NL2000959C1 - Snelheidssensor. - Google Patents

Description

Snelheidssensor BESCHRIJVING: 5

Gebied van de uitvinding.

De uitvinding heeft betrekking op een snelheidssensor omvattende een eerste deel en een concentrisch daaraan aanwezig tweede deel, welke delen relatief ten opzichte 10 van elkaar axiaal beweegbaar zijn, waarbij een van de delen statisch en het andere deel dynamisch is, en waarbij één van de delen een meetspoel omvat voor het meten van de snelheid waarmee de beide delen ten opzichte van elkaar verplaatsen, en waarbij het eerste deel ten minste één permanente magneet omvat. Onder een statisch deel dient hier verstaan te worden het deel dat verbonden is met het voorwerp of de omgeving waarvan trillingen 15 of versnellingen of andere parameters gemeten moeten worden. In de praktijk zal dit ‘statische’ deel bewegen en het ‘dynamische deel’ stilstaan.

Dergelijke sensoren worden onder andere toegepast voor seismologische metingen, het meten van mechanische trillingen, geluidsgolven of infrasone golven. Hierbij wordt het statische deel verbonden met de aarde. Bij trillingen in het aardoppervlak zal het 20 statische deel verplaatsen ten opzichte van het dynamische deel, welke relatieve beweging hierbij wordt gemeten.

Stand van de techniek.

25 Een dergelijke snelheidssensor is bekend uit GB-A-2366474. Bij deze bekende snelheidssensor is het eerste deel statisch en is het tweede deel gevormd door een spoel die concentrisch in het eerste deel aanwezig is en via bladveren met het eerste deel is verbonden. Het gewicht van de spoel wordt hierbij gedragen door de bladveren, die dus in uitgangstoestand reeds deels doorgeveerd zijn. Door deze doorbuiging van de bladveren 30 zijn de materiaalspanningen in de bladveer al enigszins toegenomen waardoor een eventuele maximale werkslag (begrensd door een maximale toelaatbare materiaal afhankelijke spanning) verkleind wordt. Mede door dit feit hebben dergelijke sensoren een 2 probleem om een lage eigenfrequentie te behalen. Het bewegen van de spoel geeft tevens extra problemen voor wat betreft het realiseren van een robuuste elektrische verbinding tussen de bewegende spoel en het meetsysteem.

5 Samenvatting van de uitvinding.

Een doel van de uitvinding is het verschaffen van een snelheidssensor van de in de aanhef omschreven soort waarbij de hierboven vermelde nadelen van de bekende snelheidssensor niet of althans minder aanwezig zijn. Hiertoe is de snelheidssensor volgens 10 de uitvinding gekenmerkt, doordat het tweede deel een magneetstelsel, waarbij de polarisatie van de beide magneten in hoofdzaak tegengesteld is aan elkaar. De magneten zijn hierbij zodanig op elkaar afgestemd dat de zwaartekracht op het dynamische deel nagenoeg geheel gecompenseerd wordt door de magnetische kracht op het dynamische deel. Eventueel wordt extra massa toegevoegd aan het dynamische deel, waarbij de massa 15 wordt afgestemd op de werkelijke biaskracht. Hierdoor hoeft het gewicht van het dynamische deel niet door veren gedragen te worden en kan het vrij bewegen waardoor de volledige slag (begrensd door de materiaalspanningen in de bladveren) gebruikt kan worden voor het meten. De biaskracht die opgewekt wordt door de magneten verandert slechts weinig bij verplaatsing van de dynamische magneten ten opzichte van de statische 20 magneten. Hierdoor heeft het magneetsysteem een lage magnetische stijfheid. De variatie van de magnetische biaskracht (magnetische stijfheid) is van het gebruikte systeem dusdanig laag dat dit in combinatie met de massa van het dynamische deel (inclusief eventueel toegevoegde massa) voor een zeer lage eigen frequentie zorgt. Voorts wordt voorkomen (door het feit dat de bewegende massa voor het grootste deel gedragen wordt 25 door magnetische velden met een zeer lage stijfheid), dat in het geval van een zeer slappe bladveer (om dezelfde eigen frequentie te kunnen behalen) de statische doorbuiging en daarbij behorende materiaalspanning te groot zou worden.

Een uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat het magneetstelsel een radiaal gemagnetiseerde, ringvormige, verdere 30 permanente magneet omvat.

