Поляризованное магнитоуправляемое коммутационное устройство для определения угла наклона/поворота датчика

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к переключателям, приводимым в действие изменением магнитного или электрического поля, например изменением относительного положения магнитного поля заданной формы и переключателя, и может быть использована для определения угла наклона (поворота) в диапазоне от 0 до 355°.
Известно магнитоуправляемое коммутационное устройство, состоящее из управляющего узла, включающее постоянный магнит, расположенный соосно с коммутационным узлом, содержащим геркон, с выводами из ферромагнитного материала, причем выводы геркона со стороны управляющего узла отогнуты, расположены вдоль капсулы геркона и зафиксированы с образованием электрического контакта на проводнике из немагнитного электропроводного металла, выходящего с противоположной стороны геркона (патент на полезную модель RU №6646 МПК H01H 36/00).
Недостатком устройства являются довольно значительные потери магнитодвижущей силы постоянного магнита ввиду значительной общей длины выводов двух контактов с выводами со стороны магнита.
Указанный недостаток попытались устранить авторы полезной модели п. РФ №125768, разместив управляющий магнит «с другой стороны капсулы и со стороны другого неподвижного контакта геркона, вывод которого соединен со стороны торца капсулы с проводником из немагнитного электропроводного металла, расположенного вдоль капсулы геркона, причем, для соединения с выводом геркона конец проводника загнут в соответствии с конфигурацией торца капсулы».
Оба описанных устройства обладают недостатком, присущим всем магнитоуправляемым моностабильным датчикам - большим гистерезисом. Это объясняется тем, что для любого геркона магнитодвижущая сила (МДС) включения в несколько раз больше МДС удержания. То есть, управляя состоянием моностабильного геркона путем изменения величины напряженности магнитного поля, невозможно добиться изменения состояния при малых перемещениях управляющего магнита относительно геркона - на три-пять миллиметров, или пять-десять градусов.
Известно устройство для определения угла наклона, представленное в 2-х вариантах в п. РФ №2455616 (2-ой вариант).
Устройство для определения угла наклона, включающее корпус с крышкой, камеру, поверхность качения, тело качения, активный элемент, отличающееся тем, что корпус выполнен из немагнитного материала, поверхность качения совмещена с внутренней поверхностью корпуса, создавая при этом камеру в теле корпуса, тело качения представляет собой постоянный магнит, который создает чувствительную зону, а активный элемент выполнен создающим выходной сигнал, представляет собой либо герметичный магнитоуправляемый контакт, либо датчик Холла, расположен под поверхностью качения, причем обеспечивается возможность регулировки расстояния между ним и поверхностью качения, а расстояние между телом качения и активным элементом определяет значение выходного сигнала.
Здесь, при отклонении устройства на заданный угол, расстояние между коммутирующим элементом (герконом) и управляющим магнитом изменяется сразу на большую величину, что позволяет нивелировать влияние большого гистерезиса герконового выключателя. Однако, помимо того, что заявляемое устройство имеет сложную конструкцию, недостатком его является применение демпфирующей жидкости в камере, которая, вследствие увеличения вязкости при низких температурах окружающей среды, дает значительную задержку срабатывания (может составлять до 15-20 секунд). Также данное устройство может контролировать только одно значение угла наклона, задаваемое формой поверхности качения.
Известны устройства, в которых в качестве коммутирующего элемента применяются бистабильные (поляризованные) герконы. В таких устройствах состоянием коммутирующего элемента управляют путем изменения направления магнитного поля, а не изменением величины напряженности этого поля.
Изменять направление управляющего магнитного поля относительно коммутирующего элемента (геркона) можно двумя способами:
1) Изменением направления тока в катушке управления,
2) Перемещением коммутирующего элемента (геркона) относительно магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами.
