Электромагнитный измерительный механизм

 

Использование: щитовые приборы. Сущность изобретения: ферромагнитный сердечник выполнен со спиральным разрезом, расположенным в трех квадратах. Форма разреза такова, что при любом положении сердечника выполняется определенное соотношение произведения площади на координату ее центра масс. 4 ил. 2 табл.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при производстве щитовых электроизмерительных приборов переменного тока.

Изобретение направлено на решение задачи снижения потребляемой мощности щитового электроизмерительного прибора с электромагнитным измерительным механизмом при сохранении линейной зависимости между углом отклонения его подвижной части и величиной измеряемого сигнала.

Известен щитовой электроизмерительный прибор, содержащий корпус, электрическую схему, измерительный механизм, состоящий из плоской катушки в экране, подвижной части, установленной на оси в опорах, включающей в себя стрелку, успокоитель и ферромагнитный сердечник, входящий в щель катушки и выполненный в виде усеченного круглого диска, эксцентрично закрепленного на оси подвижной части (см. например, Бишард Е.Г. Киселева Е.А. Лебедев Г.П. и др. Аналоговые электроизмерительные приборы. Учебн. пособие для ВУЗов, М. Высшая школа, 1991, с.95-102).

Недостатком данного аналога является то, что для обеспечения линейного характера зависимости между углом отклонения подвижной части и входным сигналом в круглом диске отрезают по краям или вырезают внутри него отдельные части. Так как сердечник является якорем в измерительном механизме, то удаление из него ферромагнитных частей приводит к уменьшению тяговых усилий, снижению чувствительности и повышению потребляемой мощности.

Известен также щитовой электроизмерительный прибор, измерительный механизм которого помимо плоской катушки содержит также дополнительную обмотку управления, установленную за основной катушкой и подключенную в электрическую схему прибора с помощью управляемых контактов (авт.св. N 1291883, кл. G 01 R 5/14, 1987), использованием которой добиваются повышения чувствительности на любом участке шкалы. Поэтому данное техническое решение может быть использовано для снижения потребляемой мощности прибора при сохранении линейного характера его шкалы.

Недостатком этого аналога можно считать то, что наличие дополнительной обмотки управления и управляемых контактов усложняет конструкцию измерительного механизма и его электрическую схему.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа щитовой электроизмерительный прибор переменного тока (см. Е.Г.Бишард, Киселев Е.А. Лебедев Г.П. и др. Аналоговые электроизмерительные приборы. Учебн. пособие для ВУЗов, М. Высшая школа, 1991, с.95-102), содержащий корпус, электрическую схему, измерительный механизм, состоящий из плоской катушки в экране, подвижной части, установленной на оси в опорах, включающей в себя стрелку, успокоитель и ферромагнитный сердечник, входящий в щель катушки и выполненный в виде круглого усеченного диска, эксцентрично закрепленного на оси.

Недостатком прототипа является высокое потребление мощности, обусловленное тем, что для обеспечения линейного характера зависимости между угловым положением подвижной части и значением входного электрического сигнала круглый диск сердечника отсекают, выбрасывая тем самым из взаимодействия необходимую ферромагнитную массу.

Целью изобретения является снижение потребляемой мощности щитового электроизмерительного прибора при сохранении линейного характера шкалы за счет более полного использования ферромагнитной массы круглого диска сердечника измерительного механизма.

Цель достигается тем, что в сердечнике выполнен разрез, начинающийся при отсутствии измеряемого сигнала в катушке прибора от пересечения линии среза катушки (здесь и далее линией среза катушки является проекция на горизонтальную плоскость движения сердечника вертикальной плоскости крепления катушки к обойме) и дальнего от оси края сердечника и имеющего такую форму, что при любом положении сердечника, при повороте подвижной части под действием измерительного сигнала, сумма произведения площади части сердечника, находящейся за линией среза катушки и слева от разреза на координату центра масс этой площади, и произведения аналогичной площади, находящейся справа от разреза на соответствующую координату ее центра масс, постоянна.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки: снижение потребляемой мощности достигается за счет более полного использования круглого диска сердечника без изъятия каких-либо частей сердечника; линеаризация зависимости между углом отклонения подвижной части и входным электрическим сигналом достигается нанесением на круглый диск сердечника определенной формы разреза.

