RU2502949C1 - Differential inductive motion meter - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: inductive differential motion meter comprises two inductance coils with a yoke on an elastic suspension placed between them, in which each coil is connected via a diode with a capacitor so that they form an inductive-diode-capacitance bridge (LDC) with an output diagonal between points of capacitor connection with an appropriate diode and an input diagonal between the common point of both inductance windings and the common point of capacitors, a source of DC voltage and two keys. To control the keys, a width-pulse modulator is introduced (WPM). The keys are connected with the common points of appropriate coils and diodes and are connected to the common point of the source of power supply. The second output of the source is connected to the common point of inductance coils. The differential input of the WPM is connected with the output diagonal of the LDC-bridge. The WPM has a direct and an inverse outputs, which are connected to bases of the keys so that the negative feedback is realised, which stabilises voltage in the output diagonal of the LDC-bridge, and each of the keys with the appropriate LDC-branch of the bridge forms a step-up DC-DC converter.

EFFECT: increased resolving power of a meter.

2 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может применяться в датчиках различных физических величин: давления, ускорения, силы, угла, момента, перемещения.The proposed device relates to measuring technique and can be used in sensors of various physical quantities: pressure, acceleration, force, angle, moment, displacement.

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.The most widely known scheme of an inductive differential displacement meter, which contains: two inductance windings with a yoke on an elastic suspension located in the gap between the windings, inductive windings are connected to resistors so that they form an LR bridge, the output diagonal of the bridge is connected to a phase-sensitive rectifier, the output of which connected to the input of the instrument amplifier. The LR bridge is powered by a harmonic signal generator. With minor changes, the meter according to patent No. 2194242 is implemented according to this scheme.

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.The main disadvantage of such converters is significant temperature errors in the transmission coefficient (TFC) caused by a change in the amplitude of the sinusoidal voltage generator, a change in the frequency of the generator, and a change in the resistance of the bridge resistors. Moreover, such a converter also has a significant current consumption of the power source.

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.The last drawback is eliminated in the meter circuit based on a generator with transformer positive feedback. In it, the inductive windings of the differential converter form a bridge circuit together with ring detector diodes and capacitors (LDC bridge), the input diagonal of the bridge being connected by the first point to the direct input of the keys of the oscillator, and the second point through the feedback winding to the inverse input of the keys of the oscillator. Such a meter was implemented in the microbarometer of the Hydrometpribor plant in Riga (see the electronic portal kazus.ru). The advantage of this meter is the exclusion of the dependence of the frequency on the supply voltage and on the changes in the bridge elements - capacitors. However, its operation at the resonant frequency leads to a large temperature error of the transmission coefficient, up to 0.5% / degree with a small temperature deviation of the "initial current". Both meters powered by a primary inductive element from a harmonic signal generator, and meters powered by a self-oscillator, have insufficient thermal stability of the TFC. This is caused by the use of a transformer in generator circuits.

В схеме автогенератора информационным сигналом является ток в выходной диагонали LDC-моста, нагруженной на измеритель тока, определяемый по формуле:In the oscillator circuit, the information signal is the current in the output diagonal of the LDC bridge loaded on the current meter, determined by the formula:

$$I_{вых.}=\frac{0.9\cdot U_{пит.}}{X_L+R_H}\cdot \frac{\Delta x/x_0\cdot \omega \cdot L_0}{\sqrt{{\left(\frac{\Delta x}{x_0}\cdot \omega \cdot L_0\right)}^2+R_H^2}}$$

, $$I_{\mathrm{at}sx.}=\frac{0.9\cdot U_{P\mathrm{and}t.}}{X_L+R_H}\cdot \frac{\Delta x/x_0\cdot \omega \cdot L_0}{\sqrt{{\left(\frac{\Delta x}{x_0}\cdot \omega \cdot L_0\right)}^2+R_H^2}}$$

,

где $$\frac{\Delta x}{x_0}$$

- относительное изменение перемещения ярма,Where $$\frac{\Delta x}{x_0}$$

- the relative change in the movement of the yoke,

R_H - сопротивление нагрузки - измерителя тока,R _H - load resistance - current meter,

X_L - индуктивное сопротивление одной из обмоток при изменении Δx.X _L is the inductive resistance of one of the windings when Δx changes.

