RU2778032C1 - Парамагнитный датчик - Google Patents
Парамагнитный датчик Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778032C1 RU2778032C1 RU2021113319A RU2021113319A RU2778032C1 RU 2778032 C1 RU2778032 C1 RU 2778032C1 RU 2021113319 A RU2021113319 A RU 2021113319A RU 2021113319 A RU2021113319 A RU 2021113319A RU 2778032 C1 RU2778032 C1 RU 2778032C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- paramagnetic
- winding
- working element
- displacement sensor
- linear displacement
- Prior art date
Links
- 230000005298 paramagnetic Effects 0.000 title claims description 15
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000002907 paramagnetic material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 13
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 10
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 210000003491 Skin Anatomy 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 3
- 210000003165 Abomasum Anatomy 0.000 description 2
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 description 2
- 230000001965 increased Effects 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 239000007779 soft material Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N Cesium Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005039 chemical industry Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002889 diamagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic Effects 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002707 nanocrystalline material Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- 229910000889 permalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике. Датчик содержит обмотку и незамкнутый сердечник, выполненный из набора изолированных пластин из материала с высоким значением относительной магнитной проницаемости, обмотка при этом выполняет функции возбуждения и измерения, рабочий элемент перемещается поперек обмотки с сердечником, которые расположены поперечно перемещению рабочего элемента, рабочий элемент может быть выполнен как из магнитомягкого материала, так и из парамагнетика, датчик может быть помещен в замкнутый металлический немагнитный корпус. Технический результат – упрощение конструкции, повышение надежности, расширение функциональных возможностей датчика. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для контроля положения движущихся частей в широких областях техники, изобретение создавалось для контроля уровня жидкости в баках ракет-носителей (РН), суть изобретения в создании долговечного, наиболее простого и надежного датчика поплавкового типа, в котором алюминиевый поплавок используется как рабочий элемент (РЭ) из парамагнитного материала, взаимодействующий с магнитным полем катушки индуктивности, уменьшение индуктивности при взаимодействии является полезным сигналом, без каких-либо других элементов, имеющих ограничения по надежности и сроку эксплуатации.
Известны измерители уровня, имеющие в качестве чувствительного элемента емкостный датчик (см. патенты RU 2622730 С2, кл. B64D 37/00, G01F 23/00, B64G 1/66; RU 2499232 С1, МПК G01F 23/26; RU 2445584 С1, МПК G01F 23/26; RU 2384481 С1, МПК B64D 37/00, G01F 23/00, G01F 23/26; RU 2650783 С1, МПК: G01F 23/26, G01F 23/265, G01F 23/266), емкость которого изменяется при наличии диэлектрической жидкости. Выводы проводников во внутрь емкости не всегда возможны, если жидкость агрессивная и срок эксплуатации весьма велик, требуются согласующие устройства для формирования выходного сигнала. Емкость является косвенным фактором, по которому можно судить об уровне жидкости с определенными допущениями, высокоточное устройство измерения уровня создать весьма проблематично.
Известен дискретный датчик на герконах (см. патенты RU 2292017 С1, МПК G01F 23/62), требующий наличия магнита в конструкции поплавка, герконы имеют гистерезисную характеристику и чувствительны к величине и распределению магнитного поля от рабочего элемента, применимые для индикации и исключающие создание высокоточных измерительных систем, а также не имеют достаточной надежности при ударных воздействиях и сильных вибраций.
Известен магнитострикционный датчик (RU 2710008 С1, МПК G01F 23/68), требующий электронной схемы для возбуждения и измерения временных и линейных параметров непосредственно на струне, который в режиме сильных вибраций и ударных воздействий может иметь ложные показания. Электронная схема возбуждения и измерения полезного сигнала имеет ограниченный срок эксплуатации.
Известны индуктивные датчики различного назначения, имеющие катушку с одной или несколькими обмотками и рабочий элемент из магнитомягкого (ферромагнитного) материала (RU 2624844 С2, МПК G01B 7/00; RU 2589945 С1, МПК G01B 7/00, G01D 5/22; RU 2327103 С2. МПК G01B 7/04; RU 195552 U1 МПК G01B 7/00)
Известно устройство контроля магнитной восприимчивости среды (RU 163337 U1, МПК G01R 33/16), содержащее две компенсационные и приемную катушки, размещенные параллельно друг другу в одной плоскости и направленные перпендикулярно поверхности исследуемой среды.
Наиболее близким аналогом является индукционный датчик линейных перемещений (RU 2589945 С1, МПК G01B 7/00, G01D 5/22), содержащий две измерительные и одну возбуждающую обмотки, намотанных на каркас из немагнитного материала, сердечник, выполненный из магнитомягкого материала, который соединен механически с контролируемым объектом посредством немагнитного штока. Недостатком данного датчика является большое количество обмоток и невозможность применения в герметичных корпусах из-за того, что сердечник должен перемещаться относительно обмоток.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача расширить функциональные возможности за счет использования внешнего рабочего элемента, который может быть выполнен как из магнитного, так и немагнитного материала, например парамагнетика.
