PL225964B1 - Sposob i urzadzenie do pomiaru zmian dlugosci obiektu za pomoca czujnika indukcyjnego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru zmian długości obiektu za pom ocą czujnika indukcyjnego.

Z polskiego opisu patentowego nr 204 989 znane jest urządzenie do pomiaru odkształceń liniowych próbki materiału zawierające indukcyjny czujnik umieszczony w obwodzie rezonansowym generatora LC drgań elektrycznych. Indukcyjny czujnik to sprężyste bezrdzeniowe cewki zamocowane do mierzonego obiektu, które zmieniają swą długość wraz z nim. Skutkuje to zmianą indukcyjności czujnika a zatem zmianą częstotliwości generatora. Pomiar zmian częstotliwości umożliwia wyliczenie zmiany długości.

Zastosowanie cewek bez rdzenia ma tę niedogodność, że charakterystyka takiego prz etwornika długość-częstotliwość jest znacznie nieliniowa. Wynika to stąd, że częstotliwość rezonansowa obwodu LC jest proporcjonalna, z dobrym przybliżeniem, do pierwiastka z długości cewki. Skutkuje to zmniejszeniem nachylenia charakterystyki w miarę rozciągania cewki. Nieliniowość charakterystyki powoduje konieczność znajomości długości początkowej cewki i aproksymowania charakterystyki przetwornika funkcją drugiego stopnia. Ponadto, jeśli cewka indukcyjna nie posi ada rdzenia magnetycznego, to jej indukcyjność jest stosunkowo mała, więc pasożytnicze indukcyjności doprowadzeń (przewodów łączących ją z generatorem) mogą mieć znaczącą wartość. Skutkuje to wieloma niekorzystnymi efektami:

- pasożytnicze indukcyjności zmniejszają czułość przetwornika,

- niestabilna wartość indukcyjności pasożytniczych powodowana przez zmianę wzajemnego położenia przewodów doprowadzających lub ich położenia względem obiektów o względnym współczynniku przenikalności magnetycznej większym od jedności (żelazo), rozstraja obwód rezonansowy w niekontrolowany sposób, powodując błędy pomiaru zmian długości, tym większych im stosunek indukcyjność pasożytniczych do indukcyjności czujnika jest większy,

- mała indukcyjność cewki bez rdzenia wymusza stosowanie kondensatorów w obwodzie rezonansowym o odpowiednio małej pojemności, tak aby uzyskać wymaganą dobroć tegoż obwodu, co powoduje większą zależność częstotliwości drgań od zmian wartości pojemności pasożytniczych, głównie elementu czynnego generatora (tranzystora) i doprowadzeń, pod wpływem zmian temperatury.

Zgodnie z wynalazkiem sposób pomiaru zmian długości obiektu za pomocą czujnika indukcyjnego umieszczonego w obwodzie rezonansowym generatora LC drgań elektrycznych i zamocowanego do obiektu mierzonego, gdzie pomiar zmian długości wynika z pomiaru częstotliwości, polega na tym, że dokonuje się pomiaru zmiany częstotliwości drgań generatora LC spowodowanej zmianą indukcyjności cewki wyposażonej w otwarty magnetowód o dużej przenikalności, przy czym zakres pomiarowy dotyczy zmiany długości cewki poza magnetowodem, to jest zmiany długości powietrznej części cewki.

Urządzenie do pomiaru zmian długości obiektu zawierające indukcyjny czujnik umieszczony w obwodzie rezonansowym generatora LC drgań elektrycznych, zamocowany do mierzonego obiektu, charakteryzuje się tym, że indukcyjny czujnik stanowi cewka wyposażona w ferromagnetyczny rdzeń o dużej przenikalności magnetycznej, otwarty od strony czoła cewki, co umożliwia rozciąganie cewki poza obszar oddziaływania magnetowodu. Zmiana długości cewki odbywa się bez tarcia o rdzeń.

Zakres mierzonych zmian długości jest ograniczony do zmian długości powietrznej części ce wki, czyli że podczas pomiarów cewka nie powinna być krótsza niż magnetowód.

