Многоканальное измерительное устройство для дифференциальных индуктивных датчиков

Многоканальное измерительное устройство для дифференциальных индуктивных датчиков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля различных физических величин с помощью дифференциальных индуктивных датчиков (ДНД). Цель изобретения - повышение быстродействия многоканального измерительного устройства за счет форсирования тока ДНД и повышение точности измерений за счет устранения влияния остаточных напряжений и обеспечения идентичных условий измерения для всех ДНД. Многоканальное измерительное устройство содержит генератор 1 импульсов, элемент 21 задержки, цифроаналоговый преобразователь 3, счетчик 4, коммутаторы 12, 17, дифференциальные индуктивные датчики 16.1-16.N, дифференциальный усилитель 19, аналого-цифровой преобразователь 20, регистратор 22. За счет введения элемента 2 задержки, интегратора 5, инвертора 6, сумматора 7, преобразователей 8, 9 напряжение - ток, отражателей 10, 11 тока, коммутаторов 13-15, 18 устройство обеспечивает форсирование пилообразного тока через ДНД 16.1-16.N, что сокращает время установления напряжения на выходе дифференциального усилителя 19 и, следовательно, повышает быстродействие измерения и исключает влияние остаточных напряжений в ДНД 16.1-16N путем их размагничивания, а также обеспечивается измерение их параметров единым измерительным каналом, что повышает точность измерений. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

COUHAЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (51) 4 С 01 D 5 22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ м.",,","" )я

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Г

1 (21) 4412895/24-21 (22) 19.04,88 (46) 15.12,89, Бюл. У 46 (72) С.Т. Свирин, В.Н. Антюшеня, А,М. Гаин rr А,Г. Стрижко (53) 531,71:53),)4(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р )185063, кл. G 01 В 7/00, 1983, Авторское свидетельство СССР

)) 1449845, кл. С 01 D 5/22, 1987 ° (54) МНОГОКАНАЛЬНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ

УС ТРОЙС ТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ

ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИК О В (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля различных физических величин с помощью дифференциальных индуктивных датчиков (ДНД). Цель изобретения повышение быстродействия многоканального измерительного устройства за счет форсирования тока ДНД и повышение точности измерений за счет устранения влияния остаточных напряжений и обеспечения идентичных усло2 вий измерения для всех ДНД. Многоканальное измерительное устройство содержит генератор I импульсов, элемент 2) задержки, цифроаналоговый преобразователь 3, счетчик 4, коммутаторы 12, 17, дифференциальные индуктивные датчики 16. 1 — 16.N, дифференциальный усилитель 19, аналогоцифроьой преобразователь 20, регистратор 22, 3а счет введения элемента

2 задержки, интегратора 5, инв ертора

6, сумматора 7, преобразователей 8, 9 напряжение — ток, отражателей 10, 11 тока, коммутаторов !3-15, 18 устройство обеспечивает форсирование пилообразного тока через ДНД 16.1l6.N, что сокращает время установления напряжения на выходе дифференциального усилителя 19, следовательно, повышает быстродействие измерения и исключает влияние остаточных напряжений в ДНД 16.!†!6.N путем их размагничивания, а также обеспечивает измерение их параметров единым измерительным каналом, что повышает точность измерений. 2 ил.

1529044

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может бытЬ использовано для контроля различных физических величин с помощью диффе5 ренциальных индуктивных датчиков, Цель изобретения — повышение быстродействия устройства за счет форсирования тока дифференциальных датчиков и повышение точности измерений за счет устранения влияния остаточных напряжений и обеспечения идентичных условий измерений для всех дифференциальных индуктивных датчиков.

На фиг. 1 схематически показано устройство; на фиг. 2 — временные диаграммы работы устройства.

Устройство (фиг, 1) содержит генератор 1 импульсов, второй элемент

2 задержки, цифроаналоговый преобразователь 3, счетчик 4, интегратор

5, инвертор 6, сумматор 7, первый 8, и второй 9 преобразователи напряжение — ток, первый 1О и второй 11 от- 25 ражатели тока, первый 12, четвертый

13, третий 14 и пятый 15 коммутаторы, дифференциальные индуктивные датчики

16,1 — 16.N, второй 17 и шестой 18 коммутаторы, дифференциальный усилитель

19, аналого-цифровой преобразователь

20, первый элемент 21 задержки, регистратор 22.

На фиг. 2 обозначено выходное напряжение 23 генератора 1, выходное напряжение 24 элемента 2 задержки, выходной ток 25 ЦАП 3, выходные токи

26 и 27 преобразователя 9 и отражателя 10 соответственно, выходное напряжение 28 дифференциального усили- 40 теля 19.

