ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА
APPARATUS FOR MEASURING LINEAR VELOCITY OF OBJECT

Измеритель линейной скорости движения объекта относится к области измерительной техники, в частности измерения параметров движения, и может быть использован в виде датчиков линейных величин в автоматических системах контроля и управления
Известен измеритель скорости движения ленты, использующий эффект Доплера (Куликовский К.Л., Купер В.Я., «Методы и средства измерений», М.: «Энергоатомиздат», 1986, стр.382), недостатком которого является аналоговое представление результата измерения, что ведет к большой погрешности. Другой недостаток - большое количество блоков преобразователя.
Известен индукционный преобразователь линейной скорости (Куликовский К.Л., Купер В.Я., «Методы и средства измерений», М., «Энергоатомиздат», 1986, стр.347, рис.9.14). Он представляет собой цилиндрическую катушку, перемещающуюся в кольцевом зазоре магнитопровода. Цилиндрический постоянный магнит создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней возникает ЭДС, пропорциональная скорости перемещения.
Такие преобразователи имеют ограниченный диапазон измеряемых величин, малую точность аналоговых измерений.
Наиболее близкими по технической сущности к заявленному объекту являются датчики - измерители скорости, которые представляют собой преобразователи перемещений, выходная величина которых дифференцируется. Так, известен высокочастотный измерительный преобразователь по А.С. 389391 СССР, у которого измерительный индуктивный элемент соединен с управляемым генератором В.Ч. и частотным дискриминатором. Входной величиной является перемещение электромагнитного экрана, а выходными - напряжение и частота. Продифференцировав напряжение, получаем измеритель скорости.
Недостатком прототипа является большая погрешность, структурная сложность, большие габаритные размеры, малый диапазон измеряемых величин.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются: высокочастотный генератор и подвижный элемент, соединенный с подвижной частью объекта.
Задачей заявляемого изобретения является создание преобразователя линейной скорости, имеющего высокую разрешающую способность, работающего в широком диапазоне измеряемых величин при малых габаритных размерах.
Устранить указанные недостатки аналогов и прототипа позволяет применение техники цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и микроэлектронного конструирования. Носителями ЦМД являются некоторые кристаллы, в частности кристаллы феррит-гранатовые, обладающие ЦМД диаметром порядка долей МКМ, единиц, десятков микрометров, эти ЦМД могут перемещаться со скоростью 20 м/с и более, что позволяет создавать различные датчики высокой точности. Высокая точность и высокое быстродействие обеспечивается за счет малых размеров ЦМД и высокой скорости их перемещения. По этой же причине значительно уменьшаются габариты, вес преобразователей, увеличивается диапазон измеряемых величин, разрешающая способность.
Технический результат достигается за счет применения в устройстве, помимо высокочастотного генератора и подвижного элемента, магнитоодноосного феррит-гранатового кристалла, сверху которого выращена эпитаксиальная магнитная пленка, а снизу расположен самариевый магнит, которые обеспечивают существование в пленке цилиндрических магнитных доменов (ЦМД), на пленке выполнены доменопродвигающие структуры (ДПС), два «компрессора» с магнитными барьерами, два магнитных триггера, аннигилятор, генератор ЦМД, и память, помимо этого применяется магнитная головка, пять диодов, регистр, ключевой элемент К, элемент ИЛИ, счетчик импульсов, элемент «задержка», блок реверса, витки управления движением ЦМД и их созданием, магнитожесткая пленка, элементы соединены следующим образом: три выхода генератора соединены с тремя входами ключа, а четвертый соединен с общей точкой, первый и второй выходы ключа соединены со входами блока реверса, и третий выход соединен с третьей фазой доменопродвигающей