Een andere uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat het tweede deel ten minste twee verdere permanente magneten 3 omvat, die in axiale richting achter elkaar aanwezig zijn, waarbij één van de verdere magneten anders is georiënteerd dan de beide andere magneten.

Een verdere uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat het eerste deel twee permanente magneten omvat, waarvan de 5 eerder genoemde magneet deel uitmaakt, welke magneten in axiale richting op afstand van elkaar aanwezig zijn, en waarbij van de vier magneten er één anders is georiënteerd dan de andere drie. De magneten kunnen hierbij eenvoudig uit één blok vervaardigd worden waardoor een minimale spreiding in materiaaleigenschappen verkregen wordt.

Bij voorkeur is het eerste deel statisch en het tweede deel dynamisch, 10 waarbij het dynamische deel in het statische deel aanwezig is en waarbij de meetspoel onderdeel is van het statische deel.

Nog een verdere uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat tussen de beide delen ten minste één spoel of elektrische geleider in het magneetveld aanwezig is, die met het statische deel is verbonden. Deze 15 spoel is bij voorkeur kortgesloten door een elektrische weerstand en zorgt voor een bepaalde mate van demping van het dynamische deel ten opzichte van het statische deel. Afhankelijk van de gewenste demping zijn er één of meer kortgesloten spoelen of elektrische geleiders aanwezig. Ook kan een condensator met de spoel(en) of elektrische geleider(s) verbonden zijn om een frequentie afhankelijke demping te realiseren.

20 Weer een verdere uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat het tweede deel voorts een derde verdere magneet omvat, waarbij de middelste van de verdere magneten anders georiënteerd is dan de beide buitenste verdere magneten. Bij voorkeur omvat in dit geval ook het eerste deel drie magneten. Hierdoor kan de benodigde verticale biaskracht nagenoeg volledig tot nul 25 gereduceerd worden en daarmee precies afgestemd worden op de bewegende massa van het dynamische deel.

Nog weer een verdere uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat het tweede deel voorts een vierde verdere magneet omvat, waarbij de beide middelste van de verdere magneten anders georiënteerd zijn dan 30 de beide buitenste verdere magneten. De magnetische veldrichting van de twee bovenste verdere magneten van het dynamische deel is hierbij tegengesteld aan die van de beide onderste verdere magneten, waardoor de magnetische biaskracht tegengesteld is en 4 opgeheven wordt. Ook hierbij kan de benodigde verticale biaskracht nagenoeg volledig tot nul gereduceerd worden en daarmee precies afgestemd worden op de bewegende massa van het dynamische deel en omvat het eerste deel in dit geval bij voorkeur vier magneten.

Een verdere uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding 5 is gekenmerkt, doordat het tweede deel via één of meer bladveren is verbonden met het eerste deel, welke bladveer/bladveren in radiale richting relatief stijf en in axiale richting slap zijn, waarbij het magnetische veld een negatieve stijfheid heeft die de positieve axiale stijfheid van de bladveer/bladveren geheel of ten dele opheft, en waarbij de som van de stijfheden zorgt voor een lage eigenfrequentie van de bewegende massa. De bladveer of de 10 bladveren dienen ervoor om het dynamische deel radiaal in het midden te houden.

Bij voorkeur is de afstand tussen twee in axiale richting achter elkaar aanwezige magneten afstelbaar. Hierdoor kan de magnetische kracht ingesteld worden, waardoor onder andere de invloed van temperatuurverandering gecompenseerd kan worden.

15 Om verandering van de magnetische kracht als gevolg van de temperatuurverandering van de magneten te compenseren zijn bij voorkeur de materialen waaruit één of beide delen zijn vervaardigd zodanig op elkaar afgestemd dat bij uitzetting/inkrimping van de delen ten gevolge van temperatuurverandering de axiale afstand tussen de magneten en daarmee de magnetische kracht zodanig verandert dat deze 20 de verandering van de magnetische kracht als gevolg van de temperatuurverandering van de magneten geheel of ten dele compenseert. Een mechanische verstelling van de verticale afstand tussen de magneten in de vorm van schroefdraad of vulplaatjes is hierbij ook mogelijk.

