PL117271B1 - Sensing element of the object moving on a linear path - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do okreslania polozenia obiektów ruchomych, a zwla¬ szcza czujnik polozenia ciala przemieszczajacego sie liniowo, przeznaczony przede wszystkim do okreslania polozenia ciala znajdujacego sie w na¬ czyniu hermetycznym, na przyklad do kontroli po¬ lozenia , i przemieszczania organów regulacyjnych reaktorów jadrowych.

Znany jest, na przyklad, czujnik polozenia prze¬ mieszczajacego sie ciala z opisu patentowego Sta¬ nów Zjednoczonych nr 3108213, który zawiera cew¬ ki z podwójnymi uzwojeniami, wewnatrz których przemieszcza sie rdzen z materialu magnetycznego i elementy stykowe.

Jedna z wad takiego czujnika jest obecnosc ele¬ mentów stykowych wykonanych w postaci slizgo¬ wych styków rozwiernych, co powoduje koniecz¬ nosc regularnej ich konserwacji, co, z kolei, jest trudne do realizowania, poniewaz elementy te umieszczone" sa w niebezpiecznej strefie promienio¬ wania lub w strefie trudno dostepnej.

Inna wada czujnika jest obnizanie sie doklad¬ nosci pomiarów przy duzych przemieszczeniach (rzedu kilku metrów), zwlaszcza na koncowycrT od¬ cinkach przemieszczen, jak równiez przy duzych predkosciach przemieszczen, z powodu niemoznoscf otrzymania równomiernego rozkladu strumienia magnetycznego na calej dlugosci przemieszczania.

Wady te sa wyeliminowane w czujniku opisanym w opisie patentowym RFN nr 1281597, zgodnie 10 20 25 30 z którym czujnik zawiera laczniki gazowe umie¬ szczone wzdluz drogi przemieszczenia organu re¬ gulacyjnego oraz magnes staly polaczony z organem regulacyjnym i przemieszczajacy sie w poblizu laczników gazowych. Styki laczników gazowych umieszczone sa w hermetycznych przestrzeniach, wypelnionych gazem obojetnym i nie wymagaja konserwacji. Dokladnosc okreslenia polozenia orga¬ nu regulacyjnego takiego czujnika jest jednakowa na dlugosci calego przemieszczania i nie zalezy ód jego szybkosci. ' " V ; Wada takiego czujnika jest stosowanie magnesu stalego, poniewaz magnes staly z czasem zmienia swoje parametry magnetyczne, a w reaktorach pod wplywem promieniowania radioaktywnego zmiany te sa jeszcze wieksze, co prowadzi do znacznego obnizenia dokladnosci czujnika z biegiem czasu.

Wada ta jest wyeliminowana w czujniku opisa¬ nym w opisie patentowym Francji nr 2J6043f7 za¬ wierajacym uzwojenie pierwotne, duza^iczbe par uzwojen wtórnych umieszczonych wewnatrz lub na zewnatrz uwzojenia pierwotnego i ruchomy ele¬ ment w postaci rdzenia, przemieszczajacy sie we¬ wnatrz uzwojen, wykonany z materialu magnetycz¬ nego.

Przy przemieszczaniu elementu ruchomego sprze¬ zenie indukcyjne pomiedzy uzwojeniem pierwot¬ nym i uzwojeniami wtórnymi zmienia sie i na wyj¬ sciu uzwojen wtórnych pojawia sie sygnal, niosacy informacje o polozeniu elementu ruchomego. Uzwo- 117 271s 117 271 4 jenie pierwotne i pary uzwojen wtórnych umie¬ szczone sa wzdluz drogi przemieszczania sie ele¬ mentu ruchomego. Taki; czujnik pozwala na osiag¬ niecie wysokiej dokladnosci okreslania polozenia przemieszczajacego sie ciala, niezmiennej w czasie.

Jednakowoz i ten czujnik ma szereg wad.

W celu zbudowania .takiego czujnika majacego duza ..dokiadnpsd przy l duzych przemieszczeniach (knka. metrów) -wymagana jest ogromna liczba uzwojen wtórnych, poniewaz dla otrzymania wyso¬ kiej dokladnosci pomiaru uzwojenia te powinny byc umieszczone w malych odstepach jedna od dru¬ giej, czyli tym samym konieczne jest uzycie mate¬ rialów deficytowych (miedz, izolacja) w duzych ilo¬ sciach.

