МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G01C9/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угла наклона объектов, в системах автоматического контроля положения объектов относительно горизонтальной плоскости.

Известен измеритель наклона, содержащий замкнутую трубку, частично заполненную магнитной жидкостью, с расположенными на противоположных участках измерительными катушками [1].

Наиболее близким к предложенному является магнитожидкостное устройство для определения угла наклона, содержащее частично заполненную магнитной жидкостью (МЖ) трубку, выполненную из немагнитного материала, две измерительные обмотки, расположенные на противоположных концах трубки [2].

В измерительных устройствах мерой угла наклона является разность индуктивностей
ΔL = L₁-L₂ ,
где
L₁ и L₂ - индуктивности соответствующих обмоток.

При наклоне устройства происходит перераспределение магнитной жидкости в трубке. Поскольку индуктивность обмотки определяется соотношением
L = Kμ_fL₀,
где L₀ - индуктивность обмотки при незаполненной трубке, k - коэффициент заполнения магнитной жидкостью, μ_f - магнитная проницаемость жидкости,первоначальное значение L₁ и L₂ изменяется.

При малых углах наклона α датчика можно считать, что изменение коэффициента k обмоток будет пропорционально α .

Тогда значения индуктивностей L₁ и L₂ можно представить в виде
L₁= μ_fL∞1

(k+Cα); L₂= μ_fLo2(k-Cα),
где C- константа.

Связь между искомым углом α и разностью измеряемых устройством индуктивностей определяется в виде
ΔL = μ_f(k(Lo1

-Lo2)+C(Lo1-Lo2)α).
Таким образом, недостатком известных устройств является то, что коэффициент пропорциональности между ΔL и α зависит от магнитной проницаемости МЖ, которая со временем из-за явления магнитной седиментации и оседания магнитных дисперсных частиц коллоида на стенке внутри устройства будет изменяться, следовательно, будет изменяться и точность, градуировка датчика и линейность его выходной характеристики. В основном магнитная седиментация обусловлена тем, что магнитная жидкость одновременно находится в поле действия гравитационных сил с ускорением g и под действием слабого подмагничивающего поля обмоток.

Недостатком известных устройств является также то, что магнитная седиментация МЖ резко усиливается из-за магнитной адгезии дисперсных магнитных частиц к внутренним стенкам контейнера и последующего агрегирования агезированных частиц.

Кроме того, наличием явления магнитной адгезии дисперсных частиц МЖ к стенкам контейнера обуславливается длительное время переходного процесса при резком изменении угла наклона датчика, поскольку прилипание МЖ к внутренним стенкам контейнера замедляет и затрудняет перетекание ее под воздействием внешних сил и снижает быстродействие и точность измерения датчика, поскольку часть МЖ может необратимо прилипать к стенкам контейнера и уже не перетекать под действием внешних сил, внося вклад в паразитную проницаемость и искажая результаты измерений.

Технический результат изобретения заключается в повышении быстродействия, чувствительности, обеспечении стабильности показаний датчика.

Технический результат достигается тем, что магнитожидкостное устройство для определения угла наклона (вариант 1), содержащее частично заполненную магнитной жидкостью трубку с торцовыми крышками, выполненными из немагнитного материала, на противоположных концах которого располагаются две измерительные обмотки, согласно изобретению внутренние поверхности корпуса и крышек, обращенные к магнитной жидкости, выполнены не смачиваемыми магнитной жидкостью. Кроме того, на внутренней поверхности трубки контейнера и торцовых крышек нанесено специальное тонкослойное покрытие из материалов, не смачивающихся магнитной жидкостью. Кроме того, устройство снабжено частично погруженным в магнитную жидкость, постоянным магнитом, поверхности которого выполнены несмачиваемыми магнитной жидкостью.

Технический результат достигается тем, что магнитожидкостное устройство для определения угла наклона (вариант 2), содержащее заполненный магнитной жидкостью и выполненный из немагнитного материала корпус в виде трубки с торцевыми крышками, предназначенными для герметизации полости трубки, две измерительные обмотки, расположенные не соответствующих концах трубки корпуса, снабжено магнитом, состоящим из двух постоянных магнитов, и двумя центрирующими постоянными магнитами, закрепленными в крышках с внутренней стороны таким образом, что одноименные полюса постоянных магнитов и центрирующих магнитов обращены друг к другу, магнитная жидкость частично в виде двух капель заполняет полость корпуса, каждый из постоянных магнитов полностью погружен в соответствующую каплю магнитной жидкости.

При резком изменении угла наклона объекта возникающие колебания уровня жидкости внутри цилиндрического корпуса, внутренние поверхности которого выполнены из материала, не смачивающегося магнитной жидкостью, затухают значительно быстрее, чем в известных конструкциях, что повышает быстродействие заявляемого устройства.

