Устройство для преобразования электрического сигнала в линейное перемещение Советский патент 1985 года по МПК H01G9/22 

Х)

г

05

ю

Изобретение относится к элементам систем автоматического регулирования, в частности к электромеханическим преобразователям, и может быть использовано в различных областях науки и техники в качестве преобразователя электрического сигнала в механическое перемещение.

Известен электрокапиллярный модулятор, содержащий капиллярную трубку, в которой размещены объемы, заполненные ртутью, электролитом и система электродов. В модуляторе при подключении электродов к источнику переменного напряжения происходит изменение поверхностного натяжения ртути и, как следствие, возникновение гидродинамических потоков в ртути и электролите 1.

Недостатком капиллярного модулятора является невозможность использования перемещения столбиков ртути для передачи механического усилия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь электрического сигнала в линейное перемещение, содержащий электроизоляционный корпус, разделенный капиллярным элементом на два объема, один из которых заполнен ртутью, а другой - электролитом. В каждом объеме размещены электроды. В торцах обоих объемов установлены подпружиненные порщни, один из которых снабжен выходным штоком 2.

Недостатком преобразователя является низкая надежность в эксплуатации и наличие нелинейности выходной характеристики, обусловленные трением впорщнях, возможностью их заклинивания, а также за счет утечки электролита через зазоры порщней.

Целью изобретения является повыщение линейности и надежности при эксплуатации.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение, содержащем установленный в корпусе капиллярный элемент, выполненный в виде набора конических капиллярных отверстий и образующий в корпусе два объема, выходной щток и электроды, установленные в обоих объемах, причем первый объем, расположенный со стороны расширенной части капилляров, заполнен ртутью, а второй - электролитом, введены упругий элемент и диафрагма, при этом упругий элемент жестко соединен с наружной частью корпуса и с выходным щтоком, а диафрагма установлена между первым и вторым объемами, герметично перекрывая их, и своей центральной частью жестко соединена с выходным щтоком.

При этом капиллярный элемент выполнен в виде кольца, в котором конические капилляры расположены радиально расширенной частью со стороны внутреннего диаметра кольца, при этом один торец кольца закреплен на корпусе, а на втором установлена диафрагма.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение с плоским капиллярным элементом; на фиг. 2 - вариант устройства с кольцевым капиллярным элементом.

Устройство для преобразования электрического сигнала в линейное перемещение содержит корпус 1, два объема 2 и 3, разделенных капиллярным элементом 4, выполненным в виде набора конических капиллярных отверстий, при этом объем 2 расположен со стороны расщиренной части капиллярных отверстий и заполнен ртутью, второй объем 3 заполнен электролитом, и два электрода 5 и 6, причем в одном из объемов установлена диафрагма 7, по периметру жестко соединенная с корпусом 1, сред0 няя часть которой соединена со щтоком 8, уплотненным упругим элементом 9, при этом объем со стороны штока соединен каналом 10 с вторым объемом.

5 В варианте выполнения устройства (фиг. 2) капиллярный элемент 4 выполнен в виде кольца, один торец которого герметично соединен с корпусом, а второй герметично закрыт диафрагмой 7. Таким образом, внутренняя полость кольца образует

0 объем 2, заполненный ртутью.

Отдельная секция 11 с кольцевым преобразователем содержит все части преобразователя, представленного на фиг. 1. Кроме того, для улучшения выходной характеристики и согласования с внешними устройствами в каждой отдельной секции 11 с кольцевым элементом установлены электроды вибросмазки 12 и 13. В варианте устройства возможно совмещение ряда отдельных секций 11 на один выходной щток, как показа0 но на фиг. 2.

Устройство для преобразования электрического сигнала в линейное перемещение работает следующим образом.

При изменении потенциала ртутного электрода относительно некоторого нулевого уровня UQ, находящегося на середине спадающего участка электрокапиллярной кривой, поверхностное натяжение ртути также синхронно изменяется, ртутные мениски пео ремещаются в капиллярах в новое устойчивое состояние, обусловленное компенсацией всех действующих сил, при этом изменения в объемах гомогенных фаз за пределами капилляров преобразуются в соответствующие изменения давления в объемах 2 и Я 5 и перемещения штока.