Линейный диапазон такого датчика ограничен существенно. Расширить его можно только повышением разрешающей способности вторичного преобразователя - измерителя тока, которое также имеет ограничение.The linear range of such a sensor is substantially limited. It can only be expanded by increasing the resolution of the secondary transducer - current meter, which also has a limitation.

Описанный индуктивный преобразователь с LDC-мостом и принят за прототип.The described inductive converter with an LDC bridge is adopted as a prototype.

Предлагаемое решение направлено на повышение разрешающей способности дифференциальных индуктивных измерителей перемещений.The proposed solution is aimed at increasing the resolution of differential inductive displacement meters.

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.The indicated goal in the meter containing two inductive windings that are connected to capacitors through diodes so that an LDC bridge is formed with an output diagonal between the points of connection of the diode with a capacitor, a constant voltage source is achieved by connecting the bridge with the input diagonal directly to the power source and connecting the inductive coils primary transducer to this source through transistor keys so that each of the racks of the LDC bridge forms a boost DS-DS converter, in which the key inputs are are connected with the outputs of the pulse-width modulator by differential "inputs connected to the output diagonal of the LDC bridge. The information output in this circuit is the pulses of the modulator. Moreover, the first key is controlled by these pulses, and the second key by inverse ones.

В такой схеме реализуется отрицательная обратная связь, которая стремит к 0 разность между энергиями накопления каждой из индуктивных обмоток:In such a scheme, negative feedback is realized, which tends to 0, the difference between the accumulation energies of each of the inductive windings:

ΔЭ=Э₁-Э₂→0 $${Э}_1=\frac{U_{пит.}^2\cdot \left(T_0/2-\Delta t\right)}{{\omega }_0\cdot \left(L_0-\Delta L\right)}$$

$${Э}_2=\frac{U_{пит.}^2\cdot \left(T_0/2+\Delta t\right)}{{\omega }_0\cdot \left(L_0+\Delta L\right)}$$

,ΔE = E ₁ -E ₂ → 0 $$E_{\mathrm{one}}=\frac{U_{P\mathrm{and}t.}^2\cdot \left(T_0/2-\Delta t\right)}{{\omega }_0\cdot \left(L_0-\Delta L\right)}$$

$$E_2=\frac{U_{P\mathrm{and}t.}^2\cdot \left(T_0/2+\Delta t\right)}{{\omega }_0\cdot \left(L_0+\Delta L\right)}$$

,

гдеWhere

U_пит. - напряжение питания,U _pit. - supply voltage,

T₀/2 - половина периода модулятора,T _0/2 - half the period of the modulator,

$${\omega }_0=\frac{2\pi }{T_0}$$

- круговая частота модулятора, $${\omega }_0=\frac{2\pi }{T_0}$$

- the circular frequency of the modulator,

Э₁, Э₂ - соответственно, энергия накопления первой и второй обмоток за период модулятора,E ₁ , E ₂ - respectively, the energy of accumulation of the first and second windings for the period of the modulator,

Δt - изменение скважности импульсного меандра широтно-импульсного модулятора,Δt is the change in duty cycle of the pulse meander of a pulse-width modulator,

ΔL - изменение индуктивностей обмоток.ΔL is the change in the inductances of the windings.

При достаточной добротности замкнутого контура регулирования получим:With a sufficient quality factor of a closed control loop, we obtain:

$$\frac{T_0/2-\Delta t}{L_0-\Delta L}=\frac{T_0/2+\Delta t}{L_0+\Delta L}$$

, $$\frac{T_0/2-\Delta t}{L_0-\Delta L}=\frac{T_0/2+\Delta t}{L_0+\Delta L}$$

,

откуда следуетwhence follows

$$\frac{\Delta L}{L_0}=\frac{\Delta t}{T_0}$$

$$\frac{\Delta L}{L_0}=\frac{\Delta t}{T_0}$$

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.).Thus, in this scheme, the change in the inductances of the primary displacement transducer is converted to the change in the duty cycle of the PWM modulator pulses. As you know, measuring time intervals and comparing them has the highest resolution of all physical quantities (current, voltage, power, resistance, etc.).

