способ измерения скорости движения проводника с током

Формула изобретения

Способ измерения скорости движения проводника с током на участке траектории между двумя идентичными индукционными датчиками, заключающийся в непрерывном измерении сигналов ₁, ₂ возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося проводника, определении информативного параметра G₁ как среднего геометрического этих сигналов , причем скорость движения проводника с током определяют как величину, пропорциональную упомянутому информативному параметру G₁, отличающийся тем, что в процессе измерения скорости дополнительно непрерывно измеряют с помощью датчиков магнитной индукции сигналы U ₁, U₂, пропорциональные магнитной индукции поля в двух точках траектории, которые выбирают таким образом, чтобы координата x₀ середины интервала между ними совпадала с координатой середины интервала между точками расположения упомянутых индукционных датчиков, одновременно определяют второй информативный параметр G₂ как среднее геометрическое этих сигналов , а скорость движения проводника с током определяют как

,

где - постоянный коэффициент; К_В [В/Тл] - чувствительность датчиков магнитной индукции; N, S_Д - соответственно число витков и площадь сечения катушки каждого индукционного датчика; - коэффициент, определяемый по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования, при этом ₀ - определяемое экспериментально или по результатам моделирования значение скорости движения идентичного или моделируемого проводника с током в координате х₀.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров, в частности скорости, прямолинейного движения проводников с током.

Применение изобретения наиболее целесообразно в области электрофизики, а именно при контроле скорости разгона токопроводящих плазменных сгустков в электродинамических магнитоплазменных ускорителях.

Известен способ измерения скорости движения объекта (авт. свид. СССР № 1818588, МПК G01Р 3/64, БИ № 20, 1993 г.) на участке траектории между двумя идентичными датчиками положения с колоколообразной передаточной характеристикой, заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1, U2 возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося объекта, причем предварительно, до начала измерения, принимают значение масштабирующего коэффициента X_е численно равным значению перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала каждого датчика положения в е раз. В процессе измерения скорости определяют координатную функцию F по формуле , а скорость определяют как .

Описанный способ в условиях сильных импульсных помех имеет низкую помехозащищенность, обусловленную выполнением при определении скорости операции дифференцирования по времени координатной функции F, что приводит к "подчеркиванию" помех, присутствующих на входе измерительного устройства.

Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является способ измерения скорости движения проводника с током (патент РФ № 2208793, МПК 7 G01Р 3/50, БИ № 20, 2003) на участке траектории между двумя идентичными индукционными датчиками, заключающийся в непрерывном измерении сигналов ₁, ₂ возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося проводника, определении информативного параметра G₁ как среднего геометрического этих сигналов , причем скорость движения проводника с током определяют как величину, пропорциональную упомянутому информативному параметру G₁. В соответствии со способом-прототипом предварительно, до начала измерения, принимают значение масштабирующего коэффициента Х_е численно равным значению перемещения проводника, соответствующему изменению выходного сигнала индукционного датчика в е раз, в процессе измерения скорости непрерывно измеряют ток i, протекающий в движущемся проводнике, а скорость движения проводника с током определяют как , где - постоянный коэффициент;

µ₀ =4 ·10^-7 - магнитная постоянная; N, S _Д - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика.

Недостатком способа-прототипа является уменьшение точности измерения скорости движущегося проводника с током при увеличении степени нестабильности его пространственной конфигурации, например случайной величины длины движущегося плазменного токопроводящего сгустка.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости движения проводника с током в условиях изменения его пространственной конфигурации в процессе движения.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения скорости движения проводника с током на участке траектории между двумя идентичными индукционными датчиками, заключающемся в непрерывном измерении сигналов ₁, ₂ возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося проводника, определении информативного параметра G₁ как среднего геометрического этих сигналов , определении скорости движения проводника с током как величины, пропорциональной упомянутому информативному параметру G₁, в процессе измерения скорости дополнительно непрерывно измеряют с помощью датчиков магнитной индукции сигналы U₁, U₂ , пропорциональные магнитной индукции поля в двух точках траектории, которые выбирают таким образом, чтобы координата x₀ середины интервала между ними совпадала с координатой середины интервала между точками расположения упомянутых индукционных датчиков, одновременно определяют второй информативный параметр G₂ как среднее геометрическое этих сигналов , а скорость движения проводника с током определяют как , где - постоянный коэффициент;

К_B [В/Тл] - чувствительность датчиков магнитной индукции; N, S _Д - соответственно число витков и площадь сечения катушки каждого индукционного датчика; - коэффициент, определяемый по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования, при этом ₀ - определяемое экспериментально или по результатам моделирования значение скорости движения идентичного или моделируемого проводника с током в координате x₀.