Opgemerkt wordt dat de snelheidssensor volgens de uitvinding ook gebruikt 25 kan worden voor het onderdrukken/dempen van trillingen van bijvoorbeeld een machineonderdeel. Hiertoe dient de snelheidssensor op het betreffende machine onderdeel aangebracht te worden. Indien de frequentie van de trillingen boven de eigen frequentie van de snelheidsensor komt zal er een snelheidsverschil optreden tussen het statische deel van de snelheidssensor verbonden met het machine-onderdeel en het dynamische deel van de 30 snelheidssensor. Door het kortsluiten van de meetspoel middels weerstand of condensator en eventuele ander kortgesloten elektrische geleiders in de snelheidssensor zal de trilling ten dele onderdrukt worden door de snelheidssensor. Eventueel kan de snelheidssensor 5 opgenomen worden in een regelsysteem waarin de trilling gemeten worden en naar een regeleenheid gestuurd wordt die de snelheidssensor middels de meetspoelen aanstuurt zodanig dat het dynamische deel een trilling gaat uitvoeren die tegengesteld is aan de trilling van het machine-onderdeel en daarmee de trilling dempt/onderdrukt. Hiervoor is 5 het gewenst dat de massa van het dynamische deel groot is.

Beknopte omschrijving van de tekeningen.

Hieronder zal de uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van in de 10 tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeelden van de snelheidssensor volgens de uitvinding. Hierbij toont:

Figuur 1 een eerste uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding in doorsnede voorzien van drie magneten;

Figuur 2 een bovenaanzicht van de in figuur 1 weergegeven snelheidssensor; 15 Figuur 3 een tweede uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding in doorsnede voorzien van vier magneten;

Figuur 4 een derde uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding in doorsnede voorzien van spoelen t.b.v. demping van het dynamische deel;

Figuur 5 een vierde uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de 20 uitvinding in doorsnede voorzien van zes magneten; en

Figuur 6 een vijfde uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding in doorsnede voorzien van acht magneten.

Gedetailleerde omschrijving van de tekeningen.

25

In de figuren 1 en 2 is het magneetsysteem van een eerste uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding in doorsnede respectievelijk bovenaanzicht weergegeven. De behuizing en overige delen van de snelheidssensor zijn in deze en de verdere figuren weggelaten. De snelheidssensor 1 heeft een statisch, eerste deel 3 en een 30 concentrisch daarin aanwezig dynamisch, tweede deel 5. Deze beide delen 3,5 zijn relatief ten opzichte van elkaar axiaal beweegbaar.

Het statische deel 3 heeft een permanente magneet 7 waarbij de magnetische 6 flux en daarmee de Noord-Zuid oriëntatie door de magneet met pijlen is aangegeven. Het dynamische deel 5 heeft twee verdere permanente magneten 9 en 11, die op een cilindrische drager 13 zijn bevestigd en in axiale richting op afstand van elkaar aanwezig zijn. De verdere magneet 9 is hierbij tegengesteld georiënteerd aan de overige magneten, 5 7 en 11.

Het statische deel 3 is voorzien van twee meetspoelen 15 voor het meten van de snelheid waarmee de beide delen ten opzichte van elkaar bewegen. Beide meetspoelen zijn in serie geschakeld en hebben dezelfde wikkelrichting en bij voorkeur een gelijk aantal wikkelingen. Door optimalisatie van de afmetingen van de meetspoelen kan een 10 snelheidsafhankelijk meetsignaal met zeer kleine vervorming van het signaal over de gehele slag van het bewegende deel gerealiseerd worden. Het statische deel 3 is voorts eventueel voorzien van een correctiespoel (niet in de figuren weergegeven). Door deze correctiespoel kan ook een stroom gestuurd worden om een extra kracht te genereren om eventuele temperatuurinvloeden op de magnetische biaskracht te compenseren.

15 Het dynamische deel 5 is via bladveren 17 (eventueel zowel verbonden met de bovenzijde als de onderzijde van deel 5) verbonden met het statische deel 3. Deze bladveren 17 dienen voor de radiale positionering van het dynamische deel ten opzichte van het statische deel. Hiertoe zijn de bladveren in radiale richting stijf en zijn zij ten behoeve van een lage eigenfrequentie in axiale richting slap. De bladveren 17 zullen een 20 geringe axiale stijfheid hebben maar daardoor toch bij verplaatsing van het dynamische deel ten opzichte van het statische deel een verandering van axiale kracht tussen beide onderdelen veroorzaken. In het geval dat de snelheidssensor 1 een negatieve magnetische stijfheid heeft, wordt deze ongewenste axiale stijfheid van de bladveren geheel of gedeeltelijk gecompenseerd.

