RU220169U1 - Индуктивный датчик с температурной компенсацией - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительным устройствам, в частности к индуктивному датчику. Полезная модель используется при автоматизации технологических процессов, в приводной технике, испытательных машинах. Индуктивный датчик с температурной компенсацией содержит измерительную и компенсационную обмотку; измерительная и компенсационная обмотки выполнены с равными активными сопротивлениями, изготовлены в виде единой катушечной детали и включены дифференциально; компенсационная обмотка выполнена с минимальным индуктивным сопротивлением, величина которого условно равна нулю; подвижный элемент из магнитомягкого материала, перемещение которого обеспечивает изменение индуктивного сопротивления измерительной обмотки; источник переменного тока, выполненный с возможностью подачи переменного тока на измерительную и компенсационную обмотки; вычитатель, выполненный с возможностью сравнения сигналов напряжения с измерительной и компенсационной обмоток и формирования по их разности выходного сигнала; микроконтроллер, своим входом соединенный с выходом вычитателя. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение надежности индуктивного датчика с температурной компенсацией. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к измерительным устройствам, в частности к индуктивному датчику. Полезная модель может использоваться при автоматизации технологических процессов, в приводной технике, испытательных машинах.

Индуктивные датчики предназначены для преобразования положения (перемещения) в электрический сигнал. Перемещение отдельных элементов индуктивных датчиков, вызванное воздействием на них различных сил, ведет к изменению индуктивности, которое преобразуется в информационный сигнал. Датчики, содержащие ферромагнитные элементы, имеют температурную зависимость индуктивности, поэтому требуют компенсации температурной погрешности.

Из патента 2127865 (опубл. 20.03.1999) известно устройство для измерения перемещений с температурной компенсацией. Устройство содержит измерительную и дополнительную обмотки, два коаксиальных цилиндрических сердечника, подвижный элемент и четыре операционных усилителя. Дополнительная обмотка расположена ортогонально измерительной обмотке и выполнена в виде двух секций, причем один вывод первой секции соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и выводом измерительной обмотки, второй вывод которой соединен с выходом первого операционного усилителя. Другой вывод первой секции соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом второй секции, другой вывод которой соединен с выходом второго операционного усилителя, подключенным к суммирующей точке третьего операционного усилителя, соединенной также с выходом первого операционного усилителя и инвертирующим входом четвертого усилителя-интегратора. Выходом устройства является выход третьего операционного усилителя, а выходной сигнал четвертого операционного усилителя служит для компенсации температурной погрешности.

Недостатком устройства является относительная сложность его конструкции и электрической схемы, необходимость подбора усилителей по параметрам и подбора числа витков и сечения провода дополнительной обмотки. В целом это приводит к снижению надежности и точности устройства.

Из патента ЕР0875734 (опубл. 04.11.1998) известен индуктивный датчик с температурной компенсацией, содержащий измерительную и компенсационную катушки, подвижный элемент, перемещение которого обеспечивает изменение индуктивности измерительной катушки. Расстояния витков измерительной катушки уменьшаются от входного конца подвижного элемента. Компенсационная катушка намотана в два провода, которые соединены между собой таким образом, что ток по ним течет в противоположном направлении. Величина индуктивности компенсационной катушки минимальна и может быть условно принята за нулевую.

Измерительная и компенсационная катушки рассчитаны таким образом, что их активные сопротивления примерно одинаковы. Катушки намотаны каждая по отдельности и расположены коаксиально одна поверх другой.

Измерительная катушка расположена вместе с последовательным резистором в первой ветви моста переменного тока Уитстона, который питается от генератора напряжения. Вторая ветвь содержит компенсационную катушку и добавочный резистор. Дополнительный полумост образован двумя резисторами. Для фазирования нулевого сигнала используется конденсатор. Измеряемое напряжение снимается между концом измерительной катушки и центральной точкой дополнительного полумоста и подается на схему оценки, где усиливается, демодулируется по фазе (выпрямляется), фильтруется и выводится как выходное напряжение.

К недостатку устройства относится сложность его электрической схемы, необходимость процедуры балансировки моста переменного тока. Изготовление измерительной катушки с изменяющимися вдоль оси расстояниями витков требует высокой точности. Коаксиальное расположение катушек требует точного подбора обмоточных данных для равенства их сопротивлений. В целом это приводит к снижению надежности и точности датчика.

Технической задачей является устранение вышеуказанных недостатков аналогов.

Технический результат – повышение надежности индуктивного датчика с температурной компенсацией.

