МАГНИТОИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01P3/48 

Изобретение относится к измерительной технике, системе автоматики и может быть использовано для измерения частоты вращения вала привода, измерения расхода турбинными расходомерами, крутящего момента вращающегося вала и т.д.

В настоящем изобретении решается задача защиты от помехи внешнего поля при обеспечении высокой чувствительности и относительно малых габаритах датчика, работающего с ферромагнитным зубчатым индуктором.

Известны датчики, возбуждаемые постоянными магнитами, работающие по принципу модулирования потока магнита и наводящие суммарную переменную ЭДС сигнала в двух обмотках комбинированного магнитопровода П-образной формы, размещенного на полюсах магнита (см [1]) А.Я.Тун. "Системы контроля скорости электропривода. М. , Энергоиздат, 1984 г. стр. 127, рис. 5, 8ж)). В итоге магнитная система получает П-образную форму с магнитом в середине. В двух обмотках датчика наводятся сигналы:
e = e₁-(-e₂) = WωΔΦsin(ωt), (1)
где

W - число витков обмотки;
ω - угловая частота магнитного потока;
ΔΦ - изменение магнитного потока;
т. е. ЭДС сигналов датчика суммируется при последовательно-встречном включении обмоток. Такое соединение делает датчик и помехозащитным, т.к. при воздействии внешнего поля одновременно на обе обмотки сигналы-помехи в них вычитаются, не оказывая влияние на измеренный сигнал. Однако размещение между двумя обмотками магнита, а также размещение самих обмоток в направлении радиуса зубчатого индуктора приводит к увеличению радиальной площади сечения датчика в цилиндрическом корпусе, вызывая увеличение габаритов датчика.

Более компактное размещение обмоток и магнита в цилиндрическом корпусе датчика может быть выполнено по заявке Великобритании N 1485576, G 01 P 3/48 от 14.11.1977 [2]), где магнит размещен над обмотками. Поэтому корпус датчика будет иметь меньшее сечение, а последовательно-встречное включение обмотки будет защищать сигнал от влияния помех.

При одних и тех же угловых скоростях вращения, рабочем зазоре "б" между выступом зуба индуктора и полюсными наконечниками и одинаковых числах витков обмоток и требуемых малых габаритах наводимая ЭДС датчика-аналога [2] пропорциональна только величине изменяемого магнитного потока ΔΦ и определяется также формулой (1).

Однако такая чувствительность недостаточна, т.к. она ограничивает возможности расширения диапазонов частот вращения в сторону малых частот. Если же увеличить чувствительность датчика вдвое и более, то появляется возможность его применения кроме авиации и космонавтики и для измерения параметров частот вращения валов автомобильных двигателей и других силовых установок промышленности и сельского хозяйства.

Целью изобретения является увеличение в два раза чувствительности магнитной системы при обеспечении помехозащищенности и малых габаритов датчика.

Это достигается путем размещения на полюсах магнита, обращенного к индуктору, полюсного наконечника, выполненного в виде Ж-образного магнитопровода, с сигнальными обмотками на его перемычках. При этом крайние (одноименные) полюса размещены над зубьями индуктора, а средний размещен над пазом между зубьями индуктора по середине между крайними полюсами наконечника.

ЭДС сигнала каждой обмотки такого датчика, благодаря наличию эффекта последовательно-встречной коммутации магнитного потока ΔΦ в них, определяется по формуле:
e_1,2 = -Wd(ΔΦcos(ωt))/dt = WωΔΦsin(ωt), (2)
где обозначения те же, что и в формуле (1). А сумма ЭДС двух обмоток, соединенных последовательно-встречно, определяется формулой
e = e₁ + e₂ = 2WωΔΦsin(ωt). (3)
На фиг. 1 изображена схема датчика с одним Ж-образным магнитопроводящим полюсным наконечником.

На фиг. 2 изображена схема датчика с дополнительно введенным Ж-образным магнитопроводящим полюсным наконечником.

Устройство датчика выполнено следующим образом: над индуктором 1 на полюсе S магнита 2, обращенного к индуктору, размещен полюсный наконечник, имеющий полюса 3, 4 и 5, которые соединены между собой перемычками-сердечниками 6 и 7. Крайние полюса 3 и 4 наконечника размещены над выступами зубьев индуктора и находятся между собой на расстоянии одного или нескольких (в зависимости от величины модуля зуба индуктора или от заданного габаритного размера датчика) нечетных чисел шагов зубьев, а средний полюс размещен над пазом между зубьями индуктора посередине между крайними полюсами. На перемычках-сердечниках 6 и 7 намотаны сигнальные обмотки. Для целей формирования помехозащищенного сигнала обмотки соединены между собой последовательно-встречно, посредством клемм концов обмоток K1 и K2.