25 De constructie van de snelheidsmeter 1 volgens de uitvinding is erg robuust omdat enkel de magneten 9 en 11 bewegen en er geen elektrische draden met het dynamische deel 5 verbonden hoeven te zijn. Door de twee tegen elkaar gerichte axiale magneten 9 en 11, die een min of meer radiaal magneetveld genereren ter hoogte van de ruimte tussen beide magneten, hoeven geen radiaal gemagnetiseerde ringen gebruikt te 30 worden waardoor de fabricagekosten laag kunnen blijven. Voorts is door de tussen het deel 5 en de meetspoelen 15 aanwezige radiale speling een eventuele radiale slag niet meteen mechanisch beperkt.

7

In figuur 3 is een tweede uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding in doorsnede weergegeven. Alle onderdelen die gelijk zijn aan die van de eerste uitvoeringsvorm zijn hierbij met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven. Bij deze snelheidssensor 21 heeft het statische deel 3 twee permanente magneten 7A en 7B, die in 5 axiale richting op afstand van elkaar aanwezig zijn. Door de afstand tussen de magneten 7A en 7B en/of de afstand tussen de magneten 9 en 11 te variëren kan de magnetische kracht ingesteld worden. Een beperkte variatie in magnetische biaskracht door verandering van de afstand tussen magneten 9 en 11 en/of 7A en 7B zal ook maar een geringe verandering in de stijfheidskarakteristiek van de snelheidssensor opleveren.

10 In figuur 4 is een derde uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding in doorsnede weergegeven. Alle onderdelen die gelijk zijn aan die van de eerste uitvoeringsvorm zijn hierbij weer met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven. Bij deze snelheidssensor 31 is het statische deel 3 voorzien van een kortgesloten spoel 33. Deze spoel 33 zorgen voor demping van het dynamische deel 5 ten opzichte van het statische 15 deel 3.

In figuur 5 is een vierde uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de uitvinding in doorsnede weergegeven. Alle onderdelen die gelijk zijn aan die van de eerste uitvoeringsvorm zijn hierbij weer met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven. Deze snelheidssensor 41 is voorzien van zes magneten, drie statische magneten 43A-43C en drie 20 dynamische magneten 45 A-45C. Hiermee kan de benodigde verticale biaskracht nagenoeg volledig tot nul gereduceerd worden en daarmee precies afgestemd worden op de bewegende massa van het dynamische deel. Voorts zijn er vier meetspoelen 47 aanwezig. Alle vier de meetspoelen worden in serie geschakeld en hebben bij voorkeur een gelijk aantal wikkelingen, waarbij de bovenste twee spoelen een wikkelrichting hebben 25 tegengesteld aan de beide onderste spoelen. Het is ook mogelijk om de twee middelste spoelen of de twee buitenste spoelen weg te laten of kort te sluiten middels een weerstand of te vervangen door een elektrische geleider en daarmee voor een bepaalde mate van demping van het dynamische deel ten opzichte van het statische deel te zorgen. Afhankelijk van de gewenste demping zijn er één of meer kortgesloten spoelen of elektrische geleiders 30 aanwezig. Ook kan een condensator met de spoel(en) of elektrische geleider(s) verbonden zijn om een frequentie afhankelijke demping te realiseren.

In figuur 6 is een vijfde uitvoeringsvorm van de snelheidssensor volgens de 8 uitvinding in doorsnede weergegeven. Alle onderdelen die gelijk zijn aan die van de eerste uitvoeringsvorm zijn hierbij weer met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven. Deze snelheidssensor 51 is voorzien van acht magneten, vier statische magneten 53A-53D en vier dynamische magneten 55A-55D. Ook hier zijn vier meetspoelen 57 aanwezig. Het 5 magneetsysteem van deze snelheidssensor 51 is een dubbele uitvoering van het magneetsysteem van de in figuur 3 getoonde snelheidssensor. De magnetische veldrichting van de twee bovenste dynamische magneten is echter tegengesteld aan die van de beide onderste dynamische magneten, waardoor de magnetische biaskracht tegengesteld is en opgeheven wordt. Een beperktere magnetische biaskracht kan nu weer opgewekt worden 10 door verandering van de afstand tussen de magneten 53A-53D en 55A-55D, hetgeen maar een zeer geringe verandering in de stijfheidskarakteristiek van de snelheidssensor oplevert.

