Магнито-потенциометрический преобразователь Российский патент 2023 года по МПК H10N50/01 H10N52/01 

Изобретение относится к области средств измерения, контроля и безопасности и служит для преобразования линейного или углового перемещения магнитного поля в аналоговый сигнал.

Известны инкапсулированные магниточувствительные элементы цепи для индикации глубины и др. (магнито-потенциометрический преобразователь), основанные на герконовых датчиках с плюсом, минусом и сигнальной шиной и последовательно соединенными резисторами одинакового номинала, образующими потенциометрическую линейку (US 4284904 A, G01F23/72, опубл. 1981 г.).

Недостатками магнито-потенциометрического преобразователя с герконовыми датчиками являются:

- дребезг контактов из-за их высокой упругости (для компенсации дребезга применяются контакты, смоченные ртутью, либо в схему включают демпфирующие фильтры);

- стоимость герконовых элементов;

- хрупкость стеклянной колбы герконового элемента;

- сложность монтажа герконового элемента на печатную плату;

- ограниченное количество срабатываний.

Например, общеизвестный поплавковый уровнемер с датчиками магнитного поля в виде герконовых элементов подвержен повреждению при наличии ударных нагрузок в результате падения датчика или повышенной вибрации, вследствие чего у него пониженная надежность в присутствии перечисленных производственных факторов.

В предложенном изобретении найдено решение вышеперечисленных недостатков магнито-потенциометрического преобразователя с герконовыми датчиками, в виде замены их на датчики магнитного поля, основанные на эффекте Холла с оптопарой.

В основу предлагаемого изобретения поставлены задачи расширения эксплуатационных и функциональных возможностей, а также повышение надежности и увеличение времени наработки на отказ.

Данные задачи решают с помощью магнито-потенциометрического преобразователя с плюсом, минусом и сигнальной шиной, датчиками магнитного поля, последовательно соединенными резисторами одинакового номинала, образующими потенциометрическую линейку, согласно изобретению, датчики магнитного поля основаны на эффекте Холла и соединены с оптопарой, с необходимым количеством и равным шагом обоих в соответствии с требуемой дискретностью измерения, а количество резисторов одинакового номинала, датчиков Холла и оптопар является равным между собой.

Магнито-потенциометрический преобразователь можно использовать в любом устройстве для определения местоположения постоянного магнита при линейном и радиальном перемещении, например в приборах для измерения угла поворота, уровня и других линейных перемещений.

Принцип работы магнито-потенциометрического преобразователя нагляднее объяснить на примере работы дискретного уровнемера.

На фиг. 1 изображена схема реализации работы магнито-потенциометрического преобразователя, на фиг. 2 - пример дискретного уровнемера, работу которого осуществляют благодаря магнито-потенциометрическому преобразователю.

На фиг. 1 расположены следующие элементы:

- R₁…R_n - резисторы, образующие потенциометрическую линейку;

- VO₁…VO_n - оптопара;

- RO₁…RO_n - ограничительный резистор;

- IC₁…IC_n - датчик Холла;

- Rd - подтягивающий резистор;

- n - порядковый номер элементов схемы - для всех элементов является одинаковым.

Схема имеет три вывода:

VDD - плюс источника питания печатной платы - постоянное стабилизированное напряжение питания - подбирается в соответствии с требуемым уровнем выходного сигнала и напряжением питания, необходимым для датчика Холла, чаще всего равно 5 Вольт.

GND - минус источника питания печатной платы.

SIG - сигнальная шина - вывод шины аналогового сигнала для дальнейшего преобразования или регистрации уровня - при напряжении питания печатной платы равному 5 Вольт, выходной уровень аналогового сигнала будет равен значению от 0 до 5 Вольт.

Цифрами на схеме обозначены выводы соответствующих элементов.

Фиг. 2 - Дискретный уровнемер содержит следующие детали:

1 - крышка корпуса печатной платы регистрации и нормализации сигнала;

2 - корпус печатной платы регистрации и нормализации сигнала;

3 - печатная плата регистрации и нормализации сигнала;

4 - герметичный кабельный ввод;

5 - кабель питания уровнемера;

6 - межплатные соединительные провода;

7 - немагнитная труба;

8 - магнито-потенциометрический преобразователь;

9 - поплавок;

10 - кольцевой магнит;

11 - торцевая герметизирующая заглушка.

Для получения аналогового сигнала используют схему преобразования цифрового сигнала датчиков Холла IC₁…IC_n в аналоговый сигнал определенной величины, соответствующей уровню нахождения поплавка 9 с кольцевым магнитом 10 на данном участке немагнитной трубы 7 в виде магнито-потенциометрического преобразователя по принципу работы герконового элемента, но основанного на взаимодействии датчика Холла IC_n, как чувствительного элемента, инициирующего срабатывание оптопары VO_n - в качестве исполнительного элемента, замыкающего электрическую цепь.

Измерительной частью дискретного уровнемера является магнито-потенциометрический преобразователь 8, нанесенный на печатную плату 3 шириной, позволяющей разместить ее внутри немагнитной трубы 7 и расчетной длиной, позволяющей разместить на ней необходимое количество датчиков Холла IC₁…IC_n, оптопар VO₁…VO_n, ограничительных резисторов RO_1…RO_n - с необходимым равным шагом в соответствии с требуемой дискретностью измерения уровнемера. Такое соотношение размеров элементов магнито-потенциометрического преобразователя необходимо соблюдать при расположении его в любом из необходимых устройств измерения.