Первый коммутатор 12 соединен выходами с первыми входами соответствующих дифференциальных индуктивных датчиков 16.1 — 16.N. Второй коммута- 45 тор 17 соединен выходом с первым входом дифференциального усилителя

19, соединенного выходом с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя 20, соединенного выходом со входом регистратора 22, а управляющим входом с выходом первого элемента 21 задержки. Счетчик 4 соединен выходами с управляющими входами первого коммутатора 12, Выход генера55 тора 1 импульсов соединен непосредственно с первым входом интегратора 5, а через второй элемент 2 задержки с первыми входами цифроаналогового преобразователя 3, со входом первого элемента 21 задержки и со входом счетчика 4, соединенного выходами с первыми входами сумматора 7 и с управляющими входами третьего коммутатора 14, соединенного сигнальным входом с первым выходом первого отражателя 10 тока, соединенного вторым выходом с сигнальным входом первого коммутатора 12, входом через первый преобразователь 8 напряжение — ток с выходом интегратора 5, соединенного вторым входом с выходом цифроаналогового преобразователя 3, а выходом через последовательно соединенные инвертор 6 и второй преобразователь 9 напряжение — так — со входом второГо отражателя 31 тока, соединенного первым и вторым выходами соответственно с сигнальными входами четвертого 13 и пятого 15 коммутаторов, управляющие входы которых соединены с выходами сумматора 7 и с управляющими входами второго 17 и шестого 18 коммутаторов.

Сигнальные входы второго коммутатора

17 соединены с соответствующими выходами первого 12 и четвертого 13 коммутаторов. Сигнальные входы шестого коммутатора 18 соединены с соответствующими выходами третьего 14 и пятого 15 коммутаторов и вторыми входами соответствующих дифференциальных индуктивных датчиков 16.1-16 ° N, а выход — со вторым входом дифференциального усилителя 19. Третий вход каждого из дифференциальных индуктивных датчиков 16.1-16.N соединен с общей шиной устройства и со вторым входом сумматора 7, соединенного третьим входом со входом для задания единичного сигнала устройства и со вторыми входами цифроаналогового преобразователя 3.

Генератор 1 импульсов предназначен для генерирования импульсов, длительность которых равна начальному участку импульса питающего тока "быстрая пила" (участок АВ, позиция 26 фиг. 2). !

Элемент 2 задержки предназначен для задержки импульсов с выхода генератора 1 импульсов на время, необходимое для обнуления интегратора 5и равное длительности импульсов генератора 1, Цифроаналоговый преобразователь

3 предназначен для преобразования эа50

Коммутаторы 17 и 18 предназначены дпя подключения измерительной цепи устройства к одному из датчиков.

Дифференциальный усилитель 19 предназначен для усиления разности

««апряжений, снимаемых с обмотск выбI

Раиного датчика !Ь,i, которая пропорциональна измеряемой физической величине.

5 1529 держанHbix импульсов в двухуровневый токовый сигнал (позиция 25,фиг. 2).

Счетчик 4 служит для управления коммутаторами 12 и 14, поочередно подключ;ющими датчики 16.1-16.N к эапитывающим и измерительным цепям устройства.

Интегратор 5 предназначен для преобразования двухуровневого тока с

10 выхода цифроаналогового преобразователя 3 в линейно возрастающее напряжение, причем первому уровню тока

ЦАП (йа входе все "I") соответствует участок А — "быстрая пила" а

I5 второму уровню тока (на первой группе входов - "0", а второй - "1") — участок ВС вЂ” "медленная пилав (позиция

26, фиг, 2) .

Инвертор 6 предназначен для ин- 20 вертирования напряжения с выхода интегратора 6.

Сумматор 7 предназначен для увеличения на единицу управляющего кода для коммутаторов 13, 15, 17 и 18 по 25 сравнению с остальными коммууаторами.

Преобразователи 8 и 9 напря кение ток предназначены для преобразования напряжений с выходов интегратора 5 и инвертора 6 в токи, причем 30 эти два тока имеют разное направление и совпадают по амплитуде и по форме.

Отражатели 10 и 11 тока предназначены для передачи входного тока одновРеменно в две нагрузки, котоРыми яв- 35 ляются обмотки датчика, выбранного коммутаторами 12, !4 или 15, причем с выходов отражателя 11 тока поступают размагничивающие импульсы тока, а с отражателя тока 10 — эапитываю- 40 щие.

