ИНДУКТИВНЫЙ (ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ) ПЕРВИЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в качестве первичного измерительного преобразователя положения.
Известен индуктивный первичный измерительный преобразователь положения, содержащий катушку индуктивности, соосно которой внутри установлен перемещающийся магнитопроводящий индуктор, связанный с контролируемым объектом, перемещение которого вызывает изменение индуктивности [1].
Недостатком известного устройства является низкая чувствительность и большая погрешность определения положения контролируемого объекта.
Известен индуктивный первичный измерительный преобразователь перемещения, содержащий магнитопровод с торцевым осевым отверстием, выполненный в форме двух чашкообразных магнитопроводов Ш-образного сечения, установленных встречно внутренними полостями, в каждой из которых расположена обмотка, и перемещающийся в воздушном зазоре между торцевыми поверхностями магнитопроводов якорь, закрепленный на индукторе, установленном в осевом отверстии магнитопровода, причем якорь выполнен в виде ферромагнитного диска, в пазах которого расположены кольцевые обмотки, подключенные к переменным резисторам [2].
Недостатком известного устройства является малый диапазон перемещения контролируемого объекта.
Известен индуктивный первичный измерительный преобразователь перемещения, содержащий магнитопровод с торцевым осевым отверстием, выполненный в форме двух чашкообразных магнитопроводов Ш-образного сечения, установленных встречно внутренними полостями, в каждой из которых расположена обмотка, и перемещающийся в воздушном зазоре между торцевыми поверхностями магнитопроводов якорь, закрепленный на индукторе, установленном в осевом отверстии магнитопровода, причем якорь выполнен в виде слоистого магнитопроводящего диска, с обеих сторон которого размещены электропроводящие диамагнитные накладки [3].
Недостатком известного устройства так же является малый диапазон перемещения контролируемого объекта.
Заявляемая полезная модель направлена на повышение точности фиксации положения (обнаружения) и расширение диапазона перемещения контролируемого объекта.
Это достигается тем, что чувствительный элемент индуктивного (трансформаторного) первичного измерительного преобразователя положения, содержащий магнитопровод с торцевым осевым отверстием, выполненный в форме двух чашкообразных магнитопроводов Ш-образного сечения, установленных встречно внутренними полостями, в каждой из которых расположена обмотка (обмотки), и перемещающийся индуктор, установленный в отверстии соосно магнитопроводу, индуктор имеет хотя бы один магнитопроводящий участок, причем чашкообразные магнитопроводы по внешнему и внутреннему контуру сопрягаются через кольцеобразную электропроводящую немагнитопроводящую перекрывающую магнитные потоки магнитопроводов и обмоток вставку, имеющую хотя бы один сквозной разрез, например радиальный.
Как вариант исполнения, возможно, что чашкообразный магнитопровод состоит из двух магнитопроводящих втулок разного диаметра выполненных как единое целое с магнитопроводящим фланцем, причем втулка меньшего диаметра образует внутренний контур магнитопровода, а втулка большего диаметра с фланцем образуют внешний контур магнитопровода.
Как вариант исполнения, возможно, что чашкообразный магнитопровод состоит из двух магнитопроводящих втулок разного диаметра и фланца, причем втулка меньшего диаметра образует внутренний контур магнитопровода и выполнена с фланцем как единое целое, а втулка большего диаметра сопрягается с поверхностью фланца, образуя с ним внешний контур магнитопровода.
Как вариант исполнения, возможно, что чашкообразный магнитопровод состоит из двух магнитопроводящих втулок разного диаметра и фланца, причем втулка меньшего диаметра, сопрягаясь с поверхностью фланца, образует внутренний контур магнитопровода, а втулка большего диаметра выполнена с фланцем как единое целое, образуя с ним внешний контур магнитопровода.
Как вариант исполнения, возможно, что чашкообразный магнитопровод состоит из двух магнитопроводящих втулок разного диаметра и фланца, причем втулка меньшего диаметра, сопрягаясь с поверхностью фланца, образует внутренний контур магнитопровода, а втулка большего диаметра, сопрягаясь с поверхностью фланца, образует внешний контур магнитопровода.
