Датчик параметров вращения

 

Датчик предназначен для использования в различных областях промышленности для определения угла поворота и скорости вращения. Датчик содержит два плоских вращающихся электромагнитных экрана с щелевыми прорезями. Экраны размещены в зазорах между неподвижными фланцами с измерительными обмотками и неподвижным фланцем с обмоткой возбуждения. На фланцах с измерительными обмотками размещены чувствительные к изменению магнитного потока элементы. Чувствительные элементы выполнены в виде концентрических колец из полосок магнитной пленки. Полоски имеют сквозные отверстия. Витки измерительной обмотки продеты через отверстия. Полоски установлены в кольцах в шахматном порядке с шагом, равным ширине прорези экрана. Расстояние между полосками магнитной пленки меньше длины полоски. Датчик позволяет с высокой точностью и чувствительностью измерять скорость вращения в широком диапазоне ее изменения. 3 з. п.ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в различных областях промышленности для определения угла поворота и скорости вращения валов машин и механизмов.

Известен датчик угловой скорости вращения вала, содержащий обмотки возбуждения и измерительную, между которыми расположены электромагнитный щелевой экран, закрепленный на валу, и щелевой электромагнитный экран, установленный неподвижно на торце статора (А.С. СССР N 794525 МКИ G 01 P 3/488 1986 г.).

Недостатком данного устройства является низкая чувствительность, обусловленная значительной индуктивностью.

Известен датчик параметров вращения, содержащий кольцевую обмотку возбуждения и измерительную обмотку, размещенные на двух неподвижных немагнитных неэлектропроводных фланцах, ротор с одним плоским щелевым электромагнитным экраном, установленным между обмотками, чувствительный к изменению магнитного потока элемент в виде концентрических колец из полосок магнитной пленки с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), имеющих сквозные отверстия, через которые продеты витки измерительной обмотки, а полоски магнитной пленки установлены в шахматном порядке с шагом, равным ширине прорези электромагнитного экрана, связанного с контролируемым объектом. (Патент РФ N 2000574 МКИ G 01 P 3/488 1994 г.).

Недостатком данного устройства является невысокая чувствительность при небольших оборотах вала, недостаточный уровень амплитуды выходного сигнала и отсутствие реперных импульсов.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения чувствительности, увеличение амплитуды выходного сигнала и образование реперных импульсов.

Указанная задача решается тем, что слева и справа от неподвижного фланца с обмоткой возбуждения расположены неподвижные фланцы с измерительными обмотками и чувствительными элементами в виде полосок магнитной пленки с расстоянием между ними меньше длины полоски магнитной пленки, в зазорах между фланцем с обмоткой возбуждения и фланцами с измерительными обмотками установлен ротор с двумя плоскими щелевыми электромагнитными экранами, один из которых находится в зазоре слева, а второй - в зазоре справа от обмотки возбуждения.

Указанная задача решается тем, что чувствительный к изменению магнитного потока элемент выполнен в виде полосок сложенной в несколько слоев магнитной пленки.

Указанная задача решается тем, что система полосок магнитной пленки, расположенная на одном фланце, сдвинута относительно системы полосок магнитной пленки, расположенной на другом фланце, на угол, равный одной четвертой части углового шага полосок магнитной пленки.

Указанная задача решается тем, что один плоский щелевой электромагнитный экран сдвинут относительно другого плоского щелевого электромагнитного экрана на угол, равный одной четвертой части углового шага полосок магнитной пленки.