Коммутаторы 12 и 14 предназначены для подключения двух обмоток одного из датчиков 16.i к источнику размагиичивающего тока. 45

Коммутаторы 13 и 15 поеднаэначены для подключения двух обмоток одного из датчиков 6. i к источнику эапитыв ающе ro ток а.

044 6

Аналого-и"+Ровой преобраэоват ель

20 предназначен лля преобразования напряжения с выхода дифференциального усилителя 19 в цифровой код.

Элемент 21 задержки предназначен для задержки импульсов управления

АЦП 20 на время, необходимое для компенсации задержки передачи сигнала от выхода первого элемента 2 задержки до входа АЦП 20, при этом при поступлении на управляющий вход

АЦП 20 ")" происходит очистка его выходного регистра и подготовка к следукщему тахту преобразования (режим

ll II

Гав«ение ), а прн поступлении "0" обеспечивается режим "Преобразование".

Регистратор 22 предназначен для приема цифровой информации о состоянии датчика и преобразования ее в удобную для восприятия форму, Он также может выполнять функции индицирования и накопления поступающей информации.

Устройство работает следующим обра зом.

Счетчик 4 подсчитывает импульсы, поступающие с генератора 1 импульсов на его счетный вход через элемент 2 задержки. Цифровой код с выхода счет чика 4 управляет работой коммутаторов

12 и 14, которые обеспечивают подключение к первому и второму выходам отражателя 10 тока выводов одного ыэ датчиков 16.i. На выходе сумматора 7 цифровой код превосходит код на выходе счетчика 4 на единицу, поэтому коммутаторы 13, 15, 17 и 18, которые управляются цифровым кодом с выхода сумматора 7, обеспечивают подключение выводов датчика !6.(i-I)-ro к выходам отражателя 11 тока и входам дифференциального усилителя 19. Опрос всех датчиков 16.1-16,N ведется последовательно с I ãî по М-й и затем многократно повторяется, что необходимо при длительных испытаниях, при этом для обеспечения требуемо и точ нос ти при повторных обращениях необходимо исключить остаточное напряжение на обмотках датчиков 16.1 — 16.N за счет их неполного Размагничивания. Датчики 16,1-16.N запитываютсн импульсами тока специальной формы, имеющими два участка АВ (" быстрая пила") и ВС

"медленная пила" . (позиция 26, фиг ° 2) .

При этом обеспечивается выигрыш по быстродействию по сравнению с за1529044 то где А, Откуда

А тогда

Ai

t!,==R C> 1п А ! 2

50 то

I! КпР

t,=R С 1п

1! ?2

КпР

С ПР С питкой датчиков обычными пилообразными импульсами тока (как в устройстве — прототипе) эа счет форсирован-, ного устанонления постоянного напря-. жения на выходе дифференциального усилителя 19. При эапитывании датчиков пилообразным током напряжения на обмотках Ll и L2 равны соответст\ венно. 10

di! d (А! t) иЦ +U тЬ ! 4! !! дг ! дг

+ггЬ +

+А, г, tL

П!д+П! г=Ьг А2+А2г, t где L u L — индуктивности обмоток L датчика;

r, r — активные сопротивления обмоток датчика;

i(t)=At — для пилообразного тока.

Так как отражатели 10 u ll на выхо-20 дах имеют одинаковые токи, то А<=А =А.

При идентичности обмоток датчика

r,=ã =г.

Так как

L! =Ь+4Ь; Ь =Ь-4L, 25

U =(Ь+4L)A+A r.t=dÜ A+A(L+rt), U =-4L A+A(L+rt) .

Е

Напряжение на выходе дифференциального усилителя 19 имеет нид

1. вы„=K(U,-U<) =K(4 L А+А(Ь+гt)+4ЬА-А(L+rt) =2K4L А, где К вЂ” коэффициент усиления дифференциального усилителя, 19 (ДУ);

I

А — крутизна пилообразного тока .(tg угпа наклона), т.е.напряжение на выходе ДУ 19 определяет собой скачок постоянного напряжения, 40 пропорциональный L. Однако реальныи дифференциальный усилитель 19 имеет ограниченную полосу пропускания и его АЧХ имеет спад в области верхних частот — 6 дб (октаву» что соответствует фильтру низких частот с параметрами R3.ÑÝ. Следовательно, выходное напряжение дифференциального усилителя 19 для реального случая

Ц (1 е эсэ)

ВЫ FACT где R и С вЂ” эквивалентные параэ метры дифференционного усилителя 19; установившееся значение напряжения на выходе ДУ 19.