Uzwojenie pierwotne* powinno byc umieszczone na calej dlugosci przemieszczania ' elementu ru¬ chomego, a wykonywanie uzwojen o takiej dlugo¬ sci jest nieslychanie trudne i poza tym z powodu duzej liczby uzwojen wtórny uklad, urzadzenia od¬ biorczego (wskaznika polozenia) bardzo sie kom¬ plikuje. - ¦-- .":.."' Zadaniem technicznym wynalazku jest opracowa¬ nie takiego obwodu magnetycznego czujnika polo¬ zenia ciala przemieszczajacego sie liniowo, który .zapewnilby.- wysoka dokladnosc pomiaru w calym zakresie przemieszczen.

Zadanie techniczne rozwiazane jest w czujniku polozenia ciala przemieszczajacego sie liniowo, za- wierajacym cewki indukcyjne z otwartymi obwo¬ dami magnetycznymi, umieszczone wspólosiowo kolejno jedna po drugiej ,oraz polaczonym z prze¬ mieszczajacym sie cialem element bocznikujacy, umieszczony z zapewnieniem mozliwosci przemie¬ szczania sie wzdluz osi cewek indukcyjnych, po ich zewnetrznej, stronie wykonany z materialu magne¬ tycznego, w wyniku czego przy przemieszczaniu sn tego elementu wzdluz osi cewek nastepuje boczni¬ kowanie otwartych obwodów magnetycznych, a w rbwodzie wyjsciowym cewek pojawia sie sygnal, "zawierajacy informacje o polozeniu ciala.

Wedlug wynalazku element bocznikujacy ma roz- rnieszczone wzdluz osi przemieszczenia grupy otwo¬ rów, przy czym w kazdej grupie otwory rozmiesz¬ czone . sa na obwodzie elementu bocznikujacego, a jedna z cewek indukcyjnych ma przynajmniej dwie pary biegunów, przy czym odleglosc miedzy skrajnymi biegunami tej cewki okresla sie wzo- 'rem .. . ........ :. x ¦¦-¦¦•'- L=;n(a +b)——(a +3b), 2 gdzie?; a — szerokosc otworu elementu bocznikujacego ¦¦;¦ mierzona w kierunku osi przemieszczenia tego-elementu, b — odleglosc miedzy grupami otworów elementu bocznikujacego, n — liczba naturalna ciagu liczb naturalnych poczawszy od 3.

Element bocznikujacy jest wykonany w postaci rury^ zaopatrzonej- w rowki prostokatne rozimiesz- . czone grupami.

Korzystnym jest, gdy element bocznikujacy skla¬ da sie z duzej liczby ipierscieni z materialu magne¬ tycznego umieszczonych z pozostawieniem szczelin miedzy nimi wzdluz osi przemiesziczania i polaczo¬ nych wzajemnie ze soba, za pomoca mostków, wy¬ konanych z materialu magnetycznego.

Jedna z zalet niniejszego wynalazku polega na zapewnieniu wysokiej dokladnosci^jpomiarów, któ¬ ra jest okreslona przede wszystkim wymiarami otworów i odleglosciami miedzy 'grupami otworów, a zachowanie odpowiednich tolerancji przy obrób¬ ce mechanicznej jest stosunkowo latwe. Porza tym nalezy wziac pod uwage, ze poniewaz dokladnosc pomiaru okreslona jest wymiarami otworów ele¬ mentu bocznikujacego, odleglosciami miedzy gru¬ pami otworów elementu bocznikujacego i wymia¬ rami cewki-indukcyjnej, to liczba cewek indukcyj¬ nych jest stosunkowo niewielka, a wiec zmniejsza sie zuzycie materialów, deficytowych. I wreszcie niewielka liczba uzwojen umozliwia wykorzystanie prostego urzadzenia pomiarowego w obwodzie wyj¬ sciowym czujnika.

