Способ увеличения чувствительности и динамического диапазона индуктивных датчиков линейных перемещений

Конструктивно (рис. 1) датчик состоит из статора 1 , катушек 2 и 3 с обмотками возбуждения магнитного поля и обмотками измерения магнитного поля, намотанными на каркасы 4 и 5 , установленных на втулке 6 , выполненной в форме стакана из немагнитного материала, внутри которой перемещается якорь 7. Катушка 2 содержит первую обмотку возбуждения магнитного поля и первую обмотку измерения магнитного поля, намотанные на каркас 4 . Катушка 3 содержит вторую обмотку возбуждения магнитного поля и вторую обмотку измерения магнитного поля, намотанные на каркас 5 . Боковая поверхность якоря 7 содержит последовательно расположенные на ферромагнитной основе части 8 , 9 и 10 . Первая часть 8 боковой поверхности якоря начинается от торца якоря, вторая часть 9 боковой поверхности якоря начинается после первой части 8 , а третья часть 10 боковой поверхности якоря, соответственно, после второй части 9 . Длина всех частей соизмерима с осевой длиной катушек 2 и 3 . Обмотки для измерения интенсивности магнитного поля ИДЛП могут быть выполнены как в виде непрерывной обмотки, так и в виде двух полуобмоток, соединенных встречно – последовательно (дифференциальный датчик линейного перемещений), а отдельные части 8 , 9 и 10 боковой поверхности якоря также выполняют соизмеримыми. Первая часть 8 и третья часть 10 боковой поверхности якоря выполнены из материала с высокой электропроводностью (медь, серебро). Вторая часть 9 боковой поверхности якоря выполнена из материала с высокой магнитной проницаемостью и низкой электропроводностью. Втулка 6 выполнена из немагнитного материала и может быть металлической (например, из нержавеющей стали 12Х18Н10Т). Перемещение объекта измерения (например, клапана) из внутренней полости 11 передаётся на якорь, который перемещается через открытый торец втулки 6 , герметично соединенной с внутренней полостью рабочего органа (клапана) 11 .

Рис. 1. Индуктивный датчик линейного перемещения

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При питании обмоток возбуждения магнитного поля переменным током в обмотках измерения магнитного поля наводится электродвижущая сила переменного тока, амплитуда которой пропорциональна величине магнитного потока, пронизывающего обмотки измерения магнитного поля, связанная с линейным смещением якоря относительно начального (нулевого) положения. На рис. 2а изображены зависимости индуктивностей L1 и L2 катушек 2 и 3 ИДЛП при осевом смещении составного якоря, а также аналогичные зависимости для датчика линейных перемещений со сплошным ферромагнитным якорем (рис. 2б). Изменения разности индуктивностей L1 и L2 катушек 2 и 3 при перемещениях якоря изображено на рис. 2в.

В положении I, как показано на рис. 2а, 2б, составной якорь и сплошной ферромагнитный якорь находятся в начальном положении и не взаимодействует с магнитным полем катушек 2 и 3 . Собственные индуктивности L1 и L2 катушек 2, 3 , соответственно, (без влияния якоря в исходном положении I) примем одинаковыми и равными L 0 . Для упрощения рассмотрения примем также, что обмотка возбуждения и обмотка измерения магнитного поля для катушки 2 имеют сильную электромагнитную связь (коэффициент связи примем равной единице), их индуктивности L1 одинаковы и зависят от электромагнитных свойств материала находящихся в них частей якоря. Аналогично примем, что и для катушки 3 обмотки возбуждения и обмотки измерения магнитного поля так же имеют сильную электромагнитную связь (коэффициент связи примем равной единице), а их индуктивности L2 так же равны между собой и также зависят от электромагнитных свойств материала находящихся в них частей якоря. При перемещениях якоря из положения I в положение II на расстояние H/2, равное длине катушек 2 и 3 , индуктивность L1 в предлагаемом устройстве падает (для упрощения примем линейный закон изменения индуктивностей) и в положении II якоря становится равной L1=L аminII т.к. в катушке 2 находится часть 8 якоря, которая обладает высокой электропроводностью и уменьшает индуктивность L1, как это показано на рис. 2а для положения II . При этом индуктивности

L2 катушки 3 не изменяются и остаются равными L2=L 0 .