Поставленная задача решается тем, что датчик, фиг. 1, 2, имеет катушку индуктивности, которая содержит обмотку 1 и незамкнутый сердечник 2, выполненный из набора изолированных пластин из материала с высоким значением относительной магнитной проницаемости, обмотка при этом выполняет функции возбуждения и измерения, рабочий элемент 3 может перемещаться поперек обмотки с сердечником, при этом рабочий элемент может охватывать обмотку с сердечником с торцев, которые расположены поперечно перемещению рабочего элемента, рабочий элемент может быть выполнен как из магнитомягкого материала, так и из парамагнетика, датчик может быть помещен в замкнутый металлический немагнитный корпус 4, фиг. 3. Катушка индуктивности запитывается источником переменного тока или напряжения 5, через активное или реактивное сопротивление нагрузки 6, полезный сигнал получают на измерительном устройстве 7.
Преимущество данного технического решения заключается в простоте конструкции, повышении надежности и расширении функциональных возможностей.
Датчики могут быть применены в дискретном уровнемере и помещены в единый герметичный корпус из немагнитного материала, рабочий элемент, поплавок, может быть выполнен подвижный снаружи герметичного корпуса, из парамагнетика, например алюминиевого сплава, или может быть выполнен из неметаллического материала и содержать вставки из парамагнитного материала - алюминия, вольфрама, цезия, платины, хрома, ниобия.
Датчик работает следующим образом: на обмотку через нагрузочное сопротивление 6, подается возбуждающий ток переменной частоты от источника 5, обмотка с разомкнутым сердечником образуют индуктивность, которая изменяется (уменьшается) при перемещении рабочего элемента 3 относительно торца катушки с сердечником, полезный сигнал на измерительном устройстве 7 получают либо с нагрузочного сопротивления 6, либо с обмотки, при этом датчики могут быть включены всеми известными способами мостовых и квадратурных схем с выделением фаз выходных сигналов.
Полезный сигнал с датчика в виде изменяющейся индуктивности в данном датчике порождается парамагнитной магнетизацией (восприимчивостью) парамагнитного материала, слабые значения парамагнитной магнетизации рабочего элемента усиливаются сердечником (как магнитной антенной) из материала с большим значением магнитной проницаемости и приводит к эффекту уменьшения индуктивности до 20-50% в зависимости от геометрии и вида парамагнетика.
Сердечник может быть выполнен из пермаллоевых сплавов типа 50НМА, 81НМА, имеющих относительную магнитную проницаемость до 120000, или из нанокристаллических материалов (Ю.Н. Стародубцев, В.Я. Белозеров, Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов, издательство Уральского университета, Екатеринбург, 2002).
Большой диапазон изменения индуктивности упрощает конструкцию измерительной системы и повышает точность измерений.
Характерный сигнал датчика в виде функции относительного изменения индуктивности при прохождении рабочего элемента приведен на фиг. 4, позволяет производить высокоточную привязку уровня сигнала к перемещению рабочего элемента.
Полезный сигнал не возникает, если рабочий элемент выполнен из диамагнитного материала, такого, как например медь и ее сплавы.
Полезный сигнал с датчика в виде увеличивающейся индуктивности в данном датчике возникает в случае выполнения рабочего элемента из магнитомягкого материала, при этом должно быть замыкание магнитной цепи.
Применение парамагнетиков в рабочем элементе не требует замыкания магнитной цепи, выбранная толщина парамагнетика должна быть не меньше толщины скин-слоя для заданной рабочей частоты тока возбуждения, уменьшение индуктивности происходит за счет взаимодействия обмотки с разомкнутым сердечником с высоким значением магнитной проницаемости и энергии парамагнитной магнетизации в объеме скин-слоя.
Относительное изменение индуктивности обеспечивает стабильность и высокую точность измеряемых пространственных параметров и определяется из соотношения:
где Lп - индуктивность с парамагнитным взаимодействием;
Lк - индуктивность обмотки с разомкнутым сердечником без парамагнитного взаимодействия;
μ - относительная магнитная проницаемость материала сердечника;
μэ - эквивалентная относительная магнитная проницаемость разомкнутого сердечника;
Vкат - объем магнитного поля, определяемый обмоткой;
Vск - объем скин-слоя при проникновении переменного магнитного поля в материал рабочего элемента, вычисляется интегрированием по распределению магнитного поля.
Формула (1) хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Комбинирование в рабочем элементе парамагнитных и магнитомягких материалов дает принципиально новые возможности в создании измерительных устройств для измерения уровня, линейных координат, углового положения и т.д.
Герметичный корпус может быть выполнен из немагнитной нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т, что позволяет применять датчик в космической и авиационной технике, химической промышленности для любых видов топлива и жидкостей при различных внешних условиях с неограниченным сроком эксплуатации, с высокой надежностью, точностью и стабильностью.
