RU2594035C2

RU2594035C2 - Angular acceleration sensor with liquid rotor

Info

Publication number: RU2594035C2
Application number: RU2014119108/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Дятлов; Сергей Геннадьевич Жевакин
Original assignee: Акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина" (АО "АПЗ")
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2016-08-10
Also published as: RU2014119108A

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: device relates to measurement equipment, namely to angular acceleration sensors, the principle of operation of which is based on electromagnetic induction law. Angular acceleration sensor with liquid rotor has sensitive element and toroidal housing filled with liquid. Detecting element 1 of sensor is cylinder 3 made from dielectric material in form of orifice with confuser and diffuser in which metal electrodes E1, E2 are placed diametrically opposite. Exciting coils OV1, OV2, which are powered by stabilised bipolar current, are placed at top and bottom in plane perpendicular to plane of electrodes. Toroidal housing is connected coaxially to cylinder 3. Formed annular cavity is filled with working fluid with defined electric conductivity and viscosity, e.g., water. Electric signal proportional to acceleration is taken from electrodes E1 and E2 and transmitted to selective amplifier measuring device. From measuring device output signal is given proportional to angular acceleration.

EFFECT: technical result consists in increasing sensor sensitivity and wider range of angular accelerations measurement.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых ускорений, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции.The invention relates to measuring equipment, namely to sensors of angular accelerations, the principle of which is based on the law of electromagnetic induction.

Чувствительный элемент 1 представляет собой цилиндр 3, выполненный из диэлектрического материала, в котором диаметрально противоположно установлены металлические электроды Э1, Э2. В плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, установлены сверху и снизу обмотки возбуждения OB1, ОВ2, запитываемые двухполярным стабилизированным током. Тороидальный корпус 2 присоединяется соосно к цилиндру 3. Образованная кольцевая полость заполняется рабочей жидкостью с определенной электропроводностью и вязкостью, например водой.The sensing element 1 is a cylinder 3 made of a dielectric material in which metal electrodes E1, E2 are diametrically opposed. In the plane perpendicular to the plane of the electrodes, the windings OB1 and OB2 are mounted above and below, energized by a bipolar stabilized current. The toroidal housing 2 is attached coaxially to the cylinder 3. The formed annular cavity is filled with a working fluid with a certain electrical conductivity and viscosity, for example water.

Электрический сигнал, пропорциональный ускорению, снимается с электродов и подается на измерительное устройство, с выхода которого выдается сигнал, пропорциональный угловому ускорению. Изобретение позволяет упростить конструкцию при сохранении точностных характеристик и повысить надежность за счет отсутствия подвижных частей.An electrical signal proportional to acceleration is removed from the electrodes and fed to a measuring device, the output of which gives a signal proportional to angular acceleration. The invention allows to simplify the design while maintaining accuracy characteristics and to improve reliability due to the lack of moving parts.

Для измерения угловых ускорений применяют устройства с электромеханическими датчиками, выполненными в виде монтируемых на валу парных зубчатых дисков. Относительное смещение их пропорционально контролируемой величине.To measure angular accelerations, devices with electromechanical sensors made in the form of paired gear disks mounted on a shaft are used. The relative displacement is proportional to the controlled value.

Известно бесконтактное устройство для непрерывного измерения угловых ускорений [а.с. СССР №163446, 1964 г.], в котором упругий элемент датчика выполнен в виде немагнитного диска со сквозными отверстиями по торцевой поверхности, скрепленного ферромагнитным инерционным кольцом с зубьями, взаимодействующими в магнитном потоке с зубьями ферромагнитного диска. Недостатками такого устройства являются малая чувствительность и сложность конструкции.Known non-contact device for continuous measurement of angular accelerations [and.with. USSR No. 163446, 1964], in which the elastic element of the sensor is made in the form of a non-magnetic disk with through holes on the end surface, fastened by a ferromagnetic inertial ring with teeth interacting in the magnetic flux with the teeth of the ferromagnetic disk. The disadvantages of this device are the low sensitivity and design complexity.

