Преобразователь выходного сигнала дифференциально-трансформаторного датчика

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОТРАНСФОРМАТОРНОГО ДАТЧИКА(71) Заявитель Гомельский политехнический институт(73) Патентообладатель Гомельский политехнический институт(57) 1. Преобразователь выходного сигнала дифференциально-трансформаторного датчика, содержащий источник переменного напряжения, входной усилитель, который соединен с вторичной обмоткой дифференциально-трансформаторного датчика, последовательно соединенные демодулятор, фильтр, формирователь опорного напряжения, вход которого подключен к выходу источника переменного напряжения, а выходк первому входу демодулятора, причем выход фильтра является выходом преобразователя выходного сигнала дифференциально-трансформаторного датчика, отличающийся тем, что он снабжен преобразователем напряжение-ток, вход которого соединен с выходом источника переменного напряжения, а выход подключен к первичной обмотке дифференциально-трансформаторного датчика, и фазосдвигающим устройством, вход которого соединен с выходом входного усилителя, а выход - со вторым входом демодулятора, причем источник переменного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных формирователя эталонного напряжения постоянного тока и стабилизатора переменного напряжения, второй вход которого служит для подключения через трансформатор к сети, а выход соединен с преобразователем напряжение-ток. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что стабилизатор переменного напряжения содержит избирательный усилитель, выпрямитель, фильтрующий усилитель рассогласований и регулирующий элемент, причем вход избирательного усилителя соединен с выходом регулирующего элемента, а выход является одновременно выходом стабилизатора переменного напряжения и связан со входом выпрямителя, выход которого связан с первым входом фильтрующего усилителя рассогласований, второй вход которого является входом стабилизатора переменного напряжения, а выходс первым входом регулирующего элемента, второй вход которого служит для подключения через трансформатор к сети. 2845 1 3. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что фильтрующий усилитель рассогласований содержит три резистора, конденсатор, диод и усилитель с инвертирующим входом, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а к инвертирующему входу подключены первые выводы первого и второго резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым и вторым входами фильтрующего усилителя рассогласований, к выходу которого подключен выход усилителя с инвертирующим входом, который через параллельно соединенные третий резистор, конденсатор и диод соединен с его инвертирующим входом, причем катод диода подключен к инвертирующему входу, а анодк выходу. 4. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что регулирующий элемент содержит резистор и полевой транзистор с - переходом, при этом затвор полевого транзистора является первым входом регулирующего элемента, первый вывод резистора является вторым входом регулирующего элемента, а второйподключен к стоку полевого транзистора, который является выходом регулирующего элемента, исток полевого транзистора соединен с шиной нулевого потенциала. 5. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь напряжение-ток выполнен в виде усилителя, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с входом преобразователя напряжение-ток, и через второй резистор подключен к первому выводу первичной обмотки дифференциальнотрансформаторного датчика, выход усилителя через двухтактный усилитель мощности на транзисторах разной проводимости соединен со вторым выводом первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчика, а неинвертирующий вход усилителяс шиной нулевого потенциала. 6. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что фазосдвигающее устройство выполнено в виде усилителя, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с входом фазосдвигающего устройства и через последовательно соединенные первый конденсатор и второй резистор, а также через отрицательную обратную связь по постоянному току с выходом усилителя, который является выходом фазосдвигающего устройства, неинвертирующий вход усилителя соединен с шиной нулевого потенциала. 7. Преобразователь по п. 6, отличающийся тем, что отрицательная обратная связь по постоянному току реализована на двух последовательно соединенных резисторах и конденсаторе, первый вывод которого подключен к месту соединения двух последовательно соединенных резисторов, а второй выводк шине нулевого потенциала.(56) 1. Шидлович Л. Х. Дифференциальные трансформаторы и их применение. - М. Энергия, 1996. 2. Сопряжение датчиков и устройств для ввода данных с компьютерами/ Под ред. Томкинса У.И,Уэбстера Дж. - М. Мир, 1992 - С. 392-393 (прототип). 