УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ИНДУКТИВНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
DEVICE TO GENERATE OUTPUT SIGNAL OF INDUCTIVE DIFFERENTIAL MEASURING CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в устройствах, использующих в качестве первичного преобразователя индуктивные дифференциальные измерительные преобразователи, применяемые для измерения перемещений, вибраций и биений валов и объектов, работающих в широком диапазоне нестационарных температур.
Известен способ температурной компенсации электрических параметров индуктивно-вихретокового преобразователя, построенного на базе идентичных по геометрии и намоточным характеристикам измерительной и компенсационной катушек индуктивности, расположенных в непосредственной близости друг от друга, но не связанных электромагнитно, в котором уравновешивание температурного изменения электрических параметров катушек осуществляется путем дифференциального их включения [1].
Однако этот способ не обеспечивает необходимую точность измерения перемещения объектов контроля из-за неравного изменения электрических параметров компенсационной и измерительной катушек индуктивности преобразователя от температуры вследствие не одинакового влияния на них факторов, меняющихся от температуры, и особенно при воздействии нестационарных температур.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство, содержащее дифференциальный индуктивный измерительный преобразователь, имеющий, по крайней мере, две ветви, два идентичных выпрямителя и первый дифференциальный усилитель, основные входы которого подключены к выходам выпрямителей, и переменный резистор, подключенный к выходу одного из двух выпрямителей. Движок переменного резистора подключен к первому дополнительному входу дифференциального усилителя. Устройство снабжено сумматором переменного и постоянного напряжения, двумя идентичными фильтрами нижних частот, двумя идентичными фильтрами верхних частот, вторым дифференциальным усилителем. Первый дифференциальный усилитель снабжен вторым дополнительным входом, источником питания постоянного тока, выход которого подсоединен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника переменного тока, а выход - с входом индуктивного дифференциального первичного преобразователя, первый выход которого соединен с входами первого фильтра нижних частот и первого фильтра верхних частот, а второй - с входами второго фильтра верхних частот, идентичного первому фильтру верхних частот, и второго фильтра нижних частот. Выходы первого и второго фильтров верхних частот подключены к входам соответственно первого и второго выпрямителей, выходы первого и второго фильтров нижних частот подключены к входам второго дифференциального усилителя, выход которого подсоединен ко второму дополнительному входу первого дифференциального усилителя [2].
Недостатки известного устройства является низкая точность, обусловленная неодинаковыми температурами ветвей (дифференциальных обмоток) первичного преобразователя, а также высокая погрешность, возникающая из-за влияния сопротивлений кабельных перемычек соединения первичного преобразователя с последующей измерительной цепью вторичного преобразователя.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности измерения и уменьшение температурной погрешности в широком диапазоне рабочих температур при нестационарных температурных процессах.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство формирования выходного сигнала индуктивного дифференциального измерительного преобразователя, содержащее источник постоянного тока, два идентичных выпрямителя, два идентичных фильтра верхних частот, два идентичных фильтра нижних частот, индуктивный дифференциальный измерительный преобразователь, содержащий, по крайней мере, две ветви, согласно предлагаемому изобретению дополнительно введены преобразователь напряжения, два операционных усилителя, три фильтра верхних частот, образцовый резистор и микроконтроллер, причем фильтры нижних частот выполнены в виде интегрирующих дифференциальных усилителей, первый выход преобразователя напряжения соединен с входом первого фильтра верхних частот, а второй выход преобразователя напряжения - с входом второго фильтра верхних частот, выход первого фильтра верхних частот и первый выход источника постоянного тока через первую кабельную перемычку соединены с входом первой ветви индуктивного дифференциального измерительного преобразователя, выход второго фильтра верхних частот и второй выход источника постоянного тока через вторую кабельную перемычку соединены с входом второй ветви индуктивного дифференциального измерительного преобразователя, выход которого, общий для двух его ветвей, через третью кабельную перемычку соединен с инвертирующим входом операционного усилителя через первый дополнительный фильтр верхних частот, причем выход операционного усилителя соединен через первый выпрямитель с первым аналоговым входом микроконтроллера и с выводом образцового резистора, другой вывод которого соединен через четвертую кабельную перемычку с выходом индуктивного дифференциального измерительного преобразователя, первый и второй входы которого соединены соответственно через пятую и шестую кабельные перемычки с первыми входами первого и второго интегрирующих дифференциальных усилителей, вторые входы которых соединены через третью кабельную перемычку с выходом индуктивного дифференциального измерительного преобразователя, а их выходы - соответственно со вторым и третьим аналоговыми входами микроконтроллера, первый и второй входы интегрирующего дифференциального измерительного преобразователя через пятую и шестую кабельные перемычки соединены соответственно через второй и третий дополнительные фильтры верхних частот с первым и вторым входами операционного усилителя, выход которого через второй выпрямитель соединен с четвертым аналоговым входом микроконтроллера.
