устройство для измерения линейных перемещений (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее первичный преобразователь, состоящий из подвижного элемента, двух коаксиальных цилиндрических сердечников, измерительной обмотки, равномерно распределенной вдоль центрального сердечника, и дополнительной обмотки, отличающееся тем, что содержит три операционных усилителя, дополнительная обмотка равномерно распределена по периметру одного из сердечников так, что ее витки охватывают его в продольном направлении, и выполнена в виде двух секций, причем один вывод первой секции соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и выводом измерительной обмотки, второй вывод которой соединен с выходом первого операционного усилителя, а другой вывод первой секции соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом второй секции, другой вывод которой соединен с выходом второго операционного усилителя, подключенным к суммирующей точке третьего операционного усилителя, соединенной также с выходом первого операционного усилителя; на неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей в противофазе переменное напряжение, а выходом устройства является выход третьего операционного усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, охватывающей внешний сердечник из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньшей электропроводности подвижного элемента, а дополнительная обмотка расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, размещенной между внешним сердечником из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньше электропроводности подвижного элемента, и центральным сердечником, охватывая последний, а дополнительная обмотка расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба сердечника изготовлены из магнитного материала с малой электропроводностью, дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, а центральный сердечник охватывает подвижный элемент в виде проводящей трубки или прутка.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, изготовленном из магнитного материала с малой электропроводностью, а подвижный элемент в виде магнитной трубки помещен между внешним и центральным сердечниками, последний из которых изготовлен из немагнитного материала с малой электропроводностью.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике из немагнитного материала с малой электропроводностью, а центральный сердечник из немагнитного материала с малой электропроводностью охватывает подвижный элемент в виде магнитной трубки или прутка.

7. Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее первичный преобразователь, состоящий из подвижного элемента, двух коаксиальных цилиндрических сердечников, измерительной обмотки, равномерно распределенной вдоль центрального сердечника, и дополнительной обмотки, отличающееся тем, что содержит четыре операционных усилителя, дополнительная обмотка равномерно распределена по периметру одного из сердечников так, что ее витки охватывают его в продольном направлении, и выполнена в виде двух секций, причем один вывод первой секции соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и выводом измерительной обмотки, второй вывод которой соединен с выходом первого операционного усилителя, а другой вывод первой секции соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом второй секции, другой вывод которой соединен с выходом второго операционного усилителя, подключенным к суммирующей точке третьего операционного усилителя, соединенной также с выходом первого операционного усилителя и инвертирующим входом четвертого усилителя-интегратора; на неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей подаются в противофазе однополярные импульсы напряжений, выходом устройства является выход третьего операционного усилителя, а выходной сигнал четвертого операционного усилителя служит для компенсации температурной погрешности.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, охватывающей внешний сердечник из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньшей электропроводности подвижного элемента, а дополнительная обмотка расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, размещенной между внешним сердечником из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньшей электропроводности подвижного элемента, и центральным сердечником, охватывая последний, а дополнительная обмотка расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью.

10. Устройство по п.17, отличающееся тем, что оба сердечника изготовлены из магнитного материала с малой электропроводностью, дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, а центральный сердечник охватывает подвижный элемент в виде проводящей трубки или прутка.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, изготовленном из магнитного материала с малой электропроводностью, а подвижный элемент в виде магнитной трубки помещен между внешним и центральным сердечниками, последний из которых изготовлен из немагнитного материала с малой электропроводностью.

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике из немагнитного материала с малой электропроводностью, а центральный сердечник из немагнитного материала с малой электропроводностью охватывает подвижный элемент в виде магнитной трубки или прутка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроении (при испытании конструкций, управлении технологическими процессами и т.д.).

Известно устройство для индикации линейных перемещений по а.с. N 237643 (СССР), кл. G 08 С 9/04, содержащее индикаторную и две дополнительные (бифилярные) обмотки, равномерно распределенные на одном каркасе, включенные в плечи измерительного и компенсирующего мостов, выходные напряжения которых суммируются, а также ферромагнитный сердечник, перемещающийся внутри обмоток.

Недостатками этого устройства являются малый рабочий диапазон перемещений, обусловленный нелинейностью статической характеристики при сравнительно сложной конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения линейных перемещений, описанное в книге Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. -М. : Машиностроение, 1965, с. 126, 67 - 73, содержащее магнитопровод из двух коаксиальных цилиндрических сердечников, измерительную обмотку, равномерно распределенную вдоль центрального сердечника, и подвижный элемент в виде металлической немагнитной трубки, охватывающей центральный сердечник магнитопровода и размещенной внутри измерительной обмотки, включенной совместно с дополнительной обмоткой (дросселем) в мостовую схему, питаемую переменным напряжением звуковой частоты, выходы которой соединены с входами тензометрического усилителя.

Недостатком данного устройства являются погрешности от влияния внешних факторов (температуры и др.), обусловленные тем, что измерительная обмотка и остальная часть схемы находятся в разных физических условиях, в результате чего не происходит компенсация дополнительных погрешностей. Кроме того, описанная конструкция первичного преобразователя перемещений ограничивает его функциональные возможности, адаптацию к условиям эксплуатации (например, стыковки с объектом), препятствует уменьшению поперечных размеров преобразователя.

Предлагаемое изобретение позволяет в значительной степени устранить указанные недостатки. С этой целью устройство содержит четыре операционных усилителя и первичный преобразователь перемещений, состоящий из подвижного элемента, двух коаксиальных цилиндрических сердечников, измерительной обмотки и дополнительной обмотки с двумя секциями. На фиг.1 показана блок-схема устройства, на фиг.2 - 5- варианты конструкции первичного преобразователя.

