EA030136B1

EA030136B1 - Датчик линейных перемещений

Info

Publication number: EA030136B1
Application number: EA201600407A
Authority: EA
Inventors: Фирудин Ибрагим оглы Мамедов; Рена Шариф кызы Асадова; Рена Бахрам кызы Дадашева; Рамиз Агали оглы Гусейнов; Шафагат Тельман кызы Мамедова; Саяра Гисматали кызы Гидаятзаде
Original assignee: Рена Шариф кызы Асадова
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2018-06-29
Also published as: EA201600407A1

Abstract

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве измерительных преобразователей неэлектрических величин типа датчиков линейных перемещений, угловых скоростей, угловых ускорений и т.д. Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что датчик линейных перемещений содержит два магнитопровода. Один магнитопровод выполнен в виде металлической рамы с обмоткой возбуждения, намотанной на грань магнитопровода, параллельную магнитопроводу, другой - в виде плоского металлического листа с системой измерительных обмоток. Обмотки измерительной системы размещены в неглубоких пазах на нижней и верхней плоскостях магнитопровода. Датчик может быть применен в информационно-измерительных системах и в управлении технологическими процессами в различных областях промышленности.

Description

030136 Β1

030136

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве измерительных преобразователей неэлектрических величин типа датчиков линейных перемещений, угловых скоростей, угловых ускорений и т.д.

Известно (1), что для построения электромагнитных датчиков линейных перемещений предлагают использовать базовую магнитную систему, включающую два магнитопровода, подвижных относительно друг друга, один из которых содержит обмотку возбуждения, а другой - измерительную обмотку.

Известен (2) датчик линейных перемещений, состоящий, как минимум, из двух магнитопроводов с измерительными обмотками и обмотками возбуждения. Датчик позволяет измерять линейные перемещения объектов. Однако недостатком данного изобретения является не только сложность конструкции, но и небольшой интервал перемещения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является трансформаторный преобразователь линейных перемещений (3), который содержит магнитопровод с закрепленной на нем обмоткой возбуждения и размещенную в зазоре с возможностью перемещения пластину, на которой закреплена плоская распределенная измерительная обмотка, состоящая из П-образных секций с токоотводами. В зависимости от положения магнитопровода с обмотками возбуждения относительно измерительных обмоток происходит возбуждение соответствующей секции и перемещение магнитопровода вдоль измерительной обмотки. Данное устройство позволяет осуществлять линейное перемещение объекта. Однако недостатком данного устройства является сложность конструкции и связанная с ним недостаточная точность линейного перемещения, а также ограничения в диапазоне перемещения.

Задача изобретения состоит в создании датчика для измерения больших линейных перемещений с широким диапазоном перемещения, который обладает более простой конструкцией.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что датчик линейных перемещений содержит два магнитопровода. Один магнитопровод выполнен в виде металлической рамы с обмоткой возбуждения, намотанной на грань магнитопровода, параллельную магнитопроводу, другой - в виде плоского металлического листа с системой измерительных обмоток. Магнитопровод с системой измерительных обмоток, длина которого соответствует диапазону измеряемого перемещения, установлен в соответствующих пазах магнитопровода с обмоткой возбуждения с возможностью перемещения. Обмотки измерительной системы в виде η-го количества секций размещены в неглубоких пазах на нижней и верхней плоскостях магнитопровода, которые распределены по всей длине магнитопровода и соединены между собой согласно последовательно.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения и прототипа показал, что заявляемое изобретение отличается рядом существенных признаков, а именно: конструкция магнитопровода с обмоткой возбуждения выполнена в виде металлической рамы. Другим существенным признаком является также иная конструкция магнитопровода с системой измерительных обмоток - плоского металлического листа с размещенными на его нижней и верхней поверхностях в неглубоких пазах измерительных обмоток. А соединения измерительных обмоток между собой выполнены согласно последовательно. Указанные существенные отличия от прототипа упрощают конструкцию датчика, позволяют увеличить магнитный поток, способствуют увеличению ЕДС и тем самым дают возможность увеличить длину и диапазон линейных перемещений.