От прототипа изобретение отличается тем, что в процессе измерения скорости дополнительно непрерывно измеряют с помощью датчиков магнитной индукции сигналы U₁, U₂, пропорциональные магнитной индукции поля в двух точках траектории, которые выбирают таким образом, чтобы координата x₀ середины интервала между ними совпадала с координатой середины интервала между точками расположения упомянутых индукционных датчиков, одновременно определяют второй информативный параметр G₂ как среднее геометрическое этих сигналов , а скорость движения проводника с током определяют как , где - постоянный коэффициент;

К_B [В/Тл] - чувствительность датчиков магнитной индукции; N, S _Д - соответственно число витков и площадь сечения катушки каждого индукционного датчика; - коэффициент, определяемый по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования, при этом ₀ - определяемое экспериментально или по результатам моделирования значение скорости движения идентичного или моделируемого проводника с током в координате x₀.

На фиг.1 показаны результаты компьютерного моделирования зависимости функции от величины , где =(l/l_ном)·100%; l_ном и l - соответственно номинальное и фактическое значения изменяющейся продольной длины движущегося объемного проводника с током; ={[ _и(l)- _и(l_ном)]/ _и(l_ном)}·100%; _и(l_ном) и _и(l) - измеренные в одной точке траектории (середине интервала между датчиками) значения скорости проводника соответственно длиной l_ном и l при одном значении его истинной скорости. Таким образом, функция характеризует инвариантность способа измерения скорости к такому мешающему фактору, как случайные изменения пространственной конфигурации (продольной длины) контролируемого проводника с током.

На фиг.2 изображено устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости движения проводника с током, движущегося по проводящим направляющим, обеспечивающим протекание тока в контролируемом проводнике и образующим траекторию его движения. Оно содержит два идентичных индукционных датчика (ИД1) 1 и (ИД2) 2, на участке траектории между которыми производится измерение скорости, и два идентичных датчика магнитной индукции (ДМИ3) 3 и (ДМИ4) 4 (например, датчики Холла). Пара индукционных датчиков (ИД1) 1 и (ИД2) 2 и пара датчиков магнитной индукции (ДМИ3) 3 и (ДМИ4) 4 подключены соответственно через пару управляемых ключей 5 и 6 и пару управляемых ключей 7 и 8 к соответствующим первым и вторым входам соответствующих устройств умножения (УУ1) 9 и (УУ2) 10, а выход индукционного датчика (ИД1) 1, кроме того, соединен с входом порогового элемента (ПЭ) 11, выход которого подключен к управляющим входам управляемых ключей 5, 6, 7 и 8. Выходы устройств умножения (УУ1) 9 и (УУ2) 10 соединены с входами соответствующих устройств извлечений квадратного корня (УИК1) 12 и (УИК2) 13, выходы которых подключены, соответственно к входу "делимое" и входу "делитель" устройства деления (УД) 14. Выход устройства деления (УД) 14 соединен с первым входом третьего устройства умножения (УУ3) 15, второй вход которого является общим входом устройства для измерения скорости и предназначен для подачи сигнала, пропорционального значению постоянного коэффициента . Выход устройства деления (УУ3) 15 является общим выходом устройства для измерения скорости.

Как известно (статья: Cook R.W. Observation and analysis of current carrying plasmas in rail gun. // IЕЕЕ Transactions on Magnetics. 1986. V.22. No.6. P.1423-1428), магнитная индукция В поля движущегося проводника с током i может быть описана следующим образом:

а выходной сигнал возмущения индукционного датчика полем движущегося проводника представляется как

где F(x(t)) с размерностью [1/м] и f(х(t)) с размерностью [1/м²] - сложные функции от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения; N, S_Д - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика; - скорость перемещения проводника с током; µ ₀=4 ·10^-7 [Гн/м] - магнитная постоянная; i - ток, протекающий в движущемся проводнике.