Признаки, указанные в отличительной части формулы изобретения, позволяют снизить потребляемую мощность прибора при линейной шкале, потому что используется более полно магнитная масса сердечника, а линейность достигается внесением разреза диска сердечника.

Граничным значением для линейности шкалы является соблюдение постоянства суммы произведения площади части сердечника, находящейся за линией среза катушки и слева от разреза, на координату центра масс этой площади, и произведения аналогичной площади, находящейся справа от разреза, на соответствующую координату ее центра масс.

По имеющимся у авторов сведениям, совокупность существующих признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат новое свойство совокупности признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована при производстве щитовых электроизмерительных приборов со сниженной потребляемой мощностью, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 показан ферромагнитный сердечник с катушкой измерительного механизма в статике; на фиг.2 ферромагнитный сердечник с катушкой измерительного механизма в динамике; на фиг.3 геометрическая форма моделирования разреза; на фиг.4 графики зависимостей ϕ= f(U) и ϕ= f(I).

Щитовой электроизмерительный прибор переменного тока содержит корпус, электрическую схему, измерительный механизм, состоящий из плоской катушки 1 с экраном, подвижной части, установленной в опорах оси 2, включающей в себя стрелку, успокоитель и ферромагнитный сердечник 3, входящий в щель катушки и выполненный в виде круглого диска, эксцентрично закрепленного на оси 2, с криволинейным разрезом 4, начинающимся при отсутствии измеряемого сигнала в катушке 1 от пересечения линии среза 5 (проекция на горизонтальную плоскость движения сердечника вертикальной плоскости крепления катушки к обойме прибора), катушки 1 и дальнего от оси края сердечника 3.

Предлагаемый прибор работает следующим образом. При отсутствии входного электрического сигнала сердечник 3, эксцентрично закрепленный на оси 2, развернут так, что часть его входит в щель плоской катушки 1, когда в катушку подан электрический сигнал, в катушке наводится электромагнитное поле, взаимодействующее с ферромагнитной массой части сердечника 3, стремящееся втянуть ее внутрь катушки 1, где поле наиболее сильное. При этом, учитывая, что сердечник 3 закреплен в точке, заданное взаимодействие будет вызывать разворот сердечника, где сила втягивания сердечника в рабочий зазор катушки будет определяться объемом ферромагнитной массы введенной части сердечника и величиной входного тока, развивающего магнитный поток в рабочем зазоре катушки 1 напряженноcтью Н. Для случая прибора с плоской катушки и дискового сердечника, изготовленного из металла с высокой магнитной проницаемостью, в формировании вращающего момента, как известно, участвует только вертикальная составляющая поля Н_х, которую нужно рассматривать лишь для точек сердечника внутри катушки.

Учитывая, что движение сердечника для различных значений входного сигнала уравновешивается пружиной с постоянным противодействующим моментом, характер градуировочной зависимости прибора определяется характером изменения вращающего момента, формируемого в электромагнитной системе прибора.

Величина момента силы определяется расстоянием от точки крепления до линии действия силы (в данном случае линия действия силы параллельна Н_х).

Так как сердечник является круглым диском с малой толщиной, то объем ферромагнитной массы будет определяться площадью этого диска. Тогда вращающий момент будет определяться статическим моментом площади части ферромагнитного сердечника, введенного за линию среза катушки, и величиной входного тока.

