Цифровой измеритель перемещения
Предназначен для измерения линейного и углового перемещения. Технический результат - повышение точности измерения достигается за счет того, что в устройство, содержащий источник тока, соединенный с первичной обмоткой растрового трансформаторного датчика перемещения и формирователем импульсов опроса, выход которого подключен к входам синхронизации аналого-цифрового преобразователя и амплитудно-логического устройства, соединенного по входам с вторичными обмотками растрового трансформаторного датчика перемещения и через коммутатор с входом аналого-цифрового преобразователя, а по выходам через дешифратор позиционного кода с входом реверсивного счетчика, введены последовательно соединенные арифметическое устройство и регистр, причем вход арифметического устройства соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а управляющие входы коммутатора и арифметического устройства соединены с выходом дешифратора позиционного кода. 1 с.п. ф-лы, 4 илл.
Предлагаемая полезная модель относится к области автоматики и информационно-измерительной техники и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений.
Известны цифровые измерители перемещения на основе растровых трансформаторных датчиков перемещения (Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский М.Л. Электромагнитные датчики механических величин - М.: Машиностроение, 1987). Их общим недостатком является низкая точность, ограниченная минимально достижимыми размерами и количеством зубцов магнитной системы, которые можно обеспечить при изготовлении.
Из известных наиболее близким по технической сущности является растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код (патент на полезную модель №63143, Н03М 7/00, Н02М 1/00, G08C 19/00, опубликованный 10.05.2007, Бюл. №13). Его схема приведена на фиг.1, а на фиг.2 приведена временная диаграмма его работы.
Растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код (фиг.1) содержит источник тока питания 1 растрового трансформаторного датчика перемещения 2, формирователь импульсов опроса 3, схему контроля напряжений 4, амплитудно-логическое устройство 5, счетчики импульсов 6, количество которых равно числу выходов амплитудно-логического устройства 5 и зависит от количества вторичных обмоток растрового трансформаторного датчика перемещения 2, дешифратор позиционного кода 7 и реверсивный счетчик 8. Выход источника тока питания 1 соединен с первичной обмоткой растрового трансформаторного датчика перемещения 2 и входом формирователя импульсов опроса 3. Выход формирователя импульсов опроса 3 соединен с входом синхронизации амплитудно-логического устройства 5 и входами обнуления счетчиков импульсов 6. К вторичным обмоткам растрового трансформаторного датчика перемещения 2
подключены схема контроля напряжений 4, соединенная по выходу с управляющим входом формирователя импульсов опроса, и амплитудно-логическое устройство 5. Выходы амплитудно-логического устройства 5 соединены через счетчики импульсов 6 с дешифратором позиционного кода 7, а выход последнего - с реверсивным счетчиком 8.
Работает растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код следующим образом. Сигнал переменного тока U1 (фиг.2) источника тока питания 1 поступает в первичную обмотку растрового трансформаторного датчика перемещения 2. На вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2 появляются напряжения U2, амплитуды которых зависят от положения штока растрового трансформаторного датчика перемещения 2 в данный момент времени. При перемещении штока растрового трансформаторного датчика перемещения 2 амплитуды напряжений на вторичных обмотках изменяются по синусоидальному закону в зависимости от перемещения. Причем изменения огибающей напряжения в соседних вторичных обмотках сдвинуты по фазе на одинаковый угол (на фиг.2 приведены диаграммы выходных напряжений U2.1, U2.2, U2.3, U2.4 для растрового трансформаторного датчика перемещения 2 с четырьмя вторичными обмотками, когда отличие по фазе составляет 1/4 периода). Точки пересечения (равенства попарно) огибающих напряжения на вторичных обмотках разбивают период модуляции (шаг зубцового сопряжения) на ряд зон, отличающихся соотношением напряжений на вторичных обмотках. Например, в зоне З3 U4.1>U4.2>U4.4>U4.3 (фиг.2).