Указанная задача решается тем, что в однокольцевых фланцах с измерительными обмотками полоски магнитной пленки на одном фланце по отношению полосок магнитной пленки другого фланца сдвинуты на угол, равный половине шага полосок магнитной пленки.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения заключается в том, что предложенная конструкция датчиков параметров вращения позволяет: с высокой точностью и чувствительностью измерять скорость вращения вала в широком диапазоне ее изменения от 0 до 10000 об/мин и выше, за счет того, что слева и справа от неподвижного фланца с обмоткой возбуждения расположены неподвижные фланцы с измерительными обмотками и чувствительными элементами в виде полосок магнитной пленки с расстоянием между ними меньше длины полоски магнитной пленки; что система полосок магнитной пленки, расположенная на одном фланце, сдвинута относительно системы полосок магнитной пленки, расположенной на другом фланце, на угол, равный одной четвертой части углового шага полосок магнитной пленки; что один плоский щелевой электромагнитный экран сдвинут относительно другого плоского щелевого электромагнитного экрана на угол, равный одной четвертой части углового шага полосок магнитной пленки.

установить большой уровень амплитуды выходного сигнала, за счет того, что чувствительный к изменению магнитного потока элемент выполнен в виде полосок сложенной в несколько слоев магнитной пленки.

создать реперные (счетные) импульсы, за счет того, что чувствительный элемент в виде полосок магнитной пленки с измерительными витками расположен на неподвижном фланце с расстоянием между полосками магнитной пленки меньше длины полоски магнитной пленки, уменьшить габариты конструкции, за счет того, что в однокольцевых фланцах с измерительными обмотками полоски магнитной пленки на одном фланце по отношению полосок магнитной пленки другого фланца сдвинуты на угол, равный половине шага полоски магнитной пленки.

измерять скорость вращения вала при небольших ее значениях по числу импульсов, частота которых равна частоте питающего датчик высокочастотного генератора, заключенных между реперными импульсами; а средние и высокие значения скорости определяются по числу реперных импульсов на оборот вала, выполняющих в этом случае функции счетных импульсов.

На фиг. 1 изображена конструкция датчика параметров вращения в разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А; на фиг. 3 - участок Б на фиг. 1 увеличенный в два раза; на фиг. 4 - схематичный вид ферромагнитной пленки с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), имеющей два слоя, и часть фланца с витками и выводами; на фиг. 5 - расположение полосок магнитной пленки в шахматном порядке на фланце; на фиг. 6 - расположение полосок магнитной пленки на двух противоположных фланцах, когда система магнитных пленок, расположенная на одном фланце, сдвинута относительно системы магнитных пленок, расположенных на другом фланце; на фиг. 7 изображены возможные варианты расположения витков измерительной обмотки, пронизывающих полоски магнитной пленки, и расположение пленок, когда расстояние между ними меньше длины полоски магнитной пленки; на фиг. 8.1 показана линейная развертка расположения полосок магнитной пленки двухкольцевого фланца; на фиг. 8.2 - временная диаграмма после детектирования ЭДС измерительной обмотки полосок магнитной пленки одного кольца фланца; на фиг. 8.3 - временная диаграмма после детектирования ЭДС измерительной обмотки полосок магнитной пленки второго кольца того же фланца; и на фиг. 8.4 - временная диаграмма результирующей ЭДС с реперными импульсами на выходе датчика.

На фиг. 9.1-9.3 показан процесс удвоения реперных импульсов, основанный на том, что система полосок магнитной пленки одного фланца сдвинута относительно системы полосок магнитной пленки другого фланца на угол, равный одной четвертой части углового шага полосок магнитной пленки.

Датчик параметров вращения содержит: вал 1 вращения, опоры 2, на которые неподвижно установлены фланцы 4, 15. На фланце 3 имеется кольцевой паз 5, в котором размещены провода намагничивающей катушки 6 с выводом 7. На валу 1 жестко закреплен ротор, состоящий из двух электромагнитных экранов 8 из диамагнитного проводящего материала (например, медь) с щелевыми прорезями 9. На фланцах 4, 15 на определенном расстоянии от центра размещены магнитные пленки 10 с ППГ в виде полосок, расположенные в кольцевых пазах 11. Магнитные пленки 10 имеют отверстия 12 и эти пленки уложены в кольцевой паз 11 в виде пакета в один или несколько слоев: 10-1, 10-2, ... 10-i (здесь i=1,2,.. .n, где n - число слоев магнитной пленки).