W urządzeniu z rdzeniem, gdy cewka jest rozciągana, zwoje cewki wysuwając się coraz bardziej poza magnetowód powodują, że indukcyjność takiej cewki maleje z dwóch powodów: przez zwiększenie swojej długości oraz przez fakt, że na pole magnetyczne zwojów cewki znajdujących się poza rdzeniem przestaje oddziaływać magnetowód. Ta dodatkowa zmiana indukcyjności cewki powoduje, że kilkakrotnie maleje nieliniowość charakterystyki długość-częstotliwość, i dodatkowo kilkakrotnie wzrasta stromość charakterystyk. (W cewce bez rdzenia zmiana indukcyjności wywołana jest tylko jej zmianą długości).

PL 225 964 B1

Wprowadzenie rdzenia do cewki daje też inne korzyści:

- Cewka z rdzeniem ma większą indukcyjność, więc destabilizujący wpływ pasożytniczych indukcyjności doprowadzeń jest mniejszy.

- Jeśli cewka ma większą indukcyjność, to i pojemność obwodu rezonansowego może być większa, bez pogorszenia jego dobroci, więc destabilizujący wpływ pasożytniczych pojemności doprowadzeń jest mniejszy.

- Zwiększenie pojemności i indukcyjności obwodu rezonansowego powoduje zmniejszenie częstotliwości oscylacji generatora, co ułatwia transmisję sygnału oraz wykonanie układu elektronicznego.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia cewkę, której zwoje znajdują się częściowo w magnetowodzie, a efekty zastosowania rdzenia przedstawiono na fig. 2 i fig. 3.

Na fig. 1:

1. - przekrój cylindrycznego rdzenia magnetowodu o efektywnej względnej przenikalności magnetycznej μ _e,

2. - część cewki indukcyjnej o ilości zwojów m i długości R, znajdujących się w obszarze oddziaływania rdzenia,

3. część cewki indukcyjnej o ilości zwojów n i długości P, znajdująca się poza obszarem oddziaływania rdzenia.

Efektywna względna przenikalności magnetyczna p_e magnetowodu to wypadkowa przenikalności rdzenia (p_r = kilka do kilkadziesiąt tysięcy) i przenikalności magnetycznej powietrza (p_r = 1), ponieważ z jednej strony rdzeń jest otwarty.

Indukcyjność całkowita takiej cewki jest sumą indukcyjności części cewki z rdzeniem i bez rdzenia:

L = μ S fo n u_Pm‘ y⁺ —

F_oz²S (P + fi)² (fi + p_efi) gdzie:

μ₀ - bezwzględna przenikalność magnetyczna,

S - pole przekroju cewki, z - sumaryczna ilość zwojów (z=n+m).

Z zależności geometrycznych wynika stosunek ilości zwojów cewek: powietrznej n i z rdzeniem m: fi n fi m ponieważ całkowita ilość zwojów cewki z=n+m, można stwierdzić, iż:

zP n =-i m

R+R zR

P+R' a wtedy:

Z²S ^L= μ — (P + p_efi)

Częstotliwość obwodu rezonansowego, a zatem generowanych oscylacji, z dobrym przybliżeniem) wynosi: / = (2 7rVLc) \ więc pomijając pasożytniczą indukcyjność połączenia cewki z generatorem (L_p = 0) otrzymamy w tym przypadku:

ip -j- π \ — _ = _ (p+r) ² ^^e I 2 πζ J 0μ_ο8 (P + μ_ε R ) TtzDJ C μ ₀(P + μ _e R ) gdzie D jest średnicą cewki.

Ze względu na to, że całkowita długość cewki I-P+R, a iloczyn efektywnej przenikalności magnetycznej rdzenia i jego długości jest wielkością stałą (μ— = c), to:

PL 225 964 B1 _l__ _l_ πζ/0μ_ο5(P + μ_εβ) 2 πζ/C^₀S(P + c) ’ więc, dla P << p_eRf i

2nZyfcjj^Sc czyli częstotliwość będzie prawie liniowo zależna od długości cewki l.

