МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к технике измерения механических величин, используемой, например, при работе устройств контроля функционирования гидроамортизаторов атомных электростанций.
Из уровня техники известен измеритель перемещений, служащий для контроля вибраций движущихся частей роторных машин в энергетике (см. РФ патент 2213934 от 10.10.2003 г. МПК G 01 B 7/14), содержащий датчик, схему индикации и автогенератор, выполненный на трех транзисторах. Обмотка датчика является частью колебательного контура автогенератора.
Известна также система измерения положения сердечника индуктивного датчика, предложенная фирмой Analog Devices в универсальном нормализаторе AD698 (Universal LVDT Signal Conditioner AD698. Analog Devices. Inc, 1995), являющаяся ближайшим аналогом заявленного многоканального измерителя перемещения. Функциональная схема указанной системы представлена на фиг.1, на которой поз. 1 обозначен генератор питания датчика, поз. 2 - индуктивный датчик, поз. 3 - фазовый корректор, поз. 4 - нормализатор напряжения.
Недостатком известной из уровня техники системы является температурная и частотная зависимость измерений при работе с индуктивным датчиком. Сигнал на выходе индуктивного датчика определяется по формуле
Здесь Iпит - ток питания датчика, о - частота питающего тока, L - взаимная индуктивность между первичной и вторичной обмотками датчика, величина которой зависит от перемещения сердечника индуктивного датчика.
Из формулы (1) видна частотная зависимость показаний датчика.
Погрешность измерений особенно значительна, если в качестве источника питания датчика применяется сеть ~220 В, 50 Гц. Согласно требованиям стандарта Р-50746 частота сети может изменяться на ±15% и, соответственно, погрешность измерения также составит ±15%.
Ток питания датчика (Iпит) определяется напряжением его питания (Uпит) и сопротивлением датчика Кд.
Учитывая формулы (1) и (2) выходное напряжение
На выходе нормализатора 4 сигнала
Так как индуктивные датчики наматываются медным проводом с температурным коэффициентом порядка 0,4%/град, то температурная погрешность измерений будет равна температурному коэффициенту обмоточного провода. Например в диапазоне температур от 20°С до 50°С погрешность составит 0,4*(50-20)°С=12%
Заявленная полезная модель направлена на повышение точности измерения при воздействии дестабилизирующих факторов: температуры, изменения напряжения и частоты сети питания, гармонических искажений напряжения питания, с одновременным
уменьшением количества элементов, входящих в многоканальный измеритель перемещения.
Указанная задача решается обеспечением измерителя перемещения, который содержит средство индуктивного измерительного преобразователя с генератором питания, частотно-фазовый корректор, а также нормализатор напряжения, при этом измеритель дополнительно содержит блок управления, АЦП, датчик тока, коммутатор, источник питания, резистор, причем средство индуктивного измерительного преобразователя выполнено в виде совокупности индуктивных датчиков (1...N), выходы которых соединены с коммутатором, причем генератор питания датчиков соединен со входом одного из индуктивных датчиков через датчик тока, а с остальными индуктивными датчиками непосредственно, при этом коммутатор через частотно-фазовый корректор соединен с измерительным входом нормализатора, к другому входу которого подключен датчик тока, при этом выход нормализатора сигнала соединен с АЦП, блок управления соединен с соответствующими входами управления коммутатора и АЦП, а источник питания соединен с генератором питания датчиков через резистор.
Указанная полезная модель поясняется сопровождающими чертежами, на которых подобные элементы обозначены подобными позициями.
На фиг.1 изображена система измерения положения сердечника датчика согласно известному уровню техники.
На фиг.2 изображены временные диаграммы работы системы управления: на фиг.2.1-2.3 показаны интервалы времени (Т) подсоединения к выходу коммутатора индуктивных датчиков (с 1 по
N). На фиг.2.4 - интервалы времен (t) измерения АЦП.
На фиг.3 изображена функциональная схема многоканального измерителя перемещения согласно полезной модели.
