ИНДУКТИВНЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
INDUCTIVE SENSOR OF LINEAR DISPLACEMENT

Изобретение относится к области автоматики и может применяться в качестве элемента системы автоматического управления гидравликой для измерения величины перемещения исполнительных устройств, например перемещение штоков клапанов пневмогидравлических систем, якорей электромагнитов, золотников гидрораспределителей, которые работают в тяжелых условиях эксплуатации под высоким давлением в широком температурном диапазоне вплоть до криогенных (минус 253 градуса Цельсия).
Известен индуктивный датчик перемещения ВМИЖ.401161.005 ("Исследование по созданию ряда электромагнитов для релейной и пропорциональной гидроаппаратуры", технический отчет по НИИ, ВНИИ "Сигнал", г.Ковров, 1993), содержащий статор с обмотками возбуждения и обмотками измерения, а также якорь из ферромагнитного материала, имеющий возможность линейного перемещения внутри статора.
Недостатком является ограниченная область применения - невозможность измерять положение гидравлических элементов, которые могут работать при высоких давлениях и низкой температуре, т.к. в жидкости находятся обмотки возбуждения, а устройства, служащие для выведения электрического сигнала наружу, так называемые «электрические соединители» герметичного типа не могут работать при очень высоких давлениях и очень низких температурах. Затрудняет использование датчика внутри рабочей жидкости и ферромагнитный материал якоря - ферритовые кольца, т.к. обладает способностью крошиться и засорять рабочую жидкость. Недостатком является также низкая чувствительность (крутизна) преобразования.
Известным является также индуктивный датчик линейного перемещения, содержащий соосно расположенные возбуждающие и измерительные обмотки (Патент RU 2367901, опубл. 20.09.2009, Б.И. №26, MПK G01B 7/00).
Известный индукционный датчик линейных перемещений содержит подвижный сердечник, выполненный из ферромагнитного материала, который соединен механически с контролируемым объектом, катушку, несущую обмотки возбуждения и измерения, намотанные на каркас из немагнитного материала, а обмотка при намотке выполняется проводом виток к витку по всей длине рабочего хода датчика. При этом с подвижным сердечником датчика осуществляется постоянное потокосцепление магнитного потока обмоток на всем рабочем ходе.
Недостатком является ограниченная область применения - невозможность измерять положение гидравлических элементов, которые могут работать при высоких давлениях и сверхнизкой температуре, т.к. в жидкости находятся обмотки возбуждения и измерения, а устройства, служащие для выведения электрического сигнала наружу, так называемые «электрические соединители» герметичного типа, не работают при высоких давлениях и сверхнизких температурах. Недостатком является также низкая чувствительность (крутизна) преобразования.
Известен также цилиндрический датчик перемещения (Ступель Ф.А. Электромеханические датчики и преобразователи неэлектрических величин. М., Энергия, 1965 г.). Магнитопровод датчика выполнен в виде цилиндрической трубки, играющей роль ярма с двумя катушками, якорь также имеет цилиндрическую форму. Для увеличения магнитной проводимости, с целью увеличения крутизны преобразования, между наружным ярмом и якорем посредине цилиндра устанавливается диск из ферромагнитного материала. Катушки датчика расположены по обе стороны диска. Недостатком является ограниченная область применения -невозможность измерять положение гидравлических элементов, которые должны работать при высоких давлениях и сверхнизкой температуре, т.к. в жидкости находятся обмотки возбуждения и измерения, а устройства, служащие для выведения электрического сигнала наружу, так называемые «электрические соединители» герметичного типа, не работают при высоких давлениях и сверхнизких температурах. Недостатками являются также низкая чувствительность (крутизна) преобразования и низкая температурная стабильность, особенно в области криогенных температур.
Наиболее близким к предлагаемому является индуктивный датчик линейного перемещения (Патент RU 31686 U1, МПК, H01F 21/06, опубл. 20.08.2003 ), содержащий статор, магнитопровод, обмотки возбуждения магнитного поля и обмотки измерения интенсивности магнитного поля, выполненные в виде катушек, расположенных на каркасе, установленном на втулке из немагнитного материала, выполненного в форме стакана с герметизацией внутренней полости относительно обмоток, и якорь из ферромагнитного материала, имеющий возможность линейного перемещения внутри статора. Недостатком известного устройства является низкая чувствительность (крутизна) преобразования при перемещении якоря.