структуры, четвертый выход ключа соединен с общей точкой, выход блока реверса соединен с первой и второй фазой доменопродвигающей структуры (ДПС), третий выход соединен с общей точкой, первый вход ключа соединен с катодом диода, анод которого является входом преобразователя «ПУСК II», этот же вход соединен с генератором ЦМД, выходной конец которого соединен с первым компрессором, другой конец которого соединен с первым концом второго компрессора, второй конец которого соединен с общей точкой, второй вход ключа соединен с элементом «задержка», другой конец которого соединен с первым выходом регистра, с витком аннигиляции ЦМД первого реле, второй конец которого соединен с общей точкой, с витком ЦМД «Вперед», второй конец которого соединен с витком ЦМД «реверс», другой конец которого соединен с общей точкой, второй конец элемента «Задержка» соединен также с третьим входом ключа, четвертый вход ключа соединен со вторым выходом регистра и с четвертым входом счетчика, с витком, аннигилирующим ЦМД второго реле, все три фазы ДПС соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом счетчика, все три фазы ДПС через диоды соединены с витком магнитостатической ловушки МСЛ первого магнитного реле, другой конец которого соединен с витком МСЛ второго магнитного реле и далее с общей точкой, вход «Пуск I» соединен с анодом диода, а катод его соединен с первым входом счетчика, с аннигилятором, второй конец которого соединен с общей точкой, блок «Память» соединен с резистором, второй конец которого соединен с витками МСЛ магнитных реле, второй конец витков «памяти» соединен с общей точкой, магнитные барьеры предотвращают выходы ЦМД за пределы компрессоров, выход второго магнитного реле соединен со входом блока реверса, с витком, аннигилирующим ЦМД «вперед», последовательно с которым соединен виток ЦМД «назад» и далее с общей точкой, ЦМД «реверс» располагается в памяти в зоне взаимодействия с магнитожесткой пленкой.
На фигуре 1 приведена схема измерителя, где элементы, входящие в нее, обозначены следующим образом:
1 - трехфазный генератор импульсов,
2 - ключ, коммутирующий три фазы генератора в последовательности, определяемой управляющими сигналами,
3 - доменопродвигающая структура (ДПС),
4 - магнитная головка,
5 - генератор ЦМД,
6 - первый компрессор,
7 - первый магнитный барьер,
8 - счетчик импульсов,
9 - элемент «или»,
10 - первое магнитное реле,
11 - регистр,
12, 13 и 14 - диод ДПС1, диод ДПС2 и диод ДПС3, соответственно,
15 - блок памяти,
16 - второй компрессор,
17 - второе магнитное реле,
18 - второй магнитный барьер,
19 - магнитожесткая пленка,
20 - блок реверса,
21 - элемент «задержка»,
22, 23 - диод первого входа «Пуск I» и диод второго входа «Пуск II», соответственно,
24 - резистор памяти,
25 - ЦМД магнитной головки,
26, 27 и 28 - виток ЦМД «вперед», виток ЦМД «реверс» и виток ЦМД «назад», соответственно,
29, 30 и 31 - виток, аннигилирующий ЦМД «вперед», виток, аннигилирующий ЦМД первого реле, и виток, аннигилирующий ЦМД второго реле, соответственно,
32, 33 - виток МСЛ первого реле, виток МСЛ второго реле, соответственно,
34 - аннигилятор,
35 - феррит-гранатовый кристалл с эпитаксиальной магнитной пленкой и с самариевым магнитом,
36 - каретка с магнитной головкой 4 и аппликациями витков 26, 27, 28, 29, и с магнитожесткой пленкой 19.
37 - общая точка.
Три выхода генератора 1 подключены ко входам ключа 2, а четвертый соединен с общей точкой 37. Два выхода ключа подключены к входу блока реверса 20, а третий выход ключа соединен с третьей фазой доменопродвигающей структуры ДПС 3, четвертый выход ключа 2 подключен к общей точке 37. Выход блока реверса 20 соединен с первой и второй фазой ДПС 3. Первый вход ключа 2 подключен к катоду диода 23, анод которого является входом измерителя «Пуск II». Этот же вход соединен с генератором ЦМД 5, выход которого подключен к первому компрессору 6, другой конец которого соединен с первым концом второго компрессора 16, второй конец которого подключен к общей точке 37.