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.Thus, due to such a transformation during the design of the sensors, it is possible to allow greater rigidity of the yoke suspension, its smaller stroke, and the resolution of the sensor can be increased through the use of pulse duty cycle meters.

При этом повышается линейность зависимости $$\frac{\Delta L}{L_0}=\frac{\Delta x}{x_0}\cdot k$$

, 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.This increases the linearity of the dependence $$\frac{\Delta L}{L_0}=\frac{\Delta x}{x_0}\cdot k$$

, the linearity of the elastic suspension increases, the temperature error of the sensor as a whole decreases, since the information signal does not depend on the voltage of the power source. At the same accumulation energies by inductive windings, the temperatures of both windings are the same, which also positively affects the thermal stability of the displacement meter.

На рис.1 приведена схема предлагаемого индуктивного дифференциального измерителя перемещений. Схема содержит:Figure 1 shows a diagram of the proposed inductive differential displacement meter. The circuit contains:

1 - первичный преобразователь перемещения в изменение индуктивностей катушек.1 - the primary Converter displacement to change the inductance of the coils.

2 - повышающий ДС-ДС преобразователь.2 - boost DS-DS converter.

3 - широтно-импульсный модулятор.3 - pulse width modulator.

На рис.2 - входная цепь модулятора. На рис.2 обозначены:In Fig. 2 - the input circuit of the modulator. Figure 2 shows:

4 - резистивный делитель.4 - resistive divider.

5 - инструментальный усилитель.5 - instrumental amplifier.

6 - генератор пилообразного напряжения (ГЛИН).6 - sawtooth generator (GLIN).

7 - компаратор.7 - comparator.

8 - инвертор.8 - inverter.

Измеритель работает следующим образом.The meter works as follows.

При L₁-L₂=L₀ начальное напряжение усилителя 5 таково, что на выходе компаратора имеют место симметричные импульсы со скважностью 0,5 и периодом Т₀.When L ₁ -L ₂ = L _{0 the} initial voltage of the amplifier 5 is such that at the output of the comparator there are symmetrical pulses with a duty cycle of 0.5 and a period of T ₀ .

При этом в течение периода Т₀ обмотки L₁ и L₂ подключены через ключи повышающих преобразователей 2 одинаковое время они накапливают одинаковую энергию и отдают ее в течение паузы, равной T₀/2, на одинаковые нагрузки 4. При этом на дифференциальных входах инструментального усилителя 5 напряжение равно 0.Moreover, during the period T _{0, the} windings L ₁ and L _{2 are} connected through the keys of step-up converters 2 for the same time, they accumulate the same energy and give it during a pause equal to T _0/2 to the same load 4. Moreover, on the differential inputs of the instrument amplifier 5 voltage is 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.The mismatch of the inductive windings due to the movement of the yoke leads to a change in the voltages at the outputs of the boost converters, which leads to the appearance of a voltage at the inputs of the instrumental amplifier 5, and therefore, the voltage at its output changes and since it is compared on a comparator 7 with a voltage of CLIN 6, then the duty cycle of the pulses at the output of the comparator varies.

На вход ключа первого повышающего преобразователя приходит импульс с компаратора 7, на вход второго с инвертора 8. Если ключ первого преобразователя подключается на время Т₀+Δt, то ключ второго на время T₀-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.The pulse from the comparator 7 comes to the input of the key of the first upconverter, and the pulse from the inverter 8 to the input of the second. If the key of the first converter is connected for the time T ₀ + Δt, then the key of the second for the time T ₀ -Δt. The change in the inductance of the windings is compensated by the change in the time they are connected directly to the power source. In this case, the balance of energies of the accumulated coils is returned. This is how negative feedback is implemented, in which zero voltage is maintained between the outputs of boost converters operating from the same source for the same load.

Общими признаками предложенного устройства и устройства прототипа являются:Common features of the proposed device and prototype device are:

1. Наличие одинакового первичного преобразователя перемещений.1. The presence of the same primary displacement transducer.

