значению тока i и положительному значению его временной производной i', а положительные перепады напряжения  на инверсном выходе компаратора 7 возникают в моменты времени t, соответствующие нулевому значению тока i и отрицательному значению его временной производной i'.
2k-1
2к
В моменты t, t инициируется формирование выходных импульсов соответственно первого 8 и второго 9 одновибраторов:
С объединенного в точке d выхода первого 8 и второго 9 одновибраторов на синхронизирующий вход блока 4 поступают импульсные сигналы
8
9
они следуют друг за другом с интервалами длительностью Т/2 - вдвое чаще, чем сигналы отдельно берущихся последовательностей u, u, то есть
П
где (l - целочисленный индекс наблюдаемого полупериода напряжения u; l=1,...,2к-1, 2к,....
l
Моменты t определяются, исходя из равенства нулю величины тока i, по условию
1
i=0, sin(ωt-φ)=0,
откуда следует, что
l
СМ
t=(π(l-1)+φ)/ω)=π(l-1)/ω+t,
СМ
П
СМ
1
где t=φ/ω) - временное смещение между прохождениями тока i и напряжения u через нулевое значение при одинаковости знаков их временных производных. В частности, при l=1 имеет место равенство t=t (фиг.3). Кроме того, равенство
l
ωt-φ=π(l-1)=0
1
m
1
m
при l=1 предполагает положительность временной производной тока i'(t)=ωIcos(ωt-φ)=ωIcos0>0.
d
в
a
Во время действия импульсов u информативный u и компенсационный u считываемые сигналы имеют следующие значения:
в
l
2
l
2
l
m
2
l
m
δ
u(t)=Li'(t)+(λυ+r+R)i(t)=ωILcos(ωt-φ)=ωI(λХ+L)cosπ(l-1);
a
l
δ
l
1
2
l
m
δ
l
m
δ
u(t)=2Li'(t)+(r+r+R)i(t)=2ωILcos(ωt-φ)=2ωILcosπ(l-1), причем
a
в
u>0, u>0 при cosπ(l-1)=1,
a
в
u<0, u<0 при cosπ(l-1)=-1.
a
Переменное напряжение u инвертируется и, с целью введения в границы входного диапазона АЦП 17, изменяется по уровню усилителем 18, на выходе которого вырабатывается сигнал
18
18
a
u=ku,
18
где к<0 - коэффициент преобразования усилителя 18.
18
19
d
Абсолютная величина сигнала u на выходе 19 представляется в виде параллельно двоичного кода N, формируемого в темпе поступления импульсов u на синхронизирующий вход блока 4. С точностью до малого значения Ли цены младшего кодового разряда
Состояние выхода 20 определяется состоянием знакового разряда АЦП 17, которое, в свою очередь, соответствует знаку напряжения, преобразуемого усилителем 18:
14
Знак коэффициента преобразования к повторителя-инвертора 14 определяется в зависимости от уровня выхода 20 (аналогично известному условию [3]):
что с учетом
a
l
m
δ
m
δ
u(t)=2ωILcosπ(l-1), 2ωIL>0
эквивалентно соотношению
14
k=-cosπ(l-1).
Выходное напряжение повторителя - инвертора 14 имеет вид:
14
14
в
2
m
2
u=ku=-cosπ(l-1)(ωLIcos(ωt-φ)+(λυ+r+R)sin(ωt-φ)).
П
l
На выходе УВХ 15 в пределах длительности каждого полупериода напряжения u с привязкой к моментам t формируется сигнал
15
14
l
14
в
l
m
2
m
δ
2
u=u(t)=Ku(t)=-cosπ(l-1)ωIL=-ωI(λX+L).
15
19
Формирователь 16 реализует функцию получения отношения аналогового делителя u к двоичному коду N и выделяет на своем выходе (он же - выход блока 4 в целом) напряжение
16
4
m
15
19
Г
m
2
18
δ
m
M
δ
δ
u=u=-Nu/N=UωIL/(2|k|ωLI)=U(λX+L)/L
m
r
m
где N - максимальное значение выходного кода АЦП 17, которому соответствует соответствующий уровень выходного сигнала усилителя  18 U=NΔu;
M
Г
18
U=0,5U/|k| - масштабный коэффициент операции деления.
14
18
П
В результате периодического изменения знака у коэффициента k сигнал u, вырабатываемый УВХ 15 в каждом полупериоде напряжения u, не изменяет своей полярности и не создает соответствующих значительных перепадов напряжения на аналоговом входе формируется 16, что устраняет возможную неопределенность на его выходе во время действия импульсов, которые управляют дискретизацией, производимой УВХ 15.
6
M
Источник 6 вырабатывает постоянное напряжение, установленное равным значению u=U, и на выходе вычитателя 5, представляющим собой и общий выход заявляемого устройства формируется сигнал
5
ВЫХ
5
4
6
5
M
δ
ПР
u=u=k(u-u)=kU(l/L)Х=КХ,
5
где к - масштабный (весовой) коэффициент операции вычитания; данный коэффициент является параметром вычитателя 6 [4, с.27-30, рис.1.9, а, 1.10, а];
ПР
5
M
δ
K=kU(λ/L) - общий коэффициент преобразования перемещений, реализуемого предлагаемым устройством.
ВЫХ
П
Сигнал u пропорционален измеряемой координате якоря 10 и, вместе с ним, координате подвижного контролируемого объекта, причем его уровень не зависит от нерабочих колебаний амплитуды и частоты переменного напряжения u, питающего блок 4, то есть предлагаемое
устройство в той же мере, что и его прототип, нейтрализует указанные нерабочие колебания.
Сравнительно с устройством - прототипом [2] (и устройством - аналогом [1]) заявленное устройство характеризуется значительным снижением динамической погрешности преобразования перемещений. Это обусловлено реализацией заявленного устройства с использованием нововведенных признаков его построения, что обеспечило преобразование с повышенной в два раза частотой дискретизации считываемых измерительных сигналов.
k
k+1
r
l+1
l
Если для устройства - прототипа приведенная динамическая погрешность из-за накапливания отклонений якоря дифференциального индуктивного датчика от положения, соответствующего моменту предыдущей выборки t, к моменту следующей выборки t определяется длительностью Т периода переменного напряжения, питающего блок считывания, и составляет величину  то для заявляемого устройства с тем же диапазоном преобразования (±х) погрешность данного вида определяется применительно к вдвое меньшему междискретизационному интервалу t-t=Т/2 и выражения как
То есть динамическая погрешность преобразования перемещений обусловлена отклонениями якоря дифференциального индуктивного датчика от положения, соответствующего моменту предыдущей выборки считываемых измерительных сигналов, в пределах междискретизационного интервала, для заявленного устройства снижена вдвое сравнительно с погрешностью данного вида, характеризующей устройство - прототип. Так, для указанных во вступительной части настоящего описания значений частоты переменного питающего напряжения порядка (5...10) кГц, скорости якоря порядка (5...10) см/с, диапазона преобразуемых перемещений ±2,5 мм значения погрешности указанного вида, характеризующие действия предлагаемого устройства, составляют (0,1...0,4)% против уровней (0,2...0,8)%, характеризующих действие устройства - прототипа, причем такое повышение точности достигается путем реализации нововведенной совокупности признаков заявляемого устройства.