При наклоне объекта относительное изменение объема магнитной жидкости под измерительными обмотками в цилиндрическом корпусе с несмачиваемыми МЖ внутренними поверхностями выше, чем в известных, за счет отсутствия частичного прилипания МЖ к оголенным при наклоне под действием внешних сил поверхностям контейнеров, что увеличивает чувствительность устройства.

При этом магнитная седиментация в магнитной жидкости за счет отсутствия магнитной адгезии и осаждения взвешенных в коллоиде дисперсных частиц МЖ на стенках контейнера и их возможной последующей агрегации резко заземляется. При этом на внутренних поверхностях корпуса, образованных специальным тонкослойным покрытием, обладающим свойством несмачивания МЖ, отсутствует стационарный слой адгезировавшихся магнитных дисперсных частиц, вносящих необратимое искажение в результирующий сигнал и искажающих линейность выходной характеристики устройства.

На фиг. 1 изображено магнитожидкостное устройство для определения угла наклона (вариант 1); на фиг. 2 - вариант выполнения корпуса, где несмачиваемые стенки образованы тонкослойным покрытием 5, нанесенным на внутреннюю поверхность трубки и торцовых крышек; на фиг. 3 - пример выполнения устройства с постоянным магнитом, частично погруженным в магнитную жидкость; на фиг. 4 - магнитожидкостное устройство (вариант 2).

Устройство (вариант 1) состоит из корпуса в виде трубки 1 и торцевых крышек 2, предназначенных для герметизации внутренней полости, которая частично заполнена магнитной жидкостью. Трубка 1 охвачена симметрично расположенными на концах измерительными обмотками 4. Внутреннее поверхности трубки 1 и герметизирующих торцовых крышек 2 выполнены не смачиваемыми магнитной жидкостью, например, из материала, не смачивающегося магнитной жидкостью. Или возможно (фиг.2) на внутреннюю поверхность корпуса нанести специальное тонкослойное покрытие 5, обладающее свойством несмачивания магнитной жидкостью. Возможно расположение на центре симметрии дополнительной третьей обмотки 6, в этом случае обмотки 4 и 6 соединены по трансформаторной схеме. Возможно поместить в полость корпуса постоянный магнит 7 и частично погрузить его в магнитную жидкость 7.

Устройство (вариант 2) состоит из корпуса в виде трубки 1 и торцовых крышек 2, во внутренней полости находится магнитная жидкость 3. Трубка 3 охвачена симметрично расположенными на концах измерительными обмотками 4, внутреннее поверхности корпуса выполнены не смачиваемыми магнитной жидкостью, например, на них нанесено тонкослойное покрытие 5. Возможно расположение на центре симметрии корпуса, дополнительной третьей обмотке, в этом случае обмотки соединены по трансформаторной схеме, устройство также содержит постоянный магнит 6, помещенный в магнитную жидкость 3 в виде двух капель частично заполняющих полость корпуса, при этом поверхность магнита выполнена не смачиваемой магнитной жидкостью, например, с покрытием 5. Магнит 6 выполнен составным, т. е. состоит из соединенных двух постоянных магнитов, каждый из которых полностью погружен в соответствующую каплю магнитной жидкости, в крышках 2 закреплены центрирующие постоянные магниты 7, таким образом, что постоянные магниты магнита 6 и центрирующие магнита 7 развернуты друг к другу одноименными и одинаковыми для обеих пар полюсами. Для заправки системы предусмотрены отверстия 8.

Работа устройства (вариант 1) осуществляется следующим образом. Когда оно находится в горизонтальной плоскости, магнитная жидкость 3 заполняет симметрично объем внутренней полости, охваченный измерительными обмотками 4, включенными, например, в плечи моста переменного тока высокой частоты (на чертеже не показан). Путем измерения расстояния между обмотками, длины и диаметра внутренней полости достигается получение нелинейности выходной характеристики датчика не более 5% в требуемом диапазоне углов наклона. Поскольку полные электрические сопротивления обмоток 4 равны между собой, то мост находится в равновесии и сигнал на выходе отсутствует.

Перемещение торцовых крышек 2 вдоль оси трубки 1 позволяет регулировать степень заполнения полости магнитной жидкостью 3.

При наклоне устройства свободная поверхность жидкости стремится занять горизонтальное положение, что приводит к уменьшению объема занимаемого (феро) магнитной жидкостью под одной измерительной обмоткой и увеличению под другой. Это вызывает изменение индуктивных сопротивлений обмоток, что приводит к нарушению равновесия моста переменного тока и появлению выходного сигнала, пропорционального углу наклона.