Сопоставительный анализ с другими известными датчиками показал, что не найдены датчики, подобные заявляемому. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критериям "новизна" и "технический уровень" и может быть признано изобретением.

Конструкция датчика проиллюстрирована на чертеже, где 1 - магнитопровод с обмоткой возбуждения 2; 3 - магнитопровод с измерительными обмотками; 4 - система измерительных обмоток, которая состоит из от 1 до η секций с обмотками; 5 - сопротивления; 6 - точки соединения обмоток; а и в - ширина и длина обмотки возбуждения магнитопровода 1.

Датчик работает следующим образом.

Подвижным элементом, по необходимости, может быть либо магнитопровод 1 (вдоль измеряемой величины X неподвижного магнитопровода 3), либо магнитопровод 3 (магнитопровод 1 останется неподвижным, а магнитопровод 3 перемещается по диапазону измеряемой величины X). Предполагаем, что подвижным элементом является магнитопровод 1. При этом магнитопровод 1 связан с технологическим объектом, осуществляющим механическое линейное перемещение, которое подлежит измерению. При включении обмотки возбуждения в сеть в магнитопроводе 1 создается замкнутый магнитный поток. В процессе работы датчика исходное положение берется равным секции 1. Относительно секции 1 магнитопровод 3 получает перемещение X и положение магнитопровода 3 становятся Х+а. Выходная величина напряжения, равная ν,„, снимается с датчика из зажима крайнего сопротивления. Каждая секция магнитопровода 3 пронизывается магнитным потоком, который создает обмотка возбуждения магнитопровода

1. Пренебрегая рассеиванием магнитного потока вдоль магнитопровода 3 и вокруг обмотки возбуждения, считаем, что магнитный поток полностью пронизывает секции системы измерительных обмоток и индуцирует ЭДС £ по закону электромагнитной индукции, которая записываются в виде

- 1 030136

где ω - угловая частота питающего напряжения и_в;

А_ис - число витков одной секции;

Ф» - магнитный поток, пронизывающий секции.

Так как магнитопроводы изготовлены из сплошной конструкционной стали, то в его теле создается сильно выраженный поверхностный эффект. При этом магнитный поток в измерительных обмотках каждой секции распространяется неравномерно, т.е. в центре секции магнитный поток получает минимальное значение, а по краям - максимальное. Как известно из литературных источников, плотность магнитного потока, близкого к поверхности измерительных обмоток магнитопровода 3, можно считать эквивалентным магнитному потоку, создаваемому постоянным током. Закон полного тока по замкнутому контуру а'-Ь'-с'-б'-е'-Г'-а' можно записать, в виде

н_у · 2ί_αί+я, А + 2н_1:е_аГ + я, · δ = /Л₄,

. I·

где - ток, протекающий через обмотку возбуждения;

А_Ь - число витков обмотки возбуждения;

δ - величина воздушного зазора между магнитопроводом-' и магнитопроводом 3; 1_αδ, 1δ8, 1_аГ- соответствующие участки длины магнитосиловых линий;

Η,,Η,,,Η,

соответствующие напряженности магнитного поля в принятой декартовой системе координат.

Определяя напряженность магнитного поля в средней части сечения соответствующее длине 1_αδ, 1_δ8, 1_аГ находим функциональную связь между ДАА и Ηδ в результате получим

Зная напряженности А магнитного поля, находим магнитный поток Φ·^! ι пронизывающий обмотки измерительной секции, который записывается в виде

где μ, μο - соответственно относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода и магнитная постоянная. Ток возбуждения Л удобно выразить через напряжение и и в комплексной форме, которое записывается в виде

а магнитный поток Ф» запишется в виде

где К_в - активное сопротивление обмотки возбуждения; Ь_в - индуктивность обмотки возбуждения; и в - напряжение питания.

