Соленоидный бесконтактный датчик контроля положения и перемещения протяженного тела с магнитными неоднородностями

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соаетсинк

Социалистичвсиии

Республик

<»>903776 (63 ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 07.05.80(21) 2921381/18-10 с присоединением заявки М(23)Приоритет

Опубликовано 07.02.82. Бюллетень Эй 5

Дата опубликования описания 07.02.82 (5 3 ) M. Кл.

G 01 Р 3/52

Гаоудеротмикый комитет

СССР ео делен изобретений и открытий (3) УЙК531.767 (088.8) (72) Автор . изобретения

A. В. Дорошков

1

S 5

1

I (71) Заявитель (54) СОЛЕНОИДНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ

ПОЛОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПРОТЯЖЕННОГО ТЕЛА

С МАГНИТНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

Изобретение относится к автоматическому контропю и регупированию и может быть испопьзовано дпя бесконтактного контроля попожения и перемещения протяженных теп с магнитными неоднородностями, например, дпя контроля положения и перемещения геофизических сейсмокос при их постановке и выборке.

Известны сопеноидные бесконтактные датчики перемещений трансформаторного типа, которые содержат размещенные на общем цилиндрическом каркасе вкпюченные последовательно и намотанные поверх общей возбуждающей обмотки две сигнальные обмотки, выходы которых подключены к крайним выводам бапансирук t% щего потенциометра, генератор синусоидапьных колебаний, подсоединенный к возбуждающей обмотке, и внешний ферромагнитный экран.

Принцип действия укаэанных датчиков основан на изменении коэффициента связи между возбуждающей и сигнаньными обмотками при перемещении внутри нх тела с магнитными неоднородностями (метками ) ..

На основе этих датчиков путем вкпю-. чения на их выходе фаэочувствнтепьного выпрямитепя и индикатора пегко реапизуются устройства контропя мапых перемещений теп, т.е. перемещений в предепах длины датчика (Ц .

Однако известные датчики не могут обеспечить достоверный контроль поло.жения и быстрых перемещений неравномерно движущихся (вппоть до полной остановки и изменения направпения дивжения в произвопьные моменты времени) протяженных теп с спабовыраженными магнитными неоднородностями. Это связано с их низкими быстродействием вспедствне возможности применения топько низкочастотных возбуждающих колебаний и чувствительностью вспедствие бпнзости коэффициента связи между возбуждающей и сигнапьными обмотками к пре-. дельному, а также с возникновением пож ных выходных сигнапов при изменении

903776 направпения движения тена в моментынахождения магнитных меток в датчике.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности явпяется трансформаторный датчик для измерения линейных перемещений, содержащий обший цилиндрический каркас с распопоженными на нем симметрично и по обе стороны от подкпюченной к генератору синусоидапьных колебаний возбуждаюшей обмотки две включенные поспедоватепьцо и встречно сигнапьные обмотки, выходы которых присоединены к крайним выводам бапансируюшсго потенциометра, и обший ферромагнитный экран.

Г .ринцип действия датчика также основан на изменении коэффициента связи между возбуждаюшей я сигнапьными обмотками при прохождении внутри его магнитной метки контролируемого тела. Изме не ние коэффи циен та связи вызывает на выходе появление двух одинаковых по амплитуде радиоимпупьсов, фазы которых сдвинуты друг относитепьно друга на

/ радиан.

1!звестный датчик обладает бопьшей чувствитепьностью, так KQK осевое раз— мешение возбу>кдаюшей и сигнапьных обмоток обеспечивает большие изменения коэффициента связи при изменениях велип1ны магнитного сопротивпения контролируемого тела (21.

Однако такой датчик не может обеспечить достоверный контропь попожения и перемешения теп, движушихся неравномерно и с изменениями направпения движения в произвольные моменты времени из-за возникновения ложных сигналов при изменениях направления движения тела в моменты нахождения магнитных меток в датчике, Кроме того при быстром перемешении контролируемого тепа появляются динамические ошибки в виде уменьшения амппитуды выходных импупьсов, что обусповлено тем, что при быстром перемешении контролируемого тела дпитепьность выходных радиоимпупьсов датчика становится соизмеримой с периодом возбуждаюших копебаний (достичь увепичения быстродействия датчика путем повышения частоты возбуждаюших копебаний

Ф нельзя из-за возрастания на высоких частотах влияния фазовых разбросов ЭДС сигнальных обмоток, которые приводят к сипьному увспичснию уровня остаточно« го напряжения, и соответственно к уменьшению чувствнтспьности датчика).