Так, в частности, известно бистабильное герконовое реле, представленное в патенте RU №62482, МПК H01H 1/28, содержащее катушку, выполненную на каркасе, в центральном осевом отверстии которой зафиксирован замыкающий геркон, и установленную на колодку, в которой закреплены выводы реле, постоянный магнит, кожух, отличающееся тем, что для получения, не зависящего от внешних факторов устойчивого бистабильного состояния на замыкающем герконе, при малых габаритных размерах реле и потребляемой мощности за счет сокращения энергии управления и исключения необходимости регулировки в процессе эксплуатации на магнитопровод приклеен постоянный магнит с шунтом, положение которого относительно магнита определено и зафиксировано при регулировке реле, а на щеки каркаса катушки приклеены чип-резисторы, после чего собранная конструкция приклеена к колодке с выводами и зачехлена кожухом, приклеенным к колодке.
Недостатком данной конструкции является необходимость подачи напряжения питания катушки датчика.
Известны серийно выпускаемые датчики, использующие второй способ управления состоянием коммутирующего элемента, то есть, перемещение коммутирующего элемента относительно магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик MS A24A-Bi производства АО НПК ТЕКО (паспорт датчика - см. Приложение), выбранный в качестве прототипа.
Как видно из п. 2 «Паспорта» датчика MS A24A-Bi, для замыкания или размыкания контактов геркона, являющегося коммутирующим элементом, в зону чувствительности датчика необходимо внести постоянный магнит соответственно «южным», или «северным» полюсом.
Более конкретно известный датчик включает в себя неподвижно закрепленный управляющий узел, содержащий, по меньшей мере, два постоянных магнита с аксиальной намагниченностью, магнитные оси которых параллельны, а одноименные магнитные полюса направлены в противоположные стороны, и коммутирующий узел, содержащий бистабильный герконовый выключатель и выполненный с возможностью перемещения относительно узла управления.
При этом коммутирующий узел с бистабильным управляющим герконовым выключателем крепится на кабине лифта, а магниты управляющего узла располагаются в шахте на направляющих лифта, в местах, определенных для остановки кабины. Указанные датчики применяются, например, в системах позиционирования лифтов.
Недостатком известной конструкции с раздельным размещением коммутирующего элемента и управляющей магнитной системы является невозможность ее применения для определения угла наклона/поворота рабочего органа датчика, например, для определения бокового смещения конвейерной ленты.
Задачей является обеспечение возможности определения угла наклона/поворота рабочего органа датчика относительно его основания, пропорционального боковому смещению конвейерной ленты.
Поставленная задача решается тем, что в поляризованном магнитоуправляемом коммутационном устройстве для определения угла наклона/поворота коммутирующего узла, включающем неподвижно закрепленный управляющий узел, содержащий два постоянных магнита с аксиальной намагниченностью, магнитные оси которых параллельны, а одноименные магнитные полюса направлены в противоположные стороны, и коммутирующий узел, содержащий бистабильный герконовый выключатель и выполненный с возможностью перемещения относительно управляющего узла, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, управляющий и коммутирующий узлы конструктивно собраны в одном устройстве, при этом управляющий узел включает в себя неподвижное основание, к которому стационарно прикреплен генератор магнитного поля из немагнитного материала, содержащий дополнительно вторую пару постоянных магнитов с вышеуказанной намагниченностью, расположением магнитных осей и полюсов, а коммутирующий узел дополнительно снабжен вторым бистабильным герконовым выключателем и корпусом, в котором размещены оба бистабильных герконовых выключателя, каждый из которых состоит из геркона с наружными выводами и постоянного магнита, при этом коммутирующий узел снабжен также роликом, предназначенным для восприятия давления конвейерной ленты, подпружинен и установлен с возможностью поворота относительно управляющего узла под действием конвейерной ленты при сходе ее с роликоопор и возвращения в исходное положение под действием пружины.
Конструктивное выполнение управляющего и коммутирующего узлов в одном устройстве при выполнении управляющего узла с неподвижным основанием, к которому стационарно прикреплен генератор магнитного поля из немагнитного материала, дополненный второй парой постоянных магнитов, в совокупности с креплением коммутирующего узла, подпружиненного, снабженного роликом для контакта с конвейерной лентой и содержащего корпус с размещенными внутри него двумя бистабильными герконовыми выключателями, выполненными каждый из геркона с наружными выводами и постоянного магнита, к этому же неподвижному основанию с возможностью поворота его относительно управляющего узла и возврата его в исходное положение под действием пружины, обеспечивает возможность определения угла наклона/поворота датчика относительно конвейерной ленты.