Техническая задача решается и технический результат достигается за счет того, что устройство измерения крутящего момента вала содержит:

измерительную обмотку;

компенсационную обмотку;

измерительная и компенсационная обмотки выполнены с равными активными сопротивлениями, изготовлены в виде единой катушечной детали и включены дифференциально;

компенсационная обмотка выполнена с минимальным индуктивным сопротивлением, величина которого условно равна нулю;

подвижный элемент из магнитомягкого материала, перемещение которого обеспечивает изменение индуктивного сопротивления измерительной обмотки;

источник переменного тока, выполненный с возможностью подачи переменного тока на измерительную и компенсационную обмотки;

вычитатель, выполненный с возможностью сравнения сигналов напряжения с измерительной и компенсационной обмоток и формирования по их разности выходного сигнала;

микроконтроллер, своим входом соединенный с выходом вычитателя.

При этом единая катушечная деталь намотана в четыре провода, из которых два провода составляют измерительную обмотку, и два других провода составляют компенсационную обмотку.

При этом соединение выводов измерительной обмотки обеспечивает направление токов в ее проводах в одну сторону.

При этом соединение выводов компенсационной обмотки обеспечивает направление токов в ее проводах в противоположные стороны.

При этом измерительная и компенсационная обмотки расположены на каркасе из немагнитного материала.

При этом микроконтроллер своим выходом связан со входом источника переменного тока.

При этом источник переменного тока обеспечивает подачу переменного тока одинаковых параметров на измерительную и компенсационную обмотки.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами.

Фиг. 1 поясняет электрическую схему датчика.

Фиг. 2 поясняет конструктивное устройство датчика.

Позициями на чертежах обозначены: 1 – измерительная обмотка; 2 – компенсационная обмотка; 3 – каркас; 4 – источник переменного тока; 5 – подвижный элемент; 6 – вычитатель; 7 – микроконтроллер; 8 – корпус датчика.

Индуктивный датчик содержит измерительную обмотку 1 и компенсационную обмотку 2, выполненные с равными активными сопротивлениями (сопротивлениями провода). Обмотки 1 и 2 намотаны совместно с образованием единой катушечной детали, которая расположена на цилиндрическом каркасе 3 из немагнитного материала. Компенсационная обмотка 2 выполнена с минимальным индуктивным сопротивлением, величина которого, по сравнению с индуктивным сопротивлением измерительной обмотки 1, условно принята равной нулю. Обмотки 1 и 2 включены дифференциально.

На фиг. 2 показано конкретное исполнение единой катушечной детали, намотанной в четыре провода. Начала проводов обозначены a, b, c, d, концы проводов – a̕, b̕, c̕, d̕. В указанной единой катушечной детали два провода (aa̕, bb̕) составляют измерительную обмотку 1, и два провода (cc̕, dd̕) составляют компенсационную обмотку 2. При этом суммарные сечения проводов измерительной 1 и компенсационной 2 обмоток одинаковы. Соединение выводов (см. фиг.1) измерительной обмотки 1 обеспечивает направление токов в проводах (aa̕, bb̕) в одну сторону. Соединение выводов компенсационной обмотки 2 обеспечивает направление токов в проводах (cc̕, dd̕) в противоположные стороны.

Подвижный элемент 5 из магнитомягкого материала выполнен с возможностью перемещения относительно обмоток 1 и 2 внутри каркаса 3. Перемещение элемента 5 обеспечивает изменение индуктивного сопротивления измерительной обмотки 1.

Каждая из обмоток 1 и 2 соединена соответственно с первым и вторым входами вычитателя 6, обеспечивающего сравнение сигналов напряжения с измерительной 1 и компенсационной 2 обмоток и формирование по их разности выходного сигнала. Вычитатель 6 выполнен на основе операционного усилителя. Выход вычитателя 6 соединен с микроконтроллером 7, снабженным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и цифровым выходом для отправления информационного сигнала.

Подачу переменного тока на измерительную обмотку 1 и компенсационную обмотку 2 обеспечивает источник переменного тока 4. Источник переменного тока может быть выполнен, например, на основе операционного усилителя и транзистора, или на основе другой известной схемы вторичного источника питания переменного тока.

Микроконтроллер 7 своим выходом связан с источником переменного тока 4, с возможностью задания источнику 4 параметров переменного тока, например, амплитуды, частоты.

