SU1529044A1 - Многоканальное измерительное устройство дл дифференциальных индуктивных датчиков - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано дл  контрол  различных физических величин с помощью дифференциальных индуктивных датчиков (ДНД). Цель изобретени  - повышение быстродействи  многоканального измерительного устройства за счет форсировани  тока ДНД и повышение точности измерений за счет устранени  вли ни  остаточных напр жений и обеспечени  идентичных условий измерени  дл  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 введени  элемента 2 задержки, интегратора 5, инвертора 6, сумматора 7, преобразователей 8, 9 напр жение - ток, отражателей 10, 11 тока, коммутаторов 13-15, 18 устройство обеспечивает форсирование пилообразного тока через ДНД 16.1-16.N, что сокращает врем  установлени  напр жени  на выходе дифференциального усилител  19 и, следовательно, повышает быстродействие измерени  и исключает вли ние остаточных напр жений в ДНД 16.1-16N путем их размагничивани , а также обеспечиваетс  измерение их параметров единым измерительным каналом, что повышает точность измерений. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано дл  контрол  различных физических величин с помощью дифференциальных индуктивных датчиков.

Цель изобретени  - повьшение быстродействи  устройства за счет форсировани  тока дифференциальных датчиков и повьшение точности измерений за счет устранени  вли ни  остаточных напр жений и обеспечени  идентичных условий измерений дл  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 напр жение - ток, первый 10 и второй 11 от- ражатели тока, первый 12, четвертый 13,.третий 14 и п тый 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 напр жение 23 генератора 1, выходное напр жение 24 элемента 2 задержки, выходной ток 25 ЦАП 3, выходные токи 26 и 27 преобразовател  9 и отражател  10 соответственно, выходное напр жение 28 дифференциального усили- тел  19,

Первый коммутатор 12 соединен выходами с первыми входами соответствующих дифференциальных индуктивных датчиков 16.1-16.N. Второй коммута- тор 17 соединен вьгходом с первым входом дифференциального усилител  19, соединенного выходом с сигнальным входом аналого-цифрового преобразовател  20, соединенного выходом со входом регистратора 22, а управл ющим входом с выходом первого элемента 21 задержки. Счетчик 4 соединен выходами с управл ющими входами первого коммутатора 12. Выход генератора 1 импульсов соединен непосредственно с первым входом интегратора 5, а через второй элемент 2 задержки - с первыми входами цифроаналогового

Q

5

5

0 5 0

д

преобразовател  3, со входом первого элемента 21 задержки и со входом счетчика 4, соединенного выходами с первыми входами сумматора 7 и с управл ющими входами третьего коммутатора 14, соединенного сигнальным входом с первым выходом первого отражател  10 тока, соединенного вторым выходом с сигнальным входом первого коммутатора 12, входом через первый преобразователь 8 напр жение - ток с выходом интегратора 5, соединенного вторым входом с выходом цифроаналогового преобразовател  3, а выходом через последовательно соединенные инвертор 6 и второй преобразователь 9 напр жение - ток - со входом второго отражател  J1 тока, соединенного первым и вторым выходами соответственно с сигнальными входами четвертого 13 и п того J5 коммутаторов, управл ющие входы которых соединены с выходами сумматора 7 и с управл ющими 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 п того 15 коммутаторов и вторыми входами соответствующих дифференциальных индуктивных датчиков 16.1-16.N, а выход - со вторым входом дифференциального усилител  19. Третий вход каждого из дифференциальных индуктивных датчиков 16,1-16.N соединен с общей щиной устройства и со вторым входом сумматора 7, соединенного третьим входом со входом дл  задани  единичного сигнала устройства и со вторыми входами цифроаналогового преобразовател  3.

Генератор 1 импульсов предназначен дл  генерировани  импульсов, длительность которых равна начальному участку импульса- питающего тока быстра  пила (участок АБ, позици  26

фиг. 2).

