Соленоидный бесконтактный датчик контроля положения и перемещения протяженного тела с магнитными неоднородностями Советский патент 1982 года по МПК G01P3/52 

(54) СОЛЕНОИДНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ ПО/ЮЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПРОТЯЖЕННОГО ТЕЛА С МАГНИТНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ Изобретение относится к автоматическому контропю и регупированию -к может быть использовано дпя бесконтактного контроля положения и перемещения протяженных теп с магнитными неоднород- костями, например, дпя контроля положения и перемещения геофизических сейсмо кос при их постановке и выборке. Известны соленоидные бесконтактные датчики перемещений трансформаторного типа, которые содержат размещенные на общем цилиндрическом каркасе включенные последоватепьно и намотанные по верх общей возбуждающей обмотки две сигнальные обмотки, выхошл которых под ключены к крайним выводам банансирук щего потенциометра, генератор синусоидальных колебаний, подсоединенный к возбуждающей обмотке, и внешний ферромагнитный экран. Принцип действия указанных датчиков основан на изменении коэффициента связи между возбуждающей и сигнальными обмотками при перемещении внутри их тела с магнитными неоднородностями (метками). На основе этих датчиков путем вклк чения на их выходе фазочу ветви тельного выпрямителя и индикатора легко реализуются устройства контроля малых перемещений тел, т.е. перемещений в пределах длины датчика 1 . Однако известные датчики не могут обеспечить достоверный контроль поло.жения и быстрых перемещений неравномерно движущихся (вплоть до полной остановки и изменения направления дивжения в произвольные моменты времени) протяженных тел с слабовыраженными магнитными неоднородностями. Это связано с их низкими быстродействием вследствие возможности применения только низкочастотных возбуждающих колебаний и чувствительностью вследстви е близости коэффициента связи между возбуждающей и сигнальными обмотками к пре- дельному, а также с возникновением ложг ных выходных сигналов при изменении направления движения тепа в моментынахождения магнитных меток в датчике. Наибопое близким к изобретению по технической сущности является трансформаторный датчик для измерения линейных перемещений, содержащий общий цилиндрический каркас с расположенными на нем симметрично и по обе стороны от подключенной к генератору синусоидальных колебаний возбуждающей обмотки две включенные последовательно и встреч но сигнальные обмотки, выходы которых присоединены к крайним выводам балансирующего потенциометра, и общий ферромагнитный экран. Принцип действия датчика также основан на изменении коэффициента связи между возбуждающей и сигнальными обмотками при прохождении внутри его магнитной метки контролируемого тела. Изменение коэффициента связи вызывает на выходе появление двух одинаковых по амплитуде радиоимпульсов, фазы которых сдвинуты друг относительно друга на Ji радиан. 11звестный датчик обладает больщей чувствительностью, так как осевое размещение возбуждающей и сигнальных обмоток обеспечивает больщие изменения, коэффициента связи при изменения ;: величины магнитного сопротивления контро.лируемого тела С21. Однако такой датчик не может обеспечить достоверный контроль положения и перемещения тел, движущихся неравномерно и с изменениями направления движения в произвольные моменты време ни из-ва возникновения ложных сигналов при изменениях направления движения тела в моменты нахождения магнитных меток в датчике. Кроме того при быстром перемещении контролируемого тела появляются динамические ощибки в виде уъ еньщения амплитуды выходных импульсов, что об- условлено тем, что при быстром перемещении контролируемого тела длитешь ность выходных радиоимпульсов датчика становится соизмеримой с периодом воз буждающих колебаний (достичь увеличе™ ния быстродействия датчика путем, повы- щония частоты возбуждающих колебаний нельзя из-за возрастания на высоких частотах влияния фазовых разбросов ЭДС сигнальных обмоток, которые приводят к сильнок у увеличению уровня остаточного напряжения, и соответственно к уменьщению чувствительности датчика). Известный датчик имеет чувствительность, недостаточную для осуществления достоверного контроля положения и перемещения тел с слабовыраженными магнитными неоднородностями. Ограничения по чувствительности связаны с наличием сильных потоков рассеивания у сигнапь- ных и возбуждающей обмоток и наличием нескомпенсированных фазовых сдвигов как на основной, так и на высщих (на 3-й, 5-й и т. д.) гармониках возбуждающих колебаний. Цель изобретения - повыщение чувствительности, быстродействия и обеспечения достоверного контроля положения и быстрых перемещений неравномерно движущихся протяженных тел с магнитными неоднородностями. Указанная цель достигается тем, что в известный датчик введены второй балансирующий потенциометр, включенный последовательно с первым, две RO-цепочки, компенсационная обмотка, расположенная совместно с возбуждающей, и два узг кополосных фильтра, входы которых подключены к движкам балансирующих потенциометров, при этом один вывод компенсационной обмотки соединен с общей шиной, а второй - с общей точкой балансирующих потенциометров, RC-цепочки подключены выводами сигнальных обмоток и входами узкополосных фильтров, а ферромагнитЕШ1й экран выполнен в виде трех раздельных тороидальных корпусов, охватывающих соответствующие обмотки. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Датчик состоит из цилиндрического каркаса 1 с возбуждающей обмоткой 2, подключенной к генератору 3 синусоидальных копебаний, двух сигнапьных обмоток 4 и 5j включенных последовательно, выходы которых подсоединены непосредственно к крайним выводам соответствующих балансирующих потенциометров 6 и 7, а через РС-цепочки в и 9 подсоединены к выводам центральных контактов балансирующих потенциометров и входам узкополосных фильтров 10 и 11, компенсационной обмотки 12, намотанной поверх возбуждающей и один вывод которой соединен с общей точкой сигнальных обмоток, а второй - с вторыми крайними выводами балансирующих потенцио- метров и общей шиной узкополосных фильт ров, и трех ферромагнитных тороидальных корпусов 13-15, охватывающих соответствующие обмотки. Выходы уэкополосных фильтров являются выходами датчика. Датчик работает следующим образом. Электрический сигнал генератора 3 синусоидальных колебаний подается на возбуждающую обмотку 2, вокруг которой возникает переменное электромагнит ное поле, приводящее к возникновению ЭДС в компенсационной 12 и в сигналь- ных 4 и 5 обмотках. Возбуждающая и сигнальные обмотки охвачены ферромагнитными тороидальными корпусами 13-15 каждая, поэтому их магнитные поля при отсутствии в датчике магнитной метки сконцентрированы в области зазора торов и резко спадают с удалением от них по осевому направлению. При этом коэффициент между обмотками мал, а следовательно, и мала ветгачина ЭДС сигнальных .обмоток. В присутствии магнитной метки конфигурация магнитных полей возбуждающей и сигнальных обмоток резко меняется. Намагничивание магнитной неоднородности приводит к резкому увеличению коэффициента связи между обмотками и таким образом к возрастанию их ЭДС. В то же время величина ЭДС компен - сационной обмотки при введении магнитной неоднородности практически не меняется (с точностью 2-3%) и составляет величину, равную ЭДС сигнальных обмоток при отсутствии в датчике магнитной неоднородности. Неизменность ЭДС компенсационной обмотки достигается за счет размещения ее и возбуждающей обмотки в едином ферромагнитном тороидальном корпусе 14. Поскольку компенсационная обмотка по отношению к каждой из сигнальных вкп чена встречно, при отсутствии магнитной неоднородности напряжение в диагонали как первой мостовой схемы (сигнальная обмотка 4, компенсационная 12 обмотка части балансирующего потенциометра 6 и RC-цепочка 8), а также второй мос товой схемы (сигнальная 5 обмотка, компенсационная 12 обмотка, части балансирующего потенциометра 7 и RC-цепочка 9) минимапьио и равно остаточному. Минимальны напряжения и на выходах датчика. Минимизация напряжения достигается за счет выравнивания ампли туд сигналов, поступающих с обмоток (при помощи балансирующих потенциомет ров 6 и 7), компенсации их фазовых раз бросов (путем рсгушфовкп постоянной времени RC-цепочек 8 и 9) и устранения влияния высших гармоник узкопо поеными фильтрами 10 и 11. При полностью введенной в датчик магнитной метке величины ЭДС сигнальных обмоток становятся существенно (в 2-10 раз) большими, чем величина ЭДС компенсационной обмотки. Происходит разбалансировка мостовых схем и на выходах датчика появляются синусоидальные сигналы. В динамическом режиме датчик работает следующим образом. Когда тело движется слева направо, с вхождением магнитной метки сначала нарастает амплитуда сигнала на первом выходе датчика (фиг. 1 и 2а). Нарастание идет до тех пор пока Правая грань метки не достигает правой стороны фер ромагнитного тороидального корпуса 14 с возбуждающей и компенсационной обмотками. Далее идет формирование верщи- ны рациоимпульса до тех пор, пока левая грань метки не достигнет левой стороны ферромагнитного тороидального корпуса 13 с 1-и сигнальной обмоткой. После этого амплитуда выходного сигнала уменьшается и когда левая грань метки выходит за пределы зазора ферромагнитного тороидального корпуса 13 становится равной минимальной. Аналогичным образом происходит формирование рациоимпульса на втором выходе датчика (фиг. 1 и 26), причем его передний фронт соответствует вхождению правой грани магнитной метки в ферро- магнитнь1й тороидальный корпус 15 с второй сигнальной обмоткой, а задний фронт- моменту выхода левой грани . метки из ферромагнитного тороидального корпуса 14 с возбуждающей и компенсационной обмотками. Поскольку расстояние между ферромагнитными тороидальными корпусами , с сигнальными обмотками выбирается не более длины магнитной метки, то радиоимпульс на втором выходе датчика (фиг. 26) возникает в момент формирования вершины импульса на первом выходе, а