2. Подключение индуктивностей первичного преобразователя последовательно с диодом и конденсатором так, что они образуют LDC-мост.2. Connect the inductances of the primary converter in series with the diode and capacitor so that they form an LDC bridge.

3. Использование в схеме вторичного преобразователя импульсного генератора.3. Use in the circuit of the secondary Converter pulse generator.

4. Питание схемы источником постоянного напряжения.4. Power supply circuit with a constant voltage source.

Отличительными признаками являются:Distinctive features are:

1. Подключение LDC-моста непосредственно к источнику питания.1. Connect the LDC bridge directly to the power source.

2. Подключение индуктивностей через транзисторные ключи непосредственно к источнику питания.2. Connecting inductors through transistor switches directly to a power source.

3. Управление ключами прямым и инверсным выходами широтно-импульсного модулятора, дифференциальными входами, подключенным к выходной диагонали LDC-моста.3. Key management of direct and inverse outputs of a pulse-width modulator, differential inputs connected to the output diagonal of the LDC bridge.

ДС-ДС преобразователь подробно описан в журнале «Электронные компоненты» №2, 2002 г.The DS-DS converter is described in detail in the journal Electronic Components No. 2, 2002.

За счет отличительных признаков, в совокупности с общими, присущими и прототипу, удалось преобразовать изменение индуктивности обмоток в скважность импульсов, которыми управляется два ключа схемы.Due to the distinguishing features, together with the common, inherent and prototype, it was possible to convert the change in the inductance of the windings into the duty cycle of the pulses, which are controlled by two circuit keys.

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.Measurement of the duty cycle of pulses, in contrast to the measurement of current (as implemented in the prototype) is possible with a higher resolution, which increases the thermal stability of the sensor and its dynamic range. Due to this, its application is expanding in conditions of large temperature ranges and large values of vibration impacts, the influence of the power source on information is excluded.

Таким образом, предложенное устройство обладает и новизной, и удовлетворяет требованию «промышленно применимо». В измерителе допускается применение нестабилизированных источников питания.Thus, the proposed device has novelty, and meets the requirement of "industrially applicable". The meter allows the use of unstabilized power sources.

Claims (1)

Индуктивный дифференциальный измеритель перемещения, содержащий две индуктивные катушки с размещенным между ними ярмом на упругом подвесе, в котором каждая из катушек соединена через диод с конденсатором так, что они образуют индуктивно-диодно-емкостной мост (LDC) с выходной диагональю между точками подключения конденсаторов с соответствующим диодом и входной диагональю между общей точкой обоих индуктивных обмоток и общей точкой конденсаторов, источник постоянного напряжения и два ключа, отличающийся тем, что для управления ключами введен широтно-импульсный модулятор (ШИМ), ключи соединены с общими точками соответствующих катушек и диодов и подключены к общей точке источника питания, второй выход источника подключен к общей точке индуктивных катушек, дифференциальный вход ШИМ соединен с выходной диагональю LDC-моста ШИМ имеет прямой и инверсный выход, которые подключены к базам ключей таким образом, что реализуется отрицательная обратная связь, стабилизирующая напряжение в выходной диагонали LDC-моста, а каждый из ключей с соответствующей LDC-ветвью моста образует повышающий преобразователь ДС-ДС. An inductive differential displacement meter containing two inductive coils with a yoke placed between them on an elastic suspension, in which each of the coils is connected through a diode to a capacitor so that they form an inductive diode-capacitive bridge (LDC) with an output diagonal between the connection points of the capacitors with the corresponding diode and the input diagonal between the common point of both inductive windings and the common point of the capacitors, a constant voltage source and two keys, characterized in that for controlling the keys a pulse-width modulator (PWM), the keys are connected to the common points of the corresponding coils and diodes and connected to a common point of the power source, the second output of the source is connected to a common point of the inductive coils, the differential PWM input is connected to the output diagonal of the LDC bridge PWM has a direct and inverse output, which are connected to the key bases in such a way that negative feedback is realized that stabilizes the voltage in the output diagonal of the LDC bridge, and each of the keys with the corresponding LDC branch of the bridge forms an increase yuschy converter DC-DC.

Images