Как вариант исполнения, возможно, что вставка электрически изолирована от магнитопровода.
Как вариант исполнения, возможно, что вставка выполнена в форме диска.
Как вариант исполнения, возможно, что вставка состоит из последовательного сопряжения нескольких кольцеобразных электропроводящих диамагнитных элементов.
Как вариант исполнения, возможно, что индуктор, сопряженный с контролируемым объектом, представляет собой диамагнитный стержень, имеющий на внешней цилиндрической поверхности хотя бы один магнитопроводящий участок.
Как вариант исполнения, возможно, что индуктор, сопряженный с контролируемым объектом, представляет собой магнитопроводящий стержень, имеющий возможность входить и выходить из внутренней зоны магнитопровода, перекрытой электропроводящей диамагнитной вставкой.
Как вариант исполнения, возможно, что длина магнитопроводящего участка индуктора не менее расстояния между внутренними сопрягаемыми через вставку контурами магнитопроводов.
Как вариант исполнения, возможно, что обмотка (обмотки) закреплена, например, на поверхности электропроводящей диамагнитной вставки.
Как вариант исполнения, возможно, что обмотка (обмотки) закреплена, например, на внешней цилиндрической поверхности внутренней втулки магнитопровода.
Как вариант исполнения, возможно, что обмотка (обмотки) закреплена, например, на внутренней цилиндрической поверхности внешней втулки магнитопровода.
Как вариант исполнения, возможно, что обмотка (обмотки) закреплена, например, на внутренней поверхности фланца магнитопровода.
Как вариант исполнения, возможно, что обмотки индуктивного первичного измерительного преобразователя соединены так, что создаваемые ими магнитные потоки в магнитопроводах направлены встречно.
Как вариант исполнения, возможно, что первичные обмотки трансформаторного первичного измерительного преобразователя соединены так, что создаваемые ими магнитные потоки в магнитопроводах направлены встречно, а вторичные обмотки включены последовательно встречно или параллельно встречно.
Как вариант исполнения, возможно, что хотя бы с одной внешней торцевой стороны магнитопровода закреплена дополнительно введенная опора индуктора.
Как вариант исполнения, возможно, что одна или несколько дополнительно введенных опор индуктора закреплены в зазоре между магнитопроводом и индуктором.
Как вариант исполнения, возможно, что дополнительно введена обечайка, с которой магнитопровод сопрягается по внешней цилиндрической поверхности внешнего контура.
Как вариант исполнения, возможно, что дополнительно введена обечайка, с которой магнитопровод сопрягается по внешней цилиндрической поверхности внешнего контура и одной из торцовых поверхностей.
Как вариант исполнения, возможно, что дополнительно введена обечайка, с которой магнитопровод сопрягается по внешней цилиндрической поверхности внешнего контура и торцевым поверхностям.
Как вариант исполнения, возможно, что обечайка выполнена из электропроводящего магнитопроводящего материала.
Как вариант исполнения, возможно, что обечайка выполнена из слабоэлектропроводящего или диэлектрического магнитопроводящего материала.
Как вариант исполнения, возможно, что обечайка выполнена из электропроводящего диамагнитного материала.
Как вариант исполнения, возможно, что обечайка выполнена из слабоэлектропроводящего или диэлектрического диамагнитного материала.
Как вариант исполнения, возможно, что обечайка имеет хотя бы одно торцевое отверстие соосное осевому отверстию магнитопровода, диаметром не менее диаметра индуктора.
Как вариант исполнения, возможно, что обечайка является опорой индуктора.
Как вариант исполнения, возможно, что одна или несколько опор индуктора закреплены в зазоре между обечайкой и индуктором.
Как вариант исполнения, возможно, что торцевая поверхность втулки большего диаметра сопрягается с торцевой поверхностью фланца.
Как вариант исполнения, возможно, что внутренняя цилиндрическая поверхность втулки большего диаметра сопрягается с внешней цилиндрической поверхностью фланца.
Как вариант исполнения, возможно, что торцевая поверхность втулки меньшего диаметра сопрягается с торцевой поверхностью фланца.
Как вариант исполнения, возможно, что внешняя цилиндрическая поверхность втулки меньшего диаметра сопрягается с внутренней цилиндрической поверхностью фланца.
