ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ СТЕРЖЕНЬ Российский патент 2014 года по МПК F15B15/28 G01B7/02 E21D15/51 

Изобретение относится к измерительному стержню для определения положения поршня гидроцилиндра при подземной разработке.

Системы щитовой крепи при подземной разработке могут выполнять движения частично или полностью автоматически. Для этого, а также в целом для контроля состояния системы, в частности, на расстоянии, необходимо точно знать текущее положение соответствующего поршня внутри гидроцилиндра системы щитовой крепи.

Для определения хода поршня рабочего гидроцилиндра известны измерительные стержни, у которых несколько коммутационных элементов установлены вдоль оси соответствующего измерительного стержня и которые срабатывают под действием магнитного поля магнита. Упомянутые коммутационные элементы являются обычно герконами, у которых два контактных язычка электрически соединены между собой или отделены друг от друга в зависимости от интенсивности магнитного поля, действующего на контактные язычки. Таким образом, отдельные герконы подают цифровой сигнал (замкнуто или разомкнуто). В результате анализа сигналов нескольких герконов, установленных вдоль оси измерительного стержня, например наподобие потенциометра, может определять положение магнита вдоль оси измерительного стержня с точностью, зависящей от плотности расположения герконов. При этом измерительный стержень может устанавливаться на или в поршне, а магнит на или в цилиндре, или наоборот.

На фиг. 1 изображен известный из уровня техники рабочий гидроцилиндр 11 с поршнем 13. В трубчатое отверстие поршня 13 встроен соответствующий трубчатый измерительный стержень 15 с герконами. Для определения положения поршня 13 в цилиндре 11, на цилиндре 11 с помощью втулки, приваренной на дне цилиндра 11, устанавливают магнит 17.

Разрешающая способность при определении положения посредством измерительного стержня с герконами зависит от плотности размещения герконов вдоль измерительного стержня, но из-за конструктивного размера герконов она может быть повышена лишь в ограниченной степени. Для защиты контактных язычков герконов и для создания определенной среды контактные язычки запаяны в стеклянный корпус и окружены в нем вакуумом или защитным газом. Типовой конструктивный размер отдельного такого контакта составляет 5 мм или более. Кроме того, для лучшей защиты герконов измерительный стержень должен быть залит в трубке. Однако обычно используемый при этом материал для заливки становится хрупким при температуре хранения ниже -40°С, вследствие чего герконы могут получить повреждения. Поэтому, если герконы используются при очень низких температурах, например, на географических широтах, на которых наружные температуры достигают -50°С, измерительные стержни могут получить повреждения и выйти из строя.

Задачей настоящего изобретения является создание измерительного стержня для определения положения поршня гидроцилиндра при подземной разработке, который экономичным образом обеспечивает высокую разрешающую способность измерения и не получает повреждений при хранении в пределах широкого диапазона температур.

Решение этой задачи достигается с помощью признаков п.1 формулы изобретения и, в частности, за счет того, что детекторные элементы измерительного стержня образованы датчиками Холла.

Датчики Холла выдают сигнал напряжения, зависящий от интенсивности и направления действующего магнитного поля. В отличие от герконов сигнал дальности, выдаваемый датчиками Холла в виде напряжения является не цифровым, а непрерывным. Поэтому с помощью даже одного отдельного датчика Холла может быть измерено его расстояние от магнита; при использовании двух или более датчиков Холла однозначно измеряется и направление. Поэтому при установке согласно изобретению нескольких датчиков Холла вдоль оси измерительного стержня для сплошного детектирования положения магнита вдоль всего измерительного стержня достаточно меньшего числа детекторных элементов, чем в случае применения герконов. Другое преимущество использования датчиков Холла состоит в том, что они обычно изготавливаются по технологии поверхностного монтажа и тем самым представляют собой относительно надежные детали, не требующие особой механической защиты и без ущерба выдерживающие хранение в широком температурном диапазоне. Кроме того, использование датчиков Холла предпочтительно, поскольку для измерения расстояния могут быть использованы магниты различной мощности.

