MD4257929T2 - Sistem de măsurare a mărimilor fizice și/sau de măsurare a poziției cu fir magnetic bistabil, metodă de măsurare - Google Patents

Abstract

Sistem pentru măsurarea mărimii fizice şi/sau pentru măsurarea poziţiei cu un fir magnetic bistabil (1), care cuprinde un element de excitare (2) pentru crearea câmpului magnetic şi un element de detectare (3). În intervalul câmpului magnetic al elementului de excitare (2), este plasat un fir magnetic bistabil (1), care are un prim capăt (11) şi un al doilea capăt (12) poziţionat opus. Firul magnetic bistabil (1) este reglat pentru magnetizare printr-un singur salt Barkhausen de la primul capăt (11) la al doilea capăt (12) sau invers, în care elementul de excitaţie (2) şi firul magnetic bistabil (1) sunt plasate într-o poziţie reciprocă cu un câmp magnetic asimetric în raport cu firul magnetic bistabil (1), unde dimensiunea câmpului magnetic excitat de elementul de excitaţie (2) la primul capăt (11) este diferită de dimensiunea câmpului magnetic câmp excitat de elementul de excitaţie (2) la cel de-al doilea capăt (12). Asimetria câmpului magnetic este creată datorită poziţiei asimetrice reciproce a elementului de excitare (2) şi a firului magnetic bistabil (1) şi/sau datorită construcţiei asimetrice a elementului de excitare (2).

Description

Domeniul tehnic

Invenţia se referă la o compoziţie de element de excitaţie şi un fir magnetic bistabil, unde se prepară o compoziţie pentru măsurarea diferitelor mărimi fizice şi/sau pentru măsurarea poziţiei firului magnetic bistabil. Noutatea sistemului şi metodei constă în principal în poziţia asimetrică specifică a unui câmp magnetic al elementului de excitaţie şi al firului magnetic bistabil, datorită căreia valoarea interpretativă a datelor măsurate brute este îmbunătăţită semnificativ.

Baza invenţiei

Elementele magnetice bistabile se utilizează pentru măsurarea diferitelor mărimi fizice şi a poziţiilor, unde elementul magnetic bistabil este format dintr-un element pasiv care, prin magnetizarea sa, reacţionează la o modificare a poziţiei în câmpul magnetic sau la o modificare a unei mărimi fizice.

Un aliaj cu proprietăţi magnetice bistable şi un microfir din acest aliaj sunt descrise, de exemplu, în documentul GB2374084A. Microfirul poate răspunde la diferite mărimi fizice, dar evaluarea răspunsului este problematică, fiindcă elementele magnetice bistabile din stadiul anterior pot avea acţiuni magnetice complexe, unde magnetizarea are loc în domenii multiple într-un singur microfir, nu într-un singur salt. Se cunosc de asemenea utilizările firelor magnetice bistabile în măsurarea poziţiilor, măsurarea unghiurilor şi măsurarea rotaţiilor.

Excitarea unui fir magnetic bistabil înfăşurat pe un miez este explicată în documentul US4484090A. Soluţia nu permite evaluarea mărimilor fizice. Unele acţiuni magnetice ale unui element magnetic bistabil sunt descrise în documentul JPH03252577A, care însă nu soluţionează problemele de interpretare a valorilor neliniare măsurate.

DE2817169A1, DE3427582A1, SU1753425A1 descriu sisteme cu un fir Wiegand având un anumit nivel de bistabilitate magnetică, aceste sisteme având rolul de a determina apropierea unui element magnetic bistabil de un senzor. Ca urmare a acestei configuraţii, nu este posibilă măsurarea valorilor mărimilor fizice în apropierea elementului magnetic bistabil.

Senzorul de poziţie sau senzorul de rotaţie conform documentaţiei EP0484716A1 utilizează firul Wiegand de care se apropie magneţi permanenţi rotativi. Senzorul răspunde numai la modificări ale câmpului magnetic, nu evaluează dimensiunile mărimilor fizice.

Senzorul Wiegand conform documentului DE4107847C1 permite transferul fără contact al informaţiilor privind închiderea comutatorului, care poate reacţiona cu modificarea unei mărimi fizice precum temperatura, presiunea, acceleraţia, dar necesită un senzor corespunzător prin care comutatorul este controlat ulterior, i. e. mărimea fizică nu este măsurată de elementul magnetic bistabil în sine.

Documentaţia GB2071336A descrie un codificator de poziţie magnetic de tip inducţie şi un detector de mişcare cuprinde două înfăşurări electrice şi un element magnetic bistabil, cum ar fi un fir Wiegand, care cuplează aceste două înfăşurări magnetic. Modificarea periodică a polarităţii induce în a doua înfăşurare o serie periodică de impulsuri de tensiune electrică, a căror fază faţă de semnalul excitator poate fi influenţată în ceea ce priveşte poziţia prin mişcarea magneţilor permanenţi mai aproape sau mai departe de elementul magnetic bistabil.