г , Элемент 2 задержки предназначен дп  задержки импульсов с выхода генератора 1 импульсов на врем , необходимое дл  обнулени  интегратора 5 и равное длительности импульсов генератора 1 ,

Цифроаналоговый преобразователь 3 предназначен дл  преобразовани  за держанных импульсов в двухуровневый токовый сигнал (позицн  25,фиг, 2),

Счетчик 4 служит дл  управлени  коммутаторами 12 и 14, поочередно подключающими датчики 16.1-16.N к запитьшающим и измерительным цеп м устройства.

Интегратор 5 предназначен дл  преобразовани  двухуровневого тока с выхода цифроаналог ового преобразовател  3 в линейно возрастающее напр жение , причем первому уровню тока ЦАП (йа входе все 1) соответствует участок АВ - быстра  пила, а второму уровню тока (на первой группе входов - О, а ток ВС - медленна  пила 26, фиг. 2).

Инвертор 6 предназначен дл  инвертировани  напр жени  с выхода интегратора 6.

Сумматор 7 предназначен дл  увеличени  на единицу управл ющего кода дл  коммутаторов 13, 15, 17 и 18 по сравненюо с остальными коммухаторамй. Преобразователи 8 и 9 напр жение-i ток предназначены дл  преобразовани  напр жений с выходов интегратора 5 и инвертора 6 в токи, причем эти два тока имеют разное направление и совпадают по амплитуде и по форме.

Отражатели 10 и И тока предназначены дл  передачи входного тока одно10

Лналого-цифровой преобрааоватепь 20 предназначен лл  преобразовани  напр жени  с выхода дифференциального усилител  19 в цифровой код.

Элемент 21 задержки предназначен дл  задержки импульсов управлени  АЦП 20 на врем , необходимое дл  компенсации задержки передачи сигнала от выхода первого элемента 2 задержки до входа АЦП 20, при этом при поступлении на управл ющий вход АЦП 20 1 происходит очистка его выходного регистра и подготовка к сле- 15 дующему такту преобразовани  (режим

Гашение), а при поступлении О

второй - 1) - учас- обеспечиваетс  режим Преобразова- (позици  ние.

Регистратор 22 предназначен дл  20 приема цифровой информации о состо нии датчика и преобразовани  ее в удобную дл  воспри ти  форму. Он также может выполн ть функции индициро- вани  и накоплени  поступа ющей инфор- 25 мации.

Устройство работает следуюошм образом .

Счетчике 4 подсчитьгоает импульсы, поступающие с генератора 1 импульсов на его счетный вход через элемент 2 задержки. Цифровой код с выхода C4et- чика 4 управл ет работой коммутаторов 12 и 14, которые обеспечивают подключение к первому и второму выходам от30

временно в две нагрузки, которыми  в- ,, ражател  10 тока вьшодов одного из л ютс  обмотки датчика, выбранного датчиков 16.1. На выходе сумматора 7

коммутаторами 12, 14 или 15, причем с выходов отражател  11 тока поступают размагничивающие импульсы тока, а с отражател  тока 10 - запитываю- щие.

Коммутаторы 12 и 14 предназначены дл  подключени  двух обмоток одного из датчиков 16.1 к источнику размагничивающего тока.

Коммутаторы 13 и 15 поедназначены дл  подключени  двух обмоток одного из датчиков 16.1 к источнику запиты- вающего тока.

Коммутаторы 17 и 18 предназначены дЛ  подключени  измерительной цепи устройства к одному из датчиков.

Дифференциальный усилитель 19 предназначен дл  усилени  разности напр жений, снимаемых с обмотск выбранного датчика 16.1, котора  пропорциональна измер емой физической величине .

