RU2104482C1

RU2104482C1 - Magnetostrictive converter of movements

Info

Publication number: RU2104482C1
Application number: RU93010792A
Authority: RU
Inventors: А.И. Надеев; О.И. Шумов; Д.В. Ермолаев; Б. Хамум
Original assignee: Надеев Альмансур Измайлович
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1998-02-10

Abstract

FIELD: automatics, measurement technology. SUBSTANCE: converter is inserted with immobile supporting coil for recording, mobile base coil for recording, mode counter, two univibrators, delay circuit, four coincidence circuits, RS flip-flop and reference register. EFFECT: improved functional characteristics. 1 dwg

Description

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерителя и контроля перемещений с микроЭВМ в контуре управления для преобразования линейных перемещений в цифровой код. The invention relates to automation and measuring equipment and can be used in automatic metering and movement control systems with a microcomputer in the control loop for converting linear movements into a digital code.

Известен магнитострикционный преобразователь перемещений, содержащий звукопровод с демпфером, неподвижную катушку возбуждения, соединенный с ней формирователь импульсов записи, две подвижные приемные катушки с постоянными магнитами, связанный с ними усилитель-формирователь импульсов считывания [1] . Known magnetostrictive displacement transducer comprising a sound pipe with a damper, a stationary excitation coil, a recording pulse shaper connected to it, two movable receiving coils with permanent magnets, an associated read-pulse amplifier [1].

Однако наличие подвижных приемных катушек затрудняет реализацию преобразователя для больших перемещений. However, the presence of movable receiving coils makes it difficult to implement a converter for large movements.

Известно также устройство для преобразователя линейного перемещения в код [2] , содержащее звукопровод, демпферы, постоянные магниты, катушки возбуждения и считывания, преобразователь время -код и регистр памяти, управляющий количеством суперпозиционно включенных катушек возбуждения в зависимости от диапазона преобразования. Однако температурная стабильность этого устройства невысока. A device is also known for a converter of linear displacement to code [2], comprising a sound duct, dampers, permanent magnets, field and read coils, a time-code converter and a memory register that controls the number of superpositionally connected field coils depending on the conversion range. However, the temperature stability of this device is low.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь положения в код [3], содержащий звукопровод, демпферы, катушку записи, две катушки считывания и магниты, а информацией об измеряемой перемещение служит отношение цифрового кода измеряемого положения X от катушки записи до первой катушки считывания, определенного во втором такте, к сумме предыдущего кода и цифрового кода опорного расстояния, а от катушки записи до второй катушки считывания. Closest to the invention in technical essence is a position converter to code [3], containing a sound pipe, dampers, a recording coil, two read coils and magnets, and the measured position information X is the ratio of the digital code of the measured position X from the write coil to the first read coil, defined in the second clock, to the sum of the previous code and the digital code of the reference distance, and from the write coil to the second read coil.

Однако реализация такого алгоритма преобразования организована в два такта, что сопряжено с определенными сложностями, возрастающими с увеличением диапазона преобразования. К тому же двухтактное преобразование приводит к уменьшению быстродействия преобразователя. Помехоустойчивость данного магнитострикционного преобразователя недостаточно высока, так как с установкой дополнительной катушки считывания увеличивается вероятность приема импульсных помех. Кроме того, данный магнитострикционный преобразователь не предусматривает защиты от механических помех, существенно влияющих на работу ультразвуковых преобразователей [4]. However, the implementation of such a conversion algorithm is organized in two steps, which is associated with certain difficulties that increase with increasing conversion range. In addition, push-pull conversion reduces the speed of the converter. The noise immunity of this magnetostrictive converter is not high enough, since the installation of an additional read coil increases the likelihood of receiving impulse noise. In addition, this magnetostrictive transducer does not provide protection against mechanical disturbances that significantly affect the operation of ultrasonic transducers [4].