Przyklad wykonania czujnika polozenia wedlug wynalazku jest przedstawiony na rysunku, na któ¬ rym fig. 1 przedstawia schematycznie czujnik po¬ lozenia ciala przemieszczajacego sie liniowo wedlug wynalazku, w przekroju, fig. 2 — element boczni¬ kujacy czujnika, fig. 3 — uklad polaczen uzwojen cewek indukcyjnych, fig. 4 — cewke indukcyjna z dwiema parami biegunów wewnatrz elementu bocznikujacego, w wiekszej skali, fig. 5 — wykres zaleznosci napiecia wyjsciowego cewki indukcyj¬ nej z dwiema parami biegunów w funkcji przemie¬ szczenia elementu bocznikujacego.

Czujnik (fig. 1), zgodnie z niniejszym wynalaz¬ kiem zawiera obudowe 1 ze stali niemagnetycznej, skladajaca sie z dwóch wspólosiowo umieszczonych rur 2 i 3, polaczonych w górnej czesci mostkiem, cewki indukcyjne 4, 5, 6 i 7, umieszczone wspól¬ osiowo jedna pod 'druga na" rurze wewnetrznej' 3, w pewnej od siebie odleglosci, oraz element bocz¬ nikujacy 8 (pokazany równiez na fig. 2) umieszczo¬ ny miedzy rurami 2 i 3. Element bocznikujacy 8 wykonany jest z materialu przewodzacego magne¬ tycznie z umieszczony z mozliwoscia przemieszcza¬ nia sie wzdluz rur 2 i 3. Ten element 8 polaczony jest z cialm, którego polozenie ma byc okreslone.

Cewki indukcyjne 4, 5 i 6 wykonane sa jako jed¬ nakowe i maja otwarte obwody magnetyczne z jed¬ na para biegunów 9—10, 11—12 i 13—14 odpowied¬ nio po dwa uzwojenia: pierwotne 15, 13 i 17 oraz wrótne 18, 19 i 20 odpowiednio. Cewki indukcyjne 4, 5 i 6 umieszczone sa w pewnych odleglosciach od siebie i sluza do zgrubnego okreslania polozenia przemieszczajacego sie ciala.

Odleglosc pomiedzy cewkami 4, 5 i 6 okresla sie zaleznie od dokladnosci okreslania polozenia prze¬ mieszczajacego sie ciala przy odczycie zgrubnym.

Liczba cewek 4, 5 i 6 zalezy od dlugosci kontrolo¬ wanego przemieszczania. Do dokladniejszego okres¬ lenia przemieszczenia sluzy cewka 7.

Cewka indukcyjna 7 (pokazana dokladniej na fi,;. 4) ma otwarty obwód magnetyczny z dwiema pa¬ rami biegunów 21—22 i 23—24 oraz cztery uzwoje¬ nia: dwa pierwotne 25 i 26, dwa wtórne 27 i 28. szczególowe polaczenie uzwojen przedstawione jest na fig. 3. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 605 117 271 fc -Uzwojenia pierwotne 15, 16, .1.7,- 25 i 26 polaczone sa szeregowo i nasilane sa: pradem::zmiennym. . Wtórne: uzwojenia 27 i 28 polaczone sa szeregom wo i przeciwnie-. (róznicowe .polaczenie uzwojen).

Uzwojenia 25, 26, 27 i 28 moga tworzyc równiez uklad mostkowy zapewniajacy sygnal wyjsciowy dwa -razy wiekszy niz. .uklad róznicowy, ale przy wahaniach temperatury uzwojen dokladnosc ukla¬ du mostkowego jest znacznie nizsza niz ukladu róz¬ nicowego, na który wahania temperatury nie wply¬ waja. Dlatego tam, gdzie mozliwe sa wahania tem¬ peratury, jak to ma miejsce w reaktorach jadro- wyrh, róznicowe .polaczenie .uzwojen jest korzyst¬ niejsze: *: ..:.. :. ::\ . .; Element bocznikujacy na fig; %. wykonany jest w-postaci rury; na ;której calej dlugosci znajduja sie grupy otworów 33 rozmieszczone w jednako¬ wych odleglosciach, od siebie, wzdluz; elementu-bocz¬ nikujacego, przy czym. w kazdej grupie otwory roz¬ mieszczone, sa na obudowie rury.