Известный датчик имеет чувствитепьность, недостаточную дпя осушествпения достоверного контропя попожения и перемешения теп с спабовыраженными магнитными неоднородностями. Ограничения по чувствительности связаны с наличием сильных потоков рассеивания у сигнапьных и возбуждаюшей обмоток и напичием нескомпенсированных фазовых сдвигов как на основной, так и на высших (на З-й, 5-й и т. д.) гармониках возбуждающих колебаний.

Цепь изобретения — повышение чувствитепьности, быстродействия и обеспечения достоверного контропя попожения и быстрых перемещений неравномерно движущихся протяженных теп с магнитными неоднородностями.

Указанная цель достигается тем, что в известный датчик введены второй бапансируюший потенциометр, включенный поспедоватепьно с первым, две RC-цепочки, компенсационная обмотка, расположенная совместно с возбуждаюшей, и два уз.копопосных фильтра, входы которых подключены к движкам балансирующих потенциометров, при этом один вывод компенсационной обмотки соединен с обшей шиной, а второй — с обшей точкой бапансиру|оших потенциометров, RC-цепочки подC кпючены между выводами сигнальных обмоток и входами узкопопосных Фипьтров а ферромагнитный экран выполнен в виде трех раздепьных тороидапьных корпусов, охватывающих соответствующие об35 мотки.

На фиг. 1 приведена 6пок-схема устройства; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Датчик состоит из ципиндрического

40 каркаса 1 с возбу>кдаюшей обмоткой 2, подкшоченной к генератору 3 синусоидальных копебаний, двух сигнапьных обмоток,4 и 5, вкпюченных поспедоватепьно,выходы которых подсоединены непо45 средственно к крайним выводам соответI ствующих балансирующих потенциометров

6 и 7, а через RC-цепочки 8 и 9 подсоединены к выводам центральных контакТоВ балансирующих потенциометров и вхо50 дам узкопопосных фильтров 10 и 11, компенсаци о иной обмотки 1 2, намотан ной поверх возбуждающей и один вывод которой соединен с обшей точкой сигнапь9 . ных обмоток, а второй - с вторыми край55 ними выводами бапансируюших потенциометров и обшей шиной узкополосных фипьт ров, и трех ферромагнитных тороидапьных корпусов 13-15, охватываюших со9037 ответствуюшие обмотки. Выходы узкополосных фильтров являются выходами дат« чика.

Датчик работает следуюшим образом.

Эпектрический сигнал генератора 3 синусоидапьных копебаний подается на возбуждающую обмотку 2, вокруг которой возникает переменное электромагнит ное поле, приводяшее к возникновению

ЭДС в компенсационной 12 и в сигнапь- 10 ных 4 и 5 обмотках.

Возбуждаюшая и сигнальные обмотки охвачены ферромагнитными тороидапьными корпусами 13-15 каждая, поэтому их магнитные поля при отсутствии в датчике магнитной метки сконцентрированы в области зазора торов и резко спадают с удалением от них по осевому направпению. При этом коэффициент свя зи между обмотками мал, а следователь- 20 но, и мала вепичина ЭДС сигнальных обмоток, В присутствии магнитной метки конфигурация магнитных полей возбуждаюшей и сигнапьнв|х обмоток резко меняется. Намагничивание магнитной неоднородности приводит к резкому увепичению коэффициента связи между обмотками и таким образом к возрастанию их ЭДС.

