RU2119642C1

RU2119642C1 - Transmitter of linear translations

Info

Publication number: RU2119642C1
Application number: RU96108051A
Authority: RU
Inventors: В.Я. Горячев; В.Н. Ашанин; В.А. Мещеряков; И.М. Гусаров; Н.Я. Карасев
Original assignee: Пензенский государственный технический университет
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 1998-09-27

Abstract

FIELD: measurement of nonelectric values by electric methods, conversion of linear translation into voltage proportional to it. SUBSTANCE: transmitter has information ruler with working winding. Active sides of working winding are located along translation axis. Resulting number of conductors of active sides of working winding is proportional to distance from start of counting to center of magnetic circuit moving along it. Magnetic circuit moves along immobile guides which are simultaneously used as single-turn winding for reading of information on position of mobile magnetic circuit on information ruler. Compensation winding is placed on information ruler outside zone of action of magnetic circuit and is placed in series with working winding. Compensation winding diminishes influence of end face part of working winding on to winding for information reading. Since winding for information winding is immobile it decreases possibility of break of its leads. EFFECT: enhanced operational capabilities. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано в автоматике и измерительной технике. The invention relates to the field of measurement of non-electrical quantities by electrical methods and can be used in automation and measurement technology.

Известен датчик, содержащий носитель информации, генератор, магнитную головку и схему обработки сигнала [1]. Однако такой преобразователь имеет низкую точность, так как не может регистрировать перемещение внутри шага меандра. Известен датчик, содержащий генератор, дискретную линейку с бифилярной обмоткой, блок считывания в виде двух магнитных головок и блок обработки измеряемого сигнала [2]. Однако такой датчик имеет накапливающуюся систематическую погрешность и, кроме того, при отключении и последующем восстановлении питания выдает ложную информацию. Известен также преобразователь перемещения, состоящий из генератора, информационной линейки в форме меандра, чувствительного элемента в виде Ш-образной магнитной головки и устройства обработки информации [3]. Однако он обладает низкой надежностью, так как теряет и не восстанавливает информацию при различного рода сбоях. Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению следует считать датчик линейных перемещений [4] (фиг. 1), состоящий из информационной линейки 1, разбитой на n-участков, на каждом из которых вдоль оси измеряемого перемещения уложена обмотка таким образом, что активная сторона 2 параллельна оси линейки, а намагничивающая сила каждого участка линейки пропорциональна расстоянию от начала отсчета до середины этого участка, что достигается использованием соответствующего количества проводников, питаемых переменным током I_пит, трансформатор с разомкнутым сердечником 3, через воздушный зазор которого введена активная сторона обмотки информационной линейки, выполняющей роль первичной обмотки этого трансформатора, обмотки 4 с током I_комп для компенсации магнитного потока сердечника, если последний находится в начале отсчета информационной линейки, вторичной обмотки трансформатора 5, с которой снимается электрическое напряжение U_вых, и гибких проводников 6, которыми трансформатор соединяется со вторичной аппаратурой.A known sensor containing a storage medium, a generator, a magnetic head and a signal processing circuit [1]. However, such a converter has a low accuracy, since it cannot detect movement within the meander pitch. A known sensor containing a generator, a discrete ruler with a bifilar winding, a reading unit in the form of two magnetic heads and a processing unit of the measured signal [2]. However, such a sensor has an accumulating systematic error and, in addition, when it is turned off and then restored, it gives false information. Also known is a displacement transducer consisting of a generator, a ruler in the form of a meander, a sensitive element in the form of a W-shaped magnetic head and an information processing device [3]. However, it has low reliability, as it loses and does not recover information in case of various kinds of failures. The closest in technical essence and the achieved results to this invention should be considered a linear displacement sensor [4] (Fig. 1), consisting of an information line 1, divided into n-sections, in each of which a winding is laid along the axis of the measured displacement, that the active side 2 is parallel to the axis of the ruler, and the magnetizing force of each section of the line is proportional to the distance from the reference to the middle of this section, which is achieved by using the appropriate number of conductors, alternating current I _pit, a transformer with an open core 3 through the air gap which introduced active side information line winding acting as the primary winding of the transformer, the winding 4 a current I _PC to compensate for the magnetic core flow, if the latter is at the reference information line, the secondary winding of the transformer 5, with which the electrical voltage U _o is removed, and the flexible conductors 6, by which the transformer is connected to the secondary equipment.