Отверстия 12 расположены дискретно по длине полоски магнитной пленки 10, фланцев 4, 15 и через эти отверстия 12 магнитной пленки 10 и фланцев 4, 15 продеты витки измерительной обмотки 13 с выводами 14.

Датчик работает следующим образом.

От генератора высокой частоты (на фиг. 1 он не указан) через выводы 7 в намагничивающую катушку 6 поступает ток высокой частоты. Генератор высокой частоты для повышения точности может быть стабилизирован по частоте. При протекании тока по проводам катушки 6 вокруг нее образуется высокочастотное магнитное поле. Магнитный поток проходя через щелевые прорези 9 электромагнитного экрана 8 попадает в рабочий зазор между фланцами 3-4, 3-15 и замыкается через полоски магнитной пленки 10. В витках измерительных обмоток 13 фланцев 4, 15 наводится электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС не будет наводиться в обмотках 13, если витки экранируются зубцами электромагнитного экрана 8. Электромагнитный экран 8 вращается, щелевая прорезь 9 набегает на полоски магнитной пленки 10 с измерительными витками 13, вследствие этого происходит движение доменных границ вдоль полоски магнитной планки 10. При перемагничивании участка полоски магнитной пленки 10, например, длиной - "а", равной ширине витка, на этом участке происходит скачкообразное изменение магнитного потока.

Ф=B·S=B·a·h, где B - магнитная индукция; S - площадь витка полоски магнитной пленки 10; a - ширина витка; h - толщина одной полоски магнитной пленки 10.

Если полоски магнитной пленки 10 уложены в несколько слоев, то значение магнитного потока.

Ф=B·S·m, где m - количество слоев магнитной пленки 10.

В результате в витке измерительной обмотки 13 от скачка магнитного потока на участке шириной "a" будет наводиться ЭДС в витках одного фланца

где
K - коэффициент пропорциональности,
а в витках от двух фланцев при последовательном соединении выводов полосок магнитных пленок 10 этих фланцев

Если полоска магнитной пленки 10 длиной "l" имеет "n" витков, то при вращении экрана 8 получим "n" импульсов ЭДС. Когда зубцы экрана 8 перекрывают (экранируют) переменный магнитный поток, созданный током катушки 6, то в витках измерительной обмотки 13 ЭДС не наводится.

Для создания датчиков малых размеров по диаметру их выполняют с малым (одним) количеством колец на измерительных фланцах. И тогда в целях образования реперных импульсов в таких малокольцевых измерительных фланцах полоски магнитной пленки 10 в кольцевых пазах 11 одного фланца по отношению полосок магнитной пленки 10 другого фланца сдвинуты на угол, равный половине шага полоски магнитной пленки 10.

Для образования реперных (счетных) импульсов полоски магнитной пленки 10 расположены в пазах 11 на фланцах 4, 15 в шахматном порядке так, что расстояние между полосками магнитных пленок 10 меньше ее длины (фиг. 8.1). Благодаря такому расположению пленок 10 ЭДС, наведенная в концевых витках 13-1 и 13-2 пленок 10 (фиг. 7), дает ЭДС (фиг. 8.2-8.3), а их сумма - удвоенное значение ЭДС (фиг. 8.4). А от двух фланцев 4, 15 - учетверенное значение ЭДС.

e_p = 4e_L, (5)
где
e_L - сигнал от одной измерительной системы.

Для увеличения числа реперных импульсов в два раза по сравнению с полученными значениями (фиг. 8.4) и точного расположения новых реперных импульсов посередине между имеющимися реперными импульсами выполнено следующее конструктивное решение. Система полосок магнитной пленки 10, расположенных на одном фланце, сдвинута относительно системы полосок магнитной пленки 10, расположенных на другом фланце, на угол, равный одной четвертой части углового шага (. .., фиг. 9.1 и фиг. 9.2) полосок магнитной пленки 10 (фиг....), где угловой шаг ... пропорционален линейному шагу ... полосок магнитной пленки.