В предлагаемом устройстве для получения сигналов коррекции температурной погрешности используется раздельное измерение температуры каждой из двух ветвей индуктивного дифференциального измерительного преобразователя путем измерения сопротивления по постоянному току каждой ветви. Для этого каждая из двух ветвей подключена, кроме преобразователя напряжения для получения информативного сигнала о перемещении, еще и к источнику постоянного тока для получения информативного сигнала о температуре каждой ветви путем измерения на каждой ветви падения напряжения постоянного тока, зависящего от сопротивления каждой ветви и, следовательно, от температуры каждой ветви.
Разделение источника постоянного тока от источника переменного тока, также питающего ветви дифференциального индуктивного измерительного преобразователя, осуществляется с помощью двух идентичных фильтров верхних частот, выполненных, например, в виде разделительных конденсаторов, подключенных к выходам преобразователя напряжения. Разделение выходного информативного сигнала по входной измеряемой величине в виде переменного тока от напряжения постоянного тока осуществляется с помощью подключенного к входу операционного усилителя фильтра верхних частот, выполненного, например, в виде разделительного конденсатора, не пропускающего постоянный ток. Операционный усилитель усиливает переменный ток разбаланса дифференциальных ветвей измерительного преобразователя. Разделение напряжений постоянного тока, снимаемых с двух ветвей дифференциального индуктивного измерительного преобразователя, осуществляется путем использования для усиления напряжений двух интегрирующих дифференциальных усилителей. Для устранения влияния на результат измерения сопротивлений кабельных перемычек, по которым поступает переменный ток питания ветвей измерительного преобразователя, в предлагаемом устройстве используются дополнительные кабельные перемычки. С их помощью снимается и затем измеряется для целей коррекции погрешности измерения падение напряжения переменного тока только на ветвях дифференциального индуктивного измерительного преобразователя. Поэтому устраняется влияние падения напряжения на изменяющихся в широких пределах сопротивлениях, так называемых токовых кабельных перемычек, подводящих ток питания к ветвям. Падение напряжения переменного тока через сопротивления, так называемых потенциальных кабельных перемычек, поступает на вход высокочастотного операционного усилителя, где усиливается и далее через выпрямитель поступает на аналоговый вход микроконтроллера для целей коррекции. Сопротивления так называемых потенциальных кабельных перемычек не сказываются на результате измерения, так как значения их сопротивлений во много раз меньше входных сопротивлений операционных усилителей.
Другие технические решения со сходными отличительными признаками в патентной и научно-технической литературе не обнаружены, следовательно, предлагаемое устройство обладает существенными отличиями.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства формирования выходного сигнала индуктивного дифференциального измерительного преобразователя.
Устройство формирования выходного сигнала индуктивного дифференциального измерительного преобразователя содержит преобразователь напряжения 1, идентичные фильтры верхних частот 2 и 3, источник постоянного тока 4, индуктивный дифференциальный измерительный преобразователь 5, содержащий первую 6 и вторую 7 ветви, первый 11, второй 8 и третий 9 дополнительные фильтры верхних частот, операционные усилители 10 и 12, идентичные выпрямители 13 и 16, идентичные фильтры нижних частот, выполненные в виде интегрирующих дифференциальных усилителей 14 и 15, микроконтроллер 17 и образцовый резистор 18.
