ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01B7/14 

Изобретение относится к датчикам перемещения.

Типичной областью применения датчика перемещения является газовый модуль типа, описанного в европейской патентной заявке N 91 306159.4 (публикация N 0473264). В этой заявке описан клапан-хлопушка, который соединен посредством кабеля с валом обратной установки, несущем рукоятку. Датчик находит применение при измерении осевого перемещения этой рукоятки во время закрытия клапана-хлопушки.

Целью изобретения является создание датчика перемещения, на выходной сигнал которого не влияет вращение или смещение продольной оси такого вала или подобного ему элемента.

Датчик перемещения согласно изобретению содержит чувствительный элемент Холла и пустотелый цилиндрический магнит из ферромагнитного материала, расположенный с возможностью перемещения вдоль оси, и отличается тем, что содержит группу чувствительных элементов Холла и суммирующий усилитель для суммирования выходных напряжений всех чувствительных элементов Холла, установленных в точках по окружности, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси перемещения магнита, равноугольно вокруг ее центра, внешняя поверхность каждого элемента Холла расположена в плоскости, касательной к окружности, в точках которой расположены чувствительные элементы, причем внешняя поверхность магнита является магнитным полюсом первой полярности, а внутренняя - второй полярности, а выходной сигнал суммирующего усилителя не зависит от бокового смещения или наклона магнита, или его вращения.

Предпочтительно датчик перемещения согласно изобретению дополнительно содержит пустотелый цилиндрический второй магнит из ферромагнитного материала, установленный с возможностью совместного с первым магнитом перемещения вдоль его оси, при этом внешняя поверхность второго магнита является магнитным полюсом второй полярности, а внутренняя поверхность второго магнита - магнитным полюсом первой полярности.

Предпочтительно имеется четыре чувствительных элемента в указанной группе, установленных в точках на указанной окружности, причем эти точки равноугольно расположены на указанной окружности.

Пример выполнения настоящего изобретения будет описан со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет собой вид сбоку датчика перемещения;
фиг. 2 - горизонтальное сечение по линии II-II на фиг. 1;
фиг. 3 - блок-схема, показывающая суммирование выходов датчиков, изображенных на фиг. 1 и 2.

Фиг. 1 изображает основные детали датчика перемещений, которыми являются пустотелый цилиндрический магнит 10 и подобный ему магнит 12, которые установлены на валу 14; магниты 10 и 12 могут перемещаться с валом 14 вдоль оси 16; и четыре датчика Холла 18, 20, 22, 24, образующие группу 26. Датчики Холла, имеющие код типа ЛОХЕТ 11, выпускаются фирмой Хониуэл Контрол Системз Лимитед, Компонентная Группа, Чарлз Сквер, Бренкнелл, Беркшир РЖ12 1ЭБ.

Чувствительные элементы 18-24 установлены через равноугольные интервалы в точках окружности с центром, совпадающим с осью 16. Чувствительные элементы 18-24 установлены на пластине 28, имеющей круглое отверстие 30, через которое могут проходить, оставляя зазор, магниты 10,12. Каждый из чувствительных элементов 18-24 размещен так, что он своей поверхностью лежит в плоскости, касательной к окружности, в точках которой расположены чувствительные элементы. Такое устройство используется всегда при любом количестве чувствительных элементов в ряду. Пластина 28 в случае перемещения датчика в газовом модуле устанавливается снаружи пространства, занимаемого находящимся под давлением газом над стойкой 14, показанной на фиг. 1 патентной публикации N 0473264. Вал 14 предназначен в настоящей заявке служить рукояткой обратной установки клапана-хлопушки. Когда клапан-хлопушка закрыт, то натягивает кабель, с помощью которого он связан с рукояткой. Во время закрытия клапан-хлопушка поднимается и передает это движение через кабель к рукоятке, то есть к валу 14, показанному на фиг. 1 и 2. Получающееся в результате перемещение вала 14 вниз измеряется датчиком.

Датчик создает на выходе непрерывный комбинированный сигнал, из которого могут быть получены длина хода вала 14, его скорость в любой точке на пути его перемещения и его ускорение в любой точке. Датчик может таким образом обнаруживать изменения этих параметров, которые указывают на наличие неисправности(тей) (вследствие засорения, например). В этом случае датчик работает как часть диагностической системы применительно к газовому модулю. Датчики Холла очень чувствительны к изменению расстояния от магнитов 10, 12. Однако чувствительные элементы не оказывают воздействия на вал 14 и поэтому не являются источником явлений, которые необходимо брать в расчет.

Вал 14 перемещается вверх идеально вдоль оси 16, которая расположена перпендикулярно плоскости окружности, на которой размещены чувствительные элементы 18-24 и которая проходит через центр окружности. Однако на практике ось перемещения подвержена смещению, например, типичным является угловое смещение, равнозначное наклону, хотя вообще при проектировании датчика учитывается либо наклон, либо смещение, параллельное идеальному положению, показанному позицией 16.

Магнит 10 состоит из отрезка упругого ферритового материала, поставляемого под кодом типа ТПФФ00865 фирмой Магнетик Девелойхетс Лимитед Подразделение 17, Хайворт Индастриал Парк, Хайворт, Свиндон, Вилтшир, CH6 7HA, Англия. Первоначально отрезок материала был плоским и намагничен так, что южный полюс был повсюду на одной стороне поверхности, а северный полюс был повсюду на обратной стороне. Эти стороны были большими сторонами отрезка материала, а малыми сторонами были четыре кромки отрезка. Отрезок материала очень гибкий и легко может быть загнут вокруг вала 14, образуя полую цилиндрическую форму, показанную позицией 10. Затем материал присоединялся к валу соответствующим клеем и затем покрывался защитной оболочкой, например, подверженной тепловой усадке. Изгиб отрезка материала был таков, что южный полюс находился повсюду на наружной цилиндрической поверхности 50 магнита. Северный полюс находился повсюду на внутренней поверхности 52 магнита.