Odleglosc L miedzy skrajnymi biegunami 21 i 24 cewki 7 jest równa L = 3 2 a odleglosc I miedzy biegunami 21, 22 i 23, 24 W jednej parze jest równe a, gdzie: a — szerokosc otworu: elementu bocznikujacego, b — odleglosc miedzy grupami otworów elemen¬ tu bocznikujacego.

Jezeli polozenie przemieszczajacego sie ciala trze¬ ba okreslic z wieksza dokladnoscia, a wymiary a i b sa bardzo male, to w ogólnym przypadku roz¬ mieszczenia uzwojen odleglosc miedzy skrajnymi biegunami 21, 24 cewki 7 okresla sie wedlug wzoru: 1 L = n(a+ b)-—(a +3b) a odleglosc. 1 miedzy biegunami 21, 22, 23, 24 w jed¬ nej parze okresla sie wedlug wzoru: 1=—(a + b)-b, - 2 gdzie: n jest liczba ciagu liczb naturalnych* poczynajac od n = 3, (n =.3', 4t 5 itd.).

Odleglosc pomiedzy biegunami ~9, 10, 11, 12 i 13, 14 nia:-jest''ograniczona i okreslona jest mozliwo¬ sciami rozmieszczenia uzwojen.

Czujnik wedlug wynalazku dziala w nastepujacy sposób,, - Przy wlaczeniu zasilania uzwojen pierwotnych 15, 16 i 17, czujnika, na" uzwojeniach wtórnych 18, 19 i 20 (patrz fig. 3) pojawia sie napiecie. W uzwoje¬ niach tych cewek 4, 5 i 6 odczytu zgrubnego, które sa bocznikowane elementem bocznikujacym napie¬ cie jest kilka razy wieksze niz w uzwojeniach nie bocznikujacych cewek.

Znajac rozmieszczenie Cewek indukcyjnych w czujniku i zmierzywszy napiecie na uzwojeniach wtórnych mozna okreslic polozenie krawedzi czo¬ lowej 29 elementu bocznikujacego, a mianowicie: górna krawedz czolowa 29 bedzie sie znajdowala pomiedzy okreslonymi dwiema sposród cewek 4, 5 i 6, na którym uzwojeniu jednej z których napie¬ cie jest kilkakrotnie wieksze niz na. drugiej.

Jezeli cewki 4, 5 i 6 rozmieszczone sa w znacznej odleglosci "Od siebie, to takie okreslenie polozenia elementu bocznikujacego bedzie :zgrubnje. (o niedu¬ zej dokladnosci). .:-... •'.¦¦;: :.;.:;_ i../¦¦..•: .¦;r."v-.-_ .•-.-; Dla dokladniejszego: okreslenia-polozenia krawe- dzi czolowej. elementu bocznikujasggp wykprzysty- wana: jest cewka -7 {patrz figi. Aba/ibiz -,v /¦:-L/iz:.-yr Dlar dalszego objasnienia-za_$ady ,^^|an|aculozy¬ my, ze element bocznikujacy jesiiu&umety;. .-^.^ . c Wtedy przy: wlaczeniu -zsUj&rjia : na -. uzwojenia pierwotne 25 i 26 {fig;. .3^ na uzwojeniach wtórnych 27 i 28 pojawiaja;sie: jednakgwej/^/.wielkoacicna- piecia. Ale poniewaz..uzwQjenia wtórne ^27 i -28 po? laczone sa róznicowo, to-napiecia te beda sie kom¬ pensowac i na wyjsciach 30 i 31 napiecia-bedzie równe zeru. : Jezeli na cewke indukcyjna 7 nasuwa sie element bocznikujacy: 8 i ustawij.go. w. polozeniul.przedsta¬ wionym na fig. 4 (górna para biegunów 21 i 22 na przeciwko grup. O-tworów elementu bocznikujacego 8, a dolna para biegunów 23 i 24 na przeciwko jed¬ nolitej czesci elementu bocznikujacego), to strumien magnetyczny przechodzacy przez dolna pare. bie¬ gunów 23 i 54 i zamykajacy sie przez element bocz¬ nikujacy bedzie wiekszy niz strumien magnetyczny przechodzacy przez górna pare biegunów. 21 i 22., poniewaz element bocznikujacy w. takim polozeniu zapewnia wieksza przewodnosc dla strumienia ma¬ gnetycznego przechodzacego przez dolna par^. bie¬ gunów 23 i 24 niz dla strumienia przechodzacego przez górna pare biegunów. Dlatego napiecie na dolnym uzwojeniu wtórnym 28 bedzie wieksze niz napiecie na 'górnym uzwojeniu wtórnym 27 i na wyprowadzeniach 31 i 30 pojawi sie napiecie.

