SU1483246A1 - Электромагнитное устройство дл измерени перемещений - 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.

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 

Цель изобретени  - повышение точности , котора  достигаетс  за счет цифровой обработки сигналов вихретокового преобразовател .

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 .

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.

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.

0

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.

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.

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 представлена

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

где X-координата объекта контрол ;

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 функции

измерительных обмоток; U4, LJ7 - амплитуды ЭДС измерительных 5обмоток 4 и 7.

ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8 с выходов которых выпр мленное и усиленное напр жение поступает на АЦП 6 и 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 формулой

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

где S- двоичное число на выходе

ПЗУ 11; HI, H2 - двоичные числа на выходе АЦП

соответственно 6 и 9; К - коэффициент преобразовани ; А 1, если Н, Ч| 10, если Н, г, . Л, если 10, если

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 как

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.

С выхода ПЗУ 1 1 двоичное число поступает на вход блока 12 обнаружени  границы периода.

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 .

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, который

0

5

5 0

5

0

0

5 .с

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.

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.

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.

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.

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.

Поскольку обработка сигналов производитс  в цифровом виде, в предлагаемом устройстве отсутствуют погрешности, присущие аналоговым вычислительным устройствам .

Абсолютна  погрешность предлагаемого устройства на любом диапазоне измерени 

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.

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.

Claims (3)

1. Формула изобретени 

   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-

   5

   Q 5

   0

   5 0

   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 .
2. 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.
3. 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.

   Фиг. 2

   фиг. 3

   фиг. Ч

   Ut,U7

   Граница периода

   о-ой i-ый период период

   (к+1)

   Рабочий диапазон преобразовател 

   Фиг.5

   Т

   К-ыи период