SU1483246A1 - Instrument for measuring movements - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, дл  измерени  осевого положени  ротора, разности тепловых расширений ротора и статора, абсолютных удлинений корпуса турбин электростанций, определени  пространственного положени  управл ющих элементов, в системах очувствлени  роботов во всех отрасл х машиностроени . Целью изобретени   вл етс  повышение точности устройства дл  измерени  перемещений, котора  достигаетс  за счет цифровой обработки сигналов вихретокового преобразовател . Напр жение колебаний генератора 1 высокой частоты поступает на возбуждающую обмотку 3 вихретокового преобразовател  2, в измерительных обмотках 4 и 7 которого возникает ЭДС, завис ща  от электрофизических свойств объекта контрол , его геометрических размеров, зазора между объектом контрол  и преобразователем 2. ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8, с выходов которых выпр мленное и усиленное напр жение поступает на АЦП 6 и 9, откуда подаетс  на адресные входы ПЗУ 11 блока 10 обработки сигналов АЦП 6 и 9. На выходе ПЗУ формируетс  число, определ ющее положение объекта контрол  на каком-либо из периодов функции обмоток токовихревого преобразовател  2. При переходе объектом контрол  границы периода измен етс  старший разр д ПЗУ 11, что влечет за собой изменение на единицу числа, наход щегос  в счетчике и  вл ющегос  номером периода, на котором в данный момент находитс  объект контрол . 2 з.п. ф-лы. 5 ил.The invention relates to instrumentation technology and can be used, in particular, to measure the axial position of the rotor, the difference between the thermal expansions of the rotor and the stator, the absolute extensions of the turbine housing of power plants, the determination of the spatial position of control elements in the robot sensing systems in all machines . The aim of the invention is to improve the accuracy of the device for measuring movements, which is achieved by digitally processing the signals of the eddy current transducer. The oscillation voltage of the high-frequency generator 1 is fed to the excitation winding 3 of the eddy current transducer 2, in the measuring windings 4 and 7 of which an emf occurs, depending on the electrical properties of the test object, its geometric dimensions, the gap between the control object and the converter 2. The EMF of the windings goes to detectors 5 and 8, from the outputs of which the rectified and amplified voltage goes to ADC 6 and 9, wherefrom the address inputs of the ROM 11 of the signal processing unit 10 ADC 6 and 9. At the output of the ROM a number is generated, the position of the object of control on any of the periods of the function of the windings of the eddy current converter 2. When the object passes the control, the upper bit of the ROM 11 changes, which entails a change in the unit number in the counter and the period number which is currently the control object. 2 hp f-ly. 5 il.

Description

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике и может быть использовано , в частности, дл  измерени  осевого положени  ротора, разности тепловых расширений ротора и статора, абсолютных удлинений корпуса турбин электростанций, определени  пространственного положени  управл ющих элементов, в системах очувствлени  роботов во всех отрасл х машиностроени The invention relates to a measuring and measuring technique and can be used, in particular, to measure the axial position of the rotor, the difference between the thermal expansions of the rotor and the stator, the absolute extensions of the turbine housing of power plants, the determination of the spatial position of control elements in the robot sensing systems in all machines

Цель изобретени  - повышение точности , котора  достигаетс  за счет цифровой обработки сигналов вихретокового преобразовател .The purpose of the invention is to improve the accuracy that is achieved by digitally processing the signals of the eddy current transducer.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства измерени  перемещений; на фиг. 2 - устройство обнаружени  границы периода; на фиг. 3 - устройство подсчета числа периодов; на фиг. 4 - вихретоковый преобразователь; на фиг. 5 - зависимость амплитуд ЭДС измерительных обмоток от положени  объекта контрол .FIG. 1 is a block diagram of a displacement measurement device; in fig. 2 — device for detecting a period boundary; in fig. 3 - a device for counting the number of periods; in fig. 4 - eddy current transducer; in fig. 5 - dependence of the EMF amplitudes of the measuring windings on the position of the control object.

Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, вихретоковый преобразователь 2, возбуждающа  обмотка 3 которого подключена к генератору 1 высокой частоты, перва  измерительна  обмотка 4 подключена к последовательно включенным детектору 5 и первому аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 6, а втора  измерительна  обмотка 7 - к последовательно включенным детектору 8 и второму аналого- цифровому преобразователю (АЦП) 9, блок 10 обработки сигналов аналого-цифровых преобразователей 6 и 9, который выполнен в виде последовательно включенных посто нного запоминающего устройства (ПЗУ) 11 и блока 12 обнаружени  границы периода, а также блока 13 подсчета числа периодов, первый вход которого подключен к выходу старшего разр да посто нного запоминающего устройства 11, а второй вход соединен с выходом блока 12 обнаружени  границы периода, причем выходы ПЗУ 11 и блока 13 подсчета числа периодов составл ют выход блока 10 обработки сигналов, который подключен к индикатору 14, а входы посто нного запоминающего устройства 11  вл ютс  входами блока 10 обработки сигналов и подключены к выходам аналого-цифровых преобразователей 6 и 9.The device contains a high-frequency generator 1, an eddy current transducer 2, the exciting winding 3 of which is connected to a high-frequency generator 1, the first measuring winding 4 is connected to a series-connected detector 5 and the first analog-to-digital converter (ADC) 6, and the second measuring winding 7 to a series-connected detector 8 and a second analog-to-digital converter (ADC) 9, a block 10 of processing signals of analog-digital converters 6 and 9, which is designed as a series of permanently connected this storage device (ROM) 11 and the period limit detection unit 12, as well as the period number counting unit 13, the first input of which is connected to the high-level output of the persistent storage device 11, and the second input is connected to the output of the period limit detecting unit 12, the outputs of the ROM 11 and the period counting unit 13 constitute the output of the signal processing unit 10, which is connected to the indicator 14, and the inputs of the permanent storage device 11 are the inputs of the signal processing unit 10 and connected to the analog outputs go-to-digital converters 6 and 9.

Блок 12 обнаружени  границы периода содержит компараторы 15 и 16, первые входы которых соединены между собой и  вл ютс  входом блока 12 обнаружени  границы периода, источники кодов 17 и 18, представл ющие собой набор переключателей и подключенные к вторым входам соответствующих компараторов 15 и 16, а также логического элемента 2ИЛИ 19, входы которого подключены к выходам компараторов 15 и 16, а выход  вл етс  выходом блока 12 обнаружени  границы периода.The period boundary detection unit 12 contains comparators 15 and 16, the first inputs of which are interconnected and are the input of the period limit detection unit 12, the sources of codes 17 and 18, which are a set of switches and connected to the second inputs of the corresponding comparators 15 and 16, and also the logic element 2ILI 19, the inputs of which are connected to the outputs of the comparators 15 and 16, and the output is the output of the period boundary detection unit 12.

00

Блок 13 подсчета числа периодов содержит два RC-фильтра 20 и 21 верхних частот, RC-фильтр 22 нижних частот, инвертор 23, вход которого соединен с вхо- дами RC-фильтров 20 и 22 и  вл етс  первым входом блока подсчета числа периодов , а выход подключен к входу RC-фильтра 21 верхних частот, логический элемент 2ИЛИ 24, входы которого подклю- . чены к выходам RC-фильтров 20 и 21 верхних частот, кнопку «Сброс 25, а также счетчик 26, первый вход которого  вл етс  вторым входом блока 13 подсчета числа периодов, второй и третий входы подключены соответственно к выходам логического элемента 2ИЛИ 24 и RC-фильтра 22 нижних частот, четвертый вход соединен с кнопкой «Сброс 25, а выход  вл етс  выходом блока 13 подсчета числа периодов.The period counting unit 13 comprises two RC filters 20 and 21 of the upper frequencies, the RC filter 22 of the lower frequencies, the inverter 23, the input of which is connected to the inputs of the RC filters 20 and 22 and is the first input of the period counting unit, and the output is connected to the input of the RC high-pass filter 21, the logical element 2ILI 24, the inputs of which are connected-. to the outputs of the RC filters 20 and 21 of the upper frequencies, the button Reset 25, as well as the counter 26, the first input of which is the second input of the period counting unit 13, the second and third inputs are connected respectively to the outputs of the logic element 2IL or RC- the lowpass filter 22, the fourth input is connected to the "Reset 25" button, and the output is the output of the period counting section 13.

