способ измерения скорости движения проводника с током

Формула изобретения

Способ измерения скорости движения проводника с током на участке траектории между двумя идентичными индукционными датчиками положения с колоколообразной передаточной характеристикой, заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1, U2 возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося проводника, причем предварительно до начала измерения принимают значение масштабирующего коэффициента Х_е численно равным значению перемещения проводника, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в е раз, отличающийся тем, что в процессе измерения скорости непрерывно измеряют ток i, протекающий в проводнике, а скорость v движения проводника с током определяют как



где - постоянный коэффициент;

₀ = 410^-7 - магнитная постоянная;

N, S_Д - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров, в частности скорости, прямолинейного движения проводников с током.

Известен способ измерения скорости движения (авт. свид. СССР 1744652, МПК G 01 Р 3/64, БИ 24, 1992 г.), заключающийся в измерении интервала времени t_j прохождения объектом заданного базового расстояния S_i и определении средней скорости на соответствующем j-том интервале траектории по отношению причем используют информацию о выходных сигналах пар идентичных датчиков положения с колоколообразной формой передаточной характеристики, расположенных вдоль траектории движения объекта, а перед измерением задают на траектории координаты X_i регистрации объекта, в которых необходимо определять значения его скорости таким образом, что S_i = (X_i-X_i-1), i=1, 2,... N; j=1, 2,..., N-1.

В процессе измерения скорости измеряют текущие значения выходных сигналов датчиков соответствующей пары и непрерывно вычисляют координатную функцию R(X) как отношение дифференциального U_d и суммарного U сигналов датчиков, причем в моменты прохождения объектом заданных координат X_i определяют результирующий сигнал E_i, прибавляя к текущему значению сформированной координатной функции R_i, измеренному в координате X_i, рассчитанное заранее по формуле соответствующее значение напряжения сдвига i, что обеспечивает сдвиг в каждой из заданных координат X_i параллельно самой себе характеристики R(X) изменения сформированной координатной функции так, чтобы значение результирующего сигнала E_i = R_i+i в этих координатах оказалось равным нулю. При этом моменты прохождения объектом заданных координат X_i определяют по равенству нулю результирующего сигнала.

Описанный способ не обеспечивает измерение мгновенной скорости в каждый момент времени, позволяя измерять только среднюю на интервале пути скорость.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ измерения скорости движения объекта (авт. свид. СССР 1818588, МПК G 01 Р 3/64, БИ 20, 1993 г.) на участке траектории между двумя идентичными датчиками положения с колоколообразной передаточной характеристикой, заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1, U2 возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося объекта, причем предварительно до начала измерения принимают значение масштабирующего коэффициента Х_е, численно равным значению перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала каждого датчика положения в е раз. В соответствии со способом-прототипом в процессе измерения скорости определяют координатную функцию F пo формуле а скорость v определяют как

Способ-прототип имеет низкую помехозащищенность в условиях наличия сильных импульсных помех, обусловленную выполнением при определении скорости операции дифференцирования по времени координатной функции F, что приводит к "подчеркиванию" помех, присутствующих на входе измерительного устройства.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение помехозащищенности способа измерения скорости движения проводника с током.

Решение задачи достигается тем, что в способе измерения скорости движения проводника с током на участке траектории между двумя идентичными индукционными датчиками положения с колоколообразной передаточной характеристикой, заключающемся в непрерывном измерении сигналов U1, U2 возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося проводника с предварительным, до начала измерения заданием значения масштабирующего коэффициента Х_е, численно равным значению перемещения проводника, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в е раз, в процессе измерения скорости непрерывно измеряют ток i, протекающий в проводнике, а скорость v движения проводника с током определяют как



где - постоянный коэффициент;

₀ = 410^-7 - магнитная постоянная;

N, S_д - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика.

Заявляемое техническое решение отличается от способа-прототипа тем, что в процессе измерения скорости непрерывно измеряют ток i, протекающий в проводнике, а скорость движения проводника с током определяют как



где - постоянный коэффициент;

₀ = 410^-7 - магнитная постоянная;

N, S_д - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Как известно (статья: Cook R. W. Observation and analysis of current carrying plasmas in rail gun //IEEE Transactions on Magnetics. 1986. V. 22. No. 6. P. 1423-1428), выходной сигнал U индукционного датчика положения, возмущаемого полем движущегося проводника с током, может быть описан следующим образом:



где N, S_д - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика; v - скорость перемещения проводника с током; ₀ = 410^-7 - [Гн/м] - магнитная постоянная; i - ток, протекающий в движущемся проводнике; f(x(t)) [1/м²] - мультипликативная составляющая сигнала индукционного датчика, представляющая собой сложную функцию от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения.

В предлагаемом способе аналогично способу-прототипу используется тот факт, что пересекающиеся ветви передаточных характеристик индукционных датчиков положения проводника с током, реагирующих на поле, создаваемое им, могут быть с некоторой степенью точности представлены экспоненциальными функциями от координаты положения проводника. Такая аппроксимация выходного сигнала датчика положения означает аппроксимацию экспоненциальной функцией мультипликативной составляющей f(x(t)) в формуле (1). При получении аппроксимирующего выражении для сигнала датчика необходимо ввести масштабирующий коэффициент, посредством которого задавалась бы указанная выше размерность [1/м²] для значений f(x(t)). В качестве упомянутого масштабирующего коэффициента в предлагаемом способе аналогично способу-прототипу используется значение Х_е [м] перемещения проводника, соответствующее изменению выходного сигнала датчика положения в е раз. Тогда выходной сигнал датчика положения согласно аппроксимирующему выражению должен быть обратно пропорционален квадрату значения Х_е.