Целью изобретения является повышение быстродействия и помехоустойчивости ультразвуковых преобразователей перемещений. Это достигается тем, что в электронную схему преобразователя, содержащего магнитострикционную линию с демпферами на концах, неподвижную приемную катушку с постоянным магнитом, подвижную катушку записи, формирователь записи, выходом соединенный с катушкой записи, усилитель считывания, входом соединенный с выходом катушки считывания, делитель частоты, выходом соединенный со входом формирователя записи, генератор счетных импульсов, выходом соединенный со входом делителя частоты, RS-триггер, входом установки в нулевое состояние соединенный с выходом делителя частоты, регистр, информационным входом соединенный с входом счетчика, дополнительно введены неподвижная опорная катушка записи, входом соединенная с выходом формирователя записи, подвижная базовая катушка записи, жестко соединенная с подвижной измерительной катушкой записи и входом соединенная с выходом формирователя записи, счетчик режима, входом прямого счета соединенный с выходом усилителя считывания, а выходом установки в нулевое состояние - с выходом делителя частоты, два одновибратора, входами соединенные с выходами "1" и "2" счетчика режима, схема задержки, входом соединенная с выходом одновибратора, соединенного с выходом "1" счетчика режима, первая схема совпадения, входами соединенная с выходами "1" и "2" счетчика режима, вторая схема совпадения, входами соединенная с выходом схемы задержки и выходом одновибратора, входом соединенного с выходом "2" счетчика режима, третья схема совпадения, входами соединенная с выходом генератора счетных импульсов и выходом RS-триггера, второй RS-триггер информационным входом соединенный с выходом второй схемы совпадения, а выходом установки в нулевое состояние - с выходом делителя частоты, опорная схема совпадения, входами соединенная с выходом второго RS-триггера и выходом первой схемы совпадения, опорный регистр, информационным входом соединенный с выходом счетчика, а выходом "Запись" - с выходом опорной схемы совпадения. The aim of the invention is to increase the speed and noise immunity of ultrasonic transducers of displacement. This is achieved by the fact that the electronic circuit of the converter contains a magnetostrictive line with dampers at the ends, a fixed receiving coil with a permanent magnet, a movable recording coil, a recording driver, an output connected to the recording coil, a read amplifier connected to the output of the read coil, a frequency divider , an output connected to the input of the recording driver, a counting pulse generator, an output connected to the input of the frequency divider, an RS-trigger, an input to the zero state th with the output of the frequency divider, a register, an information input connected to the counter input, an additional fixed recording reference coil is introduced, an input connected to the output of the recording driver, a movable base recording coil rigidly connected to the moving measuring recording coil and an input connected to the output of the recording driver, counter mode, direct count input connected to the output of the reading amplifier, and the output of the installation in the zero state - with the output of the frequency divider, two one-shot, inputs connected with outputs "1" and "2" of the mode counter, a delay circuit input connected to the output of a single vibrator connected to the output "1" of the mode counter, the first matching circuit, inputs connected to the outputs "1" and "2" of the mode counter, the second circuit coincidence, inputs connected to the output of the delay circuit and the output of a single vibrator, input connected to the output of "2" mode counter, the third coincidence circuit, the inputs connected to the output of the counter pulse generator and the output of the RS-trigger, the second RS-trigger information input connected to the output of the second circuit from fall, and the output of the installation in the zero state - with the output of the frequency divider, the reference coincidence circuit, the inputs connected to the output of the second RS-trigger and the output of the first coincidence circuit, the reference register, the information input connected to the output of the counter, and the output "Record" - with the output reference coincidence circuit.

На чертеже представлена блок-схема магнитострикционного преобразователя перемещений. The drawing shows a block diagram of a magnetostrictive displacement transducer.

