СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
METHOD OF CONVERTING LINEAR DISPLACEMENTS

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано при построении элементов измерительных устройств и систем автоматического управления.
Известен способ преобразования перемещений, включающий возбуждение ультразвуковых волн в рабочем и опорном каналах, каждый из которых содержит по элементу возбуждения и элементу считывания, размещенных на общем ферромагнитном звукопроводе, температура которого по длине звукопровода постоянна, а концы его помещены в демпферы, при этом опорный и рабочий каналы разделены демпфером, размещенном на звукопроводе, регистрацию ультразвуковых волн в каждом канале, измерение частоты циркуляции ультразвуковых волн в каждом канале, вычисление отношения частоты циркуляции ультразвуковых волн в опорном канале к частоте циркуляции ультразвуковых волн в рабочем канале, причем в опорном канале расстояние между элементами возбуждения и считывание неизменно, тогда как элемент возбуждения в рабочем канале имеет возможность перемещаться относительно неподвижного элемента считывания (АС №493045).
Недостатком способа является значительная погрешность преобразования перемещения из-за того, что частота циркуляции ультразвуковых волн в звукопроводе опорного канала, протяженность которого неизменна, зависит только от средней температуры звукопровода, тогда как частота циркуляции ультразвуковых волн в звукопроводе рабочего канала зависит как от величины перемещения, так и от средней скорости ультразвуковых волн, которая определяется средней температурой участка рабочего канала, равного преобразуемому перемещению, которая зависит от градиента температуры по его длине.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ преобразования перемещений, включающий возбуждение упругих волн в рабочем и опорном каналах, каждый из которых содержит по элементу возбуждения и элементу считывания, размещенных на параллельных, имеющих одинаковые размеры и температуру, ферромагнитных звукопроводов опорного и рабочего каналов, выполненных из одного и того же материала, концы которых помещены в общие демпферы, регистрацию упругих волн в рабочем и опорном каналах, измерение частоты циркуляции упругих волн в каждом канале, вычисление отношения частоты циркуляции упругих волн в опорном канале к частоте циркуляции крутильных волн в рабочем канале, причем в опорном канале расстояние между элементами возбуждения и считывания неизменно, тогда как в рабочем канале элемент возбуждения имеет возможность перемещаться относительно неподвижного элемента считывания (АС №634494).
Недостатком способа является значительная погрешность преобразования перемещений, так как частота циркуляции ультразвуковых волн в звукопроводе опорного канала определяется неизменной длиной звукопровода и средней скоростью ультразвуковых волн в нем, которая зависит от средней температуры звукопровода опорного канала, тогда как в рабочем канале частота циркуляции ультразвуковых волн зависит как от величины перемещения, так и от средней температуры участка рабочего канала, которая зависит от градиента температуры по его длине.
Для достижения технического результата - повышения точности преобразования линейных перемещений одновременно возбуждают крутильные волны в первом и во втором параллельных, имеющих одинаковые размеры, соединенных последовательно и подключенных к генератору импульсов тока возбуждения ферромагнитных волноводам, концы которых размещены в демпферах, регистрируют крутильные волны в волноводах, измеряют в каждом волноводе время распространения крутильных волн от момента возбуждения до момента их регистрации, при этом крутильные волны возбуждают в первом и во втором ферромагнитных волноводах постоянным магнитом, которые имеют возможность перемещаться вдоль ферромагнитных волноводов, на одинаковом расстоянии от мест их регистрации, а перемещение вычисляют по формуле:
1
2
1
2
где - τ и τ - интервалы времени от момента возбуждения до моментов регистрации крутильных волн соответственно в первом и во втором волноводах: - k и k - постоянные равные,
10
20
- c и c - скорости распространения крутильных волн в первом и во втором волноводах при температуре 20°C;
1
2
10
20
1
2
- α и α - температурные коэффициенты скоростей крутильных волн соответственно для первого и второго волноводов, причем материалы первого и второго волноводов выбирают такими, чтобы скорости распространения крутильных волн c и c при температуре 20°C и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн α и α были бы различными.
В обоих волноводах возбуждают крутильные волны.
Крутильные волны возбуждают общим постоянным магнитом, который перемещается вдоль волноводов.