Технический результат - обеспечение возможности определения угла наклона/поворота коммутирующего узла датчика относительно управляющего узла, пропорционального величине смещения конвейерной ленты с роликоопор. Заявляемое устройство обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как конструктивное выполнение управляющего и коммутирующего узлов в одном устройстве, выполнение управляющего узла из неподвижного основания, к которому стационарно прикреплен генератор магнитного поля из немагнитного материала, содержащий дополнительно вторую пару постоянных магнитов, а коммутирующего узла - дополнительно снабженным вторым бистабильным герконовым выключателем и корпусом, в котором размещены оба бистабильных герконовых выключателя, каждый из которых состоит из геркона с наружными выводами и постоянного магнита, снабжение коммутирующего узла роликом, предназначенным для восприятия давления конвейерной ленты и подпружиненным, установка коммутирующего узла с возможностью поворота относительно управляющего узла под действием конвейерной ленты при сходе ее с роликоопор и возвращения в исходное положение под действием пружины, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемое поляризованное магнитоуправляемое коммутационное устройство для определения угла наклона/поворота датчика может быть использовано в измерительной технике, в частности, для определения угла наклона, пропорционального смещению конвейерной ленты, и потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг. 1 - общий вид датчика;
- фиг. 2 - размещение двух бистабильных герконовых выключателей коммутирующего узла;
- фиг. 3 - вид управляющего узла со стороны коммутирующего узла;
- фиг. 4 - размыкание контактов геркона;
- фиг. 5 - перемещение герконового бистабильного выключателя между управляющими магнитами;
- фиг. 6 - замыкание контактов геркона;
- фиг. 7 - удерживание контактов геркона в замкнутом состоянии.
- Фиг. 8 - размыкание контактов геркона под воздействием управляющего магнитного поля;.
Заявляемое поляризованное магнитоуправляемое коммутационное устройство для определения угла наклона/поворота датчика выполнено следующим образом.
1
На основании 1 жестко закреплен управляющий узел 2 и коммутирующий узел 3 с роликом 4, имеющий возможность поворачиваться вокруг оси 5 пружины 5 в направлении, указанном стрелкой, на угол, пропорциональный величине смещения конвейерной ленты. Пружина 5 предназначена для возврата коммутирующего узла 3 в первоначальное положение. Узел 3 расположен перпендикулярно плоскости конвейерной ленты (не показана).
Коммутирующий узел 3 содержит два бистабильных герконовых выключателя 6 и 7, размещение которых показано на фиг. 2 (управляющий узел 2 здесь не показан). Нормально замкнутый выключатель 6 служит для сигнализации о критическом (аварийном) сходе ленты. Он срабатывает при повороте коммутирующего узла 3 относительно управляющего узла 2 на 30° от нейтрального положения. Нормально разомкнутый выключатель 7 предназначен для подачи предупреждающего сигнала при некритическом сходе конвейерной ленты. Он срабатывает при повороте коммутирующего узла 3 относительно управляющего узла 2 на 15° от нейтрального положения.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
1
2
Управляющий узел 2 содержит две пары постоянных магнитов 8 и 8, 9 и 9. (вид управляющего узла 2 со стороны коммутирующего узла 3 показан на фиг. 3). Обозначены полюса магнитов 8, направленные в сторону коммутирующего узла 3. Пара магнитов 8 и 8 предназначена для управления состоянием бистабильного герконового выключателя 6 (см. Фиг. 2). Пара магнитов 9 и 9 предназначена для управления состоянием выключателя 7. Выключатели 6 и 7 имеют одинаковую конструкцию, но в нейтральном положении выключатель 6 находится против южного полюса магнита 8, поэтому он является нормально замкнутым, а выключатель 7 находится против северного полюса магнита 9, поэтому он является нормально разомкнутым. Выключатель 7 состоит из геркона 10, к одному из выводов которого вне области перекрытия контактных сердечников жестко прикреплен магнит 11. Магнит 11 намагничивает сердечник геркона, к выводу которого он прикреплен, и, в меньшей степени, противоположный, в направлении, которое можно условно обозначить как «направление включения». Магниты 9 и 9 представляют собой два постоянных магнита с аксиальной намагниченностью, магнитные оси которых параллельны, а одноименные магнитные полюса направлены в противоположные стороны.