10

15

30

цифровой код превосходит код на выходе счетчика 4 на единицу, поэтому коммутаторы 13, 15, 17 и 18, которые управл ютс  цифровым кодом с выхода сумматора 7, обеспечивают подключение выводов датчика 16.(1-1)-го к выходам отражател  I1 тока и входам дифференциального усилител  19. Опрос всех

датчиков I6.1-16.N ведетс  последовательно с 1-го по N-й и затем многократно повтор етс , что необходимо при длительных испытани х, при этом дл  обеспечени  требуемой точности .

при повторных обращени х необходимо исключить остаточное напр жение на обмотках датчиков 16.1-16,N за счет их неполного размагничивани . Датчики 16,1-16.N запитьгааютс  импульсами

тока специальной формы, имеющими два участка АВ (быстра  пила) и ВС - медленна  пила (позици  26, фиг. 2).

При этом обеспечиваетс  выигрыш по быстродействию по сравнению с запиткой датчиков обычными пилообразными импульсами тока (как в устройстве - прототипе за счет форсированного установлени  посто нного напр -. жени  на выходе дифференциального усилител  19. При запитьшании датчиков пилообразным током напр жени  на обмотках L1 и L2 равны соответственно:

и,1, +U,,L,

di,

т d(A,t) dt .-L, где L, и L - индуктивности обмоток

+A,г, ,А,+А,г,t ;

,.,L,-A -t-Aj.rj.t

1

датчика;

r, r -активные сопротивлени 

обмоток датчика;

i(t)At - дл  пилообразного тока Так как отражатели 10 и II на вых дах имеют одинаковые токи, то При идентичности обмоток датчика г,. Так как

L, ,

то

U (L+iL)A+A.r.t iL A+A(L-frt),

1 -ЛЬ-А+А(Ь+Г1).

Напр жение на выходе дифференциалного усилител  19 имеет вид

l ebi K(U,-Ui) A+A(L+rt)+&LA- -A(L+rt) А,

где К - коэффициент усилени  дифференциального усилител  , 19 (ДУ);

А - крутизна пилообразного тока

.(tg угла наклона),

т. е .напр жение на выходе ДУ 19 определет собой скачок посто нного напр жени  пропорциональный L. Однако реальный дифференциальный усилитель 19 имеет ограниченную полосу пропускани  и его АЧХ имеет спад в области верх- ни5{ частот - 6 дб (октаву, что соответствует фильтру низких частот с параметрами КЭ.СЭ. Следовательно, выходное напр жение дифференциального усилител  19 дл  реального

случа 

II Г )

СГ /

где -) Тг Сз - эквивалентные параметры дифференционно усилител  19;

iJucT установившеес  значение напр жени  на вы- ходе ДУ 19.

Из этого выражени  следует, что выходное напр жение имеет второе

слагаемое, определ ющее погрештос-; ь измерени  за счет переходных процессов, величина которого убывает с ростом с.

Относительна  погрешность измерени  при этом равна

. Bb,t)-U,c. .100%. .,00.

-вых

Й9С

Отсюда следует, что дл  о 1% 4, 16 R,C,, т.е. преобразование АЦП может быть начато спуст  tucr после подачи питающего тока на ,

чик, которое весьма велико дл  реальных измерительных усилителей.

Рассмотрим случай запитываии  датчиков 16.1-16.N импульсами тока сложной формы (позици  26, фиг. 2),.имеющих 3 участка АВ - быстра  пила, ВС - медленна  пила и СД - разр д (обнуление интегратора) . На участке АВ за счет быстронарастающего происходит форсированное установление напр жени  на выходе дифференциального усилител  19, на участке ВС происходит преобразование напр жени  в цифровой код АЦП 20 так как в это врем  напр жение на выходе ДУ 19 не измен етс  и равно:

Ug, 2К- bL A

Г

где А - крутизна тока на участке ВС.

Определим врем  установлени  вы- ,ходного напр жени  (интервал ,).

A,-2AL K(l-e )A -2KUL,

(при )

где А, - крутизна тока на участке АВ. Откуда

А,(-е

fc. ,

)А

г

тогда

причем так как А

li-K -

где С - емкость интегратора 5;

К

Р

I, - коэффициент преобразовани  преобразовател  9 напр жение- ток;

ток ЦАПЗ при поступлении на

II1 II .