Схема контроля напряжений 4 в процессе работы преобразователя оценивает значения амплитуд напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2. Если эти значения превышают заранее заданный минимальный уровень, то схема контроля 4 вырабатывает сигнал, разрешающий включение формирователя импульсов опроса 3. В противном случае в растровом трансформаторном датчике
перемещения 2 есть неисправность, например, обрыв цепи или короткое замыкание одной из обмоток, формирователь импульсов опроса 3 не включается, и схема контроля 4 индицирует неисправность. Контроль напряжений может проводиться, как однократно в момент включения растрового трансформаторного датчика перемещения, так и непрерывно в течение всего времени работы.
После включения формирователя импульсов опроса 3 вырабатывает пачку импульсов U3 для опроса амплитудно-логического устройства 5. Импульсы U3 по времени расположены симметрично относительно моментов максимумов напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2. Первым импульсом U3 обнуляются счетчики импульсов 6. По каждому импульсу U3 амплитудно-логическое устройство 5 производит сравнение амплитуд напряжений U2 на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2. В результате сравнения на счетный вход соответствующего счетчика импульсов 6 подаются «0» или «1» в зависимости от соотношения сравниваемых напряжений. Если количество единиц больше или равно половине количества импульсов, то на выходе счетчика 6 появляется сигнал переполнения, который поступает на дешифратор позиционного кода 7.
С помощью дешифратора позиционного кода 7, анализирующего выходные сигналы счетчиков импульсов 6, происходит опознание зон З1, З2, З3, З4, З5, З6, З7, З8 внутри шага зубцового сопряжения. Дешифратор позиционного кода 7 вырабатывает код номера зоны. Реверсивный счетчик 8 фиксирует этот код и в дальнейшем нарастающим итогом увеличивает или уменьшает его на единицу при каждом изменении кода номера зоны.
Недостатком известного растрового трансформаторного преобразователя перемещения в код является низкая точность, ограниченная минимально достижимыми размерами и количеством зубцов магнитной системы, которые можно обеспечить при изготовлении.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение указанных недостатков.
Это достигается тем, что в цифровой измеритель перемещения, содержащий источник тока, соединенный с первичной обмоткой растрового трансформаторного датчика перемещения и формирователем импульсов опроса, выход которого подключен к входам синхронизации аналого-цифрового преобразователя и амплитудно-логического устройства, соединенного по входам с вторичными обмотками растрового трансформаторного датчика перемещения и через коммутатор с входом аналого-цифрового преобразователя, а по выходам через дешифратор позиционного кода с входом реверсивного счетчика, введены последовательно соединенные арифметическое устройство и регистр, причем вход арифметического устройства соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а управляющие входы коммутатора и арифметического устройства соединены с выходом дешифратора позиционного кода.
На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого цифрового измерителя перемещения, а на фиг.4 вариант реализации арифметического устройства. Цифровой измеритель перемещения содержит источник тока 1, растровый трансформаторный датчика перемещения 2, формирователь импульсов опроса 3, амплитудно-логическое устройство 4, дешифратор позиционного кода 5, реверсивный счетчик 6, коммутатор 7, аналого-цифровой преобразователь 8, арифметическое устройство 9 и регистр 10.
Источник тока 1 соединен с первичной обмоткой растрового трансформаторного датчика перемещения 2 и входом формирователя импульсов опроса 3. Выход формирователя импульсов опроса 3 соединен с входами синхронизации амплитудно-логического устройства 4 и аналого-цифрового преобразователя 8. К вторичным обмоткам растрового трансформаторного датчика перемещения 2 подключены входы амплитудно-логического устройства 4 и коммутатора 7. Выходы амплитудно-логического устройства 4 соединены с дешифратором позиционного кода 5, выход
которого подключен к входу реверсивного счетчика 6, управляющему входу коммутатора 7 и управляющему входу арифметического устройства 9. Выход коммутатора 7 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 8, выход которого подключен через арифметическое устройство 9 к регистру 10.