Измеритель перемещения поясняется со ссылкой на фиг.3, на которой поз. 1 обозначен генератор питания индуктивных датчиков, в качестве которого может использоваться трансформатор, подключенный к сети 220 В, 50 Гц. Поз. 2 (2.1...2N) обозначена совокупность индуктивных датчиков, под поз. 3 обозначен частотно-фазовый корректор, который может быть реализован в виде RC-фильтра нижних частот, с частотой среза меньше самой низкой частоты питания индуктивных датчиков 2. Под поз. 4 обозначен нормализатор напряжения, в качестве которого может быть использована специализированная микросхема AD698 фирмы Analog Devices. Датчик тока 5 может быть выполнен в виде трансформатора, в первичную обмотку которого параллельно включен точный резистор с малым сопротивлением. Входная цепь датчика тока 5 включена последовательно в цепь питания датчика 2.1. Выход датчика тока 5 соединен со входом В нормализатора 4 (входом опорного сигнала). Поз. 6 обозначен резистор, сопротивление которого выбирается много больше емкостного входного сопротивления источника питания 8. Поз. 7 обозначен коммутатор, который управляется блоком управления 10. Блок управления 10, который может быть выполнен на основе однокристального микропроцессора, управляет коммутатором 7, аналого-цифровым преобразователем 9 и выдачей результатов измерения внешним устройствам. Питание нормализатора 4, коммутатора 7, АЦП 9 и блока управления 10 осуществляется от
источника питания 8.
В многоканальном измерителе перемещения количество каналов равно количеству индуктивных датчиков 2. В каждый измерительный канал входит индуктивный датчик 2 и один их входов коммутатора 7. Первый канал измерителя перемещения работает следующим образом. От генератора питания 1 переменное напряжение поступает на первичную обмотку индуктивного датчика 2.1 через датчик тока 5. Напряжение на выходе индуктивного датчика пропорционально перемещению его сердечника, входному току и частоте питания датчика. Это напряжение в интервале времени 0-Т через коммутатор 7 поступает на частотно-фазовый корректор 3, имеющий частотную характеристику, обратно пропорциональную частоте. Далее сигнал поступает на вход А нормализатора напряжения 4, на второй вход В которого поступает напряжение с выхода датчика тока 5. Нормализатор напряжения производит деление сигнала измерительного канала (сигнал А) на сигнал опорного канала (сигнал В), пропорциональный входному току датчика 2.1 (нормализует измеряемый сигнал) и выделяет его огибающую. После нормировки и детектирования измеряемый сигнал поступает на АЦП, который преобразует измеряемый сигнал из аналоговой в цифровую форму в интервале времени t, как показано на фиг.2.4, в конце цикла измерения первого канала. Остальные каналы измерения работают аналогичным образом.
Уменьшение частотной зависимости измерения достигается введением частотно-фазового корректора 3 в цепь измеряемого сигнала. В отличие от прототипа, в котором цепь 3, корректирующая фазовые сдвиги, введена в канал опорного сигнала,
в заявленной полезной модели эта цепь введена в канал измеряемого сигнала. Общая частотная характеристика индуктивного датчика 2 и канала измерения при этом равномерна в области частот питания датчика. Для снижения количества корректирующих цепей 3 она включена после коммутатора. При этом увеличивается уровень взаимных влияний между каналами. Снижение уровня взаимных влияний между каналами достигается временным стробированием в конце интервала измерения (от T-t до Т) на участке окончания переходного процесса.
Температурная погрешность измерения значительно уменьшается путем введения датчика тока 5 в цепь питания датчика и формирования опорного сигнала, пропорционального току питания датчика. При этом
Для снижения количества датчиков тока 5 и преобразователей этого тока в напряжение опорного сигнала этот датчик 5 устанавливается последовательно с одним из датчиков. При этом предполагается, что все датчики 2 находятся при одинаковых температурных условиях.
Для снижения погрешности, обусловленной гармоническим искажениями сетевого напряжения, последовательно с источником питания 8 включен резистор 6. Так как в источнике питания используется выпрямитель с конденсатором большой величины, то в моменты превышения сетевого напряжения питания выпрямленного напряжения источник питания нагружается на емкостное напряжение конденсатора, вызывая гармонические искажения сигнала питания. Ввод резистора 6 устраняет этот эффект.
Многоканальный измеритель перемещения может быть использован при работе аппаратуры контроля гидроамортизаторов атомных гидроэлектростанций.