Известны различные конструкции датчиков угловых ускорений, в которых механические воздействия преобразуются в электрические в результате электрокинетических явлений, возникающих при движении жидкости на границе раздела с твердым телом, например электрокинетический датчик угловых ускорений, содержащий тороидальный (цилиндрический) корпус, заполненный полярной жидкостью, например ацетоном, внутри которого установлена по крайней мере одна пористая преобразующая перегородка с токосъемными электродами по сторонам [US 2644901 G01P 15/08, 1953 г.]. Недостатком известного датчика является низкая надежность, заключающаяся в нарушении герметичности в месте прохождения токовыводов через стенку корпуса под действием механических воздействий; возникновение пузырей при колебании электродов под действием перегрузок.Various designs of angular acceleration sensors are known, in which mechanical effects are converted into electrical ones as a result of electrokinetic phenomena that occur when a fluid moves at the interface with a solid, for example an electrokinetic angular acceleration sensor containing a toroidal (cylindrical) body filled with a polar liquid, for example acetone, inside of which at least one porous transforming wall with current collecting electrodes is installed on the sides [US 2644901 G01P 15/08, 1953]. A disadvantage of the known sensor is the low reliability, which consists in a violation of the tightness at the passage of the current leads through the wall of the housing under the action of mechanical stresses; the appearance of bubbles when the electrodes oscillate under the influence of overloads.

Электрокинетический датчик угловых ускорений (патент RU, №2018851, G01P 15/08, 1990 г.) содержит заполненный рабочей жидкостью корпус, пористую перегородку, электроды, держатель, объединенные в модульную конструкцию при использовании в конструкции датчика держателя. При механическом воздействии (вращении датчика вокруг своей оси) рабочая жидкость начинает циркулировать, например по часовой стрелке, через пористую перегородку. Протекание жидкости через пористую перегородку приведет в результате электрокинетических явлений к возникновению разности потенциалов на электродах. При изменении направления вращения датчика произойдет смена направления движения жидкости на противоположное, что соответственно изменит знак зарядов на электродах. Недостатком известного датчика является его низкая надежность, обусловленная сложностью технологии его изготовления и достаточно большим количеством комплектующих деталей.The electrokinetic angular acceleration sensor (RU patent No. 20188851, G01P 15/08, 1990) contains a housing filled with working fluid, a porous baffle, electrodes, and a holder integrated into a modular design when used in the construction of the holder sensor. During mechanical action (rotation of the sensor around its axis), the working fluid begins to circulate, for example clockwise, through the porous septum. The flow of fluid through a porous septum as a result of electrokinetic phenomena leads to the appearance of a potential difference at the electrodes. When the direction of rotation of the sensor changes, the direction of fluid movement reverses, which accordingly changes the sign of charges on the electrodes. A disadvantage of the known sensor is its low reliability, due to the complexity of its manufacturing technology and a sufficiently large number of components.