Предпочтительные варианты выполнения изобретения раскрываются в описании, чертежах, а также в зависимых пунктах формулы изобретения.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения может быть предусмотрено устройство считывания для считывания соответствующих сигналов положения детекторных элементов, которые с помощью интерполяции соответствующих сигналов положения соседних детекторных элементов определяют и выдают выходной сигнал. С помощью интерполяции сигналов положения соседних детекторных элементов еще более повышается разрешающая способность измерительного стержня. Поскольку все датчики Холла измерительного стержня постоянно выдают сигнал положения, зависящий от их расстояния до магнита, благодаря указанной интерполяции в принципе достигается бесконечное разрешение. Если даже фактическая разрешающая способность в конечном счете лимитирована отношением сигнал/шум, то разрешающая способность измерительного стержня все же не обязательно ограничена плотностью детекторных элементов, установленных вдоль измерительного стержня. Поэтому, в частности, при использовании датчиков Холла максимально возможное разрешение не ограничивается конструктивным размером отдельных детекторных элементов.

Кроме того, предпочтительно, может быть предусмотрено калибрующее устройство, в котором записаны линеаризации для соответствующих детекторных элементов, причем детекторные элементы линеаризованы по отдельности. Поскольку датчики Холла по своей характеристике в отношении зависимости соответствующего сигнала положения от положения магнита могут отличаться друг от друга, целесообразно, чтобы датчики Холла линеаризовались по отдельности и чтобы эти линеаризации сохранялись в калибрующем устройстве.

Кроме того, может быть предпочтительно, чтобы указанное устройство считывания было выполнено для того, чтобы считывать соответствующие линеаризации детекторных элементов из указанного калибрующего устройства и учитывать их при определении выходного сигнала. Таким образом, после одноразовой калибровки (линеаризации) отдельных детекторных элементов с помощью интерполяции сигналов положения соседних детекторных элементов в устройстве считывания может быть обеспечено надежное определение положения.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения измерительный стержень может содержать одну или несколько плат, каждая из которых содержит по меньшей мере один детекторный элемент и, в частности, покрыта покровной массой, но, в частности, не залита в корпус. Применение платы обеспечивает простую установку детекторных элементов измерительного стержня, например посредством пайки, а также простое электрическое подключение детекторных элементов, в частности, если детекторные элементы изготовлены по технологии поверхностного монтажа. Электропитание и/или считывание соответствующих сигналов положения могут осуществляться, например, с помощью токопроводящих дорожек в плате по типу печатной платы. Покрытие покровной массой представляет собой технологию, характерную для печатных плат. От необходимой в случае применения измерительных стержней с герконами дополнительной защиты платы и установленных на ней детекторных элементов можно отказаться, благодаря чему изготовление измерительного стержня упрощается и удешевляется. Кроме того, благодаря отказу от заливки отпадает недостаток, связанный с ломкостью и повреждением материала для заливки при низких температурах хранения.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения измерительный стержень содержит несколько плат, каждая из которых содержит по меньшей мере один детекторный элемент, первый и второй соединительные участки, причем первый соединительный участок одной платы выполнен для установления механической или электрической связи со вторым соединительным участком другой платы. Благодаря соединению первого соединительного участка одной платы со вторым соединительным участком другой платы обеспечивается последовательное соединение нескольких плат в одну систему плат большей протяженности. Таким образом, измерительные стержни с такими платами могут быть изготовлены модульными и очень гибкими в отношении своей длины. Это дает возможность дальнейшего удешевления.

В вышеупомянутом варианте выполнения может быть также предпочтительным, чтобы первый соединительный участок одной платы измерительного стержня был выполнен для установления механического соединения со вторым соединительным участком другой платы измерительного стержня посредством геометрического замыкания. Геометрическое замыкание между упомянутыми первым и вторым соединительными участками обеспечивает особенно стабильное механическое соединение между отдельными платами.

Кроме того, в случае вышеупомянутых вариантов выполнения может быть также предпочтительным, чтобы платы измерительного стержня были соединены друг с другом, причем чтобы, соответственно, первый соединительный участок одной платы и второй соединительный участок другой платы, соединенной с первой посредством пайки, в частности, в одной или нескольких точках пайки, были соединены механически, а предпочтительно, и электрически. В порядке альтернативы или дополнения к вышеупомянутому геометрическому соединению соединение посредством пайки и, в частности, с помощью точек пайки, может обеспечивать также электрическое соединение плат особенно простым способом.

Кроме того, может быть предпочтительно, чтобы измерительный стержень содержал три или более детекторных элементов, причем чтобы детекторные элементы располагались вдоль измерительного стержня на одинаковых расстояниях друг от друга. Благодаря такому распределению детекторных элементов вдоль измерительного стержня вследствие регулярности, в частности посредством интерполяции сигналов положения соседних детекторных элементов, упрощается определение положения магнита. Кроме того, благодаря эквидистантному расположению обеспечивается, чтобы положение магнита относительно измерительного стержня по всей длине измерительного стержня в основном могло определяться с одинаковой точностью.