Датчик расположен в корпусе 8 (фиг.2), с которым закреплены единая катушечная деталь с обмотками 1, 2, и плата электроники со схемными элементами 4, 6, 7. Подвижный элемент 5 закреплен с установленным в корпусе 8 штоком (на фиг. не обозначен). Перемещение подвижного элемента 5 со штоком под действием приложенной силы условно показано стрелкой.

Индуктивный датчик работает следующим образом.

Переменный ток с источника переменного тока 4 поступает на обмотки 1 и 2, включенные в схеме дифференциально. Параметры подаваемого переменного тока одинаковы для обеих обмоток 1 и 2. Переменный ток создает в обмотке 1 переменное магнитное поле. Перемещение магнитомягкого подвижного элемента 6 приводит к изменению индуктивности измерительной обмотки 1 и ее индуктивного сопротивления, при этом активные сопротивления измерительной и компенсационной обмоток 1 и 2 изменяются на одинаковую величину в зависимости от изменения температуры. Вышеуказанное приводит к изменению сигналов напряжения обмоток 1 и 2. Вычитатель 6 сравнивает сигналы двух обмоток 1 и 2, по их разности формирует сигнал и отправляет его на микроконтроллер 7 для обработки и вычисления перемещения подвижного элемента 5. Выходной информационный сигнал отправляется микроконтроллером 7 постоянно в течение всего процесса измерения.

Таким образом, температурная компенсация производится на основе обмотки 2 с нулевой индуктивностью, путем сравнения вычитателем 6 сигналов с двух каналов. Благодаря тому, что вычитатель 6 сравнивает сигналы с двух обмоток 1, 2 одномоментно и в каждый момент времени, он точно определяет изменение одного сигнала относительно другого в течение процесса измерения. В результате компенсация температурной погрешности достигается во всех точках измеряемого диапазона перемещений, в том числе при нестационарных температурах.

Выполнение обмоток 1 и 2 в виде единой катушечной детали, образованной совместно расположенными проводами обмоток 1 и 2 (по сравнению с отдельным расположением одной обмотки поверх другой в патенте ЕР0875734), гарантирует компенсацию температурного влияния до нуля, равенство сопротивлений обмоток 1 и 2, нулевую индуктивность компенсационной обмотки 2, – без необходимости точного подбора их обмоточных данных, что способствует повышению надежности датчика с температурной компенсацией.

Предложенный датчик с температурной компенсацией имеет простое конструктивное устройство с малым количеством простых в изготовлении деталей и схему с малым количеством электронных элементов и, следовательно, обладает высокой надежностью в работе. Температурная погрешность надежно компенсируется даже при больших температурных градиентах.

Claims (7)

1. Индуктивный датчик с температурной компенсацией, содержащий корпус; измерительную обмотку; компенсационную обмотку; измерительная и компенсационная обмотки выполнены с равными активными сопротивлениями, изготовлены в виде единой катушечной детали, которая расположена на цилиндрическом каркасе из немагнитного материала, и включены дифференциально; компенсационная обмотка выполнена с минимальным индуктивным сопротивлением, величина которого условно равна нулю; подвижный элемент из магнитомягкого материала, перемещение которого обеспечивает изменение индуктивного сопротивления измерительной обмотки, при этом подвижный элемент закреплен с установленным в корпусе штоком; источник переменного тока, выполненный с возможностью подачи переменного тока на измерительную и компенсационную обмотки; вычитатель, выполненный с возможностью сравнения сигналов напряжения с измерительной и компенсационной обмоток и формирования по их разности выходного сигнала; микроконтроллер, своим входом соединенный с выходом вычитателя.

2. Индуктивный датчик по п.1, отличающийся тем, что единая катушечная деталь намотана в четыре провода, из которых два провода составляют измерительную обмотку, и два других провода составляют компенсационную обмотку.

3. Индуктивный датчик по п.1, отличающийся тем, что соединение выводов измерительной обмотки обеспечивает направление токов в ее проводах в одну сторону.

4. Индуктивный датчик по п.1, отличающийся тем, что соединение выводов компенсационной обмотки обеспечивает направление токов в ее проводах в противоположные стороны.

5. Индуктивный датчик по п.1, отличающийся тем, что измерительная и компенсационная обмотки расположены на каркасе из немагнитного материала.

6. Индуктивный датчик по п.1, отличающийся тем, что микроконтроллер своим выходом связан со входом источника переменного тока.

7. Индуктивный датчик по п.1, отличающийся тем, что источник переменного тока обеспечивает подачу переменного тока одинаковых параметров на измерительную и компенсационную обмотки.