Измерительные обмотки генерируют слабое высокочастотное магнитное поле, не влияющее на устойчивость магнитной жидкости и ее положение внутри. Путем измерения расстояния между обмотками, длины и диаметра внутренней полости достигается получение нелинейной выходной характеристики устройства в требуемом диапазоне углов наклона не более 5%.

Выполнение внутренних поверхностей корпуса из материала, обладающего свойством несмачивания магнитной жидкостью или выполнение специального тонкослойного не смачивающегося магнитной жидкостью покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность трубки 1 и крышек 2, обеспечивает отсутствие возникновения магнитной адгезии и предотвращает образование поверхностного адгезированного слоя из дисперсных магнитных частиц, осаженных под действием магнитной седиментации и дальнейшей их агрегации. Предлагаемое техническое решение позволяет предотвратить возникновение поверхностного адгезированного слоя из дисперсных частиц, что приводит к искажению магнитной проницаемости коллоида и уменьшению нестабильности показаний его выходной характеристики во времени.

Таким образом, выполнение внутренней поверхности корпуса несмачиваемой, например, применение в качестве корпуса устройства трубки, выполненной из материала, обладающего свойством несмачивания магнитной жидкостью, или нанесение на внутренние поверхности контейнера и герметизирующих торцовых крышек специального тонкослойного покрытия, обладающего свойством несмачивания магнитной жидкостью, позволяет создать датчик, обладающий по сравнению с известным рядом преимуществ:
высокое быстродействие - время переходного процесса при резком изменении угла с 5 до 0 - не более 0,5 с,
линейная выходная характеристика, нелинейность выходной характеристики не более 5%,
высокая долговечность, срок службы устройства не менее 11 лет,
устойчивость к воздействию значительных перегрузок, сохраняет работоспособность после воздействия перегрузок 150g.

Помещение магнитов в жидкость усиливает магнитные взаимодействия в устройстве.

Работа устройства 2 аналогична описанной (см. вариант 1), т.е. магнитная жидкостная система работает, как и в варианте 1, обмотки 4 должны быть подключены к измерительной системе для получения разностного сигнала. Магнит 6 предназначен для усиления магнитного взаимодействия и возможность его перемещения определяется только той или иной силой взаимодействия пар магнитов 6-7. В первоначальном настроенном положении постоянные магниты 6 полностью погружены в капли жидкости. Преимущество применения магнитов, не смачиваемых магнитной жидкостью, аналогично описанным в варианте 1.

Устройство используется для определения угла наклона в системах автоматического контроля положения объектов относительно горизонтальной плоскости. Магнитожидкостное устройство для определения угла наклона содержит частично заполненный магнитной жидкостью и выполненный из немагнитного материала корпус в виде трубки, две измерительные обмотки, расположенные на соответствующих концах трубки корпуса, две торцевые крышки для герметизации полости трубки. Внутренние поверхности корпуса, обращенные к магнитной жидкости, выполнены не смачиваемыми магнитной жидкостью. Во втором варианте жидкость расположена в виде двух капель, в которых расположены постоянные магниты. В крышках установлены постоянные центрирующие магниты. Технический результат изобретения заключается в повышении быстродействия, чувствительности , обеспечении стабильности показаний датчика. 2 c. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Магнитожидкостное устройство для определения угла наклона, содержащее частично заполненный магнитной жидкостью и выполненный из немагнитного материала корпус в виде трубки и две измерительные обмотки, расположенные на соответствующих концах трубки, отличающееся тем, что содержит торцевые крышки для герметизации полости трубки, причем внутренние поверхности корпуса, обращенные к магнитной жидкости, выполнены не смачиваемыми магнитной жидкостью. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что не смачиваемой магнитной жидкостью поверхностью является поверхность тонкопленочного покрытия, нанесенного на внутренние поверхности трубки и крышек. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено частично погруженным в магнитную жидкость постоянным магнитом, поверхности которого выполнены не смачиваемыми магнитной жидкостью. 4. Магнитожидкостное устройство для определения угла наклона, содержащее частично заполненный магнитной жидкостью и выполненный из немагнитного материала корпус в виде трубки и две измерительные обмотки, расположенные на соответствующих концах трубки, отличающееся тем, что содержит торцевые крышки для герметизации полости трубки, составной магнит, состоящий из двух соединенных постоянных магнитов, размещенных в полости трубки, и два центрирующих постоянных магнита, закрепленных в крышках с внутренней стороны, причем одноименные полюса постоянных магнитов составного магнита и центрирующих магнитов обращены друг к другу, магнитная жидкость расположена в корпусе в виде двух капель, постоянные магниты составного магнита полностью погружены в соответствующую каплю магнитной жидкости, а внутренняя поверхность корпуса и поверхности всех магнитов выполнены не смачиваемыми магнитной жидкостью.