Магнитоиндукционный тахометрический преобразователь

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при измерении расхода турбинными и шариковыми расходомерами, измерении частоты вращения валов различных агрегатов и т.д. в случаях, когда в месте расположения магнитоиндукционного преобразователя имеются сильные неоднородные магнитные поля и предъявляются жесткие требования к габаритам преобразователя.
Известен также магнитоиндукционный датчик частоты вращения, в котором магнитная система датчика имеет Ж-образные полюсные наконечники с сигнальными обмотками на перемычках [1]. Крайние полюса наконечников размещены над зубьями ферромагнитного зубчатого индуктора, а средний полюс - над пазом между зубьями. Ж-образное устройство полюсных наконечников обеспечивает последовательно-встречную коммутацию магнитного потока. При последовательно-встречном соединении обмоток полезные составляющие сигнала суммируются, а наводки - вычитаются, т.е. обеспечивается подавление помехи.
Недостатками описанного преобразователя являются:
1) относительно большие габариты, что делает нецелесообразным их применение в конструкциях турбинных расходомеров;
2) невозможность применения в конструкциях шариковых расходомеров;
3) неэффективное подавление помех в условиях, когда внешнее поле является неоднородным и характерный масштаб неоднородности поля соизмерим с расстоянием между обмотками.
Наиболее известным из уровня техники является магнитоиндукционный тахометрический преобразователь турбинного или шарикового расходомера, содержащий постоянный магнит с намотанной на нем обмоткой [2], выбранный в качестве прототипа. Магнитоиндукционный преобразователь устанавливается в стенке прозрачного для магнитного поля корпуса турбинного или шарикового преобразователя расхода в месте прохождения индуктора (лопастей турбинки или шарика), изготовленного из ферромагнитного материала. Вращающийся индуктор периодически пересекает силовые линии магнитного поля, создаваемого магнитом, в результате чего в обмотке возникает ЭДС, имеющая форму синусоиды. Недостатком данного устройства является возникновение помехи при наличии внешнего переменного магнитного поля, изменяющегося с частотой, лежащей в рабочем диапазоне частот сигнала магнитоиндукционного преобразователя (такими помехами сопровождается, например, работа электроприводов). При наложении помехи на полезный сигнал последний искажается, что приводит к увеличению погрешности измерений.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении устойчивости магнитоиндукционного тахометрического преобразователя к воздействию внешнего переменного неоднородного магнитного поля при сохранении малых габаритов.
Данная задача решается за счет того, что в магнитоиндукционный тахометрический преобразователь, содержащий постоянный магнит цилиндрической формы и намотанную на нем рабочую обмотку, введена компенсационная обмотка, идентичная рабочей и включенная с ней последовательно-встречно, при этом рабочая обмотка расположена максимально близко к концу магнита, обращенному к индуктору, компенсационная обмотка расположена на магните вплотную к рабочей обмотке так, чтобы рабочая обмотка находилась между индуктором и компенсационной обмоткой, причем обе обмотки имеют минимально возможную высоту.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых приведены: на фиг. 1 - устройство предлагаемого магнитоиндукционного тахометрического преобразователя, на фиг. 2 - график зависимости амплитуды полезного сигнала и наводки от расстояния между рабочей обмоткой и концом магнита, обращенным к индуктору, на фиг. 3 - график зависимости отношения «полезный сигнал/помеха» от расстояния между компенсационной и рабочей обмотками.
Магнитоиндукционный тахометрический преобразователь (фиг. 1) включает постоянный магнит 1 цилиндрической формы, рабочую обмотку 2 и расположенную вплотную к рабочей обмотке компенсационную обмотку 3. Рабочая обмотка 2 и компенсационная обмотка 3 включены последовательно-встречно, для чего конец рабочей обмотки 2 соединен с концом компенсационной обмотки 3. Сигнал снимается с начала рабочей обмотки 2 и начала компенсационной обмотки 3. Высота обмоток выполнена минимальной: для обеспечения необходимого числа витков применен намоточный провод малой толщины, а рабочая обмотка расположена максимально близко к концу магнита, обращенному к индуктору.
Р
K
Р
K
P
K
Р
K
P
K
Р
K
Р
K
Подавление наводки от внешних магнитных полей происходит следующим образом. В процессе измерений при вращении индуктора в рабочей 2 и компенсационной 3 обмотках преобразователя возникают ЭДС полезного сигнала Е и E, соответственно. Поскольку компенсационная обмотка 3 находится от индуктора на большем расстоянии, чем рабочая обмотка 2, то Е≠E, причем E>E. А поскольку обмотки включены последовательно-встречно, формируется напряжение, равное разности ЭДС ΔЕ=Е-E. При появлении в месте эксплуатации преобразователя внешнего переменного неоднородного магнитного поля в рабочей 2 и компенсационной 3 обмотках преобразователя возникают ЭДС помехи e и e, соответственно. Поскольку рабочая 2 и компенсационная 3 обмотки находятся рядом, пронизывающее их внешнее магнитное поле является практически однородным, и е≈e. А поскольку обмотки включены последовательно-встречно, на них формируется напряжение, равное разности ЭДС Δе=е-e≈0, т.е. происходит подавление наводки.
На графике фиг. 2 приведена снятая экспериментально на макете предлагаемого преобразователя зависимость амплитуды полезного сигнала и сигнала наводки от расстояния рабочей обмотки до конца магнита. Из него, в частности, следует:
1) амплитуда полезного сигнала резко падает с увеличением расстояния, причем наибольшую крутизну график имеет в области малых расстояний;
2) амплитуда наводки слабо зависит от расстояния и незначительно уменьшается с ростом расстояния.
Из этого следует, что для получения максимального значения ΔЕ рабочая обмотка должна располагаться как можно ближе к концу магнита (насколько позволяет конструкция преобразователя).
На фиг. 2 приведена зависимость отношения ΔЕ/Δе («сигнал/помеха») от расстояния между рабочей и компенсационной обмотками в неоднородном магнитном поле, из которой следует, что установка компенсационной обмотки вплотную к рабочей обеспечивает наиболее эффективное подавление наводки. При увеличении расстояния между обмотками, когда расстояние становится сравнимо или больше масштаба неоднородности, сигнал Δе начинает расти и компенсация нарушается. Такой же эффект наблюдается при увеличении высоты обмоток - даже при их близком расположении.
Таким образом, применение заявляемого технического решения с описанной совокупностью признаков обеспечивает эффективное подавление наводки от переменного магнитного поля даже при его сильной неоднородности, когда источник помехи находится в непосредственной близости от магнитоиндукционного преобразователя. При этом преобразователь имеет небольшие габариты и может работать с индуктором практически любой конструкции.
1. Габидуллин З.Г. Магнитоиндукционный датчик частоты вращения. Патент РФ, №2122742, опубл. 27.11.1998.
2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1989, с. 276, 297.