Вихретоковый преобразователь 2 содержит основание 27 и охватывающую его пр моугольную возбуждающую обмотку 3, а измерительные обмотки 4 и 7 лежат в пазах торцовой поверхности основани , параллельной плоскости возбуждающей обмотки, причем пазы выполнены в виде периоди- 5 ческой треугольной функции с периодом Т и сдвинуты друг относительно друга на четверть периода этой функции.The eddy current transducer 2 contains a base 27 and a rectangular exciting winding 3 that surrounds it, and the measuring windings 4 and 7 lie in the grooves of the end surface of the base parallel to the plane of the exciting winding, with the grooves made in the form of a periodic triangular function with a period T and shifted relative to a friend for a quarter of the period of this function.

Устройство работает следующим образом. Напр жение колебаний генератора 1 высокой частоты поступает на возбуждаю- 0 щую обмотку 3 вихретокового преобразовател  2. В измерительных обмотках 4 и 7 возникает ЭДС, амплитуда которой зависит как от напр жени  и частоты колебаний генератора 1 высокой частоты, так и от электрофизических свойств, геометрических 5 размеров объекта контрол , зазора между объектом контрол  и преобразователем и периодически измен етс  при перемещении объекта контрол , ширина которого меньше длины преобразовател , параллельно торцо- Q вой поверхности преобразовател  с периодом , равным периоду треугольной функции обмоток. Амплитуда ЭДС измерительных обмоток такой конфигурации может быть приближенно представленаThe device works as follows. The oscillation voltage of the high-frequency generator 1 is fed to the exciting winding 3 of the eddy-current transducer 2. In the measuring windings 4 and 7, an emf arises, the amplitude of which depends on both the voltage and the oscillation frequency of the high-frequency generator 1 and the electrical properties of the geometric 5 dimensions of the control object, the gap between the control object and the transducer and periodically changes when the control object moves, the width of which is less than the transducer length, parallel to the face Q of the transducer ovatel with a period equal to the period of the triangular winding function. The amplitude of the EMF of the measuring windings of this configuration can be approximately represented

U 4 A- sinX, 5 sin (X+T/4)A- cos X,U 4 A-sinX, 5 sin (X + T / 4) A-cos X,

где X-координата объекта контрол ;where X is the coordinate of the control object;

А - коэффициент, завис щий от электрофизических свойств материала , размеров объекта контрол  и зазора между объек- 0том и преобразователем, а также от частоты и напр жени  колебаний генератора; Т - период треугольной функцииA is the coefficient depending on the electrical and physical properties of the material, the dimensions of the object of control and the gap between the object and the transducer, as well as the frequency and voltage of the oscillator; T - the period of the triangular function

измерительных обмоток; U4, LJ7 - амплитуды ЭДС измерительных 5обмоток 4 и 7.measuring windings; U4, LJ7 - EMF amplitudes of measuring 5 windings 4 and 7.

ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8 с выходов которых выпр мленное и усиленное напр жение поступает на АЦП 6 и 9.The EMF of the windings goes to the detectors 5 and 8 from the outputs of which the rectified and amplified voltages are fed to the ADC 6 and 9.

С выходов АЦП цифровой код поступает на адресные входы ПЗУ 11 блока 10 обработки сигналов АЦП. В ПЗУ 11 занесена таблица в соответствии с формулойFrom the ADC outputs, a digital code is fed to the address inputs of the ROM 11 of the ADC signal processing unit 10. In ROM 11 table is entered in accordance with the formula

(n-Q,+nQ2+ arctgH,/H2), (n-Q, + nQ2 + arctgH, / H2),

где S- двоичное число на выходеwhere S is the binary number at the output

ПЗУ 11; HI, H2 - двоичные числа на выходе АЦПROM 11; HI, H2 - binary numbers at the output of the ADC

соответственно 6 и 9; К - коэффициент преобразовани ; А 1, если Н, Ч| 10, если Н, г, . Л, если 10, если respectively 6 and 9; K is the conversion factor; A 1, if N, H | 10, if H, g,. L if 10 if