В случае отсутствия помехи сигналы каждой обмотки могут быть использованы по отдельности как независимый канал преобразования первичной информации. И в этом случае сигналы обмоток как по магнитным, так и электрическим каналам будут взаимно независимыми.

В случае необходимости двух помехозащищенных каналов формирования сигнала в магнитной системе датчик дополнительно снабжен Ж-образным магнитопроводящим полюсным наконечником с сигнальными обмотками на перемычках, при этом два идентичных Ж-образных полюсных наконечника расположены параллельно (см. фиг. 2).

В случае же использования датчика в объектах без помех такой датчик может быть использован как четырехсигнальный.

Магнитокоммутационный датчик частоты вращения с одним Ж-образным магнитопроводящим полюсным наконечником (см.фиг. 1) работает следующим образом.

При вращении индуктора 1 со скоростью ω_и, когда наконечники 3 и 4 со своими пластинками 10 находятся над зубьями индуктора 1, изменения магнитного потока ΔΦ₁ и ΔΦ₂, образуемые при модулировании магнитного потока полезного рассеивания Φпs, будут проходить в направлении от крайних наконечников 3 и 4 к среднему 5, соответственно через сердечники 7 и 6, а когда средний полюс 5 будет над зубьями, то потоки ΔΦ₁ и ΔΦ₂ направятся от среднего наконечника 5 к крайним наконечникам 3 и 4. Таким образом, обеспечиваются чередующиеся изменения положения наконечников относительно зубьев и пазов индуктора, вызывая коммутацию магнитных потоков ΔΦ₁ и ΔΦ₂ и наводя переменную ЭДС в обмотках, намотанных на сердечниках 7 и 6, по вышеприведенной формуле (2). Суммарная помехозащищенная ЭДС сигнала будет наводиться удвоением по вышеприведенной формуле (3).

Частота сигналов обмоток определяется по известной формуле
f = Zn/60 (Гц), (4)
где
Z - число зубьев индуктора;
n - частота вращения индуктора, об/ми.

Датчик, снабженный двумя Ж-образными магнитопроводящими полюсными наконечниками (см.фиг. 2), работает так же, как два отдельных датчика с Ж-образными полюсными наконечниками, приведенными на фиг.1. Другим преимуществом применения Ж-образных полюсных наконечников по сравнению с прототипом [2], является увеличение сигнала на единицу массы датчика, что особо важно при использовании датчиков в авиации и в космическом приборостроении. Если учесть, что такие датчики в авиационной автоматике устанавливаются во внутренних полостях двигателей, где отсутствуют источники внешних помех, то нет необходимости соединять между собой обмотки каждого Ж-образного полюсного наконечника и поэтому появляется возможность разработки четырехсигнальных датчиков, вместо используемых в настоящее время двухсигнальных датчиков.

Таким образом, снабжение магнитоиндукционного датчика одним или двумя последовательно-встречными коммутаторами в виде Ж-образных магнитопроводящих полюсных наконечников делает его помехозащищенным и в два раза увеличивает чувствительность его магнитной системы.

Экспериментальные образцы датчиков, построенные по предлагаемому решению, подтвердили их высокую чувствительность, показав при одинаковых условиях примерно в три раза большую амплитуду сигнала на нагрузке сопротивлением 2 кОм (4-5 B),чем датчики, построенные по схеме прототипа (1-1,5 B).

Датчик может быть использован для измерения частоты вращения, а также для преобразования информации фазометрическими способами для измерения расхода крутящего момента. Магнитная система датчика снабжена Ж-образными полюсными наконечниками с сигнальными обмотками на перемычках. 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, наводя тем самым суммарную ЭДС в обмотках датчика при последовательно-встречном их соединении. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитоиндукционный датчик частоты вращения, содержащий ферромагнитный зубчатый индуктор, постоянный магнит, магнитопроводящий наконечник на полюсе магнита, обращенном к ферромагнитному зубчатому индуктору, имеющий сигнальные обмотки, отличающийся тем, что полюсный наконечник выполнен в виде Ж-образного магнитопровода, на перемычках которого размещены сигнальные обмотки, при этом крайние полюса наконечника размещены над зубьями индуктора, а средний полюс над пазом между зубьями индуктора посередине между крайними полюсами наконечника. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен Ж-образным магнитопроводящим полюсным наконечником с сигнальными обмотками на перемычках, при этом два идентичных Ж-образных полюсных наконечника расположены параллельно.