СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТАБИЛЬНОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТРАНСФОРМАТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
METHOD TO CONTROL STABILITY OF CONVERSION FACTOR FOR DIFFERENTIAL-TRANSFORMER CONVERTER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технике и научных исследованиях в ядерной, тепловой энергетике для измерения линейных размеров, перемещений, давления в средах с высокими температурами с помощью дифференциально-трансформаторных преобразователей (ДТП).
Важной технической характеристикой таких ДТП является мультипликативная погрешность - изменение чувствительности ДТП из-за изменения коэффициента преобразования (трансформации) ДТП. Основные источники этих погрешностей - высокие температуры рабочей среды, окружающей ДТП. Величина этой погрешности может быть значительной и не контролируемой (не определяемой) при больших диапазонах и скоростях изменения температуры среды, и в этом случае необходимы способы уменьшения температурной погрешности ДТП. Кроме того, при таких условиях эксплуатации ДТП велика вероятность потери им работоспособности. Поэтому не менее важная задача - определение работоспособного состояния ДТП, т.е. его коэффициента преобразования (трансформации) в процессе его эксплуатации, особенно в тех случаях, когда ДТП не возможно демонтировать из экспериментального устройства, например из активной зоны ядерного реактора, и протестировать или проверить ДТП на стенде.
Известен способ компенсации температурной погрешности чувствительности дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения, входящего в ИС [патент РФ №2144259, БИ №34, 1999 г.].
В этом способе результат достигается тем, что:
опт.
- выбирают любую необходимую из условий эксперимента или получения максимальной чувствительности частоту питания первичной обмотки ДТП в диапазоне от нуля до f;
- подбирают внутреннее сопротивление источника питания первичной обмотки ДТП таким, при котором на выбранной частоте питания температурная погрешность чувствительности ДТП будет равна нулю;
- питают первичную обмотку ИПП источником питания с выбранной частотой питания и подобранным внутренним сопротивлением;
- измеряют разность падений напряжений на вторичных обмотках.
Недостатком этого способа является не возможность контроля работоспособности ДТП в процессе его работы.
Недостаток этого способа обусловлен большой вероятностью потери ДТП работоспособного состояния при высокой температуре окружающей его среды, достигающей 300 и более градусов Цельсия. При потере работоспособности изменяется измеряемая разность падений напряжений на вторичных обмотках. Определить вызвано ли изменение измеряемой разности падений напряжений на вторичных обмотках измеряемым процессом либо обусловлены потерей ДТП работоспособного состояния часто невозможно. Контроль работоспособности ДТП в аналоге не предусмотрен. Поэтому вводят ограничения на температуру окружающей среды, при которой ДТП может работать. В результате этого сужается область применения ДТП.
Так, известен способ (K.ARA. A Differential Transformer with Temperature and Exitation - Independent Output. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MESUREMENT, Vol. IM-21, N3, p. 249-255 august 1972), состоящий в компенсации влияния температуры на характеристики ДТП путем формирования выходного сигнала в виде отношения разности падений напряжений на вторичных обмотках ДТП к их сумме. Питание ДТП осуществляется от стабилизированного источника напряжения или от источника тока, находящихся во вторичном преобразователе посредством линий связи, сопротивление которых на много меньше сопротивления обмоток ДТП.
1
2
Способ основан на допущениях, что вторичные обмотки ДТП полностью идентичны по своим геометрическим и электрическим параметрам; относительное перемещение сердечника много меньше единицы; изменения магнитной проницаемости сердечника с температурой незначительны; температурные изменения геометрии преобразователя пренебрежимо малы. В этом случае напряжения на вторичных обмотках U и U можно представить в виде двух независимых функций Н(Т, f, I) и F(x) таким образом,
где x - перемещение плунжера от центра первичной обмотки;
f - частота питания первичной обмотки;
I - сила тока в первичной обмотке;
Т - температура окружающей среды;
К - коэффициент, зависящий от конструкций преобразователя.
Тогда сформированный сигнал
вых
После произведенных алгебраических преобразований (сокращения дробей) видно, что U - функция только перемещения сердечника x и не зависит от температуры.
