РАСТРОВЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В КОД

Предлагаемая полезная модель относится к области автоматики и информационно-измерительной техники и может быть использована для измерения линейных и угловых перемещений.
Известны растровые трансформаторные датчики перемещения и преобразователи перемещения в код на их основе, в которых реализован амплитудно-логический метод обработки выходных сигналов датчика [1]. Их общим недостатком является низкая информационная надежность из-за отсутствия самодиагностики и сильного влияния помех.
Из известных наиболее близким по технической сущности является преобразователь перемещение-код, использованный в четырехканальном универсальном электронном блоке (Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский М.Л. Электромагнитные датчики механических величин - М.: Машиностроение, 1987, стр.228-231). Его схема приведена на фиг.1. На фиг.2 показан общий случай сопряжения двух параллельных растровых решеток для пояснения принципа работы растрового трансформаторного датчика перемещения. На фиг.3 приведена диаграмма изменения амплитуд напряжений на обмотках считывания растрового трансформаторного датчика при перемещении подвижного элемента относительно основания.
Электронный блок (фиг.1) содержит устройство контроля целостности линии связи 1, четыре растровых трансформаторных датчика 2, 3, 4 и 5 обмотки считывания которых подключены, соответственно, к четырем измерительным каналам 6, 7, 8 и 9, устройство диагностики 10, выход которого соединен с входами измерительных каналов, и устройство 11 питания датчиков. В состав каждого из измерительных каналов 6, 7, 8 и 9 входят последовательно включенные амплитудно-логическое устройство 12, дешифратор позиционного кода 13, формирователь импульсов счета 14, реверсивный счетчик 15 и цифро-аналоговый преобразователь 16.
Устройство диагностики 10 содержит генератор таковой частоты 17 и ключ 18, соединенные через схему И 19, счетчик 20 и дешифратор 21 с управляющим входом аналогового ключа 22, коммутирующего выходные сигналы трансформатора 23. Первичная обмотка трансформатора 23 соединена с выходом устройства 11 питания датчиков 2, 3, 4 и 5. Устройство 11 питания датчиков в свою очередь состоит из генератора линейно изменяющегося напряжения 24, преобразователя напряжение-ток 25, усилителя-корректора 26, нагруженного на резистор 27, и формирователя импульсов опроса 28.
1
1
2
2
Работа растровых трансформаторных датчиков основана на сопряжении двух растровых решеток. Штрихи первой решетки (фиг.2) нанесены под углом φ к оси абсцисс с шагом, равным λ, а штрихи второй - под углом φ и имеют шаг λ. Точки пересечения решеток формируют комбинационные полосы, которые представляют собой семейство параллельных прямых с шагом т. Таким образом формируется шкала с ценой деления τ. В датчике одна из решеток образована неподвижным зубчатым ферромагнитным основанием (статором), а вторая - подвижным зубчатым ферромагнитным элементом (ротором). В пазах основания уложены секции обмоток считывания и возбуждения.
Магнитный поток, развиваемый секциями обмоток возбуждения, замыкается между статором и ротором через зубцовый зазор, пересекает обмотки считывания и наводит в них ЭДС, величина которой пропорциональна магнитной проводимости участков магнитной цепи, образованной основанием, подвижным элементом и воздушным зазором между их зубцами. Магнитная проводимость зависит от площади взаимного перекрытия зубцов. При изменении взаимного расположения зубцов основания и подвижного элемента датчика образуется комбинационное растровое сопряжение, что приводит к изменению выходных сигналов на обмотках считывания. Закон изменения амплитуд выходных сигналов на обмотках считывания при перемещении подвижного элемента относительно
основания на величину х - синусоидальный. На фиг.3 показан случай для датчика с четырьмя обмотками считывания и, соответственно, четырьмя напряжениями на них - U1, U2, U3 и U4. Период Т изменения амплитуды напряжения соответствует одному шагу зубцового сопряжения. Период Т разбивается на ряд зон (на фиг.3 их восемь З1,..., З8) с шагом растрового сопряжения. Зоны отличаются друг от друга соотношением значений амплитуд напряжений на обмотках считывания. Например, в зоне З3 (на фиг.3 заштрихована) U2>U3>U1>U4.