В то же время вепичина ЭДС компен — 30 сационной обмотки при введении магни1 ной неоднородности практически не меняется (с точностью 2-3%) и составляет величину, равную ЭДС сигнапьных обмоток при отсутствии в датчике магнитной неоднородности. Неизменность ЭДС компенсационной обмотки достигается за счет размешения ее и возбуждаюшей обмотки в едином ферромагнитном тороидальном корпусе 14. 40

Поскольку компенсационная обмотка по отношению к каждой из сигнальных включена встречно, при отсутствии магнитной неоднородности напряжение в диагонали как первой мостовой схемы (сигнапьная обмотка 4,.компенсационная 12 обмотка, части балансирующего потенциометра

6 и RC-цепочка 8), а также второй мостовой схемы (сигнальная 5 обмотка, компенсационная 12 обмотка, части балансируюшего потенциометра 7 и RC-цепочка 9) минимапьно и равно остаточному. Иинимапьны напряжения и на выходах датчика. Минимизация напряжения достигается за счет выравнивания амппи55 туд сигнапов, поступаюших с обмоток (при помоши балансирующих потенцнометров 6 и 7), компенсации их фазовых разбросов (путем рагу пнровкп постоянной

76 4 времени RC цепочек 8 и 9) и устранения влияния высших гармоник узкопопосными фильтрами 10 и 11.

При полностью введенной в датчик магнитной метке вепичины ЭДС сигнальных обмоток становятся сушественно (в

2-10 раз) большими, чем величина ЭДС компенсационной обмотки. Происходит разбапансировка мостовых схем и на выходах датчика появляются синусоидальные сигналы.

В динамическом режиме датчик работает спедуюшим образом.

Когда тепо движется спева направо, с вхождением магнитной метки сначапа нарастает амплитуда сигнапа на первом выходе датчика (фиг. 1 и 2а). Нарастание идет до тех пор пока правая грань метки не достигает правой стороны ферромагнитного тороидапьного корпуса 14 с возбуждаюшей и компенсационной обмотками. Далее идет формирование вершины рациоимпульса до тех пор, пока певая грань метки не достигнет левой стороны ферромагнитного тороидапьного корпуса 13 с 1-й сигнальной обмоткой. После этого амплитуда выходного сигнала уменьшается и когда певая грань метки выходит за нределы зазора ферромагнитного тороидапьного корпуса 13 становится равной минимапьной.

Аналогичным образом происходит формирование рациоимпульса на втором выходе датчика (фиг. 1 и 2б), причем его передний фронт соответствует вхождению правой грани магнитной метки в ферромагнитный тороидапьный корпус 15 с второй сигнапьной обмоткой, а задний фронтмоменту выхода невой грани метки из ферромагнитного тороидапьного корпуса

14 с возбуждаюшей и компенсационной обмотками.

Поскольку расстояние между ферромагнитными тороидапьными корпусами с сигнальными обмотками выбирается не бопее дпины магнитной метки, то радиоимпульс на втором выходе датчика (фиг. 2б) возникает в момент формирования вершины импульса на первом выходе, а заканчивается в тот момент времени, когда импульс на первом выходе уже отсутствует.

С прохождением каждой поспедуюшей магнитной метки контропируемого тена указанные процессы повторяются.

Когда тело движется справа налево, в результате прохождения каждой из магнитных меток через датчик, также воз90377

35 никает по одному радиоимпупьсу на обоих выходах. Однако, в этом спучае первыми появляются радиоимпупьсы на втором выходе датчика (фиг. 2г), а затем с запаздыванием на время прохождения левой гранью метки расстояния между тороидальным корпусом 14 с возбуждаюшей и компенсационной обмотками и тороидапьным 13 корпусом с первой сигнальной обмоткой появляются радиоимпульсы, на первом выходе датчика (фиг. 2в).

B этом случае пока магнитная метка находится внутри всех трех тороидапьных корпусов 13-15 идет формирование вершин радиоимпульсов.

Выполнение ферромагнитного экрана в виде трех тороидапьных корпусов и использование таких новых элементов, как компенсационной обмотки, второго бапансируюшего потенциометра, двух RC-цепо- чек и двух узкополосных фильтров повышает чувствительность. датчика вспедст» вие уменьшения не менее чем в 10 раз величины остаточного напряжения (за счет компенсации фазовых сдвигов в обмотках на основной гармонике возбуждаюших копебаний и резкого оспабпения влияния высших гармонических составпяюших), а также вследствие увепичения не менее чем в 5 раз изменений ЭДС сигнальных обмоток при введении эталонной" магнитной метки (за счет устранения внешних потоков рассеивания и сосредоточения практически всего магнитного потока внутри датчика).