Este necunoscută şi dezirabilă o nouă soluţie care, cu o costrucţie simplă, să îmbunătăţească interpretabilitatea repetabilă a măsurării diferitelor mărimi fizice, eliminând zgomotul şi influenţa fenomenelor secundare. Elementul magnetic bistabil trebuie să reacţioneze la modificările mărimii fizice măsurate şi de asemenea să genereze un răspuns, care este transmis fără contact la elementul de recepţie.

Natura invenţiei

Aceste inconveniente sunt în mare măsură eliminate de un sistem de măsurare a unei mărimi fizice şi/sau pentru măsurarea poziţiei cu firul magnetic bistabil, aşa cum se defineşte în revendicarea 1.

Termenii primul şi al doilea în prezentul document se utilizează pentru a diferenţia două capete, acestea fiind interschimbabile, prin urmare termenii primul şi al doilea nu exprimă superioritatea sau importanţa capătului respectiv al firului magnetic bistabil.

Câmpul magnetic diferit la capete în momentul de excitaţie dat duce la un câmp magnetic asimetric care, împreună cu magnetizarea de către un singur salt Barkhausen, duce la rezultate interpretabile repetabile ale măsurătorilor. Pentru utilizări de măsurare practice, este important ca comportamentul firului magnetic bistabil să fie influenţat fundamental de mărimea sau poziţia măsurată şi ca alţi factori, inclusiv acţiunile unor proprietăţi magnetice mai complexe ale firului magnetic bistabil, să fie neglijabili sau cel puţin identificabili în orice mod care permite corecţie la evaluarea datelor brute.

Pentru a asigura asimetria poziţiei reciproce a câmpului de excitare şi a firului magnetic bistabil, este suficientă o diferenţă de 5%, de preferinţă 10%, de preferinţă în special peste 25% a valorilor câmpului magnetic la primul capăt şi la al doilea capăt. Aceasta contribuie la apariţia magnetizării într-un salt în întregul fir de la un capăt la celălalt. Dacă magnetizarea a avut loc în mai multe domenii separate pe lungimea firului, răspunsul măsurat ar include mai multe acţiuni individuale, care perturbează semnificativ interpretabilitatea măsurătorii. Nu este posibilă identificarea ulterioară a dependenţei datelor măsurate, ceea ce reduce posibilităţile de aplicare a firului magnetic bistabil. Obiectivul prezentei invenţii este obţinerea unei bistabilităţi reale eficiente, aşadar complete, a magnetizării, unde structura domeniilor firului magnetic bistabil nu constă din multe domenii, care altfel ar duce la magnetizare prin deplasarea domeniilor multiple într-un singur fir. Măsurarea unui fir magnetic bistabil cu multiple domenii pe lungimea sa poate fi comparată cu măsurarea mai multor fire magnetice bistabile într-un singur câmp de excitare, ceea ce face ca măsurătoarea rezultată să fie o sumă a răspunsurilor individuale care nu pot fi identificate în mod fiabil şi vectorul de răspuns totalizator este aşadar practic inutilizabil.

Se pot folosi mai multe posibilităţi tehnice pentru a crea un câmp magnetic relativ asimetric, unde selectarea corespunzătoare a construcţiei va depinde şi de mărimea sau poziţia măsurată specifică. În principiu, prin sistemul conform prezentei invenţii se pot măsura temperatura, presiunea / tensiunea, câmpul magnetic. Din aceste mărimi de bază, se poate măsura indirect o gamă întreagă de alte mărimi fizice, precum şi diferite relaţii poziţionale, se poate măsura prezenţa firelor magnetice bistabile, poziţia lor reciprocă, se pot măsura parametrii curentului electric prin măsurarea câmpului magnetic la conductor, se pot măsura poziţia şi avansul liniar în câmpul magnetic terestru sau tensiunea de încovoiere şi răsucire sau curgerea lichidului sau gazului pe baza măsurării alungirii în direcţia respectivă.

Măsurarea modificărilor în câmpul magnetic permite detectarea unei modificări a poziţiei, unei modificări a rotirii firului magnetic bistabil sau a suportului pe care este montat firul magnetic bistabil şi, de asemenea, permite măsurarea poziţiei relative cu privire la un alt obiect care susţine elementul de excitaţie. Pe această bază, este posibilă construirea senzorilor de poziţie, senzorilor de rotaţie, senzorilor de capăt, senzorilor de proximitate a unui obiect magnetic sau a unui suport cu un obiect magnetic, senzorilor de poziţie absolută faţă de câmpul magnetic terestru etc..