Таким образом, на выходе ПЗУ 11 формируетс  число, определ ющее положение объекта контрол  на каком-либо из периодов функции обмоток, при этом дл  крайнего левого положени  объекта на перио- де имеем число ...О, а дл  крайнего правого S 11...1. Старший разр д числа S совпадает с величиной Q2 и измен ет свое значение при переходе Н, через ноль. Так какThus, at the output of the ROM 11, a number is formed that determines the position of the object of control at any of the periods of the winding function, while for the leftmost position of the object in the period we have the number ... O, and for the rightmost one S 11 .. .one. The highest bit of the number S coincides with the value of Q2 and changes its value when H passes through zero. Because

arctg (H,/H2) arctg arctg (H, / H2) arctg

arctg (tgX)X, то величина S зависит только от перемещени  X и не зависит от факторов, вли ющих на величину коэффициента А.arctg (tgX) X, then the value of S depends only on the displacement of X and does not depend on factors affecting the value of the coefficient A.

С выхода ПЗУ 1 1 двоичное число поступает на вход блока 12 обнаружени  границы периода.From the output of the ROM 1 1, the binary number is fed to the input of the period limit detection unit 12.

Источники кода 17 и 18 задают двоичные Коды PI и Р2 соответственно, причем код PI равен числу S на выходе ПЗУ 11 при расположении объекта контрол  на четверть периода слева от границы перио- да, а Р2 числу S на выходе ПЗУ 11 при расположении объекта контрол  на четверть периода справа от границы периода . Компараторы 15 и 16 сравнивают поступающее с выхода ПЗУ 11 число S с установленными числами Р и Р2 и на выходе компаратора 15 по вл етс  логическа  «1, если , а на выходе компаратора 16, если . В результате на выходе блока 12 обнаружени  границы периода по вл етс  уровень «1, если или .Code sources 17 and 18 specify binary codes PI and P2, respectively, with the PI code equal to the number S at the output of ROM 11 when the control object is located at a quarter of the period to the left of the period boundary, and P2 number of S at the output of ROM 11 when the control object is located at quarter period to the right of the period boundary. Comparators 15 and 16 compare the number S coming from the output of the ROM 11 with the set numbers P and P2 and the output of the comparator 15 appears logical 1, if, and at the output of the comparator 16, if. As a result, the output of block 12 of the detection of the boundary of the period is the level "1, if or.

При поступлении сигнала с выхода блока 12 обнаружени  границы периода на первый вход счетчика 26 последний переходит из режима хранени  содержащегос  в нем числа в режим счета. При изменении старшего разр да на выходе ПЗУ 11, что происходит при переходе HI (а следовательно, и Щ) через ноль, на выходе одного из RS-фильтров 20 и 21 будет возникать положительный импульс, а на выходе другого - отрицательный. Поступа  на входы логического элемента ИЛИ 24, эти импульсы будут формировать счетный импульс на его выходе, которыйWhen a signal arrives from the output of block 12, the detection of the boundary of the period to the first input of the counter 26 is switched from the storage mode of the number contained in it to the counting mode. When the most significant bit changes at the output of ROM 11, which occurs when HI (and, consequently, U) goes through zero, a positive impulse will appear at the output of one of the RS-filters 20 and 21, and a negative impulse will appear at the output of the other. By entering the inputs of the logic element OR 24, these pulses will form a counting pulse at its output, which

00

5five

5 0 50

5five

00

0 0

5 .с 5 .c

0 5 0 5

поступит на второй (счетный) вход счетчика 26 и изменит его состо ние, если на первом входе счетчика 26 присутствует сигнал, разрешающий счет. Направление счета будет определ тьс  состо нием на третьем входе счетчика 26, соединенным с выходом RC-фильтра 22.will go to the second (counting) input of the counter 26 and change its state if the signal allowing the count is present at the first input of the counter 26. The counting direction will be determined by the state at the third input of the counter 26 connected to the output of the RC filter 22.