Иэ этого выражения следует, что ныходное напряжение имеет второе слагаемое, определяющее погре.; нос". ь из-мерения за счет переходных процессов, " величина которого убынает с ростом t.

Относительная погрешность измерения при этом равна

1 - . .3

-,c„ вь|х () 1-е —— ю с

Отсюда следует, что для о =1X г„„=4»16 R С„т.е. преобразование

АЦП может быть начато спустя после подачи питающего тока на датчик, которое весьма велико для реальных измерительных усилителей, Рассмотрим случай запитывания датчиков 16.1-16.N импульсами тока сложной формы (позиция 26, фиг. 2),,имеющих 3 участка А — "быстрая пила", ВС вЂ” !!медленная пила и СД вЂ” разряд обнуление интегратора), На участке

АВ за счет быстронарастающего тока происходит форсированное установление . напряжения на выходе дифференциального усилителя 19, на участке ВС происходит преобразование напряжения в цифровой код АЦП 20 так как в это время напряжение на ныходе ДУ 19 не изменяется и равно:

U,„„-2К 4 Ь А,=U >, где А - крутизна тока на участке ВС.

2.

Определим время установления выходного напряженния (интернал Г -t,) °

А 2dL К(1-е )=А2. 2К ДЬ, (при t!!=О) крутизна тока на участке АВ, (1-e" )=А причем так как

I! I2

А — K ° А= — K„»

С где С вЂ” емкость интегратора 5;

К вЂ” коэффициент преобразования

nð преобразователя 9 напряжениеток; ток ЦАЛЗ при поступлении на !

»! !! ° первую группу входов 1

I — ток ЦАП 3 и ри поступлении на

2. !! !! первую группу входов О

1529<;4!

<

< <. .:,,;: ажения видно, что при

?,>>!р, t, 0 и уже при I =05 I, t, = О, 7 «,,<; -,, что дает пятикратный всыигр«п и;, времени установления по ср" в<<сник< с прототипом, Фор .ирование импульсов тока питания, ««I

ЦАПо, .<<э-егратора 5, инвертора 6, преобразователя 9 напряжение-ток и втэ cln Отражателя 11 тока ° длительность импульсов, вырабатывас.мых генератором 1 импульсов, ус- 15 танавлиьаатс я равной о =t», где длится!ьность у.астка АВ (позиция

26. фиг, 2), а период следования

t)<:r +с<< +tps

1 где t — в ремя ус тановления (учас- 20 фст ток АВ); время преобразования (учас| ток ВС); время разряда (участок СД)

Определив исходя иэ требуемого бы- 25 строд< йствия и воэможностей элементов устр< йст.-а величину t). можно определить «с <янину тока 1.„:

1„= т, (1-е ), 30 где . .. — I

Т к к".к ток 1. .АП 3 прямО пропОрциО- 35 на. Ie

11=К(! -е у

Все 1<у.<евь<е разряды кода М

Ооъединя <<т< я э <ервую Гp) ïë!< и под45

1;,ЛЮ Ча Ют С и . В си <Д У « < РЬ ОГО Э rIЕМЕН та

2 задержки, а .с е единис<ные разряды

1<О<<а 1"< <; I!,иняз-. "< :< в О вторую rpyn<

««,;„-„- l1 . -,!1а имеет вид пвямоуголь50 и<;,; -г

<1 «., <. и n -г.-р=< т., ра 5 на пряжеНИС . « рМ.= С Ос«адаЕт С I с КОМ ПИтания п".", ;:.,;<1а:, <ес т Отрица< ельную 10

<ОГО ИНВ < Р, .;,l;

I< — ° +

?< учаc ток А<;

С

Т вЂ” участок ВС

С где С вЂ” емкость интегратора, Преобразователь 9 напряжение-ток и отражатель ll тока служит для подачи в обе обмотки выбранного датчика одинаковых импульсов тока.

По окончании преобразования напряжения с выхода дифференциального усилителя 19 в цифровой код с помощью АЦП 20, а также регистрации выходного кода регистратором 22 на обнуляющий вход интегратора 5 поступает импульс с выхода генератора 1 импульсов (позиция 26, фиг. 2 точка С). При этом конденсатор интегратора разряжается и напряжение на его выходе убывает до нуля (участок СД).

Также до нуля убывает ток питания датчика и напряжения íà его обмотках.