Как вариант исполнения, возможно, что одна из магнитопроводящих втулок выполнена составной в виде набора кольцеобразных элементов, сопряженных по торцевым или цилиндрическим поверхностям.
Как вариант исполнения, возможно, что магнитопроводящие втулки выполнены составными в виде набора кольцеобразных элементов, сопряженных по торцевым или цилиндрическим поверхностям.
Как вариант исполнения, возможно, что фланец выполнен составным в виде набора кольцеобразных элементов, сопряженных по торцевым или цилиндрическим поверхностям.
Как вариант исполнения, возможно, что кольцеобразные элементы вставки электрически изолированы между собой.
Как вариант исполнения, возможно, что разрезы кольцеобразных элементов вставки совпадают.
Как вариант исполнения, возможно, что разрезы кольцеобразных элементов вставки не совпадают, причем разрез одного кольцеобразного элемента перекрывается изолированными между собой электропроводящими диамагнитными участками других элементов.
Магнитопровод чувствительного элемента, выполненный в виде двух чашкообразных магнитопроводов, сопрягающихся по внешнему и внутреннему контуру через диамагнитную электропроводящую вставку, имеет более высокую чувствительность, т.к. обладает большим относительным изменением индуктивности обмоток датчика.
Разрез диамагнитной электропроводящей вставки, позволяет уменьшить кольцевые токи и соответственно потери, когда магнитные потоки магнитопроводов замыкаются через магнитопровод, что повышает чувствительность первичного измерительного преобразователя, т.к. увеличивается относительное изменение индуктивности обмоток датчика.
Составная диамагнитная электропроводящая вставка, выполненная в виде набора кольцеобразных элементов, электрически изолированных между собой, разрезы которых повернуты друг относительно друга, делает невозможным беспрепятственное проникновение магнитного потока через разрез вставки, когда основная часть магнитного потока замыкается через индуктор, что повышает чувствительность первичного измерительного преобразователя.
При различных вариантах исполнения индуктивный чувствительный элемент посредством индуктора, связанного с контролируемым объектом, обеспечивает получение информации о нахождении контролируемого объекта в заданной области.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна».
Для проверки соответствия заявленной полезной модели требованию уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной полезной модели, результаты которого показывают, что заявленная полезная модель не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленной полезной модели преобразований для достижения технического результата, в частности заявленная полезная модель не предусматривает следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого случая результата;
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.
Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует требованию «уровень».
На фиг.1, фиг.2 приведен чувствительный элемент датчика обнаружения в объеме независимого пункта 1 формулы полезной модели. На фиг.3, фиг.4 и фиг.5 раскрыты варианты сопряжения магнитопроводящего фланца с магнитопроводящей втулкой меньшего диаметра. На фиг.6, фиг.7 и фиг.8 раскрыты варианты сопряжения магнитопроводящего фланца с магнитопроводящей втулкой большего диаметра. На фиг.9 - фиг.14 раскрыты варианты электропроводящей диамагнитной вставки. На фиг.15 и фиг.16 раскрыты варианты конструкции индуктора. На фиг.17 - фиг.20 изображены варианты расположения обмоток в полостях магнитопровода. На фиг.21, фиг.22 и фиг.23 представлены варианты конструкции обечайки. На фиг.24 - фиг.28 приведены электрические схемы измерительных цепей в зависимости от положения индуктора.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Чувствительный элемент на фиг.1 индуктивного (трансформаторного) первичного измерительного преобразователя положения, содержащий магнитопровод 2 с торцевым осевым отверстием, выполненный в форме двух чашкообразных магнитопроводов Ш-образного сечения, установленных встречно внутренними полостями, в каждой из которых расположена обмотка 4, и перемещающийся индуктор 1, установленный в отверстии соосно магнитопроводу 2. Индуктор имеет хотя бы один магнитопроводящий участок. Чашкообразные магнитопроводы по внешнему и внутреннему контуру сопрягаются через кольцеобразную электропроводящую немагнитопроводящую перекрывающую магнитные потоки магнитопроводов и обмоток вставку 3, имеющую хотя бы один сквозной разрез, например радиальный.