Изменение логического состо ни  на выходе RC-фильтра 22 будет задержано относительно изменени  состо ни  на входе его на врем  т, определ емое параметрами RC-фильтра 22, которые должны быть подобраны так, чтобы врем  задержки т было больше времени формировани  счетного импульса и срабатывани  счетчика 26. Таким образом, логическое состо ние на выходе RC-фильтра 22, а следовательно, и направление счета будут определ тьс  состо нием на входе RC-фильтра 22 в момент, непосредственно предшествующий моменту смены сигнала на его входе.The change in the logic state at the output of the RC filter 22 will be delayed with respect to the change in the state at its input by a time T, determined by the parameters of the RC filter 22, which must be selected so that the delay time t is longer than the generation time of the counting pulse and the counter 26. Thus, the logical state at the output of the RC-filter 22, and hence the counting direction, will be determined by the state at the input of the RC-filter 22 at the time immediately preceding the moment of changing the signal at its input.

При приближении объекта контрол  к границе периода ближе, чем на четверть периода, блок 12 обнаружени  границы периода формирует сигнал, перевод щий блок 13 подсчета числа периодов в режим счета.When the control object approaches the period boundary closer than a quarter of a period, the period boundary detection unit 12 generates a signal that converts the period counting unit 13 to the counting mode.

При переходе объектом контрол  границы периода измен етс  старший разр д на выходе ПЗУ 11 «1 измен етс  на «О при переходе границы слева направо и «О измен етс  на «1 при переходе границы справа налево, что повлечет за собой изменение на единицу числа, наход щегос  в счетчике 26, причем направление счета будет определ тьс  предшествующим состо нием старшего разр да на выходе ПЗУ 11. Таким образом, в счетчике 26 будет находитьс  число,  вл ющеес  номером периода, на котором в данный момент времени находитс  объект контрол . При включении устройства объект контрол  располагаетс  на нулевом периоде обмоток и нажимаетс  кнопка «Сброс 25. При этом, сбрасываетс  счетчик 26 и ка выходе блока 13 подсчета числа периодов- устанавливаетс  ноль во всех разр дах.When the object controls the period boundary, the high bit at the output of the ROM 11 "1 changes to" O when the border moves from left to right and "About changes to" 1 when the border crosses from right to left, which would entail a change of one number, located in the counter 26, and the counting direction will be determined by the previous state of the high bit at the output of the ROM 11. Thus, in the counter 26 there will be a number that is the number of the period in which the control object is currently located. When the device is turned on, the control object is located on the zero period of the windings and the button "Reset 25" is pressed. At the same time, the counter 26 is reset and the output of the period number counting unit 13 is set to zero in all bits.

Выходы ПЗУ 1 1 и блока 13 подсчета числа периодов совместно составл ют выход блока 10 обработки сигналов, причем выходы ПЗУ 11  вл ютс  младшими разр дами , а выходы блока 13 подсчета числа периодов - старшими. В результате на индикатор 14 поступает двоичное число, характеризующее положение объекта контрол  на всем диапазоне измерени , разр дность которого равна сумме разр дностей выходов ПЗУ 11 и блока 13 подсчета числа периодов.The outputs of the ROM 1 1 and the block 13 for counting the number of periods together constitute the output of the signal processing unit 10, the outputs of the ROM 11 being the lower bits, and the outputs of the block 13 for counting the number of periods are the older ones. As a result, an indicator 14 receives a binary number characterizing the position of the control object over the entire measurement range, the size of which is equal to the sum of the discharge outputs of the ROM 11 and the block 13 for counting the number of periods.

Поскольку обработка сигналов производитс  в цифровом виде, в предлагаемом устройстве отсутствуют погрешности, присущие аналоговым вычислительным устройствам .Since the signal processing is performed in digital form, the proposed device does not contain the inherent errors of analog computing devices.

Абсолютна  погрешность предлагаемого устройства на любом диапазоне измерени Absolute error of the proposed device on any measurement range

равна абсолютной погрешности на одном периоде обмоток и определ етс  главным образом качеством изготовлени  преобразовател , причем абсолютна  погрешность будет тем меньше, чем меньше период тре- угольной функции обмоток.is equal to the absolute error on one period of the windings and is mainly determined by the quality of manufacture of the converter, and the absolute error will be the smaller, the smaller the period of the triangular function of the windings.