Antena elementului de excitaţie poate fi folosită pentru măsurarea răspunsului sau, de preferinţă, sistemul cuprinde un element de recepţie separat, de exemplu sub forma unei bobine de recepţie. În acest caz, elementul de excitaţie poate fi o bobină primară şi elementul de recepţie va fi format de o bobină secundară. Bobina secundară poate fi conectată la un amplificator şi o unitate de evaluare. Elementul de recepţie poate fi dispus coaxial cu poziţia firului magnetic bistabil sau poate fi într-o altă poziţie reciprocă astfel încât să fie într-o distanţă care permite recepţia răspunsului.

O aplicare adecvată este cea în care firul magnetic bistabil are forma unui microfir cu un diametru mai mic decât 50 µm, de preferinţă mai mic decât 25 µm, de preferinţă în special mai mic decât 15 µm. Exact la diametre ale miezului sub 15 µm şi cu compoziţia adecvată a aliajului metalic amorf, structura magnetică radială dispare, fapt legat de procesul de tragere a firului cu răcire simultană rapidă, de obicei răcire cu apă. Datorită faptului că firul magnetic bistabil se comportă ca total bistabil, aşadar efectiv bistabil pe întreaga lungime a firului, peretele domeniului în timpul magnetizării se desfăşoară de la primul capăt la al doilea capăt, nu separat în mai multe zone individuale pe lungimea firului. S-a constatat de asemenea ca fiind adecvat dacă lungimea firului magnetic bistabil este cel puţin de 100 de ori, de preferinţă cel puţin de 10000 de ori mai mare decât diametrul firului magnetic bistabil, ceea ce înseamnă că va fi un fir cu diametru mic, pe care îl putem numi şi microfir.

O construcţie tipică a firului magnetic bistabil include un miez metalic amorf şi un capac, de exemplu capac de sticlă, al cărui diametru exterior nu este mai mare decât de trei ori diametrul miezului metalic. Grosimea capacului de sticlă poate varia de la 1 la 20 µm. Capacul de sticlă, stratul de suprafaţă din sticlă, protejează miezul metalic de contactul electric cu mediul, de mediul chimic agresiv, iar datorită acestui aspect firul magnetic bistabil poate fi utilizat foarte universal, de exemplu direct în înfăşurările motorului electric sau în interiorul materialelor de construcţie, în interiorul corpului uman etc.. În principiu, este de asemenea posibilă utilizarea unui fir magnetic bistabil fără un capac circumferenţial sau este posibilă şi utilizarea capacului dintr-un material diferit de sticlă.

O excitaţie magnetică cu o formă de undă a amplitudinii în formă de triunghi, de obicei cu o formă de undă a amplitudinii în formă de triunghi simetrică, care simplifică evaluarea semnalului măsurat aşa cum se descrie în documentaţii mai vechi ale autorilor prezentei invenţii, s-a dovedit a fi adecvată. Având acest obiectiv, sistemul conform prezentei invenţii este ajustat să fie conectat la un element energetic, un element de control şi un element de evaluare. Conform instrucţiunii de la elementul de control, elementul energetic transmite la elementul de excitaţie o sursă de alimentare reglată pentru a obţine un semnal de excitaţie al formei de undă a amplitudinii în formă de triunghi. Elementul de evaluare obţine şi analizează răspunsul primit de la firul magnetic bistabil.

Asimetria câmpului de excitaţie poate fi obţinută astfel încât elementul de excitaţie, care induce un câmp în mare măsură simetric, este dispus relativ asimetric faţă de firul magnetic bistabil. Aşa cum se indică în Figura 3, asimetria poziţională asigură că primul capăt al firului magnetic bistabil este într-un câmp magnetic mai înalt decât al doilea capăt şi, aşadar, firul magnetic bistabil va fi magnetizat întotdeauna cu mişcarea unui perete de domeniu, cel aflat în câmpul mai înalt. Asimetria poziţională poate fi obţinută prin setarea unei relaţii spaţiale. În acelaşi timp, bobina elementului de excitaţie şi firul magnetic bistabil pot fi dispuse coaxial, aşadar cu axe longitudinale identice sau orientate în paralel.

Asimetria câmpului magnetic excitat poate fi asigurată de construcţia elementului de excitaţie cu o înfăşurare neregulată a bobinei, de exemplu cu pas diferit al filetului sau cu număr diferit de fire la primul capăt sau la al doilea capăt. Rezultatul unei astfel de construcţii a elementului de excitaţie este o amplitudine diferită a câmpului magnetic la capetele elementului de excitaţie sau la o anumită distanţă de la aceste capete. În acest caz, poziţia reciprocă a elementului de excitaţie şi a firului magnetic bistabil poate fi simetrică spaţial, dar la primul capăt şi la al doilea capăt ale firului magnetic bistabil va fi într-un câmp magnetic de amplitudine diferită.