Второй вход ключа 2 соединен с элементом «задержка» 21, другой конец которого подключен к первому выходу регистра 11 и к витку аннигиляции ЦМД 30 первого магнитного реле 10, второй конец которого соединен с общей точкой 37, первый выход регистра 11 подключен также к витку ЦМД «вперед» 26, второй конец которого соединен с витком ЦМД «реверс» 27, второй конец которой подключен к общей точке 37. Второй конец элемента «задержка» 21 соединен с третьим входом ключа 2. Четвертый вход ключа 2 подключен ко второму выходу регистра 11 и к четвертому входу счетчика 8, и с витком аннигилирующими ЦМД второго реле, все три фазы ДПС 3 соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ 9, выход которого подключен к третьему входу счетчика 8. Все три фазы ДПС 3 через диоды 12, 13, 14 соединены с витком МСЛ первого магнитного реле 32, другой конец которого подключен к витку МСЛ второго реле 33 и далее к общей точке 37, анод диода 22 является входом «Пуск I», а катод соединен с первым входом счетчика 8, с аннигилятором 34, второй конец которого подключен к общей точке 37. Блок памяти 15 соединен с резистором 24, второй конец которого подключен к виткам МСЛ 32 и 33, а другой конец блока памяти 15 соединен с общей точкой 37. Магнитные барьеры 7 и 18 предотвращают выход домена ДПС и «памяти» 15 за пределы компрессоров. Выход второго магнитного реле 17 подключен к входу блока реверса 20, к витку, аннигилирующему ЦМД «вперед» 29, последовательно с которым соединен виток ЦМД «назад» 28, и далее с общей точкой 37. Виток ЦМД «реверс» 27 расположен в зоне МСЛ блока памяти 15 и выталкивается магнитожесткой пленкой 19 в компрессор 16. На конце магнитной головки 4 имеется ЦМД 25, который расположен в зоне взаимодействия с ЦМД ДПС 3, виток аннигиляции ЦМД 30 подключен к первому выходу регистра, другой конец витка соединен с общей точкой 37. Виток аннигиляции ЦМД второго магнитного реле 31 подключен к четвертому входу ключа 2, ко второму выходу регистра 11, а другой конец витка 31 соединен с общей точкой 37.
Все элементы в зоне петли аннигилятора 34 расположены на феррит-гранатовом кристалле с эпитаксиальной пленкой и с самариевым магнитом 35.
На фигуре 2 - пример реализации схемы блока реверса,
где
38, 39, 40, 41 - ключи К1, К2, К3 и К4, соответственно,
42, 43 - входные резисторы,
1ш и 2ш - выходные шины,
44 - элемент инвертор.
Элементы блока соединены следующим образом: первая фаза генератора соединена с одним концом выхода ключа 38 и ключа 40, другие концы выходов ключей 38, 40 соответственно соединены с шиной 1ш и с шиной 2ш, вторая фаза генератора соединена с одним концом выхода ключей 39 и 41, другие концы выходов ключей 39, 41 соединены соответственно со второй шиной 2ш и первой шиной 1ш. Выход второго магнитного реле 17 подключен к инвертору 44 и резистору 43, другой конец которого подключен ко входам ключей 40, 41. Выход элемента "инвертор" подключен к резистору 42, другой конец которого подключен ко входам ключей 38, 39.
2
1
Принцип действия измерителя (см. фиг.1) заключается в перемещении ЦМД до встречи с головкой положение 1, после чего отключается генератор импульсов, включается счетчик импульсов, задается стандартная выдержка времени в 1 с, в течение которой головка (объект) перемещается в положение 2. По истечении выдержки времени включается генератор импульсов и начинается счет шагов ЦМД счетчиком. В такт с импульсами ЦМД продвигается по ДПС. Когда ЦМД достигает головки, прекращается счет импульсов и на табло счетчика высвечивается разность I-I, эквивалентная скорости при движении объекта «вперед» (фиг.3).
1
2
При движении головки в обратном направлении «назад» от точки 1 осуществляется реверс движения ЦМД и он перемещается в обратном направлении «назад» до встречи с головкой в точке 2. При этом осуществляется счет импульсов продвигающих ЦМД на участке 1-2, т.е. получается разность I-I, эквивалентная скорости (фиг.4).
4
5
Скорость движения ЦМД на 4-5 порядков больше максимальной скорости объекта (головки). Методическая погрешность измерения скорости головки ничтожна, так как скорость движения домена 10-10 см/с, а максимальная скорость движения головки 10 см/с÷1 см/с.
Измеритель работает следующим образом.
При подаче входного сигнала на диод 22 производится сброс показаний счетчика 8 и с помощью аннигилятора 34 уничтожаются все домены, схема приводится в исходное положение.