Регистрацию крутильных волн в волноводах осуществляют неподвижными преобразователями магнитного поля, которые размещены у одного из демпферов.
При возбуждении крутильных волн в ферромагнитных волноводах на расстоянии х от мест их регистрации, крутильные волны достигнут последних соответственно через промежутки времени.
где
-  - средняя температура волноводов;
В формулах (3)-(7)
1
2
- c и c - средние скорости крутильных волн в первом и во втором волноводах при средней температуре  участков волноводов протяженностью х;
Так как расстояния x, которые проходят крутильные волны в волноводах от места их возбуждения до мест их регистрации, одинаковы, то
то из уравнения (8) можно найти:
- среднюю температуру  участков волноводов от места возбуждения в них крутильных волн до мест их регистрации
- перемещение
Так как участки ферромагнитных волноводов опорного и рабочего каналов протяженностью x находятся в одинаковых температурных условиях, то результат преобразования перемещения x зависит только от точности измерения промежутков времени  и погрешности вычисления перемещения x по формуле (10), чем обеспечивается технический результат.
На чертеже представлена структурная схема преобразователя перемещений, реализующего способ.
Преобразователь перемещений состоит из чувствительного элемента 1 и электронного блока 2.
Чувствительный элемент преобразователя перемещений содержит первый и второй ферромагнитные волноводы 3 и 4 равной длины, одноименные концы которых размещены в демпферах 5 и 6 и неподвижные элементы регистрации крутильных волн 7 и 8, немагнитный цилиндрический корпус 9, в котором размещены ферромагнитные волноводы 3 и 4 с элементами регистрации крутильных волн 7 и 8.
Возбудителем крутильных волн в волноводах 3 и 4 является постоянный магнит 10, который выполнен кольцевым, намагничен по образующей и имеет возможность перемещаться вдоль немагнитного корпуса 9.
1
2
Электронный блок 2 содержит генератор импульсов тока возбуждения 11, усилители-формирователи временных интервалов 12 и 13, своими входами подключенные к элементам регистрации крутильных волн 7 и 8, вычислительное устройство 14, в памяти которого находятся постоянные k и k, и блок управления 15, выход которого подключен к генератору импульсов тока возбуждения 11, к усилителям-формирователям временных интервалов 12 и 13 и к вычислительному устройству 14.
Ферромагнитные волноводы 3 и 4 соединены последовательно и подключены к генератору импульсов тока возбуждения 11.
Устройство, реализующее способ преобразования линейных перемещений, работает следующим образом.
По команде от блока управления 15 усилители-формирователи временных интервалов 12 и 13 и вычислительное устройство 14 устанавливаются в исходное состояние, а на выходе генератора импульсов тока возбуждения возникает импульс напряжения, под действием которого по ферромагнитным волноводам 3 и 4 протекает импульс тока возбуждения.
1
2
В результате взаимодействий импульса тока возбуждения в волноводах 3 и 4 с полем постоянного магнита 10 в ферромагнитных волноводах 3 и 4 под постоянным магнитом возбуждаются крутильные волны (прямой эффект Видемана), которые распространяются по ферромагнитным волноводам от мест возбуждения в обе стороны со скоростями c и c. Те волны, которые распространяются по ферромагнитным волноводам 3 и 4 вправо, через промежутки времени, соответственно равные
достигнут неподвижных элементов регистрации крутильных волн 7 и 8 и наведут в них импульсы э.д.с. считывания (обратный эффект Видемана). Распространяясь далее, крутильные волны демпфером 6 поглощаются.
Те волны, которые распространяются по ферромагнитным волноводам 3 и 4 влево, достигают демпфера 5 и также поглощаются им.
1
2
Импульсы э.д.с. считывания с выходов элементов регистрации крутильных волн 7 и 8 поступают соответственно на входы усилителей-формирователей временных интервалов 12 и 13, в результате чего на выходе последних возникают прямоугольные импульсы длительностью τ и τ. Эти импульсы поступают на входы вычислительного устройства 14, где вычисляется искомое перемещение x по формуле (1).
В качестве неподвижных элементов регистрации крутильных волн используются преобразователи магнитного поля.