Обоснование выбора величины линейного сдвига "Г" полосок магнитной пленки 10 в смежных кольцевых пазах 11 фланца (фиг. 9.1-9.2)
τ = l.+d.= 2(.d.+b..), (6)
где
.τ. - шаг полосок магнитной пленки 10;
l - длина полоски магнитной пленки 10;
d - расстояние между полосками магнитной пленки;
b - перекрытие между соседними полосками пленки, расположенных в смежных пазах.

Для того, чтобы реперный импульс одной системы полосок магнитной пленки 10 (фиг. 9.2) был бы точно расположен посередине между соседними реперными импульсами другой системы пленок 10 (фиг. 9.1), магнитные полоски одной из систем сдвинуты на величину

А так как длина полоски магнитной пленки
l = d + 2b, то
Величина сдвига определяется

А соответствующий угловой сдвиг равен

Сдвиг полосок одной магнитной системы относительно другой магнитной системы на угол

приводит к увеличению чувствительности и точности в два раза и тогда реперные импульсы используются в качестве счетных импульсов при средних и больших оборотах вала. А при небольших оборотах вала увеличение числа реперных импульсов в два раза приводит к уменьшению времени измерения скорости вращения вала в два раза.

Аналогичное решение, т.е. удвоение числа реперных импульсов, может быть получено, если один плоский щелевой электромагнитный экран 8 сдвинут относительно другого плоского щелевого электромагнитного экрана 8 на угол, равный одной четвертой части углового шага полоски магнитной пленки.

Промышленное применение
Предложенное изобретение может быть использовано:
для точного определения движения конвейера при малых и больших скоростях;
для точного определения скорости движения легковых и грузовых автомобилей;
для определения скорости вращения валов, находящихся в тяжелых эксплуатационных условиях, различных механизмов и машин;
для определения скорости вращения электродвигателей.

Формула изобретения

1. Датчик параметров вращения, содержащий вращающийся плоский электромагнитный экран с щелевыми прорезями и два неподвижных немагнитных неэлектропроводных фланца, на одном из которых размещена кольцевая обмотка возбуждения, а на другом - измерительная обмотка и чувствительный к изменению магнитного потока элемент в виде концентрических колец из полосок магнитной пленки с прямоугольной петлей гистерезиса, причем полоски магнитной пленки имеют сквозные отверстия, через которые продеты витки измерительной обмотки, и установлены в кольцах в шахматном порядке с шагом, равным ширине прорези плоского электромагнитного экрана, отличающийся тем, что дополнительно введены вращающийся плоский электромагнитный экран с щелевыми прорезями и неподвижный немагнитный неэлектропроводный фланец с измерительной обмоткой и чувствительным к измению магнитного потока элементом в виде концентрических колец из полосок магнитной пленки с прямоугольной петлей гистерезиса, имеющих сквозные отверстия, через которые продеты витки измерительной обмотки, и установленных в кольцах в шахматном порядке с шагом, равным ширине прорези плоского электромагнитного экрана, неподвижные фланцы с измерительными обмотками и чувствительными к изменению магнитного потока элементами установлены слева и справа от неподвижного фланца с обмоткой возбуждения, а плоские электромагнитные экраны с щелевыми прорезями размещены соответственно в зазорах между неподвижными фланцами с измерительными обмотками и чувствительными к изменению магнитного потока элементами и неподвижным фланцем с обмоткой возбуждения, причем расстояние между полосками магнитной пленки меньше длины полоски магнитной пленки.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что полоски магнитной пленки выполнены в виде сложенной в несколько слоев магнитной пленки.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что полоски магнитной пленки, расположенные на одном неподвижном фланце, сдвинуты относительно полосок магнитной пленки, расположенных на другом фланце, на угол, равный одной четвертой части углового шага полосок магнитной пленки.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что плоские электромагнитные экраны с щелевыми прорезями сдвинуты относительно друг друга на угол, равный одной четвертой части углового шага полосок магнитной пленки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11