Преобразователь работает при нулевом уровне потенциала UQ -1,2 В относительно насыщенного каломельного электрода с амплитудой изменений потенциала ± 0,25 В.

При диаметре в основании конического капилляра 0,028 мм и амплитуде изменений поверхностного натяжения в 25 дин/см ртутный мениск в каждом из капилляров в капиллярном элементе 4 обеспечивает изменение давления в 0,066 кгс/см.

Так как при изменении потенциала ртутного электрода давление в одном из объемов 2, 3 повышается, а в другом уменьшается, то перепад давлений на диафрагме 7 благодаря каналу 10 увеличивается вдвое. При диаметре капиллярного элемента в 2 см, развиваемые штоком 8 усилия равны 0,427 кгс, а при количестве капилляров в одном квадратном сантиметре ЫО и длине капилляров 1 см, ход штока 8 может достигать 0,61 мм.

При указанных выше размерах капиллярного элемента, усилии на штоке 8, равном 0,1 кгс, его перемешении на величину 0,05 мм с частотой 1000 Гц необходимая мюшность на управление составляет 0,102 Вт

Работа преобразователя с кольцевым капиллярным элементом аналогична работе устройства с плоским капиллярным элементом. Однако, за счет наличия нескольких секций, совмешенных на один выходной шток в данном варианте устройства появляется возможность проведения сложения, вычитания и других логических операций, что расширяет функциональные возможности устройства. Устойчивость работы каждой секции обеспечивается несжимаемостью используемых гомогенных фаз и конической формой капилляров. Усилия, развиваемые на штоке 8 определяются количеством капилляров. В варианте с кольцевым капиллярным элементом усилие, развиваемое одной секцией при разности плош,адей диафрагмы 7 и выходного штока 8 на 3,14 см, составляет 0,427 кгс. Три секции позволяют получить усилие в три раза

больше, 1,281 кгс. С увеличением внутреннего диаметра кольца усилие на общем поршне пропорционально возрастает. Для указанной разности плош,адей, перемещение г общего вала составляет 1,5 мм. Оно становится больше с ростом диаметра кольца за счет увеличения количества капилляров. Так как выход общего вала преобразователя в автоматических системах связан с усилительными устройствами, в частности

0 с золотником гидроусилителя, то для уменьшения трения на золотнике при отсутствии управляюших сигналов, электроды вибросмазки 12 и 13 подключаются к источнику электрического тока, частота которого на

5 порядок больше частоты основного управляющего сигнала, подключаемого на электроды 5 и 6. Амплитуда источника вибросмазки выбирается меньшей амплитуды основного сигнала. Поэтому виброколебания выходного штока не вносят существенных

0 погрешностей в режим управления при использовании данного изобретения. В случае отсутствия электродов 12 и 13, источник вибросмазки может быть подключен к электродам 5 и 6 параллельно источнику

5 основного сигнала.

Применение в изобретении диафрагмы и упругих элементов в виде сильфонов с учетом влияния вибросмазки снижает силы трения, обеспечивает надежную герметизацию объемов, заполненных электролитом и

0 ртутью, что значительно увеличивает надежность работы устройства и его долговечность.

Возможность создания конструкции с последовательным соединением ряда секций

5 расширяет функциональные возможности. Данное изобретение может быть использовано в различных областях народного хозяйства как эффективный преобразователь электрических сигналов в механическое пеQ ремещение.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ЛИНЕЙНОЕ ПЕ РЕМЕЩЕНИЕ, содержащее установленный в корпусе капиллярный элемент, выполненный в виде набора конических капиллярных отверстий и образующий в корпусе два объема, выходной щток и электроды, установленные в обоих объемах, причем первый объем, расположенный со стороны расширенной части капилляров, заполнен ртутью, а второй - электролитом, отличающееся тем, что, с целью- повышения линейности преобразования и надежности в эксплуатации, в него введены упругий эле.мент и диафрагма, при этом упругий элемент жестко соединен с наружной частью корпуса и с выходным штоком, а диафрагма установлена между первым и вторым объемами, герметично перекрывая их, и своей центральной частью жестко соединена с выходным штоком. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что капиллярный элемент выполнен в виде кольца, в котором конические капилляры расположены радиально расширенной час§ тью со сторонывнутреннего диаметра кольца сл при этом один торец кольца закреплен на корпусе, а на втором установлена диафрагс ма.