Definiţia care descrie poziţia reciprocă a elementului de excitaţie şi a firului magnetic bistabil conform primei revendicări include de asemenea o poziţie simetrică reciprocă dacă se generează un câmp magnetic asimetric de către elementul de excitaţie. Definiţia din prima aplicare exprimă o configuraţie reciprocă, care poate fi obţinută prin mai multe mijloace sau printr-o combinaţie diferită de mijloace tehnice şi configuraţie spaţială relativă. Asimetria câmpului magnetic importantă pentru obţinerea efectelor conform prezentei invenţii se înţelege întotdeauna în relaţia relativă a amplitudinilor câmpului magnetic la primul capăt şi la al doilea capăt. Asimetria câmpului magnetic excitat se poate obţine de asemenea prin adăugarea unui element de protecţie sau prin amplasarea unei alte bobine secundare la bobina primară a elementului de excitaţie. În acest caz, poziţia reciprocă a elementului de excitaţie şi a firului magnetic bistabil poate părea de asemenea simetrică spaţial, dar asimetria câmpului magnetic la primul capăt şi la al doilea capăt va fi importantă.

În toate versiunile asimetriei câmpului magnetic, elementul de excitaţie poate fi dispus coaxial cu poziţia firului magnetic bistabil sau poate fi dispus lângă firul magnetic bistabil. În majoritatea aplicaţiilor, se presupune că axa longitudinală a câmpului magnetic generat de elementul de excitaţie va fi în esenţă paralelă cu axa longitudinală a firului magnetic bistabil, dar în principiu este posibilă şi o poziţie unghiular diferită, de exemplu, axa longitudinală a elementului de excitaţie se abate de la axa longitudinală a firului magnetic bistabil în limita a 30 de grade.

Dezavantajele menţionate în stadiul anterior sunt eliminate de metoda de măsurare a unei mărimi fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil aşa cum se defineşte în revendicarea 13.

Definirea diferenţei în amplitudinea câmpului magnetic la capete ar trebui explicată prin aceea că această diferenţă se aplică în starea statică, când nu se măsoară poziţia în modificare a firului magnetic, chiar dacă firul magnetic bistabil se poate deplasa faţă de elementul de excitaţie (de ex. la măsurarea presiunii într-o anvelopă care se învârte). Aceasta înseamnă că, la momentul magnetizării, capetele firului magnetic bistabil sunt în câmpuri magnetice de amplitudini diferite.

În cazul măsurării poziţiei în modificare a firului magnetic bistabil, de ex. la măsurarea poziţiei liniare, se aplică din nou faptul că, la momentul magnetizării, capetele firului magnetic bistabil sunt în câmpuri magnetice de amplitudini diferite şi, în acelaşi timp, există o diferenţă între câmpurile magnetice ca urmare a deplasării care face obiectul măsurătorii.

În acelaşi timp, de preferinţă, câmpul magnetic are o formă de undă a amplitudinii în formă de triunghi, de preferinţă în special o formă de undă a amplitudinii în formă de triunghi simetrică, şi se evaluează momentul de maxim local şi momentul de minim local al răspunsului firului magnetic bistabil, acestea fiind în esenţă momentele magnetizării firului magnetic bistabil. Suma acestor momente este un parametru care exprimă dependenţa mărimii sau poziţiei măsurate, unde alţi factori nemăsuraţi şi zgomotul se suprimă. Acest lucru îmbunătăţeşte interpretabilitatea datelor măsurate şi de asemenea le accelerează evaluarea. Este de asemenea adecvat dacă se calculează diferenţa dintre aceste momente şi acest parametru exprimă câmp magnetic parazit, care perturbează măsurătoarea senzorilor magnetici convenţionali. Procesul conform prezentei invenţii suprimă efectele câmpului magnetic parazit.

O caracteristică importantă atât a sistemului, cât şi a metodei conform prezentei invenţii este faptul că, în evaluarea semnalului de răspuns, se caută maximumurile şi minimumurile locale şi, după recunoaşterea lor, lucrăm cu timpii T1, T2 la care s-au măsurat aceste maximumuri şi minimumuri. În plus, metoda nu funcţionează pe baza valorilor amplitudinilor măsurate, aşa cum s-a obişnuit în stadiul anterior, ci funcţionează cu valorile timpilor, acesta fiind un parametru uşor şi clar identificabil în semnalele primite. Datorită acestei evaluări se pot obţine rezultate rapide, exacte şi insensibile la efecte secundare diferite. De exemplu, poziţia exactă, forma şi mărimea elementelor de excitaţie şi detecţie nu sunt importante.