Jezeli teraz element bocznikujacy przesunie sie z tego polozenia w góre, to przewodnosc dla stru¬ mieni magnetycznych przechodzacycii_.pczezAgórna pare biegunów 21 i 22 i przez dolna pare biegunów 23 i 24 z poczatku beda sie wyrównywac,, wskutek czego wyrówywnac sie beda równiez napiecia po¬ wstajace na uzwojeniach, a napiecie -na wyprowa¬ dzeniach 30 i 31 bedzie sie zmniejszac do zera.

Nastepnie przy dalszym przemieszczaniu elemen¬ tu bocznikujacego 8 przewodnosc dla strumienia magnetycznego przechodzacego przez górna pare biegunów 21 i 22 stanie sie wieksza niz przewod¬ nosc dla strumienia dolnej pary biegunów 23 i 24 wskutek czego równiez napiecie na wyprowadze¬ niach 30 i 31 zacznie wzrastac.

Maksymalna wielkosc napiecia wyjsciowego wy¬ stapi wtedy, kiedy jedna para-biegunów (na przy¬ klad 21, 22) znajdzie sie naprzeciwko jednolitych odcinków elementu bocznikujacego 8, a druga pa¬ ra biegunów (23, 24) znajduje sie naprzeciwko grup otworów elementu bocznikujacego 8.

Przy przemieszczaniu elementu bocznikujacego maksima napiec beda wystepowac w odstepach, a+b równych gdzie: . " ¦;,\;.; a — szerokosc otworów elementu bocznikujacego, b — odleglosc pomiedzy grupami o'tworów (fig. 5). :..:_..t .""¦; ' Na osi rzednych odlozono wielkosc napiecia wyj¬ sciowego (napiecie sygnalu), na osi odcietych — wielkosc przemieszczenia. W ten sposób polozenie górnej krawedzi czolowej 29 elementu bocznikuja¬ cego 8 okresla sie zgrubnie na podstawie napiec 10 "15 20 25 30 35 40 45 50 55 60117 271 7 8 L: saiitdnich cewek indukcyjnych 4, 5 i 6, a dokladnie na podstawie liczby maksimów napiecia, mierzone¬ go na wyprowadzeniach 30 i 31.

Powyzej opisano korzystny przyklad wykonania wynalazku, w którym moga byc wprowadzone róz¬ ne modyfikacje, tak wiec na przyklad element bocznikujacy moze byc zlozony z wiekszej liczby plerieieni z materialu magnetycznego, rozmieszczo¬ nych z pozostawieniem szczelin pomiedzy nimi wzdlui oni przemieszczenia i polaczonych miedzy soba magnetycznymi mostkami.

(Zastosowanie czujnika wedlug wynalazku pozwa¬ la na okreslenie polozenia ciala przemieszczajacego sie liniowo z duza dokladnoscia.