Nachylenie charakterystyki długość-częstotliwość, czyli czułość czujnika s jest pochodną względem długości roboczej części cewki, czyli cewki powietrznej P:

d/_ _ k(2p_eR + P - R) dP~^S ~ 2z(R + P)¹’⁵ ’ natomiast czułość względna s* jest:

df P ~dp _t 2p_eR + p — R ^Pe Ί β ^— 1 — ^{= s}'⁼ 2(μ.Π + P)(« + P) = ₂(„_e+P), '

W przypadku braku rdzenia (μ₆= 1) czyli dla cewki w całości powietrznej powyższy wzór na czułość względną s* redukuje się do postaci:

s*(^_e = 1) = s* = _{2(fi + p)} =

Można wykazać, że obecność rdzenia zwiększa prawie dwukrotnie czułość czujnika w porównaniu do cewki bez rdzenia:

P P s* + -p 1 + -p 1 ^sp 2 + l F_e + dla: μ_ε >> 1 i R >> P > Ą· = 2 ^sp

Na przykład dla μ₆= 6 i dla P = 0,5 czułość wzrośnie 1,9 razy.

Powyższe wzory zakładają brak indukcyjności połączeń (L_p = 0), dzięki czemu zyskują dużą prostotę. W rzeczywistości nie można jednak tej indukcyjności pominąć, a wtedy częstotliwość oscylacji będzie reprezentować formuła:

/ = (^2π^ ίγγ? + FeK) +

Można wykazać, że jeśli indukcyjność połączeń jest znacząca w porównaniu do indukcyjności cewki bez rdzenia, to zastosowanie rdzenia zwiększy czułość czujnika ponad dwukrotnie. Na przykład, jeśli indukcyjności połączeń jest połową indukcyjności cewki bez rdzenia (L_p=0,5 L..(ii_e = 1)), to magnetowód o efektywnej przenikalności μθ = 6 zwiększy czułość 3,5 krotnie.

Efekty zastosowania rdzenia przedstawiono na rysunku fig. 2 i fig. 3. W przypadku tym rdzeń zredukowano do walca ferromagnetycznego umieszczonego tylko w środku cewki, uzyskując stosunkowo niewielką efektywną przenikalności μ. = 6. I tak, rysunek 2 (fig. 2) przedstawia rodzinę charakterystyk czujnika, uzyskaną z pomiarów eksperymentalnych i symulacji (z przedstawionych powyżej równań), czyli względną zmianę częstotliwości pod wpływem zmian długości powietrznej części cewki P, w stosunku do stałej długości cewki w magnetowodzie R (w zakresie od P=0 do P=R), dla efektywnej przenikalności rdzenia L_p=1; 6 i 10, oraz dla pasożytniczej indukcyjności doprowadzeń L_p=0 i 1,5 μΗ, przy indukcyjności cewki bez rdzenia (μθ = 1) L_s = 3,0 μΗ dla P=0.

Na kolejnym rysunku (fig. 3) pokazano jak maksymalna nieliniowość charakterystyki czujnika zależy od względnego wydłużenia powietrznej części cewki dla różnych wartością μθ i L_p, jako wynik pomiaru i symulacji.

PL 225 964 B1

Na rysunkach tych widać, że nawet wprowadzenie rdzenia tylko do środka cewki spowodowało kilkakrotny spadek nieliniowości (średnio z ponad 1% do 0,3%) i kilkakrotny wzrost czułości czujnika. Polepszenie parametrów czujnika jest szczególnie znaczące dla dużych wartości indukcyjności doprowadzeń. Zastosowanie pełnego magnetowodu (jak na fig. 1) uczyni nieliniowość charakterystyki pomijalnie małą.

Claims (2)

1. Sposób pomiaru zmian długości obiektu za pomocą czujnika indukcyjnego umieszczonego w obwodzie rezonansowym generatora LC drgań elektrycznych i zamocowanego do obiektu mierzonego, gdzie pomiar zmian długości określa się z pomiaru częstotliwości, znamienny tym, że dokonuje się pomiaru zmiany częstotliwości drgań generatora LC spowodowanej zmianą indukcyjności cewki wyposażonej w otwarty magnetowód (1 o dużej przenikalności, przy czym zakres pomiarowy dotyczy zmiany długości cewki (3) poza magnetowodem, to jest zmiany długości powietrznej części cewk i.

2. Urządzenie do pomiaru zmian długości obiektu zawierające indukcyjny czujnik umieszczony w obwodzie rezonansowym generatora LC drgań elektrycznych, zamocowany do mierzonego obiektu, znamienne tym, że indukcyjny czujnik stanowi cewka (2, 3) wyposażona w rdzeń magnetyczny (1 krótszy od cewki (2, 3).