Изобретение направлено на увеличение чувствительности (крутизны) преобразования при перемещении якоря датчика, а также на увеличение температурной стабильности.
Для достижения поставленной цели в индуктивном датчике линейного перемещения, содержащем статор, магнитопровод, обмотки возбуждения магнитного поля и обмотки измерения интенсивности магнитного поля, выполненные в виде катушек, расположенных на каркасе, установленном на втулке из немагнитного материала, выполненной в форме стакана с герметизацией внутренней полости относительно обмоток, и якорь из ферромагнитного материала, имеющий возможность линейного перемещения внутри статора, согласно изобретению якорь из ферромагнитного материала дополнен удлинительным стержнем из немагнитного материала с высокой электропроводностью.
Такое выполнение якоря увеличивает крутизну преобразования при перемещении якоря датчика даже в том случае, если втулка выполнена из металла. Кроме того, такое выполнение якоря увеличивает температурную стабильность.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструкция датчика линейного перемещения, на фиг.2 - позиционные характеристики датчика U1 - известное устройство, U2 - предлагаемое устройство, а на фиг.3 - графическая иллюстрация результатов экспериментальных исследований, подтверждающих увеличение температурной стабильности. Fe - зависимость температурной погрешности от перемещений якоря из магнитопроводящего материала; Fe+Cu - зависимость температурной погрешности от перемещений якоря, выполненного из магнитопроводящего материала, дополненного удлинительным стержнем из материала с высокой электропроводностью, (медь).
Конструктивно индуктивный датчик линейного перемещения состоит из статора 7, катушек 1 и 2 с обмотками возбуждения магнитного поля и обмотками измерения магнитного поля, намотанными на каркасы 3 и 4, установленных на втулке 5, выполненной в форме стакана из немагнитного материала, внутри которой перемещается якорь 6, выполненный из ферромагнитного материала.
На рабочем торце 8 якоря 6 размещен удлинительный стержень 9 из немагнитного материала с высокой электропроводностью. Открытая часть втулки 5 служит для герметизации внутренней полости относительно обмоток. Втулка 5 выполнена из немагнитного материала и может быть металлической.
Обмотки измерения интенсивности магнитного поля индуктивного датчика линейного перемещения могут быть выполнены как в виде непрерывной обмотки, так и в виде двух полуобмоток соединенных встречно-последовательно (дифференциальный датчик линейных перемещений), а удлинительный стержень 9 также выполняют соразмерно величине перемещений.
При питании обмотки возбуждения магнитного поля переменным током в обмотках измерения магнитного поля наводится электродвижущая сила переменного тока, амплитуда которой пропорциональна величине магнитного потока, пронизывающего обмотки измерения магнитного поля и связанного с линейным смещением якоря относительно начального (нулевого) положения. При нахождении якоря в исходном положении, как это показано на фиг.1, его часть, выполненная из ферромагнитного материала, расположена в магнитном поле одной из двух обмоток возбуждения магнитного поля в первой катушке 1, а удлинительный стержень из немагнитного материала с высокой электропроводностью расположен в магнитном поле второй обмотки внутри второй катушки 2 датчика. При этом индуктивность обмотки, внутри которой расположен удлинительный стержень, существенно уменьшается по сравнению с известным устройством, что увеличивает крутизну преобразования датчика к перемещениям якоря, так как это изображено на фиг.2.
Индуктивность каждой из катушек определяется магнитной проницаемостью и электропроводностью материала якоря в зоне ее магнитного потока. Чем больше магнитопроводящего материала находится в зоне магнитного потока катушки, тем больше ее индуктивность и больше величина ЭДС, а увеличение количества электропроводящего материала в зоне действия магнитного потока катушки, наоборот, уменьшают индуктивность катушки и наводимую в ней ЭДС.
Так, при смещении якоря влево количество ферромагнитного материала первой катушки уменьшается, а количество электропроводящего материала растет, что приводит к уменьшению ее индуктивности, а следовательно, и ее ЭДС. В то же время уменьшение количества электропроводящего материала в катушке 2 увеличивает ее индуктивность и ЭДС.
При смещении якоря вправо индуктивность обмоток катушки 1 практически не изменяется, а обмоток катушки 2 увеличивается.