МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения угла наклона в системах автоматического контроля положения объектов относительно горизонтальной плоскости. Предлагаемое техническое решение целесообразно использовать для измерения углов наклона различных технических объектов, в частности платформ, подъемно-транспортных механизмов, опор линий электропередач, а также в системах автопилотирования летательных аппаратов.
Известно магнитожидкостное устройство для определения угла наклона (Патент на изобретение РФ №2115091, МПК G01C 9/20, 1998 г.), которое содержит частично заполненный магнитной жидкостью и выполненный из немагнитного материала корпус, в виде трубки, две измерительные обмотки, расположенные на соответствующих концах трубки корпуса, две торцевые крышки для герметизации полости трубки. Во втором варианте магнитная жидкость расположена на постоянных магнитах, примыкающих к торцевым поверхностям магнитопроводной втулки, в виде двух капель. В крышках установлены постоянные центрирующие магниты.
Недостатком указанного устройства является низкое быстродействие, обусловленное возникновением перепада давлений между постоянными и центрирующими магнитами, установленными в крышках, связанное с уменьшением объема воздуха и, как следствие, повышением давления, в направлении наклона устройства, что приводит к росту сопротивления при движении постоянных магнитов внутри трубки корпуса. Отсутствие возможности регулирования диапазона измерений и чувствительности преобразований и измерения угла наклона в двух координатных плоскостях.
Известно магнитожидкостное устройство для определения угла наклона (Патент на полезную модель РФ №113349, МПК G01C 9/00, 2012 г.), принятое за прототип, содержащее выполненный из немагнитного материала корпус в виде трубки и две измерительные обмотки, расположенные на соответствующих концах корпуса, торцевые крышки с закрепленными на внутренней стороне центрирующими постоянными магнитами, составной магнит, состоящий из двух соединенных постоянных магнитов, размещенный в полости трубки, таким образом, что одноименные полюса постоянных магнитов составного магнита и центрирующих магнитов обращены друг к другу, магнитная жидкость расположена в корпусе в виде двух капель, постоянные магниты составного магнита погружены в соответствующую каплю магнитной жидкости. Между постоянными магнитами составного магнита помещена цилиндрическая магнитопроводная втулка. Постоянные магниты составного магнита, цилиндрическая магнитопроводная втулка, торцевые крышки и центрирующие магниты имеют соосные сквозные отверстия. Торцевые крышки установлены в корпусе посредством резьбового соединения с возможностью осевого перемещения.
Недостатком указанного устройства является наличие сквозного отверстия в корпусе, что может привести к появлению загрязнений внутри корпуса датчика и, как следствие, уменьшения его быстродействия. Кроме того, под действием силы тяжести чувствительный элемент будет находиться ниже горизонтальной оси симметрии датчика, что приведет к появлению искажений выходного сигнала за счет неравномерности рабочего зазора между наружной цилиндрической поверхностью чувствительного элемента и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение точности измерений, снижение искажений выходного сигнала и повышение ресурса работы магнитожидкостного устройства для определения угла наклона.
Это достигается за счет того, что магнитожидкостное устройство для определения угла наклона, содержащее выполненный из немагнитного материала корпус в виде трубки с измерительными обмотками, расположенными на концах корпуса, торцевые крышки с закрепленными на внутренней стороне центрирующими постоянными магнитами, установленные в корпусе посредством резьбового соединения с возможностью осевого перемещения, чувствительный элемент, состоящий из двух кольцевых постоянных магнитов между которыми установлена магнитопроводная втулка, размещенный в корпусе таким образом, что одноименные полюса чувствительного элемента и центрирующих магнитов обращены друг к другу, чувствительный элемент, торцевые крышки и центрирующие магниты имеют соосные сквозные отверстия, магнитная жидкость расположена в корпусе в виде двух капель, постоянные магниты чувствительного элемента погружены в соответствующую каплю магнитной жидкости, содержит полый стержень из немагнитного материала закрепленный в сквозных отверстиях дополнительных торцевых крышек, и проходящий через соосные сквозные отверстия чувствительного элемента, торцевых крышек и центрирующих магнитов, при этом внутренние цилиндрические поверхности кольцевых постоянных магнитов чувствительного элемента и наружная цилиндрическая поверхность полого стержня образуют зазор, заполненный магнитной жидкостью, а стержень имеет хотя бы по одному отверстию с обеих сторон от чувствительного элемента.