În dezvoltarea obiectului invenţiei, s-a arătat că un fir magnetic bistabil are o reactivitate diferită per mărime măsurată conform frecvenţei câmpului de excitaţie. Într-o configuraţie preferabilă, aşadar, metoda conform prezentei invenţii cuprinde etapa de excitare a câmpului magnetic cu o frecvenţă diferită sau variabilă în funcţie de tipul mărimii sau poziţiei măsurate. Generatorul de excitaţie universal, precum şi elementul de excitaţie vor fi opţional adaptate la aceasta sau se vor folosi diferite elemente de excitaţie pentru utilizări diferite. Datorită acestei descoperiri, o construcţie a firului magnetic bistabil poate fi folosită de asemenea la frecvenţe diferite. Valoarea frecvenţei stabile pentru o utilizare poate diferi de frecvenţa stabilă folosită într-o altă utilizare sau aceste frecvenţe pot fi variabile într-un interval diferit pentru tipul specific al măsurătorii.

Un avantaj semnificativ al prezentei invenţii este acurateţea repetabilă a măsurătorilor, care este asociată cu creşterea nivelului de interpretare a datelor brute obţinute. S-a demonstrat şi un răspuns rapid la o modificare a mărimii fizice măsurate. Datorită dimensiunilor mici ale firului magnetic bistabil, a costului redus şi a pasivităţii sale energetice, sistemul conform prezentei invenţii poate fi folosit într-o gamă largă de aplicări tehnice.

Descrierea figurilor

Invenţia este explicată mai detaliat folosind figurile 1 până la 10. Dimensiunile specifice ale firului, elementul de excitaţie reprezentat şi de asemenea valorile mărimilor măsurate sunt numai exemple, care nu vor fi interpretate ca o limitare a domeniului de protecţie al invenţiei.

Figura 1 este o schemă bloc a structurii firului magnetic bistabil.

Figura 2 reprezintă rezultatele măsurării tensiunii de încovoiere pe un suport de oţel, unde în stânga sunt rezultatele măsurătorilor cu un fir magnetic bistabil clasic din stadiul anterior, iar în dreapta sunt rezultatele măsurătorilor cu firul magnetic bistabil conform invenţiei. Figura 2 clarifică problema tehnică soluţionată în stadiul anterior.

Figura 3 reprezintă schematic asimetria poziţională a elementului de excitaţie faţă de firul magnetic bistabil.

Figura 4 explică schematic bobina înfăşurată asimetric a elementului de excitaţie.

Figura 5 reprezintă sistemul de măsurare a tensiunii într-o probă de încercare la rupere.

Figura 6 reprezintă schematic sistemul de măsurare a temperaturii pe suprafaţa unei celule de baterie.

Figura 7 reprezintă dependenţa parcursului temperaturii de suma timpilor T1 + T2.

Figura 8 reprezintă un ecran de osciloscop cu valori ale timpilor de vârf aT1 - T2 până la cT1 - cT2 la măsurarea temperaturii cu trei fire magnetice bistabile.

Figura 9 reprezintă poziţia coaxială a firului magnetic bistabil faţă de elementul de excitaţie şi elementul de detecţie la măsurarea poziţiei liniare a pistonului.

Figura 10 reprezintă magnetizarea firului magnetic bistabil între două stări la excitare cu o formă de undă a amplitudinii în formă de triunghi.

Exemple de aplicări

Exemplul 1

În acest exemplu conform figurilor 3 şi 5, firul magnetic bistabil 1 se utilizează pentru măsurarea tensiunii sau presiunii în piesa de oţel. Tiparul de rupere are o zonă centrală calibrată şi două capete de prindere. Un microfir cu un diametru al miezului metalic de aprox. 15 µm şi cu capac de sticlă cu un diametru total de aprox. 45 µm cu o lungime de aproximativ 3 cm se lipesc de suprafaţă în zona centrală. În acest exemplu, firul magnetic bistabil 1 este orientat în direcţia forţei de tensiune, unde alungirile materialului de oţel sunt transmise la deformarea firului magnetic bistabil 1. Abaterile uşoare ale poziţiei unghiulare de montare nu au un efect semnificativ asupra preciziei de măsurare. Firul magnetic bistabil 1 este în acelaşi timp în esenţă aliniat într-o linie dreaptă, unde primul capăt 11 şi al doilea capăt 12 sunt într-o poziţie reciproc opusă, astfel încât firul magnetic bistabil 1 nu este înfăşurat pe miez, aşa cum se cunoaşte din stadiul anterior.