При подаче сигнала на диод 23 включается ключ 2 и генератор ЦМД 5, а в компрессорах 6 и 16 создаются ЦМД, ключ 2 запускает доменопродвигающую структуру ДПС 3 и ЦМД, созданный генератором ЦМД, в первой ячейке, ДПС начинает передвигаться.
Когда ЦМД ДПС достигнет магнитную головку 4, ЦМД головки выталкивает его в первый компрессор 6, компрессор срабатывает и на его выходе появляется ЦМД, который захватывается МСЛ первого магнитного реле 10, реле срабатывает и на его выходе появляется сигнал, от которого срабатывает первая ячейка регистра 11. Сигнал регистра осуществляет включение счета счетчика и останавливает работу ДПС, отключая ключ 2, аннигилирует ЦМД первого реле с помощью витка 30, создает ЦМД «вперед» с помощью витка 26 и ЦМД «реверс» с помощью витка 27. Помимо этого, этот сигнал поступает на элемент «задержка» 21, создающий выдержку времени, в течение которого головка перемещается, по окончании которой включается ключ 2. Запускается ДПС 3 и через элемент ИЛИ 9 подаются импульсы счета в счетчик 8. Домен ДПС «вперед», перемещаясь, достигает головку 4 и выталкивается ЦМД 25 в первый компрессор 6. Компрессор срабатывает, на выходе его появляется ЦМД, который захватывается МСЛ первого реле, созданной витком 32, реле 10 срабатывает и через второй выход регистра 11 подается сигнал остановки счета в счетчике 8, подается сигнал на ключ 2, отключающий его. На табло счетчика высвечивается результат пути головки от первого положения до второго, эквивалентный скорости движения головки. В случае движения головки «назад» магнитожесткая пленка 19 выталкивает ЦМД «реверс» во второй компрессор 16, который, срабатывая, включает второе реле 17, выходной сигнал его подается на блок реверса 20, осуществляющий взаимную замену 1 и 2 фаз генератора 1. В результате этого изменяется направление движения ЦМД ДПС. Сигнал второго реле ликвидирует ЦМД «вперед» витком 29 и создает ЦМД «назад» витком 28. Это исключает ложное срабатывание магнитной головки 4. ЦМД «назад», продвигаясь в направлении «назад», достигает магнитную головку 4 во втором положении, ЦМД головки 25 выталкивает ЦМД ДПС в первый компрессор 6, он срабатывает вторично, включается первое магнитное реле 10, подается второй сигнал на регистр 11, со второго выхода которого подается сигнал на остановку счета счетчика 8 и на отключение ключа 2, на уничтожение ЦМД второго магнитного реле 17. На счетчике высвечивается разность первого и второго положения головки, эквивалентная скорости движения объекта (головки). Магнитные барьеры предназначены для предотвращения проскакивания ЦМД за пределы компрессоров.
Блок реверса работает следующим образом (см. фиг.2).
При отсутствии сигнала с выхода второго магнитного реле 17 на выходе инвертора 37 появляется сигнал, который включает ключи 38 и 39. На шине 1 появляется сигнал первой фазы, а на шине 2 сигнал второй фазы. При наличии сигнала с выхода второго магнитного реле 17 появляется сигнал на входах ключей 40, 41 и отсутствует сигнал на входах 38, 39. При этом срабатывают ключи 40 и 41 и отключаются ключи 38 и 39, что влечет изменение фаз на шинах 1ш и 2ш. Это вызывает реверс перемещения ЦМД в ДПС.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет существенно улучшить технические характеристики измерителя скорости и упростить его реализацию в условиях серийного и массового производства.
Источники информации
1. Ф.В.Лисовский, «Физика цилиндрических магнитных доменов», М.: «Советское радио», 1979.
2. Г.С.Кринчик, Физика магнитных явлений, «Московский университет», 1976.
3. В.П.Миловзоров, Электромагнитные устройства автоматики, М.: «Высшая школа», 1983.
4. М.А.Боярченков и др; Магнитные доменные логические и запоминающие устройства, М.: «Энергия», 1974.
5. В.К.Ряв, Сб. Цилиндрические магнитные домены, физические свойства и технические применения. Тр. ИНЭУМ, вып.82. М. 1980.
6. А.Бобек и др. «Приборы и системы управления», 1978, №8.