Принцип работы магнито-потенциометрического преобразователя заключается в следующем.

Плюс источника питания печатной платы VDD питает последовательно соединенные, равные по номиналу и характеристикам, резисторы R₁…R_n, образующие потенциометрическую линейку.

Измеренное падение напряжения U_n между выводом 1 каждого из резисторов R₁…R_n и минусом источника питания печатной платы GND рассчитывают по формуле:

U_VDD - постоянное напряжение плюса источника питания печатной платы;

- номинальное сопротивление резисторов, образующих потенциометрическую линейку;

N - количество последовательно соединенных резисторов, образующих потенциометрическую линейку;

n - порядковый номер резистора, образующего потенциометрическую линейку начиная с вывода VDD источника питания платы преобразователя.

При погружении уровнемера в емкость с жидкостью, на поплавок 9, имеющий положительную плавучесть в отношении к измеряемой жидкости, начинает действовать выталкивающая сила, которая заставляет его перемещаться по вертикальной направляющей немагнитной трубе 7 к поверхности измеряемой жидкости. Кольцевой магнит 10, расположенный в поплавке 9 наводит магнитное поле на датчик Холла IC_n, что приводит к срабатыванию последнего и тот получает потенциал, равный потенциалу минуса источника питания печатной платы GND.

Вывод №3 датчика Холла IC_n электрически соединен с катодом (вывод №2) оптопары VO_n. Анод (вывод №1) оптопары VO_n соединен с плюсом источника питания печатной платы VDD через ограничительный резистор RO_n. Номинал ограничительного резистора RO_n подбирают в соответствии с нагрузочной способностью датчика Холла IC_n.

При появлении на катоде (вывод №2) оптопары VO_n минуса источника питания печатной платы GND, через фотоизлучатель (на фигуре не показан) оптопары VO_n начинает протекать электрический ток I_1…I_n по цепи:

VDD - вывод №1 ограничительного резистора RO_n - вывод №2 ограничительного резистора RO_n - вывод №1 оптопары VO_n - вывод №2 оптопары VO_n - вывод №3 датчика Холла IC_n - вывод №2 датчика Холла IC_n - GND, рассчитываемый по формуле:

, где

U_VDD - постоянное напряжение плюса источника питания печатной платы;

RO_n - номинальное сопротивление ограничительного резистора.

Ток I_n, проходящий через фотоизлучатель оптопары VO_n, инициирует переключение фотоприемника (на фигуре не показан) оптопары VO_n, который замыкает сигнальную шину SIG печатной платы 3 и соответствующий вывод №1 резистора R_n , наводя на ней потенциал U_n, образованный резисторами R₁…R_n.

Перемещение поплавка 9 с кольцевым магнитом 10 по немагнитной трубе 7 на расстояние, равное расстоянию между смежными датчиками Холла IC_n и IC_n±1, увеличивает или уменьшает, в зависимости от направления перемещения поплавка 9 (увеличение или уменьшение уровня жидкости), напряжение, регистрируемое на сигнальной шине SIG на величину равную:

, где

U_n - регистрируемое напряжение на сигнальной шине SIG до перемещения поплавка 9;

U_n+1 - регистрируемое напряжение на сигнальной шине SIG после перемещения поплавка 9, при уменьшении уровня жидкости на величину, равную расстоянию между смежными датчиками Холла IC_n и IC_n+1;

U_n-1 - регистрируемое напряжение на сигнальной шине SIG после перемещения поплавка 9, при увеличении уровня жидкости на величину, равную расстоянию между смежными датчиками Холла IC_n и IC_n-1.

Предложенное изобретение позволяет преобразовать линейное или угловое перемещение магнитного поля в аналоговый сигнал с помощью связки датчиков на основе Холла и оптопары, которые являются компактными, недорогими и надежными, крепкими и устойчивыми к механическим повреждениям элементами, что значительно повышает эксплуатационную стойкость устройств, используемых в области измерения, контроля и безопасности.

Изобретение относится к области средств измерения, контроля и безопасности и служит для преобразования линейного или углового перемещения магнитного поля в аналоговый сигнал. Магнито-потенциометрический преобразователь с плюсом, минусом и сигнальной шиной, датчиками магнитного поля, последовательно соединенными резисторами одинакового номинала, образующими потенциометрическую линейку, имеет датчики магнитного поля, основанные на эффекте Холла и соединенные с оптопарой, с необходимым количеством и равным шагом обоих в соответствии с требуемой дискретностью измерения, а количество резисторов одинакового номинала, датчиков Холла и оптопар является равным между собой. Предложенное изобретение позволяет преобразовать линейное или угловое перемещение магнитного поля в аналоговый сигнал с помощью связки датчиков на основе эффекта Холла и оптопары. 2 ил.

Магнито-потенциометрический преобразователь с плюсом, минусом и сигнальной шиной, датчиками магнитного поля, последовательно соединенными резисторами одинакового номинала, образующими потенциометрическую линейку, отличающийся тем, что датчики магнитного поля основаны на эффекте Холла и соединены с оптопарой, с необходимым количеством и равным шагом обоих в соответствии с требуемой дискретностью измерения, а количество резисторов одинакового номинала, датчиков Холла и оптопар является равным между собой.