Кроме того, может быть предпочтительным, чтобы расстояние между двумя соседними детекторными элементами вдоль измерительного стержня составляло около 10-20 мм, в частности около 15 мм. При таком большом расстоянии, как, например, 15 мм, для измерительного стержня определенной длины при использовании датчиков Холла необходима примерно лишь половина детекторов по сравнению с использованием герконов, благодаря чему опять же могут быть уменьшены расходы.

В вышеупомянутых предпочтительных вариантах выполнения измерительный стержень, соответственно, в отношении его внешних габаритов, монтажа, подключения к электрическим интерфейсам, а также используемого соответствующего магнита можно изготавливать совместимым с известными измерительными стержнями с герконами. Таким образом, простым способом может осуществляться замена обычных измерительных стержней на новые измерительные стержни согласно изобретению.

На фиг. 2 изображен вариант выполнения измерительного стержня 15 согласно изобретению, содержащего (непоказанный) удлиненный трубчатый корпус, в который встроена такая же удлиненная плата 19. По всей своей длине плата 19 содержит несколько датчиков 21 Холла, равномерно распределенных вдоль продольной оси платы 19. Датчики 21 Холла изготовлены способом поверхностного монтажа и закреплены на плате 19 известным способом с помощью пайки. Для электропитания датчиков 21 Холла, а также для дальнейшей передачи сигналов напряжения, выдаваемых датчиками 21 Холла, плата 19 содержит множество (непоказанных) токопроводящих дорожек, посредством которых датчики 21 Холла электрически соединены между собой.

Кроме того, на своих концах плата 19 содержит первый соединительный участок 23 и второй соединительный участок 25, с помощью которых плата 19 может механически и/или электрически соединяться с другими идентичными платами. Для этого первый 23 и второй соединительный участок 25 имеют формы, дополняющие друг друга. Первый соединительный участок 23 представляет собой в основном треугольное удлинение платы 19, сужающееся от продольных сторон платы 19 и переходящее в кругообразное расширение. Второй соединительный участок 25 содержит, соответственно, в основном треугольную выемку с кругообразным расширением на вершине треугольника. Благодаря таким формам соединительные участки 23, 25 нескольких плат 19 могут входить друг в друга как части пазла, так что платы 19 соединяются между собой с геометрическим замыканием.

Кроме того, измерительный стержень 15 содержит устройство 27 считывания и калибрующее устройство 29. В варианте выполнения, показанном на фиг. 2, устройство 27 считывания и калибрующее устройство 29 находятся за пределами (непоказанного) трубчатого корпуса измерительного стержня 15. Что касается гидроцилиндра, показанного на фиг. 1, то в этом случае измерительный стержень 15 может быть встроен в трубчатое отверстие поршня 13, в то время как устройство 27 считывания и калибрующее устройство 29 установлены в другом пространстве внутри или снаружи поршня 13 и соединены с измерительным стержнем 15 посредством кабеля. Как показано на фиг. 2, соединение с платой 19 измерительного стержня 15 может осуществляться, например, на первом соединительном участке 23, однако возможны и другие места соединения. Устройство 27 считывания и калибрующее устройство 29 могут быть, как в данном примере выполнения, предусмотрены в виде блока или же представлять собой раздельные или иным образом соединенные между собой устройства. В частности, устройство 27 считывания и калибрующее устройство 29 могут быть также установлены на плате 19 и/или в корпусе измерительного стержня 15.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 3, измерительный стержень 15 содержит несколько плат, из которых две платы 19, 19´ на фиг. 3 изображены фрагментарно и каждая содержит несколько датчиков 21 Холла. Первый соединительный элемент 23 одной платы 19 и второй соединительный элемент 25 другой платы имеют также формы, показанные на фиг. 2, и соединены друг с другом с геометрическим замыканием, для чего первый соединительный элемент 23 одной платы 19 вставлен во второй соединительный элемент 25 другой платы 19´.