Другой магнит 12 был изготовлен из того же материала, что и магнит 10. Однако изгиб в этом случае был таков, что северный полюс находился повсюду на наружной цилиндрической поверхности 54 магнита, а южный полюс был повсюду на внутренней поверхности, которую на чертеже не видно.

По мере того как южный полюс перемещается вниз, проходя мимо ряда 26 чувствительных элементов вдоль оси 16, сигналы отрицательного напряжения на выходе чувствительных элементов возрастают до максимума в средней точке южного полюса 10, а затем уменьшаются до нуля в месте соединения южного полюса 10 и северного полюса 12. При движении северного полюса вниз положительный выходной сигнал возрастает до максимума в средней точке северного полюса 10, а затем снова падает до нуля в верхнем крае северного полюса 12. В итоге получается выходной сигнал, имеющий форму одного цикла синусоидальной волны.

Напряжение на выходах чувствительных элементов 18-24 суммируется, как показано на фиг.3, при помощи устройства, которым в данном случае является суммирующий усилитель 60. Усилитель 60 дает объединенный выходной сигнал, который может быть линеаризован при необходимости. Однако при описываемом применении датчика его рабочим диапазоном является центральная часть упомянутой выше синусоидальной волны. Таким образом, выходной сигнал является приблизительно линейным, пропорционально представляющим движение магнитов 10, 12.

На общий выходной сигнал не влияет вращение вала 14. При вращении вала магнитное поле, действующее на датчики 18-24, остается равномерным, так что в итоге изменений на выходе не происходит.

Кроме того, на общий выходной сигнал не влияет смещение оси 16 или наклон оси 16. При наклоне вала 14 напряжение магнитного поля будет возрастать, воздействуя на чувствительные элементы, к которым он приближается, a воздействие напряжения поля на чувствительные элементы, от которых он удаляется, будет уменьшаться на ту же величину. В результате в общем выходном сигнале суммирующего усилителя 60 изменений не будет.

Выходной сигнал чувствительных элементов 18-24 может быть изменен посредством изменения расстояния между чувствительными элементами и магнитами 10,12 на вале 14. Выходной сигнал также может быть изменен, если изменить длину вдоль оси 16 магнитного материала в магнитах 10, 12. Вал 16 может быть сделан из железного и/или нежелезного материала.

Хотя выше описаны четыре чувствительных элемента 18-20, их число может быть различным. Каково бы ни было их число, чувствительные элементы будут расположены в точках окружности. А также они будут равноугольно размещены вокруг центра окружности или группы чувствительных элементов будут равноугольно размещены.

Предпочтительно, чтобы было четное количество чувствительных элементов. Однако, это не существенно. Например, могут быть использованы три чувствительных элемента. Цель заключается в том, чтобы компенсировать наклон или смещение в сторону оси 16, а также обеспечить вращение магнитов 10, 12, так чтобы на выходе образовался обобщенный сигнал, при любых условиях независимый от наклона или смещения в сторону, или от вращения магнитов 10, 12.

Хотя выше описаны два магнита, можно использовать только один магнит. Рабочий диапазон модифицированного таким образом датчика составил бы только половину диапазона датчика с двумя магнитами.

Датчик перемещения используется для измерения расположения вала в газовом контрольном модуле. Датчик перемещения содержит несколько чувствительных элементов Холла, выходы которых соединены с входами суммирующего усилителя, и ферромагнитный элемент, выполненный в виде полого цилиндра и расположенный с возможностью перемещения вдоль его оси. Внешняя поверхность ферромагнитного элемента является магнитным полюсом первой полярности, а внутренняя - второй полярности. Элементы Холла установлены на равном расстоянии друг от друга по окружности, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси ферромагнитного элемента. Внешняя поверхность каждого элемента Холла расположена в плоскости, касательной к окружности, в точках которой расположены чувствительные элементы. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик перемещения, содержащий чувствительный элемент Холла и пустотелый цилиндрический магнит из ферромагнитного материала, расположенный с возможностью перемещения вдоль оси, отличающийся тем, что содержит группу чувствительных элементов Холла и суммирующий усилитель для суммирования выходных напряжений всех чувствительных элементов Холла, установленных в точках по окружности, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси перемещения магнита равноугольно вокруг ее центра, внешняя поверхность каждого элемента Холла расположена в плоскости, касательной к окружности, в точках которой расположены чувствительные элементы, причем внешняя поверхность магнита является магнитным полюсом первой полярности, а внутренняя - второй полярности, а выходной сигнал суммирующего усилителя не зависит от бокового смешения, или наклона магнита, или его вращения. 2. Датчик перемещения по п.1, отличающийся тем, что магнит выполнен из ферромагнитного материала, являющегося упругим. 3. Датчик перемещения по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнит установлен на валу. 4. Датчик перемещения по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит пустотелый цилиндрический второй магнит из ферромагнитного материала, установленный с возможностью совместного с первым магнитом перемещения вдоль его оси, при этом внешняя поверхность второго магнита является магнитным полюсом второй полярности, а внутренняя поверхность второго магнита - магнитным полюсом первой полярности. 5. Датчик перемещения по п.4, отличающийся тем, что каждый магнит выполнен из ферромагнитного материала, являющегося упругим. 6. Датчик перемещения по п.4 или 5, отличающийся тем, что магниты установлены на валу.