Недостатком данного устройства является то, что две обмотки, расположенные на перемещающемся вдоль линейки трансформаторе, соединены со вторичной аппаратурой гибкими проводниками 6, которые при циклических перемещениях, особенно при динамических нагрузках, быстро ломаются в местах изгиба, вследствие чего снижается надежность работы датчика. The disadvantage of this device is that two windings located on a transformer moving along the line are connected to the secondary equipment by flexible conductors 6, which during cyclic movements, especially under dynamic loads, quickly break in places of bending, thereby reducing the reliability of the sensor.

Изобретение направлено на повышение надежности работы датчика за счет изменения конструкции чувствительного элемента. Это достигается тем, что в датчике имеется информационная линейка с рабочей обмоткой и используется магнитопровод с возможностью перемещения по неподвижным направляющим, которые служат для него одновременно и одновитковой обмоткой съема информации о перемещении этого магнитопровода вдоль обмотки информационной линейки, а так же тем, что компенсационная обмотка, расположена на информационной линейке вне зоны действия магнитопровода и включена последовательно с рабочей обмоткой. Замена вторичной обмотки трансформатора неподвижными направляющими позволяет отказаться от подвижного соединения со вторичной аппаратурой. А перенос обмотки компенсации магнитного потока сердечника с трансформатора на информационную линейку позволяет отказаться от дополнительного источника питания. Других технических решений со сходными отличительными признаками не обнаружено, следовательно, предлагаемое решение обладает существенными отличиями. The invention is aimed at improving the reliability of the sensor by changing the design of the sensitive element. This is achieved by the fact that the sensor has an information ruler with a working winding and uses a magnetic circuit with the ability to move along fixed guides, which serve as a single-turn winding for collecting information about the movement of this magnetic circuit along the winding of the information line, as well as the fact that the compensation winding , is located on the information line outside the range of the magnetic circuit and is connected in series with the working winding. Replacing the secondary winding of the transformer with fixed guides allows you to abandon the movable connection with the secondary equipment. And the transfer of the core magnetic flux compensation winding from the transformer to the information line allows you to abandon the additional power source. No other technical solutions with similar distinctive features were found, therefore, the proposed solution has significant differences.

На фиг. 2 изображена конструкция предлагаемого датчика линейных перемещений. На фиг. 3 изображены зависимости: Ф - магнитного потока, создаваемого витками обмотки, и IW - магнитодвижущей силы соответствующего участка обмотки информационной линейки от перемещения магнитопровода вдоль информационной линейки. In FIG. 2 shows the design of the proposed linear displacement sensor. In FIG. Figure 3 shows the dependences: Ф - magnetic flux generated by the winding turns, and IW - magnetomotive force of the corresponding section of the winding of the information line from the movement of the magnetic circuit along the information line.

Предлагаемый датчик линейных перемещений содержит обмотку информационной линейки 1, магнитопровод (например, Ш-образный) 2, направляющие магнитопровода 3, служащие одновременно и одновитковой обмоткой съема информации, повышающий трансформатор 4, его обмотки 5 (первичная) и 6 (вторичная), компенсационную обмотку 7 (фиг. 2). В предлагаемом датчике линейных перемещений (фиг. 2) обмотка информационной линейки 1, имеющая n-участков, выполнена таким образом, что количество проводников активных сторон обмотки 8 каждого участка определяется числом W_i = k•i, где i = 0, 1, 2,..., ; k - произвольное число. Активные участки обмотки введены в Ш-образный (или два кольцевых разомкнутых) магнитопровода 2 через воздушные зазоры. Этот Ш-образный магнитопровод помещен на изолированные от него направляющие 3, выполненные из проводящего материала. Эти направляющие, электрически замкнутые с одной стороны, подключены своими концами к первичной маловитковой обмотке 5 повышающего трансформатора 4 с другой стороны. Напряжение, пропорциональное положению сердечника относительно обмотки информационной линейной, снимается со вторичной многовитковой обмотки 6 трансформатора. Толщина Ш-образного сердечника выбирается равной длине активного участка или больше его в целое число раз. В этом случае при ступенчатом изменении намагничивающих сил отдельных участков (фиг. 3), магнитный поток сердечника пропорционален интегралу от намагничивающих сил участков, находящихся в зоне действия магнитопровода. При ширине магнитопровода, равной длине отдельного активного участка ΔX, имеем:

