Индуктивный датчик положения

Полезная модель относится к измерительным устройствам, характеризуемым использованием электрических или магнитных средств для измерения расстояния между разнесенными предметами, в частности, к индуктивным бесконтактным датчикам, в том числе датчикам положения, перемещения, вращения, действующим на принципе изменения характеристик магнитного поля при наведении вихревых токов в металлическом объекте воздействия.
Индуктивные датчики работают при изменяющихся в широких пределах температурах окружающей среды, что обуславливает необходимость температурной компенсации ухода параметров компонентов.
Известен датчик положения, представленный в п. РФ №2654371 по кл. G01B 7/30, G01P 3/42, з. 23.05.2017 г., оп. 17.05.2018 г.
Известный датчик характеризуется следующей формулой.
Датчик положения, содержащий вращающийся трансформатор (ВТ), состоящий из статора, механически соединенного с корпусом вращающегося трансформатора, и ротора, муфты, механически соединенной с одной стороны с ротором, а с другой стороны - с объектом регулирования, установленном на модуле силовом системы управления, отличающийся тем, что в него дополнительно введены модуль питания датчика положения, усилитель переменного напряжения, первая последовательная шина, вторая последовательная шина, контроллер, включающий в себя модуль аналого-цифрового преобразования, блок коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета, блок коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета, блок синхронизации АЦП, блок анализа неисправностей, датчик температуры, тактовый генератор, цифроаналоговый преобразователь, генератор синуса, модуль вычисления угла шкалы грубого отсчета, модуль вычисления угла шкалы точного отсчета, модуль вычисления угла датчика положения, модуль базового адреса датчика положения, постоянное запоминающее устройство, блок компенсации неточности передачи угла, формирователь сигналов последовательной шины канала типа CAN, формирователь сигналов последовательной шины канала типа RS422,
причем вращающийся трансформатор реализован на базе бесконтактного многополюсного двухотсчетного индукционного редуктосина с синусными и косинусными обмотками грубого и точного отсчета,
при этом статор вращающегося трансформатора датчика положения электрически соединен с модулем аналого-цифрового преобразования контроллера, тактовый генератор контроллера соединен с блоком синхронизации АЦП, который, в свою очередь, соединен с модулем аналого-цифрового преобразования, модулем цифроаналогового преобразователя и модулем генератора синуса, который, в свою очередь, соединен с модулем цифроаналогового преобразователя, а выход модуля цифроаналогового преобразователя контроллера электрически соединен с первым входом усилителя переменного напряжения датчика положения, при этом выход с усилителя переменного напряжения электрически соединен со статором вращающегося трансформатора, первый выход модуля аналого-цифрового преобразования соединен с блоком коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы грубого отсчета, а второй его выход соединен с блоком коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы точного отсчета, третий выход модуля аналого-цифрового преобразования соединен с блоком анализа неисправностей, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла датчика положения, в свою очередь, выход модуля вычисления угла шкалы грубого отсчета соединен с модулем вычисления угла датчика положения, а выход модуля вычисления угла шкалы точного отсчета также соединен с модулем вычисления угла датчика положения,
при этом первый выход модуля вычисления угла датчика положения соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, а второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа RS422,
в свою очередь, первый выход постоянного запоминающего устройства соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа RS422, третий его выход соединен с модулем вычисления угла датчика положения, а четвертый выход соединен с блоком компенсации неточности передачи угла, который связан с модулем вычисления угла датчика положения и с датчиком температуры,
при этом вход модуля базового адреса датчика положения электрически связан системой управления, первый выход модуля базового адреса датчика положения соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа RS422, третий его выход соединен с системой управления, в свою очередь, модуль питания датчика положения электрически соединен с контроллером, вторым входом усилителя переменного напряжения датчика положения и выходом системы управления, при этом формирователь сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, электрически соединен с первой последовательной шиной, электрически связанной с системой управления, а формирователь сигналов последовательной шины, например канала типа RS422, электрически соединен со второй последовательной шиной, электрически связанной с системой управления.
Недостатком известного устройства являются его большие размеры и большая сложность конструкции, обусловленные областью применения. Кроме того, известный датчик предназначен для определения углового положения объекта, т.е. имеет другое назначение.
Заявителю не удалось найти для заявляемого датчика положения такого технического решения, где чувствительный элемент был бы расположен только в датчике, а частично не на объекте, до которого определяется расстояние, поэтому за прототип выбран описанный ниже датчик положения, один элемент сенсора которого расположен в датчике, а другой - на перемещающемся относительно него объекте.
Известен датчик положения, представленный в п. РФ №2221988 «Датчик перемещений» по кл. G01B 7/14, з. 11.11.02, оп. 20.01.2004 г. и выбранный в качестве прототипа.
Известный датчик характеризуется следующей формулой:
1. Индуктивный датчик перемещений, содержащий катушку индуктивности и сердечник, устанавливаемые на взаимно перемещающиеся объекты, генератор переменного напряжения и электрическое сопротивление, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен двумя диодами и конденсатором, один из диодов соединен последовательно с катушкой, образуя первое плечо, другой диод соединен последовательно с электрическим сопротивлением, образуя второе плечо, оба плеча соединены параллельно, образуя замкнутый контур, диоды соединены в контуре последовательно-согласно, первая точка соединения плеч контура подключена к первому выводу генератора, а вторая точка соединения плеч - к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом генератора, причем выводы конденсатора являются выходом устройства.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что электрическое сопротивление выполнено в виде второй катушки индуктивности, идентичной первой катушке.