Выход операционного усилителя 1 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 4, работающим в режиме интегратора, и с суммирующей точкой операционного усилителя 3, к которой подключен также выход операционного усилителя 2 и второй вывод секции 5 дополнительной обмотки. Первый вывод секции 5 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2 и вторым выводом первой секции 6 дополнительной обмотки, первый вывод которой подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 4 и одному из выводов измерительной обмотки 7, другой вывод которой соединен с выходом операционного усилителя 4. Переменное напряжение подается с противоположными знаками (в противофазе) на неинвертирующие входы операционных усилителей 1 и 2, выходом устройства является выход операционного усилителя 3, а выход операционного усилителя 4 используется для коррекции результатов измерения с учетом изменения температурных условий первичного преобразователя.

Первичный преобразователь линейных перемещений состоит из подвижного элемента 8, двух коаксиальных цилиндрических сердечников - центрального 9 и внешнего 10 -, измерительной обмотки 7, равномерно распределенной вдоль центрального сердечника 9, и дополнительной обмотки из двух секций 5 и 6, равномерно распределенных по периметру одного из сердечников так, что их витки пронизывают его вдоль оси и охватывают в продольном направлении.

Первичный преобразователь может иметь следующие конструктивные варианты:

1) фиг.2 подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, охватывающей внешний цилиндрический сердечник, изготовленный из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньшей электропроводности подвижного элемента, а дополнительная обмотка бескаркасно расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью:

2) фиг. 3; подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, размещенной между центральным и внешним сердечником; в остальном конструкция соответствует варианту 1);

3) фиг. 4; оба сердечника изготовлены из магнитного материала с малой электропроводностью, дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, а центральный сердечник охватывает подвижный элемент в виде проводящей трубки или прутка;

4) фиг. 5; дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью, а подвижный элемент в виде магнитной трубки помещен между внешним и центральным сердечниками, последний из которых изготовлен из немагнитного материала с малой электропроводностью.

5) фиг. 4; дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью, а центральный сердечник из немагнитного материала с малой электропроводностью охватывает подвижный элемент в виде магнитной трубки или прутка.

В конструкциях вариантов 2) - 4) внешний сердечник выполняет роль первичного преобразователя, а в варианте 1) он может служить направляющей для подвижного элемента.

Описанные варианты конструктивного выполнения первичного преобразователя значительно расширяют функциональные возможности устройства, позволяя выбирать подвижный элемент в соответствии с условиями эксплуатации и характером объекта измерения, а также при необходимости сократить до минимума поперечные размеры преобразователя перемещений.

Устройство работает следующим образом. При подаче на неинвертирующие входы операционных усилителей 1 и 2 переменного напряжения со стабилизированной амплитудой U на выходах операционных усилителей 1 и 2 возникают напряжения соответственно





где Z_u - комплексное сопротивление измерительной обмотки, Z₁ и Z₂ - сопротивления секций дополнительной обмотки.

Поскольку сигналы на входах операционных усилителей 1 и 2 находятся в противофазе, то напряжение U_вых на выходе операционного усилителя 3 - выходе устройства

U_вых = k₁U₁ - k₂U₂, (3)

где k₁ и k₂ - коэффициенты усиления по входу операционного усилителя 3, соединенному с операционными усилителями 1 и 2 соответственно. Полагая k₁ = 1, получаем с учетом (1) и (2)



Комплексное сопротивление Z_u измерительной обмотки можно представить как Z_u = Z₀ + Z, где Z₀ - начальное сопротивление обмотки в одном из крайних положений подвижного элемента (например, когда он полностью выведен из первичного преобразователя), Z - сопротивление измерительной обмотки, обусловленное изменением положения подвижного элемента. Число витков и сечение провода дополнительной обмотки подбирается так, чтобы ее секции обладали той же добротностью, что и измерительная обмотка в начальном состоянии, т.е.

где R₀, X₀ и R₂, X₂ - активное и реактивное сопротивления соответственно измерительной обмотки и второй секции дополнительной обмотки.

Выбрав k₂ = q, имеем из (5):

R₀ = k₂R₂, X₀ = k₂X₂, Z₀ = k₂Z₂. (6)

В силу (6) выходные напряжение



т. е. не зависит от начального сопротивления измерительной обмотки, что равносильно компенсации аддитивной составляющей погрешности измерения. Измерительная и дополнительная обмотки находятся в одинаковых физических условиях, изменение которых в равной степени сказывается на их сопротивлениях, поэтому соотношения (6) и (7) будут оставаться в силе и при изменении внешних условий (например, температуры).

Отношение в (7), обусловленное логометрической схемой включения измерительной обмотки и первой секции дополнительной обмотки, позволяет в значительной степени компенсировать также мультипликативную составляющую погрешности измерения.

Температурную погрешность можно практически полностью скомпенсировать, зная температуру измерительной обмотки, информацию о которой несет ее собственное активное сопротивление (сопротивление провода) в силу известного соотношения

R = R₀(1 + t), (8)

где - температурный коэффициент сопротивления материала провода и R₀ - его начальное активное сопротивление, определенное при одной и той же температуре (например, при 20^oC).

Для того, чтобы одновременно с измерением перемещений определять сопротивление измерительной обмотки R, питание устройства осуществляется однополярными импульсами. Постоянная составляющая U₀ напряжения на измерительной обмотке, пропорциональная значению R в данный момент, выделяется с помощью операционного усилителя-интегратора 4. Так как величины R₀ и заранее известны, то по выходному сигналу операционного усилителя 2 легко определить температуру из (8). Эта информация используется затем для коррекции результатов измерения перемещений. Данную операцию можно автоматизировать, например, с помощью программируемого микропроцессора, в память которого заносится температурная характеристика первичного преобразователя.