Claims (7)
1. Парамагнитный датчик линейных перемещений, содержащий источник переменного тока или напряжения, один выход которого соединен с катушкой индуктивности, состоящей из обмотки, намотанной на незамкнутый сердечник, выполненный из набора изолированных слоев или сплошного ферромагнитного материала с высоким значением относительной магнитной проницаемости, второй вывод катушки индуктивности соединен с нагрузкой с активным или реактивным сопротивлением, второй вывод нагрузки соединен со вторым выводом источника переменного тока или напряжения, измерительное устройство, фиксирующее результат по заданному уровню сигнала, подключенное в соединение выхода нагрузки с катушкой индуктивности, рабочий элемент, имеющий возможность перемещаться вдоль направляющей, отличающийся тем, что катушка индуктивности ориентирована своей осью перпендикулярно направляющей для рабочего элемента, рабочий элемент содержит парамагнитный материал, например алюминий или его сплавы.
2. Парамагнитный датчик линейных перемещений по п. 1, отличающийся тем, что обмотка выполняет функции возбуждения и измерения.
3. Парамагнитный датчик линейных перемещений по п. 1, отличающийся тем, что обмотка может состоять из нескольких частей: обмотки возбуждения и обмотки измерения.
4. Парамагнитный датчик линейных перемещений по п. 1, отличающийся тем, что рабочий элемент может охватывать катушку индуктивности с торцов.
5. Парамагнитный датчик линейных перемещений по п. 1, отличающийся тем, что в качестве направляющей может использоваться корпус.
6. Парамагнитный датчик линейных перемещений по п. 5, отличающийся тем, что корпус может быть выполнен герметизированным.
7. Парамагнитный датчик линейных перемещений по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нагрузки может использоваться одна или несколько катушек индуктивности, размещенных в одном корпусе.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2778032C1 true RU2778032C1 (ru) | 2022-08-12 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1265489A1 (ru) * | 1985-04-24 | 1986-10-23 | Свердловский Ордена Трудового Красного Знамени Горный Институт Им.В.В.Вахрушева | Датчик вибраций |
| DE102007015195A1 (de) * | 2007-03-29 | 2008-10-09 | Cherry Gmbh | Drehwinkelsensor oder Längensensor |
| RU2589945C1 (ru) * | 2015-03-10 | 2016-07-10 | Открытое акционерное общество "Павловский машиностроительный завод ВОСХОД"- ОАО "ПМЗ ВОСХОД" | Индукционный датчик линейных перемещений |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1265489A1 (ru) * | 1985-04-24 | 1986-10-23 | Свердловский Ордена Трудового Красного Знамени Горный Институт Им.В.В.Вахрушева | Датчик вибраций |
| DE102007015195A1 (de) * | 2007-03-29 | 2008-10-09 | Cherry Gmbh | Drehwinkelsensor oder Längensensor |
| RU2589945C1 (ru) * | 2015-03-10 | 2016-07-10 | Открытое акционерное общество "Павловский машиностроительный завод ВОСХОД"- ОАО "ПМЗ ВОСХОД" | Индукционный датчик линейных перемещений |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0855018B1 (en) | Inductive sensor for monitoring fluid level and displacememt | |
| RU2554592C2 (ru) | Способ и устройство для регистрации магнитных полей | |
| JP6272500B2 (ja) | 磁気流量計のための改善された磁性コア構成 | |
| RU2778032C1 (ru) | Парамагнитный датчик | |
| CN111103039B (zh) | 油箱油位传感器 | |
| Meydan et al. | Linear variable differential transformer (LVDT): linear displacement transducer utilizing ferromagnetic amorphous metallic glass ribbons | |
| EP1978641A1 (en) | Method for compensation of temperature dependent variation of coil resistance and inductive proximity swich using said method | |
| Ripka et al. | Contactless piston position transducer with axial excitation | |
| Babu et al. | A wide range planar coil based displacement sensor with high sensitivity | |
| CN101876526B (zh) | 一种位移传感测量的方法和位移传感装置 | |
| JP4115036B2 (ja) | 液面検出装置 | |
| Mirzaei et al. | Temperature influence on position transducer for pneumatic cylinder | |
| US11859491B2 (en) | Low power water cut sensing | |
| JPH06180242A (ja) | センサつき面積式流量計および流量計測方法 | |
| RU2234102C2 (ru) | Способ определения диэлектрических параметров воды и ее растворов в низкочастотной области с помощью l-ячейки | |
| RU2367902C1 (ru) | Индуктивный датчик перемещений | |
| RU2630716C2 (ru) | Комбинированный магниторезистивный датчик | |
| Veeraian et al. | Analysis of fractional order inductive transducers | |
| Gruber et al. | Linear Variable Differential Transformer in Harsh Environments-A Displacement and Thermal Study | |
| EP3971533A1 (en) | Sensor system and method for position or angle detection | |
| Kuhnen et al. | Exploitation of inherent sensor effects in magnetostrictive actuators | |
| Ismail et al. | Measurement of very low concentration of electrolytic solution by a novel contactless eddy-current sensor | |
| Mungle et al. | The equation of motion, impedance, and equivalent circuit model for a magnetoelastic resonance sensor | |
| RU2208762C1 (ru) | Амплитудно-фазовый трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом | |
| SU1262291A1 (ru) | Устройство дл определени границы раздела сред |