Первый выход преобразователя напряжения 1 соединен с входом первого фильтра верхних частот 2, а второй выход преобразователя напряжения 1 - с входом второго фильтра верхних частот 3. Выход первого фильтра верхних частот 2 и первый выход источника постоянного тока 4 через первую кабельную перемычку, имеющую сопротивление R1, подключены к входу первой ветви 6 индуктивного дифференциального измерительного преобразователя 5. Выход второго фильтра верхних частот 3 и второй выход источника постоянного тока 4 через вторую кабельную перемычку, имеющую сопротивление R4, подключены к входу второй ветви 7 индуктивного дифференциального измерительного преобразователя 5, выход которого, общий для двух его ветвей 6 и 7, подключен через третью кабельную перемычку, имеющую сопротивление R6, к инвертирующему входу операционного усилителя 12 через первый дополнительный фильтр верхних частот 11. Выход операционного усилителя 12 подключен через первый выпрямитель 16 к первому аналоговому входу микроконтроллера 17 и к выводу образцового резистора 18, другой вывод которого через четвертую кабельную перемычку, имеющую сопротивление R5, подключен к выходу индуктивного дифференциального измерительного преобразователя 5. Первый и второй входы индуктивного дифференциального измерительного преобразователя 5 соединены соответственно через пятую и шестую кабельные перемычки, имеющие сопротивления R2 и R3, с первыми входами первого 14 и второго 15 интегрирующих дифференциальных усилителей, вторые входы которых соединены через третью кабельную перемычку, имеющую сопротивление R6, с выходом индуктивного дифференциального измерительного преобразователя 5. Выходы первого 14 и второго 15 интегрирующих дифференциальных усилителей подключены к второму и третьему аналоговым входам микроконтроллера 17. Первый и второй входы интегрирующего дифференциального измерительного преобразователя 5 через пятую и шестую кабельные перемычки, имеющие сопротивления R2 и R3, соединены соответственно через второй 8 и третий 9 дополнительные фильтры верхних частот с первым и вторым входами операционного усилителя 10, выход которого через второй выпрямитель 13 соединен с четвертым аналоговым входом микроконтроллера 17.
Для повышения точности измерения, расширения диапазона измерения и уменьшения температурных погрешностей в измерительной технике широко используют так называемый квазидифференциальный метод, при котором входная измеряемая величина, в данном случае измеряемое перемещение объекта контроля, воздействует только на одну ветвь индуктивного дифференциального измерительного преобразователя. На вторую ветвь индуктивного дифференциального измерительного преобразователя воздействуют (как и на первую) только дестабилизирующие факторы, в данном случае температура, и вторая ветвь компенсирует влияние температуры на результат измерения перемещения объекта контроля. Точность компенсации влияния температуры на результат измерения перемещения определяется строгой идентичностью параметров ветвей и строго идентичной зависимостью этих параметров от температуры во всем рабочем диапазоне.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности измерения и уменьшении температурной погрешности в широком диапазоне рабочих температур при нестационарных температурных процессах.
Источники информации
1. Высокотемпературный вихретоковый преобразователь перемещений. Машины, Приборы. Стенды. / В.М.Карпов, В.Г.Запускалов, В.А.Табаков. - Каталог МВТУ им. Н.Э.Баумана. 1978 г. с.29.
2. Реакторные испытания материалов. / И.Е.Александров, Н.Ф.Чеботарев. - М.: Энергоатомиздат. 1983 г., с.62-68.
3. RU патент №2194242, С2, G01B 7/00, G01D 5/22. Устройство формирования выходного сигнала индуктивного дифференциального измерительного преобразователя. Опубл.: 10.12.2002 г.