Электронный блок работает следующим образом. В устройстве 11 питания датчиков генератор 24 вырабатывает линейно изменяющееся напряжение. С помощью преобразователя 25 и усилителя-корректора 26 оно преобразуется в ток треугольной формы для питания первичных обмоток датчиков 2, 3, 4 и 5. В обмотках считывания датчиков появляются напряжения прямоугольной формы за счет интегрирования в датчике треугольного тока питания. Амплитуды этих напряжений зависят от взаимного расположения в датчиках неподвижного зубчатого ферромагнитного основания и подвижного зубчатого ферромагнитного элемента, а именно от площади взаимного перекрытия зубцов. Формирователь импульсов опроса 28 формирует импульс в момент ожидаемого максимума напряжений в обмотках считывания датчиков. По этому импульсу устройства сравнения в составе амплитудно-логического устройства 12 производят попарно сравнение амплитуд напряжений в обмотках считывания каждого из датчиков. В результате сравнения на выходах устройств сравнения амплитудно-логического устройства 12 появляются сигналы логического нуля или единицы. Дешифратор позиционного кода 13 преобразует выходную кодовую комбинацию амплитудно-логического устройства 12 в трехразрядный двоичный код, соответствующий взаимному расположению неподвижного зубчатого ферромагнитного основания и подвижного зубчатого ферромагнитного элемента. Формирователь импульсов счета 14 выдает импульсы на
реверсивный счетчик 15 при переходе от одной зоны к другой, то есть когда код в дешифраторе 13 изменяется. Реверсивный счетчик 15 осуществляет пересчет импульсов формирователя 14. Цифро-аналоговый преобразователь 16 преобразует выходной код счетчика 15 в напряжение постоянного тока для обеспечения возможности работы с аналоговыми регистрирующими системами.
Устройство контроля целостности линии связи 1 проверяет линии связи обмоток датчиков 2, 3, 4 и 5 с измерительными каналами 6, 7, 8 и 9. В случае обрыва одной из линий выдается сигнал «Обрыв». Устройство диагностики 10 периодически подключается для проверки работоспособности измерительных каналов 6-9 при отключении датчиков или в том случае, когда отсутствует возможность задания перемещения (датчики установлены на изделии). С помощью ключа 18 на выходе устройства диагностики 10 можно получить различные комбинации амплитуд напряжений, соответствующие выходным напряжениям датчиков в различных положениях.
Недостатком известного растрового трансформаторного преобразователя перемещение-код является низкая метрологическая надежность, так как наименее надежный элемент системы - трансформаторный датчик, который должен быть установлен непосредственно в месте измерения и работает в наиболее тяжелых условиях по температуре и вибрациям, не подвергается диагностике в процессе работы и, кроме того, диагностика преобразователя не может проводиться непрерывно в процессе работы. На сравнения входных напряжений обмоток датчика и, следовательно, на результат преобразования сильное влияния оказывают помехи, что также снижает метрологическую надежность.
Заявляемая полезная модель направлена на устранение указанных недостатков. Это достигается тем, что в растровый трансформаторный преобразователь (преобразователь) перемещение-код, содержащий дешифратор позиционного кода, выход которого соединен с входом
реверсивного счетчика, и источник тока, соединенный с входом формирователя импульсов опроса и первичной обмоткой растрового трансформаторного датчика перемещения, вторичные обмотки которого подключены к амплитудно-логическому устройству, вход синхронизации которого соединен с выходом формирователя импульсов опроса, введены схема контроля напряжений, соединенная по входу с вторичными обмотками датчика, а по выходу с управляющим входом формирователя импульсов опроса, и счетчики импульсов, соединенные по входам обнуления с выходом формирователя импульсов опроса и включенные между выходами амплитудно-логического устройства и входами дешифратора позиционного кода.