Составляющие Н_х магнитного поля (в процессе намагничивания сердечника), встречая разрез, проходят по меньшему магнитному сопротивлению, образуя за разрезом площадь ферромагнитного сердечника, через которую проходят составляющие магнитного поля, не параллельные Н_х, и слабее основного магнитного потока Н_х, откуда площадь сердечника, находящаяся за разрезом, не определяет характер вращающего момента сердечника и она не учитывается для расчета статического момента.

Моделируя разрез таким образом, чтобы суммарный статический момент площадей 6, через которые проходят составляющие Н_х, был постоянным, достигается линейность шкалы прибора.

Моделирование разреза производится следующим образом Из формулы изобретения следует, что М₁ + М₂ const, (1) где М_i, i 1, 2 статические моменты площадей 6, равные M_i= cosϕdD где D область интегрирования, ограниченная линиями ρ= f(U); ρ- радиус-вектор; ϕ угол в системе полярных координат.

Имея уравнения линий (в системе полярных координат, ось которой повернута на 180^о): круглого диска 9 (фиг.3), среза катушки 5, разреза 10 и линии 11, представляющей Н_х, решается второй интеграл в М_i ρ_ДИСК= 4,41cos(ϕ-(199,87-ϕ_т))+ ρ_СРЕЗ ρ_РАЗР = M_i= (ρ³_i-ρ³_i-1)dϕ где γ угол наклона разреза в полярной системе координат; ϕ_т угол поворота сердечника; ρ₇; ϕ₇ координаты точки 7 начала разреза; ρ₈; ϕ₈ координаты точки 8 пересечения ρ_разр и ρ_срез при первом повороте сердечника ρ₈; ϕ₈ ρ₇;ϕ₇.

Дифференцируя 1 по ϕ_т, тем самым приводя const к нулю и математически представляя то, что при любом приращении ϕ_т приращения дифференцируемой функции не происходит, находится значение γ для ϕ_т.

Полученные в процессе экспериментов над серийными приборами витебского завода электроизмерительных приборов типа 38030 ТУ 25-04. 4050-81 с различными формами сердечников, в том числе и с заявляемым в изобретении, были получены данные, которые отражают преимущества заявляемого изобретения.

Данные из табл. 1 показывают характер шкалы приборов относительно основных градуируемых точек прибора.

Данные из табл. 2 показывают значение угла отклонения подвижной части приборов при различных значениях входного электрического сигнала I.

Графики зависимостей ϕ= f(U) и ϕ f(I) на фиг.4 показывают, что максимальное относительное отклонение градуировочной характеристики 12 заявляемого прибора от градуировочной характеристики 13 прототипа равно 5,4% потребление тока предлагаемым прибором почти в два раза меньше потребления прототипом.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при производстве щитовых электроизмерительных приборов и в сравнении с прототипом прибор обладает следующим преимуществом малой потребляемой электрической мощностью при сохраненной линейности шкалы.

Изобретение представляет значительный интерес для приборостроительных предприятий, так как позволит выпускать прибор с малой потребляемой мощностью. При этом снижение потребляемой мощности позволяет упростить электрическую схему прибора за счет исключения добавочного сопротивления, компенсирующего мощность рассеивания на приборе; снизить стоимость прибора за счет замены дорогостоящей термореактивной пластмассы корпуса на более дешевую термопластичную; уменьшить габаритные размеры прибора.

Предлагаемое изобретение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, содержащий плоскую катушку и эксцентрично установленный на оси подвижный круглый ферромагнитный сердечник, отличающийся тем, что в сердечнике выполнен криволинейный разрез, расположенный в трех квадрантах сердечника и пересекающий в исходном положении его внешний контур в точке пересечения внешнего контура с боковой плоскостью катушки, причем в исходном и рабочем положениях сумма произведения площади части сердечника, находящейся в катушке и слева от разреза, на координату центра масс этой части сердечника и произведения площади части сердечника, находящейся в катушке и справа от разреза, на координату центра масс этой части сердечника постоянна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5