В предлагаемом способе аналогично способу-прототипу используется тот факт, что функции сигналов двух индукционных датчиков, реагирующих на поле, создаваемое проводником с током, движущимся на участке траектории между ними, могут быть аппроксимированы выражениями, преобразованными из (2) следующим образом:

где g(x(t)) - безразмерная функция от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения, g^-1(x(t)) - функция, обратная g(x(t)), а посредством коэффициента k₁ [м] задается размерность [1/м ²] для мультипликативной составляющей f(x(t)) в (2).

Таким образом, как видно из (3) и (4), измеряя сигналы индукционных датчиков

₁, ₂, можно определять информативный параметр G ₁ как их среднее геометрическое , который не зависит от координаты положения х движущегося проводника, а зависит только от его скорости и тока в нем i:

Функции магнитной индукции В поля движущегося проводника в двух точках, смещенных относительно друг друга вдоль траектории его движения, могут быть аппроксимированы выражениями, преобразованными из (1) аналогично тому, как (3) и (4) были преобразованы из (2):

где q(x(t)) - безразмерная функция от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения, q^-1(x(t)) - функция, обратная q(x(t)), а посредством коэффициента k₂ [м] задается размерность [1/м] для мультипликативной составляющей F(x(t)) в (1).

Если в этих двух упомянутых точках пространства дополнительно разместить два идентичных датчика магнитной индукции (например, датчики Холла), их сигналы U₁,

U ₂ возмущения полем движущегося проводника будут пропорциональны соответствующим функциям магнитной индукции согласно (6) и (7):

где К_В [В/Тл] - чувствительность датчика магнитной индукции.

Следовательно, как видно из (8) и (9), дополнительно измеряя сигналы, пропорциональные магнитной индукции U₁, U₂, можно аналогично определению информативного параметра G₁ согласно (5) определять второй информативный параметр G₂ как их среднее геометрическое , который не будет зависеть от координаты положения х движущегося проводника, а будет зависеть только от тока в нем i:

Таким образом, измеряя сигналы ₁, ₂ и U₁, U₂ возмущения соответственно двух идентичных индукционных датчиков и двух идентичных датчиков магнитной индукции (например, датчиков Холла) полем движущегося проводника с током и предварительно непрерывно определяя два информативных параметра G₁, G₂ согласно (5) и (10), можно определять текущую скорость движущегося проводника как

где - коэффициент, который определяют по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования, при этом ₀ - определяемое экспериментально или по результатам моделирования значение скорости движения идентичного или моделируемого проводника с током в координате x₀.

Обозначив через С постоянный коэффициент в (11), можно записать выражение для скорости движения проводника с током в окончательном виде:

.

Как видно из графиков, показанных на фиг.1, предлагаемый способ по сравнению со способом-прототипом обеспечивает гораздо более слабое влияние изменений конфигурации проводника (продольной длины) на результаты измерения его скорости.

Следовательно, дополнительное введение операции измерения сигналов, пропорциональных магнитной индукции поля, например, с помощью датчиков Холла, согласно предлагаемому способу позволяет повысить по сравнению со способом-прототипом точность измерений скорости движения проводника с током в условиях нестабильности его пространственной конфигурации.

Устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости движения проводника с током (фиг.2), функционирует следующим образом.

При подходе движущегося проводника с током к первому по направлению движения из двух индукционных датчиков (ИД1) 1 на выходе порогового элемента (ПЭ) 11 вырабатывается управляющий сигнал (пороговый элемент (ПЭ) 11 срабатывает при нарастании сигнала индукционного датчика (ИД1) 1 до максимума), воздействующий на управляемые ключи 5, 6, 7 и 8. В результате они включаются и происходят подключения индукционных датчиков (ИД1) 1 и (ИД2) 2 соответственно к первому и второму входам устройства умножения (УУ1) 9 и подключения датчиков магнитной индукции (ДМИ1) 3 и (ДМИ2) 4 соответственно к первому и второму входам устройства умножения (УУ2) 10. На выходах устройств умножения (УУ1) 9 и (УУ2) 10 появляются сигналы соответственно ₁· ₂ и U₁·U₂, а на выходах устройств извлечения квадратного корня (УИК1) 12 и (УИК2) 13 формируются сигналы, пропорциональные значениям соответственно первого и второго информативных параметров и . На выходе устройства деления (УД) 14 вырабатывается сигнал отношения двух информативных параметров G₁/G₂ , а на выходе устройства умножения (УУЗ) 15 непрерывно формируется сигнал скорости движения проводника с током.

Использование заявляемого технического решения позволит повысить точность измерения скорости движения проводника с током.