Преобразователь содержит звукопровод 1 с демпферами 2 на концах, опорную катушку записи 3, базовую катушку записи 4, измерительную катушку 5, приемную катушку 6, формирователь записи 7, выходом соединенный с опорной 3, базовой 4 и измерительной 5 катушками записи, делитель частоты 8, выходом соединенный с выходом формирователя записи 7, генератор счетных импульсов 9, выходом соединенный с выходом делителя частоты 8, усилитель считывания 10, входом соединенный с катушкой считывания 6, счетчик режима 11, входом прямого счета соединенный с выходом усилителя считывания 10, а входом установки в нулевое состояние - с выходом делителя частоты 8, первый RS-триггер 12, информационным входом соединенный с выходом "1" счетчика режима 11, а входом установки в нулевое состояние - с выходом делителя частоты 8, первую схему совпадения 13, входами соединенную с выходами "1" и "2" счетчика режима 11, одновибратор 14, входом соединенный с выходом "1" счетчика режима 11, одновибратор 15, входом соединенный с выходом "2" счетчика режима, третью схему совпадения 16, входами соединенную с выходом генератора счетных импульсов 9 и с выходом RS-триггера 12, схему задержки 17, входом соединенную с выходом одновибратора 14, вторую схему совпадения 18, входами соединенную с выходом схемы задержки 17 и выходом одновибратора 15, второй RS-триггер 19, информационным входом соединенный с выходом второй схемы совпадения 18, а выходом установки в нулевое состояние - с выходом делителя частоты 8, опорную схему совпадения 20, входами соединенную с выходом второго RS-триггера 19 и с выходом первой схемы совпадения 13, счетчик 21, входом прямого счета соединенный с выходом третьей схемы совпадения 16, и входом установки в нулевое состояние - с выходом делителя частоты 8, регистр 22, информационным каналом соединенный с выходом счетчика 21, входом "Запись" - с выходом второй схемы совпадения 18, а входом установки в нулевое состояние - с выходом делителя частоты 8, опорный регистр 23, информационным входом соединенный с выходом счетчика 21, входом "Запись" - с выходом опорной схемы совпадения 20, а входом установки нулевое состояние - с выходом делителя частоты 8. The transducer contains a sound pipe 1 with dampers 2 at the ends, a recording recording coil 3, a recording recording coil 4, a measuring coil 5, a receiving coil 6, a recording shaper 7, connected to the supporting 3, basic 4 and measuring 5 recording coils by an output, frequency divider 8, an output connected to the output of the recording driver 7, a counting pulse generator 9, an output connected to the output of the frequency divider 8, a read amplifier 10, an input connected to a read coil 6, a mode counter 11, a direct count input connected to the output of the amplifier reader 10, and the input to the zero state with the output of the frequency divider 8, the first RS-trigger 12, an information input connected to the output "1" of the counter of mode 11, and the input to the zero state with the output of the frequency divider 8, the first circuit coincidence 13, the inputs connected to the outputs "1" and "2" of the mode counter 11, a single vibrator 14, the input connected to the output "1" of the mode counter 11, the one-shot 15, the input connected to the output "2" of the mode counter, the third matching circuit 16, inputs connected to the output of the counting pulse generator 9 and with the output of the RS-trigger 12, the delay circuit 17, the input connected to the output of the one-shot 14, the second matching circuit 18, the inputs connected to the output of the delay circuit 17 and the output of the one-shot 15, the second RS-trigger 19, the information input connected to the output of the second matching circuit 18 and the output of the installation in the zero state - with the output of the frequency divider 8, the reference match circuit 20, the inputs connected to the output of the second RS-flip-flop 19 and the output of the first match circuit 13, the counter 21, the direct count input connected to the output of the third match circuit 16, and the input to the zero state - with the output of the frequency divider 8, register 22, an information channel connected to the output of the counter 21, the input "Record" - with the output of the second matching circuit 18, and the input to the zero state - with the output of the frequency divider 8 , the reference register 23, the information input connected to the output of the counter 21, the input "Record" - with the output of the reference matching circuit 20, and the installation input is zero state with the output of the frequency divider 8.

Преобразователь работает следующим образом. Генератор счетных импульсов 9 через делитель частоты 8 с помощью формирователя записи 7 и опорную 4 и измерительную 5 катушки записи создает в звукопроводе 1 в результате эффекта магнитострикции три упругих волны, распространяющихся по звукопроводу. Одновременно с этим импульс записи приводит в нулевое состояние счетчик режима 11, первый RS-триггер 12, второй RS-триггер 19, счетчик 21, регистр 22 и опорный регистр23. The converter operates as follows. The counter pulse generator 9 through the frequency divider 8 using the recording driver 7 and reference 4 and measuring 5 of the recording coil creates in the sound duct 1 as a result of magnetostriction three elastic waves propagating through the sound duct. At the same time, the write pulse sets the mode counter 11, the first RS trigger 12, the second RS trigger 19, counter 21, register 22, and reference register 23 to zero.