Zastrzezenia patentowe 1. Czujnik polozenia ciala przemieszczajacego sie liniowo, zawierajacy ceWki indukcyjne z otwarty¬ mi obwodami magnetycznymi, umieszczone kolej¬ no jedna po drugiej wspólosiowo, oraz polaczony z przemieszczajacym sie cialem element boczniku¬ jacy, umieszczony z zapewnieniem mozliwosci prze- mieszClania sie wzdluz osi cewek indukcyjnych po ich zewnetrznej stronie, wykonany z materialu ma¬ gnetycznego, w wyniku czego przy przemieszcza¬ niu sie tego elementu Wzdluz osi cewek nastepuje bocznikowanie otwartych obwodów magnetycznych a w obwodzie wyjsciowym cewek pojawia sie sy¬ gnal, zawierajacy informacje o polozeniu ciala, zna¬ lo 15 20 25 30 mienny tym, ze element bocznikujacy (8) ma roz¬ mieszczone wzdluz osi przemieszczenia grupy otworów (33), przy czym w kazdej grupie otwory (33) sa rozmieszczone na obwodzie elementu bocz¬ nikujacego (8), a jedna z cewefc indukcyjnych (7) ma co najmniej dwie pary biegunów (21—22; 23— —24), przy czym odleglosc miedzy biegunami skraj¬ nymi (21, 24) tej cewki (7^ okresla sie wedlug wzo¬ ru 1 L = n(a+ b) (a+3b) 2 gdzie: a — szerokosc otworu (33) elementu bocznikuja¬ cego mierzona w kierunku osi przemieszcze¬ nia tego elementu (8), b — odleglosc miedzy grupami otworów (33) ele¬ mentu bocznikujacego (8), n — liczba naturalna ciagu liczb naturalnych roz¬ poczynajacego sie od liczby 3. 2. Czujnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze element bocznikujacy (8) jest wykonany w postaci rury zaopatrzonej w rowki prostokatne rozmieszczo¬ ne grupami. ' 3. Czujnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze element bocznikujacy (8) sklada sie z duzej liczby pierscieni z materialu magnetycznego umieszczo¬ nych z pozostawieniem szczelin miedzy nimi wzdluz osi przemieszczania i polaczonych wzajemnie ze so¬ ba za pomoca mostków, wykonanych z materialu magnetycznego.

FIG. 2 Ftff.t FW.5 ZGK 1022/1100/82 95 Cena 100 zl

Claims (3)

Zastrzezenia patentowe

1. Czujnik polozenia ciala przemieszczajacego sie liniowo, zawierajacy ceWki indukcyjne z otwarty¬ mi obwodami magnetycznymi, umieszczone kolej¬ no jedna po drugiej wspólosiowo, oraz polaczony z przemieszczajacym sie cialem element boczniku¬ jacy, umieszczony z zapewnieniem mozliwosci prze- mieszClania sie wzdluz osi cewek indukcyjnych po ich zewnetrznej stronie, wykonany z materialu ma¬ gnetycznego, w wyniku czego przy przemieszcza¬ niu sie tego elementu Wzdluz osi cewek nastepuje bocznikowanie otwartych obwodów magnetycznych a w obwodzie wyjsciowym cewek pojawia sie sy¬ gnal, zawierajacy informacje o polozeniu ciala, zna¬ lo 15 20 25 30 mienny tym, ze element bocznikujacy (8) ma roz¬ mieszczone wzdluz osi przemieszczenia grupy otworów (33), przy czym w kazdej grupie otwory (33) sa rozmieszczone na obwodzie elementu bocz¬ nikujacego (8), a jedna z cewefc indukcyjnych (7) ma co najmniej dwie pary biegunów (21—22; 23— —24), przy czym odleglosc miedzy biegunami skraj¬ nymi (21, 24) tej cewki (7^ okresla sie wedlug wzo¬ ru 1 L = n(a+ b) (a+3b) 2 gdzie: a — szerokosc otworu (33) elementu bocznikuja¬ cego mierzona w kierunku osi przemieszcze¬ nia tego elementu (8), b — odleglosc miedzy grupami otworów (33) ele¬ mentu bocznikujacego (8), n — liczba naturalna ciagu liczb naturalnych roz¬ poczynajacego sie od liczby 3.

2. Czujnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze element bocznikujacy (8) jest wykonany w postaci rury zaopatrzonej w rowki prostokatne rozmieszczo¬ ne grupami. '

3. Czujnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze element bocznikujacy (8) sklada sie z duzej liczby pierscieni z materialu magnetycznego umieszczo¬ nych z pozostawieniem szczelin miedzy nimi wzdluz osi przemieszczania i polaczonych wzajemnie ze so¬ ba za pomoca mostków, wykonanych z materialu magnetycznego. FIG. 2 Ftff.t FW.5 ZGK 1022/1100/82 95 Cena 100 zl