первую группу входов i , I - ток ЦАПЗ при поступлении на первую группу входов О,

R .С,

I.

-;

у-:1.,ражени  видно, что при С и уже при I 0,51,

t, « О, 7 1 jC;,, что дает п тикратный выигрыш n;j времени установлени  по срлвненио с, прототипом.

Формирование импульсов тока питани  ;iT чико з осуществл етс  с помощью ЦЛПЗ, лн егратора 5, инвертора 6, преобразовател  9 напр жение-ток и втмуого отражател  П тока,

Длительность импульсов, вырабаты- BafMbix генератором 1 импульсов, ус- танавливаетс   равной о t, , где t, - длительность участка АВ (позици  26, фиг. 2), а период следовани 

.-t-tp, где , - врем  установлени  (учас-

ток АВ);

t PC врем  преобразовани  (учас- ток НС);

to - врем - разр да (участок СД).

I

Определив исход  из требуемого быстрсдЕйстзи  и возможностей элементов устрсйстиа величину t. можно определить ис. гичину тока

Ь I

,; (1-е ),

где L , - выходной ток ЦАПЗ дл  участка АВ;

Т - выходкой ток иДПЗ дл  участка ВС ,Т -к как ток САП 3 пр мо пропордио- кален ву :;;;ному коду, можно определить , какие вхоцы 3 подсоедин ютс  к элемента 2 задержки.Если

току

соответствует максимальный

входиоГ код 11АП N (все единицы) то Т соответств ет входной кодМ:

(i-e )

Все кулевые разр ды кода М объг дин  птс   : первую группу и под- слючаютс | к вь1;.А1ду nopBoi o элемента 2 задержки, а ьсе е;,иничные разр ды КОЦ9 f о оъеции  чггси но  торую группу м ,и::: -o -ixK; I с ;л , тогда ток H i ;; bixoi.i i x T;i (-iMier вид пр моуголь Hbi:- i lnv.n j- В (,;1  25, фиг. 2). Нт К,,. ли, и fprpciTnpa 5 напр же- гше ю фс рме соичадает с Т оком питани  п;:тч:..;оа и ,чиее-Т отрицательную лол ;.- г;п;, р;.). ,jр, ин1егратор 5 ин- Beprupvfc - гш нал, поэтому дл  обратного Hitecp-, л.жа чИ сигн.чпа пуимен - eTL n инве; /1 ,ip 6. . Напр жение на выходе иннергор-а - имеет г,

5

0

0

5

0

5

Г

I...

- уч,1сток .t +

U

-t - участок ВС

Ь.

С С

где С - емкость интегратора.

Преобразователь 9 напр жение-ток и отражатель 11 тока служит дл  подачи в обе обмотки выбранного датчика одинаковых импульсов тока.

По окончании преобразовани  на-- пр жени  с выхода дифферендиального усилител  19 в цифровой код с помощью АЦП 20, а также регистрации выходного кода регистратором 22 на обнул ющий вход интегратора 5 поступает импульс с выхода генератора 1 импульсов (позици  26, фиг. 2 точка CJ. При этом конденсатор интегратора разр жаетс  и напр жение на его выходе убывает до нул  (участок СД), Также до нул  убывает ток питани  датчика и напр жени  на его обмотках. При многократных опросах датчиков за счет неполного размагничивани  возможно накопление ошибки, что ведет к снижению точности, поэтому в данном устройстве применено принудительное размагничивание датчиков, причем ток размагничивани  совпадает по амплитуде и по форме с IOKOM питани  (намагничивающим ) и противоположен ему по направлению (позици  27, фиг. 2),