Первая упругая волна от измерительной катушки 5, достигнув катушки считывания катушки 6,создает в ней импульс напряжения, который усиливается усилителем 10. The first elastic wave from the measuring coil 5, reaching the read coil of the coil 6, creates a voltage pulse in it, which is amplified by the amplifier 10.

При появлении первого сигнала считывания на входе прямого счета счетчика режима 11 на выходе "1" счетчика устанавливается единица, которая устанавливает на выходе первого RS-триггера 12 единицу, разрешающую прохождение импульсов генератора счетных импульсов 9 через третью схему совпадения 16 в счетчик 21. Одновременно с этим высокий потенциал на выходе "1" счетчика режима 11 запускает одновибратор 14, и сформировавшийся импульс поступает на вход схемы задержки 17. When the first read signal appears at the input of the direct count of the mode 11 counter, a unit is installed at the counter output “1”, which sets the output of the first RS flip-flop 12 to a unit that allows the pulses of the counting pulse generator 9 to pass through the third matching circuit 16 to the counter 21. Simultaneously with this high potential at the output "1" of the counter mode 11 starts the single-shot 14, and the generated pulse is fed to the input of the delay circuit 17.

Вторая упругая волна от базовой катушки записи 4,достигнув катушки считывания 6, создает в ней импульс напряжения, который усиливается усилителем 10. The second elastic wave from the base recording coil 4, reaching the read coil 6, creates a voltage pulse in it, which is amplified by the amplifier 10.

При появлении второго сигнала считывания на входе прямого счета счетчика режима 11 на выходе "2" счетчика устанавливается "1", которая запускает одновибратор 15, и сформировавшийся импульс в случае одновременного прихода с импульсом из схемы задержки 17 разрешает запись в регистр 22 из счетчика 21 цифрового кода, а расстояния X₂-X₁:

где f - частота счетных импульсов тактового генератора;
V - скорость ультразвука в звукопроводе;
X₂ - расстояние от базовой катушки записи до катушки считывания;
X₁ - расстояние от измерительной катушки записи до катушки считывания ,
а также устанавливает на выходе второго RS-триггера 16 высокий потенциал.When the second read signal appears at the input of the direct counting of the mode 11 counter, “1” is set at the counter output “2”, which starts the one-shot 15, and the generated pulse in case of a simultaneous arrival with a pulse from the delay circuit 17 allows recording into the register 22 from the digital counter 21 code, and distances X ₂ -X ₁ :

where f is the frequency of the counting pulses of the clock generator;
V is the speed of ultrasound in the sound pipe;
X ₂ is the distance from the base recording coil to the read coil;
X ₁ - the distance from the measuring coil recording to the reading coil,
and also sets the output of the second RS-trigger 16 high potential.

Третья упругая волна от опорной катушки записи 3, достигнув катушки считывания 6,создает в ней импульс напряжения, который усиливает усилителем 10. The third elastic wave from the reference recording coil 3, reaching the read coil 6, creates a voltage pulse in it, which amplifies the amplifier 10.

При появлении третьего сигнала считывания на входе прямого счета счетчика режима 11 на выходах "1" и "2" счетчика устанавливаются "Лог.1", через первую схему совпадения 13 и опорную схему совпадения 20 разрешающие запись в опорной регистр 23 из счетчика 21 цифрового кода N_b расстояния X_m-X₁:

где f - частота счетных импульсов тактового генератора;
V - скорость ультразвука в звукопроводе;
X_m - расстояние от опорной катушки записи до катушки считывания;
X₁ - расстояние от измерительной катушки записи до катушки считывания.When a third read signal appears at the direct counting input of the mode 11 counter, “Log.1” is set at the outputs “1” and “2” of the counter, through the first matching circuit 13 and the matching matching circuit 20 allowing writing to the reference register 23 from the digital code counter 21 N _b distance X _m -X ₁ :

where f is the frequency of the counting pulses of the clock generator;
V is the speed of ultrasound in the sound pipe;
X _m is the distance from the reference recording coil to the read coil;
X ₁ - the distance from the measuring coil recording to the reading coil.

