ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ИНДУКТИВНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
DIFFERENTIAL INDUCTIVE MOTION METER

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может применяться в датчиках различных физических величин: давления, ускорения, силы, угла, момента, перемещения.
Наиболее широко известна схема индуктивного дифференциального измерителя перемещений, которая содержит: две обмотки индуктивности с ярмом на упругом подвесе, расположенным в зазоре между обмотками, индуктивные обмотки соединены с резисторами так, что образуют LR-мост, выходная диагональ моста подключена к фазочувствительному выпрямителю, выход которого связан с входом инструментального усилителя. LR-мост запитан от генератора гармонического сигнала. С незначительными изменениями по этой схеме реализован измеритель по патенту №2194242.
Основным недостатком таких преобразователей является значительные температурные погрешности коэффициента передачи (ТКЧ), вызванные изменением амплитуды генератора синусоидального напряжения, изменения частоты генератора и изменения сопротивления резисторов моста. При этом также такой преобразователь имеет значительное потребление тока источника питания.
Последний недостаток устранен в схеме измерителя на основе автогенератора с трансформаторной положительной обратной связью. В ней индуктивные обмотки дифференциального преобразователя образуют мостовую схему совместно с диодами кольцевого детектора и с конденсаторами (мост LDC), входная диагональ моста при этом подключена первой точкой к прямому входу ключей автогенератора, а второй точкой через обмотку обратной связи к инверсному входу ключей автогенератора. Такой измеритель реализован в микробарометре завода «Гидрометприбор» г. Рига (см. электронный портал kazus.ru). Достоинством этого измерителя является исключение зависимости частоты от напряжения питания и от изменения элементов моста - конденсаторов. Однако его работа на резонансной частоте приводит к большой температурной погрешности коэффициента передачи, до 0,5% / градус при малом температурном уходе «начального тока». Как измерители с питанием первичного индуктивного элемента от генератора гармонического сигнала, так и измерители с питанием от автогенератора, обладают недостаточной термостабильностью ТКЧ. Это вызвано применением трансформатора в цепях генераторов.
В схеме автогенератора информационным сигналом является ток в выходной диагонали LDC-моста, нагруженной на измеритель тока, определяемый по формуле:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0.9</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>X</mi><mi>L</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>H</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo>/</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msubsup><mi>R</mi><mi>H</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
- относительное изменение перемещения ярма,
H
R - сопротивление нагрузки - измерителя тока,
L
X - индуктивное сопротивление одной из обмоток при изменении Δx.
Линейный диапазон такого датчика ограничен существенно. Расширить его можно только повышением разрешающей способности вторичного преобразователя - измерителя тока, которое также имеет ограничение.
Описанный индуктивный преобразователь с LDC-мостом и принят за прототип.
Предлагаемое решение направлено на повышение разрешающей способности дифференциальных индуктивных измерителей перемещений.
Указанная цель в измерителе, содержащем две индуктивные обмотки, которые соединены с конденсаторами через диоды так, что образуется LDC-мост с выходной диагональю между точками соединения диода с конденсатором, источник постоянного напряжения, достигается подключением моста входной диагональю непосредственно к источнику питания и подключением индуктивных катушек первичного преобразователя к этому источнику через, транзисторные ключи так, что каждая из стоек LDC-моста образует повышающий ДС-ДС преобразователь, в котором входы ключей соединены с выходами широтно-импульсного модулятора дифференциальными" входами, подключенным к выходной диагонали LDC-моста. Информационным выходом в такой схеме являются импульсы модулятора. Причем, первый ключ управляется этими импульсами, а второй ключ - инверсными им.
В такой схеме реализуется отрицательная обратная связь, которая стремит к 0 разность между энергиями накопления каждой из индуктивных обмоток:
1
2
<mrow><msub><mi>Э</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>Э</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
ΔЭ=Э-Э→0
,
где
пит.
U - напряжение питания,
0
T/2 - половина периода модулятора,
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
- круговая частота модулятора,
1
2
Э, Э - соответственно, энергия накопления первой и второй обмоток за период модулятора,
Δt - изменение скважности импульсного меандра широтно-импульсного модулятора,
ΔL - изменение индуктивностей обмоток.