Таким образом, наличие в предлагаемом устройстве вихретокового преобразовател  2 с двум  измерительными обмотками 4 и 7 специальной конфигурации, двух аналого- цифровых преобразователей 6 и 9, ПЗУ 11, блока 12 обнаружени  границы периода и блока 13 подсчета числа периодов поз- вол ет повысить точность измерени  при фиксированном диапазоне перемещени  и су- щественно увеличи гь диапазон измерени  без увеличени  абсолютной погрешности измерени  перемещений.Thus, the presence in the proposed device of an eddy current transducer 2 with two measuring windings 4 and 7 of a special configuration, two analog-digital converters 6 and 9, a ROM 11, a period boundary detection unit 12 and a period number counting unit 13 with a fixed displacement range and a significantly increased measuring range without increasing the absolute error in measuring displacements.

Claims (3)

Формула изобретени Invention Formula I. Электромагнитное устройство дл  измерени  перемещений, содержащее генератор высокой частоты, вихретоковый преобразователь , подключенный к генератору высокой частоты, два детектора, один из которых подключен к измерительной обмотке вихретокового преобразовател , и индикатор , отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерений, в него введены два аналого-цифровых преобразовател , блок обработки сигналов аналоге- I. Electromagnetic device for measuring displacements containing a high-frequency generator, an eddy-current transducer connected to a high-frequency generator, two detectors, one of which is connected to the measuring winding of the eddy-current transducer, and an indicator that, in order to improve the measurement accuracy It introduced two analog-digital converters, an analog signal processing unit 5 five Q 5 Q 5 00 5 050 цифровых преобразователей, вихретоковый преобразователь снабжен второй измерительной обмоткой, подключенной к входу второго детектора, входы аналого-цифровых преобразователей соединены с выходами соответствующих детекторов, блок обработки сигналов аналого-цифровых преобразователей включен между их выходами и индикатором .digital transducers, eddy current transducer equipped with a second measuring winding connected to the input of the second detector, the inputs of analog-to-digital converters connected to the outputs of the respective detectors, the signal processing unit of analog-to-digital converters connected between their outputs and the indicator. 2.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что блок обработки сигналов аналого- цифровых преобразователей выполнен в виде последовательно соединенных посто нного запоминающего устройства (ПЗУ) и блока обнаружени  границ периода, блока подсчета числа периодов, первый вход которого подключен к выходу старшего разр да ПЗУ, второй вход соединен с выходом блока обнаружени  границ периода, выходы ПЗУ и блока подсчета числа периодов составл ют выход блока обработки сигналов аналого- цифровых преобразователей, входами которого  вл ютс  входы ПЗУ.2. The device according to claim 1, characterized in that the signal processing unit of analog-to-digital converters is made in the form of serially connected permanent storage device (ROM) and a period boundaries detection unit, a period number counting unit, the first input of which is connected to the output of a higher resolution Yes, the ROM, the second input is connected to the output of the period boundary detection unit, the outputs of the ROM and the counting unit for the number of periods constitute the output of the signal processing unit of analog-to-digital converters whose inputs are the inputs of the ROM. 3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающеес  тем, что вихретоковый преобразователь выполнен в виде основани  с пазами на торцовой поверхности основани , параллельного плоскости возбуждающей обмотки , охватывающей основание, пазы выполнены в виде периодической функции и сдвинуты один относительно другого на четверть периода этой функции, а измерительные обмотки лежат в пазах.3. The device according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the eddy current transducer is designed as a base with grooves on the end surface of the base parallel to the plane of the exciting winding that encloses the base, the grooves are made as a periodic function and are shifted relative to each other by a quarter of the period of this function, and the measuring windings lie in grooves. Фиг. 2FIG. 2 фиг. 3FIG. 3 фиг. ЧFIG. H Ut,U7Ut, U7 Граница периодаPeriod boundary о-ой i-ый период периодoh i period (к+1)(to + 1) Рабочий диапазон преобразовател Converter working range Фиг.55 ТT К-ыи периодKyy period