Таким образом, выходные сигналы пары датчиков, установленных вдоль траектории движения проводника с током при его нахождении между датчиками, могут быть описаны с использованием (1) следующими выражениями:





где Х - относительная координата положения проводника с током, равная отношению текущего значения x(t) расстояния объекта от начала координат (за начало координат принимается центр участка траектории между двумя датчиками) к значению Х_е перемещения проводника, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в е раз.

Анализируя выражения (2) и (3), можно сделать вывод о том, что выходные сигналы U1, U2 датчиков зависят от скорости v и координаты X положения движущегося проводника, а также от величины протекающего в нем тока i. Покажем, что значение геометрического среднего упомянутых сигналов датчиков положения будет зависеть (см. (2) и (3)) только от скорости v и тока i в проводнике:



Таким образом, как следует из (4), непрерывно измеряя сигналы U1, U2 возмущения двух идентичных индукционных датчиков положения полем проводника с током, движущегося на участке траектории между ними, и выполняя дополнительную операцию непрерывного измерения тока i, протекающего в проводнике, можно определять скорость v движения проводника с током как



Обозначив через С постоянный коэффициент в (5), можно записать выражение для скорости v движения проводника с током в окончательном виде:



Таким образом, введение дополнительной операции измерения тока в движущемся проводнике согласно предлагаемому способу исключает в отличие от способа-прототипа необходимость при определении скорости выполнять операцию дифференцирования по времени каких-либо параметров, функционально связанных с выходными сигналами датчиков положения. А так как именно операция дифференцирования обуславливает "подчеркивание" импульсных помех, которые могут присутствовать на входе измерительного устройства, предлагаемый способ обеспечивает более высокую по сравнению со способом-прототипом помехозащищенность.

На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения скорости движения проводника с током, например токопроводящего плазменного сгустка в канале электродинамического ускорителя плазмы (Колесников П. М. Электродинамическое ускорение плазмы. - М.: Атомиздат, 1971, с.389).

Устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости проводника 1 (см. чертеж) с током (например, плазменного сгустка), движущегося по проводящим направляющим 2, обеспечивающим протекание тока в контролируемом проводнике и образующим траекторию его движения, содержит устройство 3 измерения тока (УИТ) (сформированного, например, на базе так называемого пояса Роговского (Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.120)). Указанный ток протекает в электрической цепи, которая образована источником 4 тока (ИТ), питающими проводниками 5, проводящими направляющими 2 и движущимся проводником 1. Устройство для измерения скорости содержит также два идентичных индукционных датчика положения (Д) 6 и 7 с колоколообразной передаточной характеристикой, на участке траектории между которыми производится измерение скорости движущегося проводника 1. Датчики 6 и 7 подключены через управляемые ключи 8 и 9 соответственно к первому и второму входам первого устройства умножения (УУ1)10, а УИТ 3 соединено через управляемый ключ 11 с входом "делитель" делительного устройства (ДУ) 12. Управляющие входы управляемых ключей 8, 9 и 11 подключены к выходу порогового элемента (ПЭ) 13, вход которого соединен с выходом датчика 7, который является первым по направлению движения объекта. Выход УУ1 10 подключен к входу устройства 14 извлечения квадратного корня (УИК), выход которого соединен с входом "Делимое" ДУ 12. Выход ДУ 12 подключен к первому входу второго устройства умножения (УУ2) 15, а второй вход УУ2 15 является общим входом устройства для измерения скорости и предназначен для подачи сигнала, пропорционального значению постоянного коэффициента Выход УУ2 15 является общим выходом устройства для измерения скорости.

Устройство функционирует следующим образом.

При подходе движущегося проводника с током к первому по направлению движения датчику 7, на выходе ПЭ 13 вырабатывается управляющий сигнал (ПЭ 13 срабатывает при нарастании сигнала датчика 7 до максимума), воздействующий на управляемые ключи 8, 9 и 11. В результате управляемые ключи 8, 9, 11 включаются и происходят подключения датчиков 6 и 7 соответственно к первому и второму входам УУ1 10, а УИТ 3 соединяется с входом "Делитель" ДУ 12. На выходе УУ1 10 появляется сигнал U1, U2 произведения сигналов U1, и U2 соответственно датчиков 6 и 7, а на выходе УИК 14 формируется сигнал геометрического среднего Этот сигнал подается на вход "Делимое" ДУ 12, на вход "Делитель" которого с выхода УИТ 3 непрерывно поступает сигнал, пропорциональный току i, который протекает в движущемся проводнике 1. Таким образом, на выходе ДУ 12 вырабатывается сигнал отношения и передается на первый вход УУ2 15. На второй вход УУ2 15 подается сигнал, пропорциональный значению постоянного коэффициента что обеспечивает непрерывное формирование на выходе УУ2 15 сигнала пропорционального скорости v движения проводника 1 с током.

Использование заявляемого технического решения позволит повысить помехозащищенность способа измерения скорости движения проводника с током.

Применение изобретения наиболее целесообразно в условиях действия электромагнитных помех, например при контроле скорости разгона токопроводящих плазменных сгустков в электродинамических магнитоплазменных ускорителях.