Чувствительный элемент на фиг.2 трансформаторного первичного измерительного преобразователя положения, содержащий магнитопровод 2 с торцевым осевым отверстием, выполненный в форме двух чашкообразных магнитопроводов Ш-образного сечения, установленных встречно внутренними полостями, в каждой из которых расположена первичная обмотка 4 и вторичная обмотка 5. Перемещающийся индуктор 1, установлен в отверстии соосно магнитопроводу 2. Индуктор 1 имеет хотя бы один магнитопроводящий участок. Чашкообразные магнитопроводы по внешнему и внутреннему контуру сопрягаются через кольцеобразную электропроводящую немагнитопроводящую перекрывающую магнитные потоки магнитопроводов и обмоток вставку 3, имеющую хотя бы один сквозной разрез, например радиальный.
Внутренний контур чашкообразного магнитопровода на фиг.3 выполнен с магнитопроводящим фланцем заодно.
Внутренний контур чашкообразного магнитопровода на фиг.4 сопрягается с магнитопроводящим фланцем по торцевой поверхности.
Внутренний контур чашкообразного магнитопровода на фиг.5 сопрягается с магнитопроводящим фланцем по внешней цилиндрической поверхности.
Внешний контур чашкообразного магнитопровода на фиг.6 выполнен с магнитопроводящим фланцем заодно.
Внешний контур чашкообразного магнитопровода на фиг.7 сопрягается с магнитопроводящим фланцем по внутренней цилиндрической поверхности.
Внешний контур чашкообразного магнитопровода на фиг.8 сопрягается с магнитопроводящим фланцем по торцевой поверхности.
Индуктор 1 на фиг.15 содержит магнитопроводящий 6 и немагнитопроводящий участок 7.
Индуктор 1 на фиг.16 представляет собой немагнитопроводящий стержень 7, имеющий на внешней цилиндрической поверхности магнитопроводящий участок 6.
Магнитопровод 2 на фиг.21 сопрягается по внешней цилиндрической поверхности внешнего контура с обечайкой 8.
Магнитопровод 2 на фиг.22 сопрягается по внешней цилиндрической поверхности внешнего контура и одной из торцовых поверхностей с обечайкой 8.
Магнитопровод 2 на фиг.23 сопрягается по внешней цилиндрической поверхности внешнего контура и торцевым поверхностям с обечайкой 8.
Чувствительный элемент индуктивного типа на фиг.1 работает следующим образом.
01
01
01
01
При подаче на обмотки 4 чувствительного элемента гармонического или импульсного сигнала, когда в зоне диамагнитной электропроводящей вставки 3 находится диамагнитный участок индуктора 1, например, диэлектрический, магнитные потоки обмоток 4 не взаимодействуют, наводя ЭДС в диамагнитной электропроводящей вставке 3. Электрическая схема измерительной цепи представлена на фиг.24, где 9 - образцовое сопротивление, 10 - индуктивность диамагнитной электропроводящей вставки 3; 11 - внутреннее электрическое сопротивление вставки 3 (R~0). Таким образом, когда в зоне диамагнитной вставки 3 находится диамагнитный участок индуктора 1 обмотки 4 чувствительного элемента и диамагнитная вставка 3 работают как трансформаторы в режиме короткого замыкания. В таком режиме практически вся энергия магнитного поля обмоток 4 передается на электропроводящую диамагнитную вставку 3, где преобразуется в токи Фуко. При этом индуктивность обмоток 4 L стремиться к нулю. Их комплексное сопротивление Z равно Z=jωL+r, (где ω - частота напряжения питания; r - активное сопротивление обмоток), которое так же мало. Такой режим работы чувствительного элемента можно заменить схемой, которая представлена на фиг.25, в которой сопротивление элемента 12 эквивалентно параллельному включению активного сопротивления обмоток и внутреннего сопротивления диамагнитной электропроводящей вставки. Таким образом, когда в зоне диамагнитной вставки 3 находится немагнитопроводящий участок индуктора 1, комплексное сопротивление чувствительного элемента мало, а, следовательно, и падение напряжения на нем также имеет небольшое значение.