Индуктивность Ь_в находим через поток сцепления, т.е.

После некоторых преобразований индуктивность Ь_в можно записать:

/ = А Щ²А; ^лУв ’

где Άι - коэффициент, зависящий от геометрических размеров и параметров материала. Затем находим значение ЭДС - А полученной в одной измерительной секции, которая создает ток, протекающий через сопротивление 5.

-у·

Так как величина этих сопротивлений весьма больше, чем сопротивление самой секции, то ток индукции получается незначительным, При этом ЭДС для всех измерительных секций остается неизменным, но оно переходит с одной секции в другую путем перемещения магнитопровода в диапазоне измерения.

- 2 030136

Было установлено, что выходное напряжение Й.

определяется в виде

с» = же+2¼+зу+...+_пд],

(н +1)

где η - число секций. При переходе магнитного поля, полученного магнитопроводом, от первой секции ко второй, величина А уменьшается на , а на второй секции это напряжение увеличивается на ЛЁ . В результате при перемещении магнитопровода от первой секции ко второй величина ϋ

' ι уменьшается на Δϋно на второй секции напряжение V увеличивается на Δϋ

В результате при переходе магнитопровода ко второй секции изменение напряжения увеличивается на 2Δύ.

Если уменьшение принять со знаком минус, а увеличение с плюсом, тогда суммарное напряжение будет — Δϋ + 2ήϋ = Δϋ.

Аналогичным образом получится изменение напряжения при переходе магнитопровода от секции второй к третьей, где получится ~2Δϋ + 3Δϋ = Δϋ.

При дальнейшем перемещении магнитопровода этот процесс повторяется.

Здесь изменение выходного напряжения прямо пропорционально перемещению X подвижного магнитопровода. Поэтому выражение, указанное внутри квадратной скобке, в зависимости от X можно выразить в более простом виде

где К_Р - коэффициент пропорциональности, зависящий от электромагнитных параметров и геометрических размеров магнитопровода и обмотки секции, который в общем случае записывается в виде;

ΙΙ, + μοΑ^-α

По этой формуле был проведен расчет и построена характеристика рассмотренного датчика. Рабочая характеристика датчика является линейной в указанном диапазоне X. Предлагаемый датчик может работать только на переменном напряжении питания.

Для увеличения диапазона измерений достаточно увеличить длину магнитопровода с измерительными обмотками и соответственно количество секций. При этом линейность рабочей характеристики остается прежней.

Датчик может быть применен в информационно-измерительных системах и в управлении технологическими процессами в различных областях промышленности.

Литература

1. Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский М.Л. Электромагнитные датчики механических величин. Москва, Машиностроение, 1987.

2. Патент РФ № 2138774, Датчик линейных перемещений, 18.11.1997.

3. Ав.св РФ №2023234, Индукционный датчик линейных перемещений, 15.11.1994 (прототип)

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Датчик линейных перемещений содержит два магнитопровода с возможностью перемещения одного относительно другого, причем один из которых выполнен с обмоткой возбуждения, а другой - с системой измерительных обмоток; магнитопровод с системой измерительных обмоток выполнен в виде плоского металлического листа, отличающийся тем, что магнитопровод с обмоткой возбуждения выполнен в виде прямоугольной рамы, причем магнитопровод с системой измерительных обмоток расположен в зазоре рамы магнитопровода с обмоткой возбуждения, которая расположена параллельно магнитопроводу с системой измерительных обмоток, при этом система измерительных обмоток состоит из двух или более секций, распределенных по всей длине магнитопровода, так что обмотки каждой из указанных секций размещены в пазах на нижней и верхней плоскостях магнитопровода и соединены между собой последовательно; при этом длина магнитопровода с системой измерительных обмоток соответствует диапазону измеряемого перемещения.

- 3 030136