3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен вторым сердечником, установленным внутри второй катушки с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси последней.
4. Датчик по п. 3, отличающийся тем, что сердечники выполнены соизмеримыми по длине с соответствующими катушками, первый сердечник снабжен тягой из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второй сердечник выполнен с продольным сквозным отверстием для прохода тяги.
5. Датчик по п. 3, отличающийся тем, что сердечники выполнены наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных неметаллическим неферромагнитным материалом.
6. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что параллельно катушкам индуктивности подключены активные сопротивления.
Недостаток известного датчика заключается в том, что его эксплуатационные возможности ограничены, т.к. он работает стабильно в относительно небольшом диапазоне температур, и он неудобен в эксплуатации, поскольку существует технологический разброс температурных коэффициентов используемых элементов, а компенсация температурного ухода показателей связана с физическими заменами элементов и не может быть выполнена оперативно.
Задачей является расширение эксплуатационных возможностей датчика за счет расширения диапазона рабочих температур при улучшении его технических характеристик в этом диапазоне.
Поставленная задача решается тем, что в индуктивном датчике положения, содержащем сенсор в виде катушки индуктивности и сердечника, связанный с катушкой источник питания в виде генератора переменного напряжения, связанные с катушкой и источником питания узел из элементов компенсации влияния температуры, и выходное устройство, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, источник питания в датчике представляет собой генератор, управляемый напряжением, катушка индуктивности и сердечник расположены непосредственно в датчике, узел компенсации влияния температуры содержит датчик температуры, снабженный запоминающим устройством и вычислителем микроконтроллер, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи сигнала, при этом один из входов микроконтроллера соединен с датчиком температуры, второй его вход подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, соединенного с выходом генератора, второй вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, соединенному с одним из выходов микроконтроллера, второй выход которого связан с выходным устройством.
Использование в индуктивном датчике в качестве источника питания генератора, управляемого напряжением, в совокупности с выполнением узла компенсации влияния температуры содержащим датчик температуры и связанный с ним микроконтроллер, снабженный запоминающим устройством и вычислителем, а также преобразователи аналогового сигнала в цифровой и цифрового сигнала в аналоговый при описанных выше связях элементов датчика обеспечивает температурную компенсацию датчика посредством управления характеристикой генератора напряжением при наличии в снабженном вычислителем микроконтроллере записанной в запоминающее устройство зависимости управляющего сигнала от температуры в виде таблицы соответствия «температура - напряжение» и/или в виде полиномиальной зависимости «температура - напряжение». При этом управляющее напряжение задается микроконтроллером и управляет генератором, а напряжение на выходе микроконтроллера является полезным сигналом датчика, зависимость которого от температуры снижается с применением данной компенсации.
Технический результат - расширение диапазона рабочих температур.
Заявляемый индуктивный датчик положения обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение источника питания в датчике в виде генератора, управляемого напряжением, размещение катушки индуктивности и сердечника в датчике, выполнение узла компенсации влияния температуры из датчика температуры, снабженного запоминающим устройством и вычислителем контроллера, аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей сигнала, соединение одного из входов контроллера с датчиком температуры, подключение его второго входа к выходу аналого-цифрового преобразователя, соединенного с выходом генератора, подключение второго входа генератора к выходу цифроаналогового преобразователя, соединенному с одним из выходов микроконтроллера, второй выход которого связан с выходным устройством, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемый индуктивный датчик положения может найти широкое применение в измерительной технике, в частности, для определения положения металлического объекта и потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлена функциональная схема индуктивного датчика положения.
Датчик содержит чувствительный элемент 1 из катушки индуктивности и сердечника, связанный с генератором 2, управляемым напряжением, поступающим с цифроаналогового преобразователя 3, который задает напряжение, зависящее от кода, поступающего на него от микроконтроллера 4. Микроконтроллер 4 с помощью имеющегося в нем вычислителя вычисляет код по сигналу от датчика 5 температуры согласно внесенной в его запоминающее устройство таблице или формуле, принимает цифровой сигнал от аналогово-цифрового преобразователя 6 и выдает рассчитанный сигнал на выходное устройство 7.
Индуктивный датчик положения работает следующим образом.
При появлении в чувствительной зоне датчика объекта воздействия из любого металла изменяются электромагнитные свойства чувствительного элемента 1, от чего меняется напряжение на генераторе 2. Это напряжение через аналого-цифровой преобразователь 6 в виде цифрового сигнала поступает на вход микроконтроллера 4, на второй вход которого подается сигнал с датчика 5 температуры. В микроконтроллере 4 с помощью имеющегося в нем вычислителя вычисляется код по сигналу от датчика 5 температуры согласно внесенной в его запоминающее устройство таблице или формуле и с учетом цифрового сигнала от аналогово-цифрового преобразователя 6 выдается скорректированный по температуре сигнал на выходное устройство 7.
В сравнении с прототипом заявляемый индуктивный датчик положения обладает более широкими эксплуатационными возможностями, т.к. может работать с достаточной точностью измерения в более широком диапазоне температур.