Устройство работает следующим образом.
Взаимное расположение герконовых выключателей коммутирующего узла 3 и магнитов управляющего узла 2 таково, что при отклонении коммутирующего узла 3 от нейтрального положения на заданный угол магнитный поток, создаваемый управляющим узлом 2, изменяет направление относительно герконового выключателя, расположенного внутри рычага; при этом, если направление указанного магнитного потока совпадает с направлением магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом, входящим в состав бистабильного герконового выключателя, происходит замыкание геркона; если же направления магнитных потоков противоположны - происходит размыкание геркона.
у
В нейтральном положении датчика конец вывода геркона 10, противоположного выводу, на котором закреплен магнит 11, расположен в точке, в которой проекция вектора напряженности магнитного поля Н не равна нулю и направлена против «направления включения», вследствие чего полюса на контактных поверхностях геркона оказываются одноименными, что приводит к размыканию геркона. (Фиг. 4). (Имеет смысл говорить именно о «точке», или ограниченной области пространства, поскольку из-за сильной неоднородности магнитного поля управляющих магнитов влиянием этого поля на другие участки ферромагнитных контактных сердечников геркона можно пренебречь).
1
2
у
2
у
Пусть конвейерная лента сместилась в сторону, и, воздействуя на ролик 4, повернула коммутирующий узел 3 на некоторый угол относительно основания 1 с управляющим узлом 2. Герконовый бистабильный выключатель 7 переместился при этом в среднюю плоскость между управляющими магнитами 9 и 9 (см. Фиг. 5). Проекция вектора напряженности магнитного поля Н здесь равна нулю, но геркон продолжает оставаться разомкнутым, так как магнитное поле магнита 11 недостаточно для его замыкания. При дальнейшем повороте коммутирующего узла 3 и движении герконового бистабильного выключателя 7 в сторону магнита 9, в точке, в которой составляющая вектора напряженности магнитного поля Н становится достаточной для намагничивания выводов контактных сердечников геркона в направлении включения, контактные сердечники геркона 7 замыкаются (Фиг. 6).
1
Если герконовый бистабильный выключатель 7 оказывается в средней плоскости между управляющими магнитами при обратном движении в сторону магнита 9, его контакты продолжают оставаться замкнутыми, так как магнитное поле магнита 11 достаточно для удержания контактов в замкнутом состоянии (Фиг. 7).
у
Для того, чтобы контакты геркона 10 разомкнулись, он должен переместиться в точку, где составляющая напряженности Н магнитного поля управляющих магнитов в направлении, противоположном направлению включения возрастет настолько, что магнитное поле магнита 11 не сможет удерживать геркон в замкнутом состоянии (Фиг. 8). При этом расстояние от точки включения геркона до средней плоскости меньше, чем расстояние от точки выключения до средней плоскости, так как в первом случае векторы напряженности двух магнитных полей складываются, во втором - вычитаются.
Имеет смысл говорить именно о «точке», или ограниченной области пространства, поскольку из-за сильной неоднородности магнитного поля управляющих магнитов влиянием этого поля на другие участки ферромагнитных контактных сердечников геркона можно пренебречь.
Описанный принцип позволяет, сконфигурировав магнитное поле при помощи системы постоянных магнитов, состоящей из как минимум двух постоянных магнитов, магнитные оси которых параллельны, а одноименные полюса соседних направлены в противоположные стороны, управлять работой одного или нескольких герконовых выключателей, заставляя их изменять свое состояние при повороте коммутирующего узла относительно управляющего узла на угол (углы), значение которых задается расположением магнитов управляющего узла.
Поскольку магниты управляющего узла расположены практически вплотную к герконовым бистабильным выключателям, на работоспособность датчика не влияет разброс характеристик герконов, что делает ненужными подбор герконов и магнитов, а также регулировку.
В сравнении с прототипом заявляемое устройство позволяет определять угол наклона/поворота датчика, пропорциональный смещению ленты конвейера с роликоопор.