заканчивается в тот момент врюмени, когда импульс на первом выходе уже отсутствует. С прохождением каждой последующей магнитной метки контроггаруемого тепа указанные процессы повторяются. Когда тело движется справа налево, в результате прохождения каждой из магнитных меток через датчик, также воз79никает по одному радиоимпульсу на odoих выходах. Однако, в этом случае первыми появляются радиоимпульсы на втором выходе датчика (фиг. 2г), а затем с запаздыванием на время прохож дения левой гранью метки расстояния между тороидальным корпусом 14 с возбуждающей и компенсационной обмотками и тороидальным 13 корпусом с первой сигнальной обмоткой появляются радио- импульсы, на первом выходе датчика (фиг. 2в). В этом случае пока магнитная метка находится внутри всех трех тороидальных корпусов 13-15 идет формирование вершин радиоимпульсов. Выполнение ферромагнитного экрана в виде трех тороидальных корпусов и использование таких новых элементов, как компенсационной обмотки, второго балан сирующего потенциометра, двух RC-цепо чек и двух узкополосных фильтров повышает чувствительность-датчика вследствие уменьшения не менее чем в 1О раз величины остаточного напряжения (за счет компенсации фазовых сдвигов в обмотках на основной гармонике возбуждающих колебаний и резкого ослабления влияния высших гармонических составпя- юших), а также вследствие увеличения не менее чем в 5 раз изменений ЭДС сигнальных обмоток при введении эталонной магнитной метки (за счет устранения внешних потоков рассеивания и сосредоточения практически всего магнитного потока внутри датчика). Причем вследствие обеспечения компенсации фазовых разбросов на высоких частотах становится возможной работа датчика на частоте не менее чем в 10 раз большей, чем частота возбуждающих колебаний известного датчика (в действующем макете датчика .А кГц), че обеспечивается его высокое быстродейст вие. Кроме того, в датчике исключается п явление ложных сигналов на выходе, кот рые могли бы привести к неустранимым ошибкам контроля попожения и перемеще ния протяженного тела. В связи с тем, что информация о направлении цвижения тела заключена в относительном положении радиоимпульсов на первом и втором выходах датчика, и всегда имеет место частичное временное совпадение радиоим пульсов , генерируемых конкретной меткой (фиг. 2), возможна реализация наде ного различите ля направления перемещения по алгоритму: если радиоимпульс на 6 первом вькоде датчика кончается в момент формирования вершины радиоимпульса на втором выходе, тело движется справа налево (счетчик должен находиться в режиме сложения). При изменении направления движения тела в момент нахождения метки в датчике данный алгоритм обеспечивает достоверный контроль. Например, если радио-импульс на первом выходе начинается и кончается в момент формирования вершины радиоимпульса на втором выходе (фиг. 2д, е), счетчик переключается сначала в режим сложения, а потом в режим вычитания и соответственно, сначала его состояние увеличится на ециницу, а за.тем уменьшится на единицу, т. е. останется без изменений, что и соответствует действительности. Если же радиоимпульс на втором выходе начнется и кончится в момент формирования вершины радиоимпульса на первом выходе датчика (фиг.2е) различите ль вообще недает разрешения на счет, что также соответствует дей- ствительности. Таким образом, за счет повышения чувствительности, быстродействия и исключения ложных выходных сигналов датчик обеспечивает достоверный контроль попожения и быстрых перемещений движущихся неравномерно и с изменениями направления движения в любые моменты времени протяженных тел с слабо выраженными магнитными неоднородностями. Формула изобретения СЪленоицный бесконтактный датчик контроги положения и перемещения протяженного тела с магнитными неоднородное- тями, содержащий цилиндрический каркас с подключенной к генератору переменного тока обмоткой возбуждения, две последовательно включенные сигнальные обмотки, расположенные по обе стороны от обмотки возбуждения, выходы оторых соединены через первый балансирующий потенциометр, и ферромагнитный экран, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и быстродействия, в датчик введены второй балансирующий потенциометр, включенный последовательно с первым, две RC-цепочки, компенсационная обмотка, располо женная совместно с возбуждающей,-и два узкопопосяых фипьтра, входы которых подключены к подвижным контактам потенциометров, при этом один вывод ком- пенсаиионмой обмотки соединен с общей шиной, а второй - с обшей точкой балансирующих потенциометров, Р С-цепочки включены между выводами сигнальных обмоток и входами уэкопопоеных фильтров, а ферромагнитный экран выпопиен в виде трех раздельных тороидальных корпусов, охватывающих соответствующие обмотки. 9037 5 610 Источники информавйи, принятые во внимание при экспертизе 1.Агейкин Д, И. и ща. Датчики кентроля и регулирования. М., 1965, с. 1302.Литвинов А. П. -и ар. Электромагнитные элементы автоматтш. Л., 1965, с. 141-142 (прототип).

/ «

U2.f

t