Таким образом, одним счетчиком за один такт измерения осуществляется набор данных N_a и N_b. По команде "Выход данных" информация передается в систему управления, вычислительное устройство которой осуществляет обработку цифровых кодов в соответствии с алгоритмом преобразования, имеющим вид:

где Δx -базовое расстояние от измерительной катушки записи до базовой катушки записи;
X - положение объекта контроля.Thus, with one counter per measurement step, a set of data N _a and N _{b is} performed. By the command "Data output" information is transmitted to the control system, the computing device of which processes digital codes in accordance with the conversion algorithm, having the form:

where Δx is the basic distance from the measuring recording coil to the base recording coil;
X is the position of the object of control.

Реализация такого алгоритма преобразования обеспечивает высокую повторяемость статической характеристики устройства при измерении температуры окружающей среды, схеме магнитостракционной линии и ее естественном старении, простоту определения базового расстояния от измерительной катушки записи до базовой катушки записи. К тому же реализация такого алгоритма преобразования исключает появление погрешности или нелинейности из-за переходных процессов в катушках возбуждения и приемной катушке, задержек в соединительных кабелях,поскольку импульсы "Старт" и "Стоп" формируются при прохождении через одни и те же узлы преобразователя. The implementation of such a conversion algorithm provides high repeatability of the static characteristics of the device when measuring the ambient temperature, the magnetostrictive line pattern and its natural aging, the ease of determining the base distance from the measuring recording coil to the basic recording coil. Moreover, the implementation of such a conversion algorithm eliminates the appearance of an error or non-linearity due to transients in the excitation coils and the receiving coil, delays in the connecting cables, since the Start and Stop pulses are formed when passing through the same converter nodes.

Помехоустойчивость преобразователя повышается вследствие поведения схемы задержки, так как запись со счетчика 21 в регистр 22 и опорный регистр 23 произойдет только при возбуждении звукопровода в зоне расположения измерительной катушки возбуждения и базовой катушки возбуждения. The noise immunity of the converter increases due to the behavior of the delay circuit, since recording from the counter 21 to the register 22 and the reference register 23 will occur only when the sound duct is excited in the area of the measuring excitation coil and the base excitation coil.

Увеличение быстродействия преобразователя достигается за счет использования однотактного цикла преобразования. Increasing the speed of the converter is achieved through the use of a single-cycle conversion cycle.

Claims

A magnetostrictive displacement transducer containing a sound duct with dampers at the ends, a fixed receiving coil with a permanent magnet, a reading amplifier connected to it, counting pulse generators connected in series, a frequency divider and a recording driver, a movable recording coil connected to it, the first RS-trigger, R- whose input is connected to the output of the frequency divider, connected to the output of the first RS-trigger, the first matching circuit, the first counter connected to its output, the reset input of which is connected to a frequency divider, characterized in that a fixed recording reference coil connected to the recording amplifier is inserted into it, a movable recording base coil rigidly connected to the moving recording coil and connected to the recording amplifier, a mode counter connected to a readout amplifier by a counting input, connected in series first one-shot, delay circuit, second match, second RS-flip-flop, third match and reference register, second one-shot connected between output "2" of the mode counter and the second input ohm of the second matching circuit, the fourth matching circuit, the inputs connected respectively to the outputs of the mode counter, and the output to the second input of the third delay circuit, and the register, the C-input of which is connected to the output of the second delay circuit, the output "1" of the mode counter is connected to the input of the first single-vibrator and S-input of the first RS-flip-flop, the information outputs of the counter are connected to the information inputs of the registers, and the output of the frequency divider is connected to the inputs of the reset registers, mode counter and the second RS-flip-flop.