Причем вследствие обеспечения компенсации фазовых разбросов на высоких частотах становится возможной работа датчика на частоте не менее чем в 10 раз бопьшей, чем частота возбуждаюших

4О копебаний известного датчика (в действуюшем макете датчика,>= 4 кГц), чем обеспечивается его высокое быстродействие.

Кроме того, в датчике исключается по- 45 явление ложных сигналов на выходе, которые могли бы привести к неустранимым ошибкам контроля положения и перемешения протяженного тела. Б связи с тем, что информация о направлении движения тела заключена в относитепьном положении радиоимпупьсов на первом и втором выходах датчика, и всегда имеет место частичное временное совпадение радиоимпульсов, генерируемых конкретной мет- . 55 кой (фиг. 2), возможна реализация надежного разпичителя направпения перемещения по алт.оритму: если радиоимпупьс на

9 первом выходе датчика кончается в момент формирования вершины радиоимпульса на втором выходе, тело движется справа налево (счетчик должен находиться в режиме с пожения ).

При изменении направнения движения тела в момент нахождения метки в датчике данный алгоритм обеспечивает достоверный контроль. Например, если радиоимпульс на первом выходе начинается и кончается в момент формирования вершины радиоимпупьса на втором выходе (фиг. 2д, е), счетчик перекпючается сначала в режим сложения, а потом в режим вычитания и соответственно, сначапа его состояние увеличится на единицу, а затем уменьшится на единицу, т. е. останется без изменений, что и соответствует действитепьности. Еспи же радиоимпупьс на втором выходе начнется и кончится в момент формирования вершины радиоимпульса на первом выходе датчика (фиг.2е) различитель вообще не дает разрешения на "счет", что также соответствует дей ствитепьности.

Таким образом, за счет повышения чувствитепьности, быстродействия и искпючения ложных выходных сигналов датчик обеспечивает достоверный контроль положения и быстрых перемещений, движушихся неравномерно и с изменениями направпения движения в пюбые моменты времени протяженных теп с спабо выраженными магнитными неоднородностями.

Форму ла изобретения

Селеноидный бесконтактный датчик контроля положения и перемешения протяженного тела с магнитными неоднороднос» тями, содержащий ципиндрический каркас с подкпюченной к генератору переменного тока обмоткой возбуждения, две поспедоватепьно вкпюченные сигнапьные обмотки, расположенные по обе стороны от обмотки возбуждения, выходы которых соединены через первый бапансируюший потенциометр, и ферромагнитный экран, о т и и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствитепьности и быстродействия, в датчик введены второй балансируюший потенциометр, вкпюченный последовательно с первым, две КС-цепочI ки, компенсационная обмотка, расположенная совместно с возбуждаюшей, и два узкопопоспых фипьтра, входы которых подключены к подви>кным контактам потенциометров, при этом один вывод ком9037 76

10 пенсационной обмотки соединен с общей шиной, а второй - с обшей точкой балансирующих потенциометров, 1 С-цепочки включены между выводами сигнапьных обмоток и входами узкопопосных фипьтров, а ферромагнитный экран выпопнен в виде трех раздельных тороидальных корпусов, охватывающих соответствующие обмотки.

Источники информании, принятые во внимание при экспертизе

1. Агейкин Д,. И. и щз.,Датчики нентроля и регулирования. М., 1965, с. 130140.

2. Литвинов А. П. и др. Эиектромагнитные элементы автомалпси. Л., 1965, с. 1 41-1 42 (прототип).

903776

Составитель F. Швецов

Редактор Н. Джуган Техред E.Õâpèòîí÷èê Корректор М. Демчик

Заказ 103/26 Тираж 882 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по депам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Фнпиап ППП "Патент", r, Ужгород, ул, Проектная, 4