При этом полностью устран етс  накопление ошибки при длительной работе устройства. Размагничивание датчиков осуществл етс  с помощью преобразовател  8 напр жение - ток и отражател  10 тока, а также коммутаторов 12 и 14, управл ющий код которых на единицу меньше, чем управл ющий код остальных коммутаторов устройства . По окончании обнулени  интегратора 5 (точка Д) в такте измерени  i-ro канала, в течение которого (участок АВ) к запитывающим и измерительным цеп м устройства с помощью коммутаторов 13, 15, 17 и 18 был подключен датчик 16.1, происходит переключение всех коммутаторов, причем к измерительным и загтитьшающим цеп м подключаетс  датчик с номером 6.(i+ +1), а датчик 16.1 подключаетс  с помощью коммутаторов 12 и 14 к размагничивающей цепи. В любой момент времени происходит размагничивание датчика, сигнал с которого измер лс  в предыдущем такте измерени , и при возвращении к этому датчику в следующем цикле опроса pejyni.itir ипмеренил не будет искажен за счет остаточного напр жени  на обмотках датчтса.

Таким образом, в данном устройств по сравнению с прототипом увеличено быстродействие за счет использовани  форсированного установлени  напр жени  на выходе дифференциального усилител  19 (в практической реализации устройства достигнуто снижение времени установлени  в 4,6 раза и снижени всего времени измерени  канала в 2- 3 раза) и повышена точность за счет устранени  вли ни  остаточных напр жений на обмотках при многократных опросах датчиков и идентичности измерительных каналов, так как все датчики имеют общий дифференциальный усилитель 19, преобразующий сигналы на обмотках датчиков в выходное напр жение .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Многоканальное измерительное устройство дл  дифференциальных индуктивных датчиков, с .-:ржащее первый коммутатор, соединенный выходами с первыми входами соответствующих дифференциальных индуктивных датчиков, второй коммутатор, соединенный вько- дом с первым входом дифференциального уси-пител , соединенного вькодом с сигнальным входом аналого-цифрового преобразовател , соединенного выходом с входом регистратора, а управл ющим входом - с выходом первого элемента задержки, генератор импульсов, цифро- аналоговый преобразователь, счетчик, соединенный выходами с управл ющими входами первого коммутатора, отличающеес  тем, что, с целью повышени  быстродействи  устройства и точности измерени , в него введены второй элемент задержки, интегратор ,, инвертор, первый и второй преобразователи напр жение - ток.

   0

   сумматор, первый и второй отраж -тепи тока, третий-шестой коммута пры, ;.и- чем выход генератора импульсоа спедц- нен непосредственно с обнул ющим входом интегратора, а через второй элемент задержки - с информационными входами цифроаналогового преобразовател , со входами перв(5го элемента задержки и счетчика, соединенного выходами с первыми входами сумматора и с управл ющими входами третьего коммутатора, соединенног о сигнальным входом с первым выходом первого от- 5 ражател  тока, соединенного вторым выходом с сигнальный входом первого коммутатора, входом через-первый преобразователь напр жение - ток - с выходом интегратора, соединенного первым входом с выходом цифроаналогового преобразовател , а выходом через последовательно соединенные инвертор И второй преобразователь напр жение - ток - с входом второго отражател  тока, соединенного первым и вторым выходами соответственно с сигнальными входами четвертого и п того коммутаторов, управл ющие входы которьк соединены с выходами сумматора и с управл ющими входами второго и шестого коммутаторов, сиг нальные входы второго коммутатора соединены с соответствующими выходами первого и четвертого коммутаторов, сигнальные входы шестого коммупатора - с соответствующими выходами третьего и п того коммутаторов и с вторыми входами соответствующих диффер нциаль- ных индуктивных датчиком, а выход - с вторым входом дифференциального усилител , третий вход каждого из дифференциальных индуктивных датчиков соединен с общей шиной устройства и с вторым входом сумматора, соединенного третьим входом с входом дл  задани  единичного сигнала устройства и с управл ющими входами ниф- роаналогового преобрп овател ,

   5

   0

   5

   0

   5