где
Ф - магнитный поток в сердечнике;
I - ток обмотки 1;
W_(x) - количество активных сторон обмотки 1, охваченных магнитопроводом 2;
x - перемещение сердечника;
k - некоторый числовой коэффициент.The proposed linear displacement sensor contains a winding of the information line 1, a magnetic circuit (for example, W-shaped) 2, guides of the magnetic circuit 3, serving simultaneously as a single-turn winding of information retrieval, raising transformer 4, its windings 5 (primary) and 6 (secondary), compensation winding 7 (Fig. 2). In the proposed linear displacement sensor (Fig. 2), the winding of the information line 1 having n-sections is made in such a way that the number of conductors of the active sides of the winding 8 of each section is determined by the number W _i = k • i, where i = 0, 1, 2 , ...,; k is an arbitrary number. The active sections of the winding are introduced into the W-shaped (or two ring open) magnetic circuit 2 through the air gaps. This W-shaped magnetic circuit is placed on insulated guides 3 made of conductive material. These guides, electrically closed on the one hand, are connected at their ends to the primary low-turn winding 5 of the step-up transformer 4 on the other hand. A voltage proportional to the position of the core relative to the information linear winding is removed from the secondary multi-turn winding 6 of the transformer. The thickness of the W-shaped core is chosen equal to the length of the active section or more than an integer number of times. In this case, with a stepwise change in the magnetizing forces of individual sections (Fig. 3), the magnetic flux of the core is proportional to the integral of the magnetizing forces of the sections located in the area of the magnetic circuit. With the width of the magnetic circuit equal to the length of a separate active section ΔX, we have:

Where
Ф - magnetic flux in the core;
I - winding current 1;
W _(x) is the number of active sides of the winding 1 covered by the magnetic circuit 2;
x is the movement of the core;
k is a certain numerical coefficient.

При анализе этой формулы можно заметить, что связь между магнитным потоком сердечника и его положением будет следующая:
Ф = k•I•W₁•X,
где
W₁ - количество активных сторон обмоток информационной линейки на нулевом участке.When analyzing this formula, one can notice that the connection between the magnetic flux of the core and its position will be as follows:
Ф = k • I • W ₁ • X,
Where
W ₁ - the number of active sides of the windings of the information line at the zero section.

Таким образом, на всем диапазоне перемещения магнитопровода магнитный поток прямо пропорционален его перемещению. Thus, over the entire range of movement of the magnetic circuit, the magnetic flux is directly proportional to its movement.

Магнитный поток магнитопровода, сцепляясь с направляющей, как со вторичной обмоткой, наводит в ней ЭДС, пропорциональную магнитному потоку, которая, в свою очередь, преобразуется повышающим трансформатором в выходное напряжение. The magnetic flux of the magnetic circuit, coupled with the guide, as with a secondary winding, induces an EMF in it proportional to the magnetic flux, which, in turn, is converted by the step-up transformer into the output voltage.

Магнитная связь между обмоткой информационной линейки и направляющими осуществляется не только через магнитопровод, но и через воздушную среду. Это явление обнаруживается наличием аддитивной составляющей переменного напряжения на выходе датчика при снятом магнитопроводе. The magnetic connection between the winding of the information line and the guides is carried out not only through the magnetic circuit, but also through the air. This phenomenon is detected by the presence of the additive component of the alternating voltage at the output of the sensor when the magnetic circuit is removed.

