ДАТЧИК ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Датчик предназначен для использования в различных областях промышленности, например в автомобилестроении.
Известен датчик частоты вращения, который содержит кольцевой многополюсный магнит на приводном валу с радиально-намагниченными разнополярными зонами, компаратор магнитной индукции с чувствительным к изменениям магнитного поля элементом, расположенным над внешней цилиндрической поверхностью многополюсного магнита, и концентратор магнитной индукции, выполненный в виде изогнутой пластины, у которого одна часть пластины расположена над чувствительным элементом, а другая охватывает вал. Для смещения магнитного поля в области чувствительного элемента используется многополюсный магнит с различной азимутальной шириной намагничивания полюсных поверхностей разной полярности (патент РФ №2136003, МПК G01P 3/487, 1999).
Известен также датчик частоты вращения, который содержит подвижный элемент в виде кольцевого многополюсного магнита, расположенного на приводном валу, источник магнитного поля на основе постоянного магнита и преобразователь магнитного поля, установленный между источником магнитного поля и подвижным элементом датчика (патент РФ №2190856, МПК G01P 3/487, 2002 - прототип). Постоянный магнит позволяет производить регулировку параметров выходного сигнала датчика изменением величины индукции постоянного магнитного поля смещения в области преобразователя магнитного поля путем перемещения постоянного магнита и/или его вращения вокруг своей оси.
Недостатком известных устройств является их сложность, обусловленная сложностью выполнения подвижного элемента, а также необходимостью перемещения источника магнитного поля и/или его вращения вокруг своей оси.
Технический результат - упрощение устройства за счет упрощения конструкции подвижного элемента и исключения перемещения и вращения источника магнитного поля.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в датчике частоты вращения, содержащем подвижный элемент, закрепленный на вращающемся объекте, источник магнитного поля на основе постоянного магнита и преобразователь магнитного поля, установленный между источником магнитного поля и подвижным элементом датчика, согласно предложению подвижный элемент выполнен из электропроводящего немагнитного материала, источник магнитного поля выполнен в виде двухполюсного устройства с полюсами, обращенными к подвижному элементу, а преобразователь магнитного поля установлен в нейтральной плоскости источника магнитного поля с осью чувствительности, перпендикулярной его магнитному потоку.
Датчик может быть дополнительно снабжен преобразователем магнитного поля с осью чувствительности, параллельной оси чувствительности первого преобразователя и перпендикулярной магнитному потоку источника магнитного поля, причем преобразователи по выходному сигналу включены последовательно-встречно.
Выполнение подвижного элемента из электропроводящего немагнитного материала обеспечивает упрощение устройства за счет исключения сложной и массивной магнитной системы, устанавливаемой на вращающийся объект, а также благодаря исключению операции перемещения и/или вращения источника магнитного поля. Кроме того, предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, обеспечивает непрерывный сигнал, пропорциональный скорости вращения.
Введение в устройство второго преобразователя магнитного поля, соединенного последовательно-встречно с первым, обеспечивает повышение достоверности измерений за счет устранения влияния внешних однородных магнитных полей на показания датчика.
Нами не обнаружены технические решения с признаками, совпадающими с существенными признаками предлагаемого решения, поэтому считаем, что предлагаемая полезная модель соответствует критерию «мировая новизна».
Датчик частоты вращения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема расположения элементов датчика на объекте; на фиг. 2 - распределение поля магнитов и поля от вихревых токов при вращении подвижного элемента вокруг оси, проходящей по центру источника магнитного поля; на фиг. 3 - распределение магнитных полей в системе «источник постоянного магнитного поля - подвижный элемент» при смещении центра источника магнитного поля относительно оси вращения объекта.
Датчик частоты вращения (фиг. 1) состоит из подвижного элемента 1, закрепленного на вращающемся объекте 2, источника постоянного магнитного поля в виде двух постоянных магнитов 3 с полюсами, обращенными к подвижному элементу (на фиг. 1 направления намагниченности магнитов показаны стрелками), и преобразователя 4 магнитного поля, установленного в нейтральной плоскости источника с осью чувствительности, перпендикулярной его магнитному потоку (перпендикулярно плоскости чертежа на фиг. 1). Подвижный элемент 1 может быть выполнен в виде диска или кольца из электропроводного немагнитного материала, например, алюминия, закрепленного на вращающемся объекте 2 соосно с валом вращения.
Датчик может быть дополнительно снабжен преобразователем 5 магнитного поля (фиг. 1) с осью чувствительности, параллельной оси чувствительности первого преобразователя 4 и перпендикулярной магнитному потоку постоянных магнитов 3, причем преобразователи по выходному сигналу включены последовательно-встречно. Центр преобразователя 5 может располагаться в плоскостях Z-X или Z-Y, в частности, на их пересечении, как показано на фиг. 1.