O caracteristică importantă a acestui exemplu este crearea asimetriei câmpului magnetic excitat folosind asimetria poziţională. Elementul de excitaţie 2 este amplasat lângă firul magnetic bistabil 1, axa longitudinală a elementului de excitaţie 2 este în esenţă paralelă cu axa longitudinală a firului magnetic bistabil 1, unde centrul bobinei elementului de excitaţie 2 este deplasat faţă de centrul firului magnetic bistabil 1 cu valoarea X înregistrată în figura 6. Pentru a asigura o distanţă mică între elementul de excitaţie 2 şi firul magnetic bistabil 1, axa longitudinală a elementului de excitaţie 2 şi axa longitudinală a firului magnetic bistabil 1 sunt dispuse într-o poziţie unde, dacă intersectăm un plan comun prin ele, acest plan comun este în esenţă perpendicular pe suprafaţa piesei de oţel. Totuşi, în principiu, sistemul de măsurare este insensibil la inexactităţile aşezării elementelor individuale, fiind esenţial numai ca alungirile materialului măsurat să fie transferate fiabil la firul magnetic bistabil 1.

Asimetria poziţională a elementului de excitaţie 2 duce la diferenţa dorită a câmpului magnetic la primul capăt 11 şi la al doilea capăt 12 care, împreună cu proprietăţile firului magnetic bistabil 1, duce la magnetizare cu un singur salt Barkhausen de la primul capăt 11 la al doilea capăt 12. Elementul de excitaţie 2 generează un câmp magnetic cu o formă de undă a amplitudinii în formă de triunghi şi răspunsul firului magnetic bistabil 1 este captat cu un element de senzor 3, care este conectat la unitatea de control 4 unde este evaluat răspunsul.

Măsurătorile statice şi dinamice au loc pe o maşină de rupere. Semnalul obţinut în elementul de detecţie 3 este în general monoton şi cu o acurateţe repetată mare.

Exemplul 2

Pentru măsurarea temperaturii celulei bateriei cilindrice conform figurilor 6 şi 7, se aşază un fir magnetic bistabil 1 sensibil la căldură pe suprafaţa celulei. Sistemul mai cuprinde o bobină planară a elementului de excitaţie 2 şi o bobină mai mică a elementului de detecţie 3. Măsurarea s-a efectuat în intervalul de temperatură de la -20 la +100°C.

Semnalul analogic de la firul magnetic bistabil 2 sub forma a două vârfuri (minimum şi maximum) este monitorizat cu un osciloscop. Timpul poziţiei vârfurilor de semnal T1 (maximum) şi T2 (minimum) este procesat şi transformat într-un semnal digital în unitatea de control 4 şi ulterior este afişat pe PC. Semnalul măsurat şi evaluat prezintă o dependenţă aproape liniară între temperatură şi răspunsul magnetic al firului magnetic bistabil 1, care este definită de suma valorilor T1 + T2. Apoi s-au folosit parametrii de la dependenţa detectată pentru ajustarea parametrilor softului care indică temperatura reală. În cazul unei dependenţe monotone, poate fi definit un polinom de calibrare utilizat pentru a aloca datele primare temperaturii reale. Frecvenţa de eşantionare este 2 probe/secundă cu o sensibilitate de 0.4°C (K), care corespunde unei modificări de 288 puncte la intervalul de 120°C.

Cu un element de excitaţie 2 şi cu un element de detecţie 3 este posibilă crearea unui sistem de măsurare a temperaturii mai multor celule de baterie. După cum se poate vedea în figura 9, este posibil să se distingă clar poziţiile de timp ale vârfurilor de semnal pentru cele trei fire magnetice bistabile 1, care sunt plasate individual pe cele trei celule ale bateriei cilindrice. Vârfurile sunt marcate ca aT1 - aT2 până la cT1 - cT2. Semnalul astfel primit poate fi detectat clar, descompus şi transformat în temperatura celulelor de baterie individuale.

Exemplul 3

Un fir magnetic bistabil 1, conectat la un piston mobil, se foloseşte pentru a măsura poziţia liniară cu acurateţe mare. Firul magnetic bistabil 1 din acest exemplu, cu compoziţia Fe77.5 Si7.5 B15, are o magnetostricţiune pozitivă, o lungime de 30 mm, un diametru al miezului metalic de 39 µm şi un diametru cu stratul de sticlă de 71 µm.

În acest exemplu conform figurii 9, elementul de excitaţie 2 şi elementul de detecţie 3 sunt formate de bobine, care înconjoară larg pistonul mobil. Axele longitudinale ale elementului de excitaţie 2, elementului de detecţie 3 şi pistonului sunt identice. Firul magnetic bistabil 1 este montat pe suprafaţa pistonului astfel încât să aibă numai o poziţie aproximativ coaxială cu elementul de excitaţie 2 şi elementul de detecţie 3, ceea ce nu afectează însă precizia măsurătorilor de poziţie.