При перемещении индуктора 1, связанного с контролируемым объектом в зону диамагнитной вставки 3 входит магнитопроводящий участок индуктора 1, основная часть магнитных потоков, направленных встречно замыкается через индуктор 1, внутренний контур чашкообразного магнитопровода 2, внешний контур чашкообразного магнитопровода 2, воздушный промежуток между чашкообразными магнитопроводами, внешний контур второго чашкообразного магнитопровода 2, внутренний контур второго чашкообразного магнитопровода 2 и магнитопроводящий участок индуктора 1. Эквивалентная схема такого режима работы представлена на фиг.26. При этом суммарный магнитны поток резко уменьшается, потери энергии также уменьшаются и ими можно пренебречь. Индуктивность чувствительного элемента становится равна
02
1
2
1
2
L=L+L-µLL,
1
2
где L, L - индуктивности соответственно первой и второй обмоток чувствительного элемента.
Сопротивление чувствительного элемента
02
1
2
1
2
1
2
Z=jω(L+L-µLL)+r+r
1
2
1
2
02
01
В данном случае (L+L) много больше, чем µLL, а, следовательно, Z много больше, чем Z, что соответствует большему падению напряжения на чувствительном элементе, когда в зоне диамагнитной вставки находится магнитопроводящий участок индуктора. Таким образом, контролируя падение напряжения на чувствительном элементе, например, с помощью делителя напряжения на индуктивном и резистивном элементах, можно получать однозначную информацию о том, какой участок индуктора находится в зоне диамагнитной электропроводящей вставки 3.
Чувствительный элемент трансформаторного типа на фиг.2 работает следующим образом.
При подаче на первичные обмотки 4 чувствительного элемента гармонического или импульсного сигнала, когда в зоне диамагнитной электропроводящей вставки 3 находится диамагнитный участок индуктора 1, например, диэлектрический, магнитные потоки обмоток 4 не взаимодействуют, наводя ЭДС в диамагнитной электропроводящей вставке 3, при этом практически вся энергия магнитного поля обмоток трансформируется в диамагнитную электропроводящую вставку, где преобразуется в токи Фуко. Электрическая схема измерительной цепи представлена на фиг.27, где 10 - индуктивность диамагнитной электропроводящей вставки 3; 11 - внутреннее электрическое сопротивление вставки 3 (R~0). Таким образом, когда в зоне диамагнитной вставки 3 находится диамагнитный участок индуктора 1, обмотки 4 чувствительного элемента и диамагнитная вставка 3 работают как трансформаторы в режиме короткого замыкания. При этом ЭДС индукции, наводимая во вторичных обмотках 5, имеет не большое значение.
При перемещении индуктора 1, связанного с контролируемым объектом, в зону диамагнитной вставки 3 входит магнитопроводящий участок индуктора 1, основная часть магнитных потоков, направленных встречно замыкается через индуктор 1, внутренний контур чашкообразного магнитопровода 2, внешний контур чашкообразного магнитопровода 2, воздушный промежуток между чашкообразными магнитопроводами, внешний контур второго чашкообразного магнитопровода 2, внутренний контур второго чашкообразного магнитопровода 2 и магнитопроводящий участок индуктора 1, диамагнитная вставка, как бы, экранируется индуктором 1, т.е. магнитный поток замыкается не на диэлектрическую диамагнитную вставку, а через магнитопроводящий участок индуктора. Электрическая схема измерительной цепи представлена на фиг.28. При этом потери энергии резко уменьшаются, а ЭДС индукции, наводимая во вторичных обмотках 5, увеличивается.
Таким образом, контролируя напряжение, наводимое во вторичных обмотках 5 чувствительного элемента, можно получать однозначную информацию о том, какой участок индуктора находится в зоне диамагнитной электропроводящей вставки 3.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- средство, выполняющее заявленную полезную модель при ее осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в измерительной технике;
- для заявленной полезной модели в том виде, как она охарактеризована в независимом пункте формулы, подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент РФ №2221988, МКл 7 G01B 7/14, 2002
2. AC №403955, МКл 2 G01d 5/22, 1972
3. AC №191380, Кл 74b, 8/04, 1967