Все устройства, входящие в цифровой измеритель перемещения, могут быть реализованы как так же, как в прототипе в виде отдельных функциональных блоков. В состав амплитудно-логического устройства могут быть включены счетчики импульсов, использованные в прототипе. Арифметическое устройство 9 может быть реализовано различными методами. Вариант, показанный на фиг.4, содержит анализаторы напряжений 11, количество которых соответствует количеству вторичных обмоток растрового трансформаторного датчика перемещения 2, включающих в себя схему запоминания максимального значения напряжения 12 и схему запоминания минимального значения напряжения 13; мультиплексоры 14 и 15; схемы вычисления амплитуды несущего колебания 16 и огибающей напряжения 17 и схему вычисления перемещения 18. Входы анализаторов напряжения 11 подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя 8. Выходы схем запоминания максимального значения напряжения 12 и схем запоминания минимального значения напряжения 13 соединены, соответственно, через мультиплексоры 14 и 15 с входами схем вычисления амплитуды несущего колебания 16 и огибающей напряжения 17. Входы схемы вычисления перемещения 18 соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя 8 и схем вычисления амплитуды несущего колебания 16 и огибающей напряжения 17. Управляющие входы схем запоминания максимального значения напряжения 12, схем запоминания минимального значения напряжения 13 и мультиплексоров 14 и 15 подключены к выходу дешифратора позиционного кода 5. Выход схемы вычисления перемещения 18 соединен с входом регистра 10. Возможна также реализация основных узлов программными средствами в составе
микропроцессора.
Работает преобразователь перемещения в код следующим образом. Ток источника питания 1 поступает в первичную обмотку растрового трансформаторного датчика перемещения 2. На вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2 появляются напряжения, амплитуды которых зависят от положения штока растрового трансформаторного датчика перемещения 2 в данный момент времени. При перемещении штока растрового трансформаторного датчика перемещения 2 происходит модуляция напряжений на вторичных обмотках. Амплитуды напряжений изменяются по синусоидальному закону в зависимости от перемещения, причем изменения огибающих напряжений в соседних обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2 отличаются по фазе на одинаковый угол, равный 2
/n, где n - количество вторичных обмоток растрового трансформаторного датчика перемещения 2. Период модуляции соответствует одному шагу зубцового сопряжения и периоду растра. Точки попарного равенства огибающих напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2 разбивают период растра на ряд зон (шагов растра), число которых равно удвоенному количеству вторичных обмоток. Зоны отличаются между собой соотношением значений огибающих напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2.
Формирователь импульсов опроса 3 вырабатывает импульсы в моменты максимумов напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2. По каждому из этих импульсов амплитудно-логическое устройство 4 производит сравнение амплитуд напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2. С помощью дешифратора позиционного кода 5, анализирующего результаты сравнения амплитудно-логическим устройством 4, происходит опознание зон внутри периода растра. Дешифратор позиционного кода 5 вырабатывает код номера зоны. Реверсивный счетчик 8
нарастающим итогом увеличивает или уменьшает записанное в нем число на единицу перемещения при каждом изменении кода номера зоны. Так формируются старшие разряды результата измерения.
При начальной настройке цифрового измерителя перемещения аналого-цифровой преобразователь 8 через коммутатор 7 поочередно подключается к вторичным обмоткам растрового трансформаторного датчика перемещения 2, и производит преобразование в код значений амплитуд напряжений Ui на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2 в течение нескольких шагов зубцового сопряжения:
где Ui - амплитуда напряжения на вторичной обмотке растрового трансформаторного датчика перемещения 2;
UH - амплитуда несущего колебания на вторичной обмотке растрового трансформаторного датчика перемещения 2;
UM - амплитуда огибающей напряжения на вторичной обмотке растрового трансформаторного датчика перемещения 2;
k - постоянный масштабный коэффициент, зависящий от конструктивного исполнения растрового трансформаторного датчика перемещения 2;
х - измеряемое перемещение;
i - начальная фаза огибающей напряжения на вторичной обмотке растрового трансформаторного датчика перемещения 2, зависящая от количества вторичных обмоток и номера вторичной обмотки.