При многократных опросах датчиков эа счет неполного размагничивания возможно накопление ошибки, что ведет к снижению точности, поэтому в данном устройстве применено принудительное размагничивание датчиков, причем ток размагничивания совпадает по амплитуде и по форме с <оком питания (намагничивающим) и противоположен ему по направлению (позиция 27, фиг. 2), При этом полностью устраняется накопление ошибки при длительной работе устройства. Размагничивание датчиков осуществляется с помощью преобразователя 8 напряжение — ток и отражателя 10 тока, а также коммутаторов 12 и 14, управляющий код которых на единицу меньше, чем управляющий код остальных коммутаторов устройства ° По окончании Обнуления интегратора 5 (точка Л) в такте измерения i-го канала, в течение которого (участок АВ) к эапи-ывающим и измерительным цепям устройства с помощью коммутаторов l 3,,15, 17 и 18 был подключен датчик 16.i происходит переключение всех коммутаторов, причем к измерительным и запитывающим цепям подключается датчик с номером 16.(i+

+1), а датчик 16. i подключается с помощью коммутаторов 12 и 14 к раэмагничивающей цепи, В любой момент времени происходит ра:<магничивание

ДатЧИКа, СИГНаЛ С Кс I CÐÎÃО ИЗМЕРЯЛСЯ в предыдущем такте «э<<ерения, и при возвращении к этому датчику в следую)2

29044

1) )5 щем цикле опроса ре:Ióë«;, т измерения не будет искажен эа счет остаточного напряжения на обмо тках датчика.

Таким обраэом, и данном устройстве по сравнению с прототипом унеличено быстродействие эа счет использования форс иров анно го установления напряжения на выходе дифференциального усилителя 19 (н практической реализации устройства достигнуто снижение времени установления н 4,6 раза и снижение всего времени измерения канала в 23 раза) и повышена точность за счет устранения влияния остаточных напряжений на обмотках при многократных опросах датчиков и идентичности измерительных каналон, так как все датчики имеют общий дифференциальный усилитель 19, преобразующий сигналы на обмотках датчиков н выходное напряжение. формул а изобретения

Многоканальное измерительное устройство для дифференциальных индуктивных датчиков, г,. ржащее первый коммутатор, соединенный «ыходами с первыми входами соответствующих диффе р е нциал ьных и нд ук т ив ных д атч ик он, второй коммутатор, соединенный выходом с первым нходом дифференциального усилителя, соединенного выходом с сигнальным «ходом аналого-цифрового преобразователя, соединенного выходом с входом регистратора, а упранляющим входом — с выходом первого элемента задержки, генератор импульсов, цифроаналоговый преобразователь, счетчик, соединечный выходами с управляющими входами первого коммутатора, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродейс тния устройстна и точности измерения, в него введены второй элемент задержки, интегратор,, инвертор, первый и «торой преобраэонатели напряжение — так, 5

l0

45 сумматор, первый и второй «; раж«течи

1 ретий шесT Ко „ы чем выход генератора им«ульсон с« цинен непосредственно с обнулнющим нходом интегратора, а через второй элемент задержки — с информационными входами цифроаналогового преобраэонателя, со входами первого элемента задержки и счетчика, соединенного ныходами с первыми входами сумматора и с управляющими входами третьего коммутатора, соединенного сигнальным входом с первым выходом первого отражателя тока, соединенного вторым выходом с сигнальным вxодом первого коммутатора, входом через- первый преобразователь напряжение — ток — с выходом интегратора, соединенного первым нходом с выходом цифроаналогового преобразователя, а выходом через последовательно соединенные инвертор и второй преобраэо«атель напряжение - ток — с входом второго отражателя тока, соединенного первым и вторым выходами соответственно с сигнальными входами четвертого и пятого коммутаторов, управляющие входы которых соединены с выходами сумматора и с управляющими входами второго и шестого коммутатор«н, сигнальные входы второго коммутатора соединены с соответствующими выходами первого и четвертого коммутаторов, сигнальные входы шестого коммутатора — с соответствующими выходами третьего и пятого коммутаторов и с «торыми входами соответствующих дифференциальных индуктивных датчик«в, а выход с вторым входом дифференциального усилителя, третий вход каждого из дифференциальных индуктивных датчиков соединен с общей шиной устройства и с вторым Bxo,UoN сумматора, соединенного третьим входом с входом для задания единичного сигнала устройства и с управлявшими входами цифроаналогового преобраэ««дтеля, 1529044

Saiх &. Ю

Редактор Н, Горват

Заказ 7840/36 Тираж 660 Подл ис но е

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

J алых,А. 3

Вык Þë10

Составитель В. Дворкин Eexpeq M. Ходанич Корректор Э. Лонч акова

-1