При достаточной добротности замкнутого контура регулирования получим:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>L</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>L</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
откуда следует
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Таким образом, в данной схеме происходит преобразование изменения индуктивностей первичного преобразователя перемещений в изменение скважности импульсов ШИМ-модулятора. Как известно, измерение отрезков времени и их сравнение обладают наибольшей разрешающей способностью из всех физических величин (тока, напряжения, мощности, сопротивления и т.д.).
Таким образом, за счет такого преобразования при проектировании датчиков можно допустить большую жесткость подвеса ярма, меньший его ход, а разрешающую способность датчика повысить за счет применения измерителей скважности импульсов.
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>k</mi></mrow>
При этом повышается линейность зависимости
, повышается линейность упругого подвеса, снижается температурная погрешность датчика в целом, поскольку информационный сигнал не зависит от напряжения источника питания. При одинаковых энергиях накопления индуктивными обмотками, одинаковы температуры обоих обмоток, что также сказывается положительно на термостабильности измерителя перемещений.
На рис.1 приведена схема предлагаемого индуктивного дифференциального измерителя перемещений. Схема содержит:
1 - первичный преобразователь перемещения в изменение индуктивностей катушек.
2 - повышающий ДС-ДС преобразователь.
3 - широтно-импульсный модулятор.
На рис.2 - входная цепь модулятора. На рис.2 обозначены:
4 - резистивный делитель.
5 - инструментальный усилитель.
6 - генератор пилообразного напряжения (ГЛИН).
7 - компаратор.
8 - инвертор.
Измеритель работает следующим образом.
1
2
0
0
При L-L=L начальное напряжение усилителя 5 таково, что на выходе компаратора имеют место симметричные импульсы со скважностью 0,5 и периодом Т.
0
1
2
0
При этом в течение периода Т обмотки L и L подключены через ключи повышающих преобразователей 2 одинаковое время они накапливают одинаковую энергию и отдают ее в течение паузы, равной T/2, на одинаковые нагрузки 4. При этом на дифференциальных входах инструментального усилителя 5 напряжение равно 0.
Рассогласование индуктивных обмоток из-за перемещения ярма приводит к изменению напряжений на выходах повышающих преобразователей, что приводит к появлению напряжения на входах инструментального усилителя 5, а, следовательно, напряжение на его выходе изменяется и поскольку оно сравнивается на компараторе 7 с напряжением ГЛИНа 6, то скважность импульсов на выходе компаратора изменяется.
0
0
На вход ключа первого повышающего преобразователя приходит импульс с компаратора 7, на вход второго с инвертора 8. Если ключ первого преобразователя подключается на время Т+Δt, то ключ второго на время T-Δt. Изменение индуктивности обмоток при этом компенсируется изменением времени подключения их напрямую к источнику питания. При этом возвращается баланс энергий накапливаемых катушками. Так реализуется отрицательная обратная связь, в которой поддерживается нулевое напряжение между выходами повышающих преобразователей, работающих от одного источника на одинаковые нагрузки.
Общими признаками предложенного устройства и устройства прототипа являются:
1. Наличие одинакового первичного преобразователя перемещений.
2. Подключение индуктивностей первичного преобразователя последовательно с диодом и конденсатором так, что они образуют LDC-мост.
3. Использование в схеме вторичного преобразователя импульсного генератора.
4. Питание схемы источником постоянного напряжения.
Отличительными признаками являются:
1. Подключение LDC-моста непосредственно к источнику питания.
2. Подключение индуктивностей через транзисторные ключи непосредственно к источнику питания.
3. Управление ключами прямым и инверсным выходами широтно-импульсного модулятора, дифференциальными входами, подключенным к выходной диагонали LDC-моста.
ДС-ДС преобразователь подробно описан в журнале «Электронные компоненты» №2, 2002 г.
За счет отличительных признаков, в совокупности с общими, присущими и прототипу, удалось преобразовать изменение индуктивности обмоток в скважность импульсов, которыми управляется два ключа схемы.
Измерение скважности импульсов, в отличие от измерения тока (как это реализовано в прототипе) возможно с большей разрешающей способностью, что повышает термостабильность датчика и его динамический диапазон. За счет этого расширяется его применение в условиях больших диапазонов температур и больших значениях виброударов, исключается влияние на информацию источника питания.
Таким образом, предложенное устройство обладает и новизной, и удовлетворяет требованию «промышленно применимо». В измерителе допускается применение нестабилизированных источников питания.