Недостаток этого способа в том, что при высоких температурах и действии ионизирующего излучения, допущения, приведенные выше, становятся некорректными. Появляется неконтролируемая зависимость чувствительности ДТП от температуры. Определить - вызвано ли изменение измеряемой разности падений напряжений на вторичных обмотках изменением чувствительности или измеряемым процессом либо обусловлены потерей ДТП работоспособного состояния - часто невозможно. Так как, чувствительность ДТП зависит и от коэффициента преобразования (трансформации) ДТП необходим контроль коэффициента преобразования (трансформации) ДТП, который отсутствует в прототипе.
Измерение коэффициента преобразования (трансформации) ДТП, т.е. его работоспособности в прототипе не производится. В этом случае вводят ограничения на температуру окружающей среды, при которой ДТП может работать. В результате этого сужается область применения ДТП.
Поэтому задача контроля работоспособного состояния ДТП в процессе его работы в жестких условиях окружающей среды является актуальной в технике изменений. Успешное ее решение позволяет расширить сферу применения таких преобразователей.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Для этого в способе контроля стабильности коэффициента преобразования дифференциально-трансформаторного преобразователя, включающем формирование выходного сигнала в виде отношения разности падений напряжений на вторичных обмотках дифференциально-трансформаторного преобразователя к их сумме - подбирают внутреннее сопротивление стабилизированного источника питания первичной обмотки ДТП таким, при котором на определенной частоте питания во всем температурном диапазоне работы ДТП сумма падений напряжений на вторичных обмотках U+U ДТП будет постоянна, при градуировке питают первичную обмотку ДТП этим источником, измеряют сумму падений напряжений на вторичных обмотках U+U дифференциально-трансформаторного преобразователя, фиксируют значение измеренной суммы на вторичных обмотках U+U, в процессе работы питают первичную обмотку ДТП стабилизированным источником питания с определенной частотой питания и подобранным внутренним сопротивлением, при необходимости контроля коэффициента преобразования (трансформации) в процессе работы измеряют сумму падений напряжений U+U на вторичных обмотках; сравнивают значение измеренной во время работы ДТП суммы падений напряжений U+U на вторичных обмотках со значением измеренной и зафиксированной суммый падений напряжений U+U на вторичных обмотках в процессе градуировки и делают заключение о работоспособности ДТП и стабильности его метрологических характеристик.
Стабильность метрологических характеристик и работоспособное состояние ДТП, при питании его стабилизированным источником синусоидального напряжения или тока, определяется стабильностью коэффициента преобразования (трансформации) ДТП.
1
2
1
2
1
2
Если напряжения на вторичных обмотках U и Uизменяются в процессе работы, а ДТП и ДТП исправен, то в идеальном случае U+U - есть константа, которая определяется коэффициентом преобразования (трансформации) ДТП. Таким образом, измеряя сумму напряжения на вторичных обмотках U+U в идеальном случае, можно судить о работоспособности и стабильности метрологических характеристик ДТП по коэффициенту преобразования (трансформации) ДТП.
В качестве источника питания первичной обмотки ДТП с определенным внутренним сопротивлением используется генератор синусоидального напряжения с регулируемой частотой, к выходу которого в цепь питания первичной обмотки последовательно включается резистор. Этот резистор вместе с генератором синусоидального напряжения с регулируемой частотой представляют собой, по отношению к первичной обмотки ДТП, стабилизированный источник питания первичной обмотки ДТП с внутренним сопротивлением, равном номиналу последовательно включенного резистора.
Работоспособность ДТП, при питании его стабилизированным источником синусоидального напряжения или тока, определяется стабильностью коэффициента трансформации (передачи) ДТП.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Если напряжения U и U изменяются в процессе работы и ДТП и ДТП исправен, то в идеальном случае U+U - есть константа, которая определяется коэффициентом трансформации (передачи) ДТП. Но так как U и U являются функциями различных переменных, в том числе температуры U=K×H(T, f, I)×F(x); U=К×H(T, f, I)×F(x), и, кроме того, вторичные обмотки ДТП не идентичны по своим геометрическим и электрическим параметрам; относительное перемещение сердечника не всегда много меньше единицы; изменения магнитной проницаемости сердечника с температурой бывают, значительны и при изменениях температуры изменения геометрии преобразователя не пренебрежимо малы, то U+U реально не равно константе, особенно при широком диапазоне температур среды, в которой работает ДТП.