Asimetria câmpului magnetic din acest exemplu se obţine prin asimetrie poziţională, unde în fiecare poziţie a pistonului centrul firului magnetic bistabil 1 este aşezat în afara centrului elementului de excitaţie 2. În plus, în acest exemplu, ambele capete 11, 12 sunt aşezate în fiecare poziţie în afara centrului elementului de excitaţie 2. Poziţia elementului de excitaţie 2 este stabilită aşadar astfel încât, la poziţia de capăt a pistonului, un capăt al firului magnetic bistabil 1 se extinde în interiorul bobinei elementului de excitaţie 2, dar nu ajunge în centrul elementului de excitaţie 2. Apoi pistonul cu firul magnetic bistabil 1 se extinde şi mai mult de la interiorul bobinei elementului de excitaţie 2.

Spre deosebire de senzorii de poziţie convenţionali, unde poziţia este definită de permeabilitatea magnetică şi amplitudinea semnalului pe bobina de detecţie, sistemul conform acestui exemplu detectează magnetizarea proporţional cu poziţia firului magnetic bistabil 1.

Se utilizează o metodă de inducţie fiabilă pentru detectarea magnetizării. Câmpul de excitaţie are o formă de undă a amplitudinii în formă de triunghi şi se măsoară timpul de comutare, unde T1 şi T2 exprimă timpul de magnetizare (comutare pozitivă şi negativă) între cele două stări magnetice stabile conform figurii 10. Timpul de comutare corespunde timpului când este indusă tensiunea maximă. Maximumul şi minimumul semnalului primit pot fi clar identificate, fondul nu afectează posibilităţile de interpretare. Semnalul detectat corect amplificat şi filtrat este conectat la intrarea digitală a unui computer cu un singur cip cu o rezoluţie temporală în limita a 10 ns. Electronica simplă în unitatea de control 4 este suficientă pentru a obţine o precizie şi o viteză de măsurare foarte mari. Unitatea digitală a microcontrolerului generează un semnal PWM al frecvenţei dorite, în acest exemplu 135 Hz. După filtrarea şi transformarea semnalului primit, timpii T1 + T2 sunt totalizaţi de un temporizator.

Avantajul sistemului conform acestui exemplu este maximumul exact al semnalului indus în timpul magnetizării şi sensibilitatea ridicată la nivelul de 10 µm. Sistemul este de asemenea independent de temperatura ambiantă şi eroarea de măsurare cauzată de sensibilitatea la temperatură este sub 0.19%.

Exemplul 4

În acest exemplu conform figurii 4, bobina elementului de excitaţie 2 este înfăşurată neuniform astfel încât are un număr crescut de fire la un capăt. În acelaşi timp, firul magnetic bistabil 1 este poziţionat astfel încât, la un moment dat de excitaţie non-zero, amplitudinea câmpului magnetic excitat de elementul de excitaţie 2 la primul capăt 11 este cu cel puţin 5% diferită de amplitudinea câmpului magnetic excitat de elementul de excitaţie 2 pe al doilea capăt 12.

Aplicabilitate industrială

Aplicabilitatea industrială este evidentă. Conform prezentei invenţii, este posibilă fabricarea industrială şi repetată şi utilizarea configuraţiei spaţiale şi structurale a elementului de excitaţie şi firului magnetic bistabil pentru măsurarea unei mărimi fizice şi/sau pentru măsurarea unei poziţii, în mod specific pentru măsurarea temperaturii, presiunii, tensiunii, câmpului magnetic, curentului electric, poziţiei, câmpului magnetic terestru, torsiunii, poziţiei liniare sau unghiulare.

Lista semnelor de referinţă

1 - fir magnetic bistabil 11 - primul capăt 12 - al doilea capăt

2 - element de excitaţie

3 - element de detecţie

4 - unitate de control

T1 - timp de răspuns la semnal maxim

T2 - timp de răspuns la semnal minim

Claims (18)

1. Un sistem de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu un fir magnetic bistabil, care cuprinde firul magnetic bistabil (1), un element de excitaţie (2) adaptat să creeze un câmp magnetic într-un interval în care este amplasat firul magnetic bistabil (1), care are un prim capăt (11) şi un al doilea capăt opus (12), unde firul magnetic bistabil (1) este ajustat pentru magnetizare cu un singur salt Barkhausen de la primul capăt (11) la al doilea capăt (12) sau viceversa, şi care cuprinde de asemenea un element de detecţie (3) pentru recepţia răspunsului de la firul magnetic bistabil (1), unde elementul de excitaţie (2) şi firul magnetic bistabil (1) sunt dispuse într-o poziţie astfel încât amplitudinea câmpului magnetic excitat de elementul de excitaţie (2) la primul capăt (11) este diferită de amplitudinea câmpului magnetic excitat de elementul de excitaţie (2) la al doilea capăt (12).

2. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că diferenţa de amplitudine a câmpului magnetic la primul capăt (11) şi la al doilea capăt (12) este cel puţin 5%, de preferinţă cel puţin 10%.

3. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform revendicării 1 sau 2, caracterizat prin aceea că este adaptat să măsoare temperatura şi/sau presiunea şi/sau tensiunea şi/sau câmpul magnetic şi/sau poziţia liniară.

4. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform oricăreia din revendicările de la 1 la 3, caracterizat prin aceea că bobina elementului de recepţie (3) este separată de bobina elementului de

excitaţie (2).

5. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform oricăreia din revendicările de la 1 la 4, caracterizat prin aceea că firul magnetic bistabil (1) are un diametru mai mic de 50 µm, de preferinţă mai mic de 25 µm, de preferinţă în special mai mic de 15 µm.

6. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform oricăreia din revendicările de la 1 la 5, caracterizat prin aceea că firul magnetic bistabil (1) este acoperit cu un strat de material izolator, de preferinţă cu un strat de sticlă.

7. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform revendicării 6, caracterizat prin aceea că sticla are o grosime de până la 20 µm.

8. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform oricăreia din revendicările de la 1 la 7, caracterizat prin aceea că lungimea firului magnetic bistabil (1) este de cel puţin 1000 de ori, de preferinţă de cel puţin 10 000 de ori mai mare decât diametrul miezului metalic al firului magnetic bistabil (1).

9. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform oricăreia din revendicările de la 1 la 8, caracterizat prin aceea că elementul de excitaţie (2) este dispus asimetric faţă de poziţia firului magnetic bistabil (1).

10. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform oricăreia din revendicările de la 1 la 9, caracterizat prin aceea că elementul de excitaţie (2) are o structură asimetrică cu amplitudine diferită a câmpurilor magnetice la capetele sale.

11. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic

bistabil conform revendicării 10, caracterizat prin aceea că elementul de excitaţie (2) este format de o bobină cu o densitate diferită a înfăşurării la primul capăt (11) şi al doilea capăt (12).

12. Sistemul de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform oricăreia din revendicările de la 1 la 11, caracterizat prin aceea că axa longitudinală a elementului de excitaţie (2) este identică sau paralelă cu axa longitudinală a firului magnetic bistabil (1) sau axa longitudinală a elementului de excitaţie (2) se abate de la axa longitudinală a firului magnetic bistabil (1) în limita a 30

de grade.

13. O metodă de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu un fir magnetic bistabil, unde un câmp magnetic variabil este transmis de un element de excitaţie (2), unde cel puţin un fir magnetic bistabil (1) este aşezat în intervalul câmpului magnetic excitat, care este magnetizat când câmpul magnetic se modifică cu un singur salt Barkhausen de la primul capăt (11) la al doilea capăt (12) al firului magnetic bistabil sau viceversa şi unde răspunsul firului magnetic bistabil (1) este detectat apoi de un element de detecţie (3), unde elementul de excitaţie (2) şi firul magnetic bistabil (1) sunt menţinute într-o poziţie astfel încât amplitudinea câmpului magnetic excitat de elementul de excitaţie (2) la primul capăt (11) este diferită de amplitudinea câmpului magnetic excitat de elementul de excitaţie (2) la al doilea capăt (12).

14. Metoda de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform revendicării 13, caracterizată prin aceea că câmpul magnetic de excitare are o formă de undă a amplitudinii în formă de triunghi, de preferinţă în formă de triunghi simetric, şi se evaluează timpul (T1) de maximum local şi timpul (T2) de minimum local al răspunsului firului magnetic bistabil (1).

15. Metoda de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform revendicării 13 sau 14, caracterizată prin aceea că câmpul magnetic de excitare are o frecvenţă într-un interval în care firul magnetic bistabil (1) are cel puţin un maximum local de sensibilitate pentru un anumit tip de mărime sau poziţie măsurată.

16. Metoda de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform revendicării 14, caracterizată prin aceea că, la evaluarea semnalului primit ca un răspuns de la firul magnetic bistabil (1), se evaluează suma timpului (T1) de maximum local şi timpului (T2) de minimum local al semnalului, de preferinţă fără a ţine cont de amplitudinea absolută a semnalului.

17. Metoda de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform revendicării 16, caracterizată prin aceea că, la evaluarea semnalului primit ca răspuns de la firul magnetic bistabil (1), se ia în considerare diferenţa timpului (T2) de minimum local şi timpului (T1) de maximum local al semnalului.

18. Metoda de măsurare a mărimilor fizice şi/sau de măsurare a poziţiei cu firul magnetic bistabil conform oricăreia din revendicările de la 13 la 17, caracterizată prin aceea că răspunsul firului magnetic bistabil (1) interceptat în elementul de detecţie (3)

este evaluat în unitatea de control (4).