Hoewel in het voorgaande de uitvinding is toegelicht aan de hand van de tekeningen, dient te worden vastgesteld dat de uitvinding geenszins tot de in de tekeningen getoonde uitvoeringsvormen is beperkt. De uitvinding strekt zich mede uit tot alle van de 15 in de tekeningen getoonde uitvoeringsvormen afwijkende uitvoeringsvormen binnen het door de conclusies gedefinieerde kader. Zo kunnen de buitenste en binnenste magneten ook met elkaar verwisseld worden waardoor er andere configuraties van de magneetsystemen ontstaan.

Claims (14)

1. Snelheidssensor omvattende een eerste deel en een concentrisch daaraan aanwezig tweede deel, welke delen relatief ten opzichte van elkaar axiaal beweegbaar zijn, waarbij een van de delen statisch en het andere deel dynamisch is, en waarbij één van de 5 delen een meetspoel omvat voor het meten van de snelheid waarmee de beide delen ten opzichte van elkaar verplaatsen, en waarbij het eerste deel ten minste één permanente magneet omvat, met het kenmerk, dat het tweede deel een magneetstelsel omvat, waarbij de polarisatie van de beide magneten in hoofdzaak tegengesteld is aan elkaar.

2. Snelheidssensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het 10 magneetstelsel een radiaal gemagnetiseerde, ringvormige, verdere permanente magneet omvat.

3. Snelheidssensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het magneetstelsel ten minste twee verdere permanente magneten omvat, die in axiale richting achter elkaar aanwezig zijn, waarbij één van de verdere magneten anders is georiënteerd 15 dan de beide andere magneten.

4. Snelheidssensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het eerste deel twee permanente magneten omvat waarvan de genoemde magneet deel uitmaakt, welke magneten in axiale richting op afstand van elkaar aanwezig zijn, en waarbij van de vier magneten er één anders is georiënteerd dan de andere drie.

5. Snelheidssensor volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat het eerste deel statisch is en het tweede deel dynamisch, waarbij het dynamische deel in het statische deel aanwezig is, en waarbij de meetspoel onderdeel is van het statische deel.

6. Snelheidssensor volgens conclusie 3,4 of 5, met het kenmerk, dat tussen de beide delen ten minste één spoel of elektrische geleider in het magneetveld aanwezig is, 25 die met het statische deel is verbonden.

7. Snelheidssensor volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de spoel of elektrische geleider met een condensator is verbonden.

8. Snelheidssensor volgens één der voorgaande conclusies 3 tot en met 7, met het kenmerk, dat het tweede deel voorts een derde verdere magneet omvat, waarbij de 30 middelste van de verdere magneten anders georiënteerd is dan de beide buitenste verdere magneten.

9. Snelheidssensor volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat ook het eerste deel drie magneten omvat.

10. Snelheidssensor volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het tweede deel voorts een vierde verdere magneet omvat, waarbij de beide middelste van de verdere magneten anders georiënteerd zijn dan de beide buitenste verdere magneten.

11. Snelheidssensor volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat ook het eerste deel vier magneten omvat.

12. Snelheidssensor volgens één der voorgaande conclusies 2 tot en met 11, met het kenmerk, dat het tweede deel via één of meer bladveren is verbonden met het eerste deel, welke bladveer/bladveren in radiale richting stijf en in axiale richting slap zijn, 10 waarbij het magnetische veld een negatieve stijfheid heeft die de positieve axiale stijfheid van de bladveer/bladveren geheel of ten dele opheft, en waarbij de som van de stijfheden zorgt voor een lage eigenfrequentie van de bewegende massa.

13. Snelheidssensor volgens één der voorgaande conclusies 2 tot en met 12, met het kenmerk, dat de afstand tussen twee in axiale richting achter elkaar aanwezige 15 magneten afgesteld kan worden.

14. Snelheidssensor volgens één der voorgaande conclusies 2 tot en met 13, met het kenmerk, dat de materialen waaruit één of beide delen zijn vervaardigd zodanig op elkaar zijn afgestemd dat bij uitzetting/inkrimping van de delen ten gevolge van temperatuurverandering de axiale afstand tussen de magneten en daarmee de magnetische 20 kracht zodanig verandert dat deze de verandering van de magnetische kracht als gevolg van de temperatuurverandering van de magneten compenseert.