Для компенсации этой составляющей на информационной линейке вне зоны действия магнитопровода, при его перемещении, расположена компенсационная обмотка 7. Количество витков и направление намотки выбраны таким образом, что ЭДС, наводимая в направляющих от действия рабочей обмотки линейки, при снятом магнитопроводе, и компенсационной обмотки равны по амплитуде и противоположны по направлению. To compensate for this component, the compensation winding is located on the information ruler outside the magnetic core’s operating range when moving it. The number of turns and the winding direction are chosen so that the EMF induced in the guides from the action of the working winding of the ruler, when the magnetic circuit is removed, and the compensation winding are equal in amplitude and opposite in direction.

Устройство работает следующим образом. Активные стороны 8 обмотки 1 информационной линейки вследствие прохождения через них переменного тока I_вх, создают в окружающем пространстве переменное во времени магнитное поле, компенсированное обмоткой 7 таким образом, что при положении магнитопровода 2 в начале участка перемещения (X=O) значение магнитного потока сердечника равно нулю. При перемещении магнитопровода вдоль обмотки информационной линейки (вдоль оси X) магнитный поток магнитопровода пропорционален перемещению X. Магнитный поток, сцепляясь с направляющими 3 как со вторичной обмоткой, наводит в ней ЭДС, пропорциональную этому потоку, которая, в свою очередь, вызывает ток в первичной обмотке 5 повышающего трансформатора 4, возбуждающий во вторичной обмотке 6 этого трансформатора ЭДС, о значении которой можно судить по напряжению U_вых.The device operates as follows. The active side 8 of the winding 1 information line due to the passage through them an alternating current I _Rin create in the surrounding space time-varying magnetic field, compensated coil 7 so that the position of the magnetic circuit 2 in the beginning portion of displacement (X = O) value of the magnetic core flux equals zero. When moving the magnetic circuit along the winding of the information ruler (along the X axis), the magnetic flux of the magnetic circuit is proportional to the movement of X. The magnetic flux, coupled with the guides 3 as a secondary winding, induces an EMF in it proportional to this flux, which, in turn, causes a current in the primary winding 5 of step-up transformer 4, exciting in the secondary winding 6 of this transformer EMF, the value of which can be judged by the voltage U _o .

Таким образом, исключение гибкой проводной связи со вторичной аппаратурой за счет изменения конструкции значительно повышает надежность работы датчика. Кроме того, он более технологичен при изготовлении, так как имеет более простую неподвижную обмоточную часть чувствительного элемента. Thus, the exclusion of flexible wired communication with secondary equipment due to design changes significantly increases the reliability of the sensor. In addition, it is more technologically advanced in manufacturing, since it has a simpler, stationary winding part of the sensing element.

Поэтому, в данном случае можно говорить о технико-экономической эффективности изделия по сравнению с прототипом. Therefore, in this case, we can talk about the technical and economic efficiency of the product in comparison with the prototype.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР N 1044959, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04.Sources of information
1. Auth. testimonial. USSR N 1044959, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04.

2. Авт. свид. СССР N 368482, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04. 2. Auth. testimonial. USSR N 368482, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04.

3. Авт. свид. СССР N 903930, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04. 3. Auth. testimonial. USSR N 903930, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04.

4. Авт. свид. СССР N 453560, G 01 B 7/00, G 08 С 9/04 (прототип). 4. Auth. testimonial. USSR N 453560, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04 (prototype).

Claims

A linear displacement sensor containing an information ruler with a working winding, guides, with the possibility of moving the magnetic circuit along them, a compensation winding and a data pickup winding, the active sides of the working winding located along the axis of movement, and the number of conductors of the active sides of the working winding in each of its sections directly in proportion to the distance from the beginning of the information line to the middle of the magnetic circuit, characterized in that the guides are made of conductive material, insulated s from the magnetic circuit and are a single-turn winding of information retrieval, and the compensation winding is connected in series with the working winding.