На чертеже представлено магнитожидкостное устройство для измерения угла наклона, которое состоит из корпуса 1, в виде полой цилиндрической трубки, изготовленной из немагнитопроводного материала, по обеим сторонам которой расположены две измерительные обмотки 2 и две торцевые крышки 3, с отверстиями, в которых установлены центрирующие кольцевые постоянные магниты 4. Внутри корпуса 1 расположен чувствительный элемент, состоящий из двух кольцевых постоянных магнитов 5, между внутренними торцевыми поверхностями которых установлена магнитопроводная втулка 6 со сквозным отверстием. Центрирующие кольцевые магниты 4 направлены одноименными полюсами к кольцевым постоянным магнитам 5 чувствительного элемента. С торцов корпуса 1 установлены дополнительные торцевые крышки 7, например, с помощью резьбового соединения, в которых закреплен полый цилиндрический стержень 8 из немагнитного материала, проходящий вдоль внутреннего объема корпуса через соосные сквозные отверстия кольцевых постоянных магнитов 5 и магнитопроводной втулки 6 чувствительного элемента, торцевых крышек 3 и центрирующих магнитов 4. Стержне имеет хотя бы по одному отверстию 9 по обе стороны от чувствительного элемента.
В цилиндрических зазорах, образованных между кольцевыми постоянными магнитами 5 с внутренней поверхностью корпуса 1, и наружной цилиндрической поверхностью полого стержня 8 находится магнитная жидкость 10, которая удерживается в них пондеромоторной силой. Первичная обмотка 11 находится на наружной цилиндрической поверхности корпуса 1.
Работа магнитожидкостного устройства для измерения угла наклона состоит в следующем.
Когда магнитожидкостное устройство для измерения угла наклона находится в горизонтальной плоскости, то чувствительный элемент, состоящий из двух кольцевых постоянных магнитов 5 и магнитопроводной втулки 6 расположен симметрично по отношению к объему внутренней полости корпуса 1. Измерительные обмотки 2 включены, например, в плечи моста переменного тока высокой частоты. Так как электрические сопротивления обмоток 2 равны между собой, то мост находится в равновесии. Сигнал на выходе полностью отсутствует. При изменении угла наклона магнитожидкостного устройства на чувствительный элемент действует сила тяжести, и он смещается в сторону наклона, что приводит к нарушению равновесия моста переменного тока, которое вызвано изменением индуктивных сопротивлений обмоток. Появляется выходной сигнал, фиксируемый системой сравнения, величина которого пропорциональна углу наклона магнитожидкостного устройства. Перемещение чувствительного элемента, под действием силы тяжести, продолжается до тех пор, пока она не уравновесится магнитной силой отталкивания, создаваемой кольцевыми центрирующими магнитами 4 и кольцевыми постоянными магнитами 5 чувствительного элемента.
В качестве постоянных магнитов используются магниты в форме колец 5. Сквозные отверстия выполнены в магнитопроводной втулке 6 и полом цилиндрическом стержне 8. Это позволяет повысить быстродействие работы магнитожидкостного устройства для измерения угла наклона и повысить его чувствительность за счет отсутствия перепада давлений, действующего на чувствительный элемент.
Для регулирования диапазона измеряемых углов на обращенных друг к другу цилиндрических поверхностях торцевых крышек 3 и корпуса 1 выполнена резьба. За счет перемещения торцевых крышек 3 с центрирующими магнитами 4 вдоль корпуса 1 магнитожидкостного устройства изменяется расстояние между обращенными друг к другу постоянными центрирующими магнитами 4 и постоянными магнитами 5 чувствительного элемента. Это позволяет регулировать эксплуатационные характеристики магнитожидкостного устройства для измерения угла наклона. При этом, диапазон измеряемых углов увеличивается при уменьшении расстояния между постоянными магнитами чувствительного элемента 5 и центрирующими магнитами 4, а чувствительность измерений повышается с увеличением этого расстояния.
Магнитная жидкость 10 заправлена в зазор между внутренней и наружной цилиндрическими поверхностями магнитов 5 чувствительного элемента, внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и в зазор между наружной цилиндрической поверхностью полого немагнитного стержня 8 и обеспечивает удержание чувствительного элемента в горизонтальной плоскости близко к оси симметрии корпуса, что снижает искажение выходного сигнала. При этом, чувствительный элемент может перемещаться внутри поверхности корпуса при его наклоне с минимальным трением.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение точности измерений, снижение искажений выходного сигнала и повышение ресурса работы магнитожидкостного устройства для определения угла наклона.