Постоянные магниты 3 и преобразователи 4 и 5 магнитного поля установлены неподвижно относительно вращающегося объекта 2 и закрепленного на нем элемента 1.
Датчик частоты вращения работает следующим образом.
х
В основе принципа действия устройства лежит экспериментально обнаруженное нами явление появления поперечного магнитного поля в межполюсном пространстве двухполюсного намагничивающего устройства при вращательном перемагничивании им электропроводного материала. Так, при вращении объекта 2 (фиг. 1) относительно постоянных магнитов 3 двухполюсного источника магнитного поля в подвижном электропроводном элементе 1, закрепленном на объекте, возникают вихревые токи, создающие в пространстве магнитное поле, перпендикулярное напряженности Н поля магнитов, которое регистрируется преобразователем 4 магнитного поля. В зависимости от места расположения источника постоянного магнитного поля (магнитов 3) с преобразователем 4 по отношению к оси вращения объекта 2 возможны два случая распределения магнитных полей в системе «источник постоянного магнитного поля - подвижный элемент».
В первом случае подвижный элемент 1 выполнен в форме диска (фиг. 2) и закреплен на вращающемся объекте 2 (фиг. 1) соосно с валом вращения. При этом центр магнитной системы из постоянных магнитов 3 расположен на оси вращения диска 1.
x
Для расчета вихревых токов выделим в диске 1 (фиг. 2) тонкий слой, плоскость которого перпендикулярна поверхности диска, пересекает ось вращения объекта 2 и образует с направлением напряженности H поля магнитов 3 угол ϕ. Заменим плоский слой эквивалентным плоским контуром тока (на фиг. 2 обозначен буквой «К»). Проекция напряженности магнитного поля магнитов 3 на нормаль к плоскости контура равна
При вращении объекта плоскость контура К поворачивается, при этом происходит изменение магнитного потока через контур:
0
где μ - магнитная постоянная, S - площадь контура.
Скорость изменения магнитного потока через контур (э.д.с. вихревых токов в контуре) пропорциональна угловой скорости (частоте) вращения объекта dϕ/dt и равна
При этом в контуре возникает ток, который создает магнитное поле, перпендикулярное плоскости контура. Проекция напряженности магнитного поля, создаваемого током в контуре, на ось чувствительности преобразователя 4 магнитного поля (ось Y на фиг. 2) равна
где γ - коэффициент пропорциональности, зависящий от электропроводности материала диска.
Поскольку в диске можно выделить множество контуров, которые повернуты относительно поля магнитов на углы, лежащие в пределах от -π/2 до π/2, то необходимо просуммировать вклад каждого контура в сигнал датчика:
у
х
Таким образом, напряженность поля Н, фиксируемая преобразователем 4 магнитного поля, прямо пропорциональна частоте вращения объекта dϕ/dt и определяется величиной напряженности поля Н постоянных магнитов 3 и электропроводностью материала подвижного элемента 1.
Во втором случае (фиг. 3) центр системы из постоянных магнитов 3 не совпадает с осью вращения объекта (на фигуре не показан), а подвижный элемент 1 выполнен в форме плоского кольца из электропроводного немагнитного материала, соосного с валом вращения. Как и в первом случае, выделим в кольце 1 тонкий слой, плоскость которого перпендикулярна поверхности кольца и пересекает ось вращения объекта, заменив его эквивалентным плоским контуром K тока (фиг. 3).
х
у
Из фиг. 3 видно, что при повороте кольца 1 вместе с объектом вращения на угол (р из некоторого начального положения контур К не только перемещается вдоль дуги с радиусом, зависящим от расположения центра системы постоянных магнитов 3 и преобразователя 4 магнитного поля (в положение К’), но и поворачивается на такой же угол относительно центра системы магнитов. Аналогично происходит поворот любых контуров, выделенных вблизи центра намагничивающего устройства, независимо от ориентации напряженности магнитного поля Н. Благодаря этому преобразователь магнитного поля непрерывно фиксирует напряженность поля Н в соответствии с выражением (5).
При смене направления вращения объекта сигнал на выходе преобразователя изменяет знак на противоположный.
Применение в устройстве второго преобразователя магнитного поля (5, фиг. 1) позволяет устранить влияние внешних однородных магнитных полей (преимущественно, поля Земли) на показания прибора за счет того, что при параллельных осях чувствительности преобразователей и последовательном-встречном их включении сигналы преобразователей, обусловленные однородным магнитным полем, полностью компенсируют друг друга.