Для дополнительного механического, а также электрического соединения плат 19, 19´ предусмотрены несколько точек 31 пайки между первым соединительным участком 23 одной платы 19 и вторым соединительным участком 25 другой платы 19´. Точки пайки расположены таким образом, что они соединяют (непоказанные) токопроводящие дорожки плат 19, 19´ между собой таким образом, что по этим токопроводящим дорожкам снабжаются током датчики 21 Холла плат 19, 19´, а при необходимости и других плат, и могут передаваться сигналы напряжения датчиков 21 Холла по общему измерительному стержню 15. Измерительный стержень 15 наряду с другими показанными платами 19, 19´ может содержать другие платы, последовательно соединенные с показанными платами 19, 19´.

Стержень предназначен для определения положения поршня гидроцилиндра. Стержень содержит несколько установленных вдоль оси измерительного стержня и электрически соединенных между собой детекторных элемента, которые реагируют на магнитное поле магнита. Детекторные элементы образованы датчиками Холла. Предусмотрено калибрующее устройство, в котором записаны линеаризации соответствующих детекторных элементов, причем детекторные элементы линеаризованы по отдельности. Технический результат - повышение надежности определения положения поршня гидроцилиндра. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Измерительный стержень (15) для определения положения поршня (13) гидроцилиндра (11) при подземной разработке, содержащий несколько установленных вдоль оси измерительного стержня (15) и электрически соединенных между собой детекторных элементов (21), которые реагируют на магнитное поле магнита (17), причем детекторные элементы (21) образованы датчиками Холла, отличающийся тем, что предусмотрено калибрующее устройство (29), в котором записаны линеаризации соответствующих детекторных элементов (21), причем детекторные элементы (21) линеаризованы по отдельности.

2. Измерительный стержень (15) по п.1, отличающийся тем, что он содержит несколько соединенных друг с другом плат (19, 19′), каждая из которых содержит, по меньшей мере, один детекторный элемент (21), первый соединительный участок (23) и второй соединительный участок (25), причем, соответственно, первый соединительный участок (23) одной платы (19) и второй соединительный участок (25) другой платы (19′), соединенной с этой платой (19) посредством геометрического замыкания, а также посредством пайки, в частности, в одной или нескольких точках (31) пайки, соединены механически, а предпочтительно, и электрически.

3. Измерительный стержень (15) по п.1 или 2, отличающийся тем, что детекторные элементы (21) выдают сигналы положения, причем предусмотрено устройство (27) считывания для считывания соответствующих сигналов положения, которое с помощью интерполяции соответствующих сигналов положения соседних детекторных элементов (21) определяет и выдает выходной сигнал.

4. Измерительный стержень (15) по п.3, отличающийся тем, что предусмотрено устройство (27) считывания для считывания соответствующих линеаризаций детекторных элементов (21) из калибрующего устройства (29) и учета их при определении выходного сигнала.

5. Измерительный стержень (15) по п.1, отличающийся тем, что он содержит одну или несколько плат (19, 19′), каждая из которых содержит по меньшей мере один детекторный элемент (21) и, в частности, покрыта покровной массой, но, в частности, не залита в корпус.

6. Измерительный стержень (15) по п.5, отличающийся тем, что он содержит несколько плат (19, 19′), каждая из которых содержит по меньшей мере один детекторный элемент (21), первый (23) и второй соединительный участок (25), причем первый соединительный участок (23) одной платы (19) выполнен для установления механической или электрической связи со вторым соединительным участком (25) другой платы (19′).

7. Измерительный стержень (15) по п.6, отличающийся тем, что первый соединительный участок (23) одной платы (19) измерительного стержня (15) выполнен для установления механического соединения со вторым соединительным участком (25) другой платы (19′) измерительного стержня (15) посредством геометрического замыкания.

8. Измерительный стержень (15) по любому из пп.6 или 7, отличающийся тем, что платы (19, 19′) измерительного стержня (15) соединены друг с другом, причем, соответственно, первый соединительный участок (23) одной платы (19) и второй соединительный участок (25) другой платы, соединенной с первой (19′) посредством пайки, в частности, в одной или нескольких точках (31) пайки, соединены механически, а предпочтительно, и электрически.

9. Измерительный стержень (15) по п.1, отличающийся тем, что измерительный стержень (15) содержит три или более детекторных элементов (21), причем детекторные элементы (21) расположены вдоль измерительного стержня (15) на одинаковых расстояниях друг от друга.

10. Измерительный стержень (15) по п.9, отличающийся тем, что расстояние между двумя соседними детекторными элементами (21) вдоль измерительного стержня (15) составляет около 10-20 мм, в частности около 15 мм.