Арифметическое устройство 9 на основе полученных результатов рассчитывает амплитуды несущего колебания U H и огибающей напряжения UM на каждой из вторичных обмоток растрового трансформаторного датчика перемещения 2. В рабочем режиме в процессе измерения коммутатор 7 управляется дешифратором позиционного кода 5. Коммутатор 7 в моменты изменения кода номера зоны поочередно подключает вход аналого-цифрового преобразователя 8 к тем вторичным обмоткам растрового
трансформаторного датчика перемещения 2, на которых огибающая напряжения в данный момент времени находится в максимуме или минимуме. Так осуществляется непрерывная коррекция значений амплитуд несущих колебаний и огибающих напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2 и проводится контроль его работы. Если значения параметров напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2 выходят за заранее заданные допустимые пределы, то арифметическое устройство выдает сигнал ошибки.
В остальные моменты измерения, задаваемые формирователем импульсов опроса 3, в соответствие с кодом дешифратора позиционного кода 5 коммутатор 7 подключает вход аналого-цифрового преобразователя 8 к тем обмоткам растрового трансформаторного датчика перемещения 2, на которых скорость изменения амплитуды напряжения в зависимости от перемещения максимальна. Значение фазы огибающей напряжения на этих обмотках должно находиться в диапазонах 0°-60°, 120°-240° или 300°-360°. Полученный код значения амплитуды напряжения U i на вторичной обмотке растрового трансформаторного датчика перемещения 2 используется в арифметическом устройстве 9 вместе с кодами значений амплитуд несущего колебания U H и огибающей напряжения UM на этой обмотке для расчета перемещения х:
Разряды результата расчета перемещения х, вес которых меньше веса младшего разряда реверсивного счетчика 6 и отображающие перемещение меньшее одного шага растра, записываются в регистр 10. Так формируются младшие разряды результата измерения.
При использовании арифметического устройства 9, показанного на фиг.4, схемы запоминания максимального значения напряжений 12 в составе анализаторов напряжений 11 выделяют из кодов аналого-цифрового
преобразователя 8 и запоминают максимальные значения напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2 UMAX=UH+U M. Схемы запоминания минимального значения напряжений 13 выделяют и запоминают минимальные значения напряжений на вторичных обмотках растрового трансформаторного датчика перемещения 2 U MIN=UH-UM. Мультиплексоры 14 и 15 передают в схемы вычисления амплитуды несущего колебания 16 и огибающей напряжения 17 коды U MAX и UMIN канала, выбранного в зависимости от номера зоны растра по сигналу дешифратора позиционного кода 5. Схема вычисления амплитуды несущего колебания 16 рассчитывает значение UH=0.5(UMAX +UMIN). Схема вычисления амплитуды огибающего напряжения 17 рассчитывает значение UM=0.5(U MAX-UMIN). Полученные результаты поступают в схему вычисления перемещения 18 совместно с кодом Ui, полученным из аналого-цифрового преобразователя 8. Схема вычисления перемещения 18 по формуле 
, вычисляет значение перемещения, и младшие разряды результата записываются в регистр 10.
Введение арифметического устройства и регистра с соответствующими связями позволяет повысить точность измерения перемещения за счет оценки его значения внутри зон растра.
Цифровой измеритель перемещения, содержащий источник тока, соединенный с первичной обмоткой растрового трансформаторного датчика перемещения и формирователем импульсов опроса, выход которого подключен к входам синхронизации аналого-цифрового преобразователя и амплитудно-логического устройства, соединенного по входам с вторичными обмотками растрового трансформаторного датчика перемещения и через коммутатор с входом аналого-цифрового преобразователя, а по выходам через дешифратор позиционного кода с входом реверсивного счетчика, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные арифметическое устройство и регистр, причем вход арифметического устройства соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а управляющие входы коммутатора и арифметического устройства соединены с выходом дешифратора позиционного кода.