3. Мелик-Шахназаров А.М., Шайн И.Л., Абаринов Е.Г. Компенсационные измерительные устройства систем автоконтроля на переменном токе. - М. Энергия, 1971. Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в устройствах автоматического регулирования, управления и контроля, в частности в устройствах, где используется дифференциальнотрансформаторный преобразователь перемещения в электрический сигнал. Известно устройство, содержащее источник переменного напряжения соединенный с первичной обмоткой дифференциально-трансформаторного датчика 1. Недостатком данного устройства является низкая точность, т.к. выходной сигнал дифференциально-трансформаторного датчика зависит от частоты и величины питающего напряжения, а также от сопротивления первичной обмотки дифференциальнотрансформаторного датчика. Наиболее близким по технической сущности является устройство для преобразования сигнала дифференциально-трансформаторного датчика 2, содержащее источник переменного напряжения, выход которого соединен с первичной обмоткой дифференциально-трансформаторного датчика и входом формирователя опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом демодулятора, второй вход демодулятора соединен с выходом входного усилителя, вход которого соединен с вторичной обмоткой дифференциально-трансформаторного датчика, выход демодулятора соединен с входом фильтра, выход которого является выходом устройства. Рассматриваемое устройство обладает рядом недостатков, выяснить которые можно, рассмотрев математическое описание выходного напряжения устройства, которое (с учетом того, что фазочувствительный выпрямитель данного устройства выполнен на демодуляторе, формирователе опорного напряжения и фильтре и опорный сигнал фазочувствительного выпрямителя формируется из напряжения источника переменного напряжения) имеет следующий вид 2845 1 где- напряжения источника переменного напряжения Кфон - коэффициент передачи формирователя опорного напряжения, состоящего из двух резисторов и выполненного по схеме делителя напряжения Д выходное напряжение дифференциально-трансформаторного датчика Кус - коэффициент усиления входного усилителя, состоящего из двух резисторов и операционного усилителя и выполненного по схеме неинвертирующего усилителя Кдм - коэффициент пропорциональности фазочувствительного выпрямителя, демодулятор которого выполнен на аналоговом перемножителе МС 1595 фирмы- фазовый сдвиг между где- ток первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчика Мэ - эквивалентное значение взаимной индуктивности, определяемое положением плунжера и является единственным информативным параметром дифференциально-трансформаторного датчика М 0 - остаточная взаимная индуктивность,соответствующая положению плунжера на магнитной нейтрали- угол потерь дифференциальнотрансформаторного датчика- угловая частота питающего напряжения. Ток первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчика, с учетом схемы замещения дифференциально-трансформаторного датчика (фиг. 6) где- активное сопротивление первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчикасопротивления эквивалентное потерям в сердечнике дифференциально-трансформаторного датчика- индуктивность первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчика- угол потерь дифференциально-трансформаторного датчика После подстановки выражения (3) в (2) вместоможно получить зависимость выходного напряжения дифференциально-трансформаторного датчикад от напряжения источника переменного напряжения состоящим из информативного сигналаэ , фазовый сдвиг которого относительновх равен (90-) и квадратурной помехи 0 , фазовый сдвиг которой - (-). В этом случае выходное напряжение устройства, с учетом (1), следующее Из (4) видно, что выходное напряжение устройствазависит от изменений амплитуды вх и частотыисточника переменного напряжения, активного сопротивления первичной обмотки и угла потерь дифференциально-трансформаторного датчика и не равно нулю при нулевом значении информационного параметра Мэ. Результатом этого является низкая точность известного устройства. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности устройства путем формирования выходного сигнала устройства, зависящего только от информационного параметра дифференциально-трансформаторного датчика - эквивалентного значения взаимной индуктивности Мэ. Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известный преобразователь выходного сигнала дифференциально-трансформаторного датчика, содержащий источник переменного напряжения, входной усилитель, который соединен с вторичной обмоткой дифференциально-трансформаторного датчика, последовательно соединенные демодулятор, фильтр, формирователь опорного напряжения, вход которого подключен к выходу источника переменного напряжения, а выход - к первому входу демодулятора, причем выход фильтра является выходом преобразователя выходного сигнала дифференциальнотрансформаторного датчика, согласно изобретению введены преобразователь напряжение-ток, вход которого соединен с выходом источника переменного напряжения, а выход подключен к первичной обмотке дифференциально-трансформаторного датчика, и фазосдвигающее устройство, вход которого соединен с выходом входного усилителя, а выход - со вторым входом демодулятора, причем источник переменного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных формирователя эталонного напряжения постоянного тока и стабилизатора переменного напряжения, второй вход которого служит для подключения через трансформатор к сети, а выход соединен с преобразователем напряжение-ток. Благодаря тому, что в известный преобразователь выходного сигнала дифференциальнотрансформаторного датчика введен преобразователь напряжение-ток достигается то, что выходной сигнал преобразователя не зависит от изменений активного сопротивления первичной обмотки дифференциальнотрансформаторного датчик, которое неизбежно при изменении температуры окружающей среды введено фазосдвигающее устройство, которое позволяет избавиться от влияния на выходной сигнал преобразователя изменений частоты питающего напряжения и угла потерь дифференциально-трансформаторного датчика а также вследствии фазочувствительных свойств фазочувствительного выпрямителя получить на выходе преобразователя чистый ноль. Также благодаря тому, что в известном преобразователе выходного сигнала дифференциально-трансформаторного датчика источник переменного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных формирователя эталонного напряжения постоянного тока и стабилизатора переменного напряжения выходной сигнал преобразователя не зависит от изменения амплитуды питающего напряжения. На фиг.1 приведена блок-схема преобразователя выходного сигнала дифференциальнотрансформаторного датчика в цифровой код на фиг. 2 - блок-схема источника переменного напряжения на фиг. 3 - блок-схема стабилизатора переменного напряжения на фиг. 4 - принципиальная схема преобразователя напряжение-ток на фиг. 5 - принципиальная схема фазосдвигающего устройства на фиг. 6 - схема замещения первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчика, для случая, когда вторичная обмотка на холостом ходу на фиг.7 -векторная диаграмма токов и напряжений первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчика, для случая, когда вторичная обмотка на холостом ходу. Схема преобразователя выходного сигнала дифференциально-трансформаторного датчика (фиг.1) содержит источник переменного напряжения 1, преобразователь напряжение-ток 2, дифференциальнотрансформаторный датчик 3, входной усилитель 4, фазосдвигающее устройство 5, демодулятор 6, формирователь опорного напряжения 7, фильтр 8. Блок-схема источника переменного напряжения (фиг.2) содержит формирователь эталонного напряжения постоянного тока 9, стабилизатор переменного напряжения 10. Блок-схема стабилизатора переменного напряжения (фиг. 3) содержит избирательный усилитель 11, выпрямитель 12, фильтрующий усилитель рассогласований, выполненный на усилителе 13, трех резисторах 1416, где резистору 14 соответствует первый резистор, резистору 15 - второй резистор, резистору 16 - третий резистор, конденсаторе 17, диоде 18, регулирующий элемент, выполненный на полевом транзисторе с рпереходом 19 и на резисторе 20. 2845 1 Принципиальная схема преобразователя напряжение-ток (фиг.4) содержит усилитель 21, два резистора 22, 23, комплементарную пару транзисторов 24, 25. Принципиальная схема фазосдвигающего устройства (фиг.5) содержит усилитель 26, четыре резистора 27-30, где резистору 27 соответствует первый резистор, резистору 28 - второй резистор, резисторам 29, 30 соответствует последовательно соединенные резисторы отрицательной обратной связи по постоянному току,конденсаторы 31, 32, где конденсатору 31 соответствует первый конденсатор, конденсатору 32 - конденсатор отрицательной обратной связи по постоянному току. Схема замещения первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчика 3, для случая, когда вторичная обмотка на холостом ходу (фиг. 6) содержит- активное сопротивление первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчика- сопротивления эквивалентное потерям в сердечнике дифференциально-трансформаторного датчика- индуктивность первичной обмотки дифференциальнотрансформаторного датчика. Векторная диаграмма токов и напряжений первичной обмотки дифференциально-трансформаторного датчика, для случая, когда вторичная обмотка на холостом ходу (фиг.7). Выход источника переменного напряжения 1 соединен со входом формирователя опорного напряжения 7 и со входом преобразователя напряжение-ток 2, выход преобразователя напряжение-ток соединен с