Известна конструкция датчика угловых ускорений с жидкостным ротором (US 3520196 G01P 15/08, 1970 г.), в котором угловое ускорение преобразуется в электрический сигнал. Это устройство содержит тороидальный корпус, заполненный неэлектропроводной жидкостью, выполняющей функцию жидкостного ротора (инерционного элемента). В качестве чувствительного элемента (сенсора) используется электромеханическая система, состоящая из постоянного магнита, подвижной катушки индуктивности, механически связанной с заслонкой, один конец которой помещен в зазоре тороидального корпуса и реагирует на угловое перемещение жидкости в корпусе. Другой конец заслонки служит для преобразования углового перемещения в электрический сигнал, пропорциональный угловому ускорению. Недостатками такого устройства являются наличие подвижной катушки индуктивности, снижающей надежность работы устройства, а также сложность конструкции, обусловленная большим количеством прецизионных деталей, и, следовательно, высокая стоимость.A known design of an angular acceleration sensor with a liquid rotor (US 3520196 G01P 15/08, 1970), in which angular acceleration is converted into an electrical signal. This device contains a toroidal casing filled with a non-conductive fluid that acts as a fluid rotor (inertial element). As a sensitive element (sensor), an electromechanical system is used, consisting of a permanent magnet, a movable inductor, mechanically connected to the valve, one end of which is placed in the gap of the toroidal housing and reacts to the angular movement of fluid in the housing. The other end of the shutter is used to convert angular displacement into an electrical signal proportional to angular acceleration. The disadvantages of this device are the presence of a movable inductor, which reduces the reliability of the device, as well as the complexity of the design, due to the large number of precision parts, and, therefore, high cost.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является датчик угловых ускорений с жидкокостным ротором (RU 2469337, G01P 15/08), содержащий чувствительный элемент и тороидальный корпус, заполненные электропроводной жидкостью, выполняющей функцию жидкого ротора (инерционного элемента). Чувствительный элемент представляет собой цилиндр, выполненный из диэлектрического материала, в котором диаметрально-противоположно расположены контактирующие с жидкостью металлические электроды. В плоскости, перпендикулярной электродам, на цилиндре установлены сверху и снизу обмотки возбуждения, запитываемые двухполярным стабилизированным током, тороидальный корпус присоединен соосно к цилиндру чувствительного элемента с образованием кольцевой полости, заполненной жидкостью, при наличии углового ускорения электрический сигнал, пропорциональный его значению, снимается с электродов чувствительного элемента и подается на измерительное устройство. Недостатком такого устройства является ограниченный диапазон измерения угловых ускорений и малая чувствительность на нижних диапазонах измерений.Closest to the proposed invention is an angular acceleration sensor with a liquid rotor (RU 2469337, G01P 15/08) containing a sensing element and a toroidal housing filled with an electrically conductive liquid that acts as a liquid rotor (inertial element). The sensitive element is a cylinder made of a dielectric material in which metal electrodes in contact with the liquid are diametrically opposed. In a plane perpendicular to the electrodes, excitation windings are installed on the cylinder above and below, powered by a bipolar stabilized current, the toroidal housing is connected coaxially to the cylinder of the sensing element to form an annular cavity filled with liquid, in the presence of angular acceleration, an electrical signal proportional to its value is removed from the electrodes sensitive element and fed to the measuring device. The disadvantage of this device is the limited measurement range of angular accelerations and low sensitivity in the lower measurement ranges.

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика и расширение диапазона измерения угловых ускорений.The aim of the invention is to increase the sensitivity of the sensor and expand the measuring range of angular accelerations.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик угловых ускорений, состоящий из чувствительного элемента 1 и тороидального корпуса 2; на фиг. 2 - датчик угловых ускорений, вид сверху, где ω - направление действия углового ускорения; на фиг. 3 изображена функциональная схема устройства, с помощью которого осуществляется измерение углового ускорения, на фиг. 4 изображена конструкция чувствительного элемента.In FIG. 1 shows the proposed angular acceleration sensor, consisting of a sensitive element 1 and a toroidal housing 2; in FIG. 2 - a sensor of angular accelerations, a top view, where ω is the direction of action of angular acceleration; in FIG. 3 shows a functional diagram of a device by which angular acceleration is measured; FIG. 4 shows the design of the sensing element.

Чувствительный элемент (сенсор) 1 содержит цилиндр 3; Э1, Э2 - электроды; OB1, ОВ2 - обмотки возбуждения; V - скорость движения жидкости относительно цилиндра; ИУ - измерительное устройство; f - выходной сигнал, пропорциональный ускорению движения жидкости; I_зап - стабилизированный ток запитки (фиг. 3).The sensing element (sensor) 1 contains a cylinder 3; E1, E2 - electrodes; OB1, OB2 - field windings; V is the fluid velocity relative to the cylinder; IU - measuring device; f is the output signal proportional to the acceleration of fluid motion; I _zap - stabilized supply current (Fig. 3).