На фиг.4 представлена структурная схема предлагаемого преобразователя перемещения в код, а на фиг.5 - временная диаграмма его работы. Преобразователь содержит источник тока питания 1 растрового трансформаторного датчика перемещения 2, генератор импульсов опроса 3, схему контроля напряжений 4, амплитудно-логическое устройство 5, счетчики импульсов 6, количество которых равно числу выходов амплитудно-логического устройства 5 и зависит от количества вторичных обмоток датчика 2, дешифратор позиционного кода 7 и реверсивный счетчик 8. Выход источника тока питания 1 соединен с первичной обмоткой растрового трансформаторного датчика перемещения 2 и входом генератора импульсов опроса 3. Выход генератора импульсов опроса 3 соединен с входом синхронизации амплитудно-логического устройства 5 и входами обнуления счетчиков импульсов 6. К обмоткам считывания датчика 2 подключены схема контроля напряжений 4, соединенная по выходу с управляющим входом формирователя импульсов опроса, и амплитудно-логическое устройство 5. Выходы амплитудно-логического устройства 5 соединены через счетчики импульсов 6 с дешифратором позиционного кода 7, а выход последнего - с реверсивным счетчиком 8. Все устройства, входящие в преобразователь перемещения в код, могут быть реализованы
также, как в прототипе в виде отдельных функциональных блоков. Возможна также реализация некоторых узлов, например генератора импульсов опроса 3, схемы контроля напряжений 4, амплитудно-логического устройства 5, счетчиков импульсов 6, дешифратора позиционного кода 7 и реверсивного счетчика 8 в составе микропроцессора, оснащенного компараторами или аналого-цифровыми преобразователями, программными средствами.
Работает преобразователь перемещения в код следующим образом. Сигнал переменного тока U1 (на фиг.5 показана синусоидальная форма сигнала, хотя возможна и иная, например, в виде пилообразных или прямоугольных импульсов) источника тока питания 1 поступает в первичную обмотку растрового трансформаторного датчика перемещения 2. На обмотках считывания датчика 2 появляются напряжения U2, амплитуды которых зависят от положения штока датчика в данный момент времени. При перемещении штока датчика 2 амплитуды напряжений на обмотках считывания изменяются. В случае перемещения штока с постоянной скоростью закон изменения амплитуд синусоидальный, причем изменения огибающей амплитуд в соседних обмотках отличаются по фазе на одинаковый угол (на фиг.5 приведены диаграммы выходных напряжений U2.1, U2.2, U2.3, U2.4 для датчика с четырьмя вторичными выходными обмотками, когда отличие по фазе составляет ¼ периода). Схема контроля напряжений 4 в процессе работы преобразователя оценивает значения амплитуд напряжений на обмотках считывания датчика 2. Если эти значения превышают заранее заданный минимальный уровень, то схема контроля 4 вырабатывает сигнал, разрешающий включение генератора импульсов опроса 3. В противном случае в датчике есть неисправность, например, обрыв цепи или короткое замыкание одной из обмоток, генератор импульсов опроса 3 не включается, и схема контроля 4 индицирует неисправность. Контроль напряжений может проводиться, как однократно в момент включения датчика, так и непрерывно в течение всего времени работы.
После включения генератор 3 вырабатывает пачку импульсов U3 для опроса компараторов 5-8. Импульсы U3 по времени расположены симметрично относительно моментов максимумом напряжений на обмотках считывания датчика 2. Первым импульсом U3 обнуляются счетчики импульсов 6. По каждому импульсу U3 амплитудно-логическое устройство 5 производит сравнение амплитуд напряжений U2 на обмотках считывания датчика 2. В результате сравнения на счетный вход соответствующего счетчика импульсов 6 подаются «0» или «1» в зависимости от соотношения входных сравниваемых напряжений. Если количество единиц больше или равно половине количества импульсов U3, то на выходе счетчика 6 появляется сигнал переполнения, который поступает на логическую схему 7. С помощью логической схемы 7, анализирующей выходные сигналы счетчиков импульсов 6, происходит опознание зон З1, З2, З3, З4, З5, З6, З7, З8 внутри шага зубцового сопряжения. Например, в зоне 33 U2.1>U2.2>U2.4>U2.3. Логическая схема 7 вырабатывает код номера зоны. Счетчик 8 фиксирует этот код и в дальнейшем нарастающим итогом увеличивает или уменьшает его на единицу при каждом изменении кода номера зоны.
Введение схемы контроля напряжений 4 позволяет осуществлять непрерывный контроль датчика и определение момента появления неисправности, повышая тем самым метрологическую надежность преобразователя перемещение-код. Многократное проведение операции сравнения напряжений позволяет существенно снизить влияние помех на результат сравнения.