первичной обмоткой дифференциально-трансформаторного датчика 3, вторичная обмотка дифференциальнотрансформаторного датчика 3 соединена со входом входного усилителя 4, выход входного усилителя 4 соединен со входом фазосдвигающего устройства 5, выход фазосдвигающего устройства 5 со вторым входом демодулятора 6, первый вход демодулятора 6 соединен с выходом формирователя опорного напряжения 7, выход демодулятора 6 соединен с фильтром 8. Принцип действия устройства заключается в следующем. Источник переменного напряжения (фиг. 2) выполнен как стабилизатор переменного напряжения, у которого первый вход соединен с формирователем опорного напряжения постоянного тока. Опорное напряжение служит эталоном для сравнения выпрямленного выходного сигнала стабилизатора переменного напряжения. Результат сравнения эталона и выходного сигнала стабилизатора переменного напряжения усиливается, фильтруется усилителем рассогласований и подается на затвор полевого транзистора 19, который выполняет функцию регулирующего элемента. С регулирующего элемента сигнал подается на вход избирательного усилителя 11, выход которого является выходом стабилизатора переменного напряжения. При изменении амплитуды выходного сигнала стабилизатора переменного напряжения изменяется напряжение на затворе полевого транзистора 19, которое изменяет напряжение на входе избирательного усилителя 11, что приводит к восстановлению прежней амплитуды переменного напряжения. Поэтому такие факторы (приводящие к изменению выходного напряжения стабилизатора переменного напряжения) как изменение номинальных значений элементов избирательного усилителя, фильтрующего усилителя рассогласований, изменение наклона характеристики полевого транзистора, изменение амплитуды входного сигнала (подаваемого на второй вход стабилизатора переменного напряжения), при изменении температуры окружающей среды, будут отрабатываться стабилизатором переменного напряжения, т.е. выходной сигнал стабилизатора переменного напряжения будет постоянным при изменении температуры окружающей среды. Из выходного сигнала стабилизатора переменного напряжения формируется с помощью преобразователя напряжение-ток, принципиальная схема которого приведена на (фиг.4), синусоидальный ток с постоянной амплитудой, которым запитывается первичная обмотка дифференциально-трансформаторного датчика. Причем амплитуда тока не зависит от изменения активного первичной обмотки дифференциальнотрансформаторного датчика, обусловленного изменением температуры окружающей среды, так как ток формируется из стабилизированного напряжения стабилизатора переменного напряжения. Выходное напряжение дифференциально-трансформаторного датчика усиливается входным усилителем в Кус раз и подается на вход фазосдвигающего усилителя, принципиальная схема которого приведена на фиг. 5. Для определения выходного сигнала фазосдвигающего устройства необходим комплексный коэффициент передачи фазосдвигающего устройства. Передаточная функция фазосдвигающего устройства без учета отрицательной обратной связи по постоянному току (два последовательно соединенных резисторов и конденсатор, первый вывод которого подключен к месту соединения двух последовательно соединенных резисто 111. Комплексный коэффициент передачи ров, а второй - к шине нулевого потенциала)21 где 11. Выходной сигнал фазосдвигающего устройства, с учетом (2) и (5), имеет вид Опорный сигнал фазочувствительного выпрямителя формируется из напряжения стабилизатора переменного напряжения, из которого формируется и ток питания первичной обмотки дифференциальнотрансформаторного датчик 1. Поэтому они совпадают по фазе. В этом случае, после фазосдвигающего уст ройства информативный сигнал дифференциально-трансформаторного датчикаимеет фазовый сдвиг э При , что достигается подбором 1 и 1 фазосдвигающего устройства,, так как вх иформируются с помощью стабилизатора переменного напряжения. Таким образом, выходной сигнал устройства не зависит от изменений частотыи амплитуды питающего напряжения вх, активного сопротивления первичной обмотки и угла потерь дифференциальнотрансформаторного датчика , а определяется только информационным параметром - значением взаимной индуктивности Мэ - и равен нулю при Мэ 0. Использование преобразователя напряжение-ток, фазосдвигающего устройство и выполнение источник переменного напряжения в виде стабилизатора переменного напряжения с соответствующими связями выгодно отличает данное устройство от известного устройства для преобразования выходного сигнала дифференциально-трансформаторного датчика, т.к. исключает влияние изменений частоты и амплитуды питающего напряжения, активного сопротивления первичной обмотки и угла потерь дифференциальнотрансформаторного датчика, т.е. повышает точность устройства. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 7