С целью расширения диапазона измерения угловых ускорений и повышения чувствительности цилиндр (фиг. 4) чувствительного элемента выполнен в виде сужающего устройства, переход от большего диаметра к меньшему осуществляется с помощью конфузора и диффузора, за счет чего происходит увеличение скорости протекания жидкости и, как следствие, повышение чувствительности датчика. На фиг. 4 электроды Э1, Э2 условно не показаны.In order to expand the range of measurement of angular accelerations and increase the sensitivity, the cylinder (Fig. 4) of the sensing element is made in the form of a constricting device, the transition from a larger diameter to a smaller one is carried out using a confuser and a diffuser, due to which there is an increase in the rate of fluid flow and, as a result, increasing the sensitivity of the sensor. In FIG. 4 electrodes E1, E2 are conventionally not shown.

Датчик угловых ускорений работает следующим образом.The angular acceleration sensor operates as follows.

При механическом воздействии - наличии углового ускорения относительно измерительной оси Y (фиг. 2), происходит движение кольцевой полости относительно инерционного элемента (жидкости внутри кольцевой полости).With mechanical action - the presence of angular acceleration relative to the measuring axis Y (Fig. 2), the movement of the annular cavity relative to the inertial element (fluid inside the annular cavity) occurs.

По закону электромагнитной индукции - в жидкости, движущейся в магнитном поле, наводится ЭДС:According to the law of electromagnetic induction, an EMF is induced in a fluid moving in a magnetic field:

где В - магнитная индукция;where is the magnetic induction;

ι - расстояние между электродами;ι is the distance between the electrodes;

V - скорость движения жидкости.V is the fluid velocity.

Электрический сигнал, пропорциональный ускорению, снимается с электродов Э1 и Э2 и подается на измерительное устройство ИУ (фиг. 3). С выхода измерительного устройства выдается сигнал, пропорциональный угловому ускорению. При изменении направления углового ускорения ω (фиг. 2) произойдет изменение направления движения жидкости и, соответственно, на выходе измерительного устройства изменится полярность выходного сигнала.An electrical signal proportional to the acceleration is removed from the electrodes E1 and E2 and fed to the measuring device IU (Fig. 3). A signal proportional to angular acceleration is output from the output of the measuring device. When the direction of angular acceleration ω (Fig. 2) changes, the direction of fluid motion changes and, accordingly, the output signal polarity changes at the output of the measuring device.

Таким образом, при механическом воздействии (вращении датчика относительно измерительной оси) рабочая жидкость начнет циркулировать внутри кольцевой полости и по закону электромагнитной индукции в жидкости, движущейся в магнитном поле, наводится ЭДС, электрический сигнал, пропорциональный ускорению, снимается с электродов и подается на измерительное устройство, а с выхода измерительного устройства выдается сигнал, пропорциональный угловому ускорению.Thus, during mechanical action (rotation of the sensor relative to the measuring axis), the working fluid will begin to circulate inside the annular cavity and, according to the law of electromagnetic induction, EMF is induced in the fluid moving in the magnetic field, an electrical signal proportional to acceleration is removed from the electrodes and fed to the measuring device , and a signal proportional to angular acceleration is output from the output of the measuring device.

Отличительными особенностями предлагаемого изобретения являются: отсутствие подвижных прецизионных частей, простота конструкции, низкая стоимость.Distinctive features of the invention are: the absence of movable precision parts, simplicity of design, low cost.

Claims

An angular acceleration sensor with a liquid rotor containing a sensing element and a toroidal housing filled with liquid and performing the function of a liquid rotor, characterized in that the sensitive element, which is a cylinder filled with a working fluid, is made in the form of a constricting device with a confuser and a diffuser that increase the speed of fluid flow made of a dielectric material in which electrodes in contact with liquid are diametrically opposed, in a plane, perpene on the circular plane of the electrodes, excitation windings powered by a bipolar stabilized current are installed on top and bottom, the toroidal housing is connected coaxially to the cylinder of the sensing element to form an annular cavity filled with working fluid, in the presence of angular acceleration, an electrical signal proportional to its value is removed from the electrodes of the sensing element and fed to the measuring device.