1
2
Экспериментальные исследования, проводимые с ДТП различной конструкции, показали, что при питании ДТП от источника стабилизированного синусоидального напряжения с малым внутренним сопротивлением, т.е. от источника напряжения, сумма падений напряжений на вторичных обмотках U+U растет с ростом температуры и имеет вид, представленный на фиг. 1.
1
2
При питании ДТП от источника стабилизированного синусоидального напряжения с большим внутренним сопротивлением, т.е. от источника тока, сумма падений напряжений на вторичных обмотках U+U уменьшается с ростом температуры и имеет вид, представленный на фиг. 2.
1
2
1
2
Из разнонаправленной зависимости суммы падений напряжений на вторичных обмотках U+U от температуры ДТП при его питании источником стабилизированного синусоидального напряжения или тока следует, что существует источник стабилизированного синусоидального питания ДТП с конечным внутренним сопротивлением, при котором сумма падений напряжений на вторичных обмотках U+U ДТП на определенной частоте питания не будет зависеть от температуры, а будет постоянной величиной, если ДТП сохраняет работоспособное состояние.
1
2
В таком случае значение суммы падений напряжений на вторичных обмотках U+U можно использовать для контроля его работоспособного состояния и стабильности его метрологических характеристик по стабильности коэффициента преобразования (трансформации) ДТП.
1
2
Функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ, представлена на фиг. 3. Устройство содержит генератор синусоидальных импульсов (1), резистор R(2), ДТП (3), четырехканальный осциллограф (4) с функциями обработки сигналов (сложение, вычитание, СКВ значение и т.д.). U и U -  напряжения на вторичных обмотках ДТП.
1
2
Запитав ДТП от источника синусоидального напряжения с внутренним сопротивлением ,равном 200 Ом, получили небольшую зависимость суммы падений напряжений на вторичных обмотках U+U ДТП от частоты и температуры, представленную на фиг.4
1
2
1
2
На фиг. 5 представлены графики зависимости отклонения в процентах сумм падений напряжений на вторичных обмотках U+U ДТП при температурах 166°C и 289°C от суммы падений напряжений на вторичных обмотках U+U ДТП при температуре 19° частотах.
1
2
1
2
На графиках видно, что отклонения сумм падений напряжений на вторичных обмотках U+U ДТП при температурах 166°C и 289°C от суммы падений напряжений на вторичных обмотках U+U ДТП при температуре 19° в диапазоне частот 2÷5 кГц не превышает 0,3%. А на частотах ~2,3 кГц и 4,8 кГц практически равно нулю.
1
2
Таким образом, необходимо контролировать сумму падений напряжений на вторичных обмотках U+U ДТП, запитав его первичную обмотку от источника стабилизированного синусоидального напряжения с внутренним сопротивлением 200 Ом, на частотах 2,3 кГц или 4,8 кГц.
1
2
Если в процессе эксплуатации при различных температурах ДТП сумма падений напряжений на вторичных обмотках U+U будет постоянной, то можно считать, что коэффициент трансформации (передачи) ДТП не изменился и, следовательно, ДТП работоспособен, т.е. сохраняет свои метрологические характеристики.
1
2
При этом частота и внутреннее сопротивление источника синусоидального сигнала, подобранные для минимизации изменения сумма падений напряжений на вторичных обмотках U+U ДТП от температуры, могут не совпадать с частотой и внутренним сопротивлением источника синусоидального сигнала, подобранным как в аналоге для минимизации температурной погрешности чувствительности ДТП.
Контроль коэффициента трансформации (передачи) дифферениально-трансформаторного преобразователей при помощи подбора частоты и внутреннего сопротивления источника синусоидального напряжения питания ДТП не предусмотрен ни в аналоге, ни в прототипе. Следовательно, в аналоге и в прототипе отсутствует возможность контроля работоспособности ДТП в тех случаях, когда это необходимо. Поэтому предложенный способ расширяет область применения ДТП и улучшает его метрологические характеристики. Таким образом, можно сделать вывод о не очевидности данного предложения.