Крутизна позиционной характеристики датчика линейных перемещений на участке, расположенном между позицией I и позицией II якоря, определяется как:

V

(L 2 ail - L1 ail ) - (L 2 al — L1 d )H/2

Здесь L1 аI , L2 аI – индуктивности катушек 2 и 3 в позиции I. L1 аII , L2 аII – индуктивности катушек 2 и 3 в позиции II; H – перемещение.

Учитывая, что индуктивность L1 катушки 2 предлагаемого устройства в позиции I и индуктивность L2 катушки 3 в позициях I и II якоря принимает значение собственной индуктивности L 0а (т.к. в указанных позициях катушки не содержат материал якоря), принимаем L1 аI = L1 аII = L2 аII = L 0а . Аналогично принимаем L1_аII=L_аmin т.к. в катушке 2 находится первая часть 8 боковой поверхности якоря обладающая высокой электропроводностью. Подставляя принятые значения индуктивностей катушек в позициях I и II якоря в выражение (1) получаем:

2 ( L 0

а min

H

При перемещениях якоря из положения II в положение III индуктивность катушки 2 увеличи-

вается от L1аII= Lаmin до L1 аIII =Lаmax, т.к. в катушку 2 переместится ферромагнитная часть 9 составного якоря, а его часть 8, которая обладает высокой электропроводностью, переместится в катушку 3. Поэтому индуктивность катушки 3 уменьшается от

L2_аII= L_0а до L2_{а III}

L а min .

Крутизна позиционной характеристики датчика линейных перемещений на участке расположенном между позицией II и позицией III якоря определяется как:

^S a ( II ... III )

= 2

^{( L 2} alii    ^{L 1} alii ) ^{( L 2} ail    ^{L 1} ail

H /2

а min      a max 0

H

При перемещениях якоря из положения III в положение IV индуктивность катушки 2 уменьшается с L1 аIII =L а max до L1 аIV =L а min , т.к. из катушки 2 ферромагнитная часть 9 удаляется, и в катушку 2 вдвигается электропроводящая (медная) часть 10 составного якоря, при этом индуктивность катушки 3 увеличивается с L2 аIII =L а min до L2 аIV =L аmах , так как часть 8 якоря, обладающая высокой электропроводностью, удаляется из катушки 3 , а в катушку 3 перемещается ферромагнитная часть 9 составного якоря. Крутизна позиционной характеристики устройства на участке, расположенном между позицией III и позицией IV , определяется как:

Рис. 2. Графическая иллюстрация работы датчика

(Fe – известное устройство, Cu+Fe+Cu – предлагаемое устройство)

^Sa ( III ... IV )

^{( L 2} aIV   ^L1 aIV )  ^{( L 2} gill   ^L1 gill )

H /2

4 L а max

^La min

H

При перемещениях якоря из положения IV в положение V индуктивность катушки 2 увеличивается с L1 аIV =L а min до L1 аV =L а mах т.к., в катушку 2 перемещается ферромагнитная часть 9 якоря, а часть 10 якоря, которая обладает высокой электропроводностью, перемещается в катушку 3 , при этом индуктивность катушки 3 уменьшается с L2_аIV =L а max до L2 аV =L а min , так как ферромагнитная часть 9 якоря удаляется из катушки 3 , а часть 10 якоря, обладающая высокой электропроводностью, перемещается в катушку 3 . Крутизна позиционной характеристики датчика линейных перемещений на участке, расположенном между позицией IV и позицией V , определяется как:

S _ ⁽ L ² aV L^ aV ^)-( L ² aIV — ^{L 1} aIV ) _ a ^{( IV} "^V )                 H /2                          (5)

_ 4 ^La min ^La max

H

содержится ферромагнитная основа якоря. Индуктивность катушки 3 увеличивается с L2_аV =L_{а min} до L2 аVI =L аmах , потому что ферромагнитная основа якоря перемещается в катушку 3 . Крутизна позиционной характеристики устройства на участке, расположенном между позицией V и позицией VI , определяется как:

2 L а max

^{( L 2} aVI ^{L 1} aVI ) ^{( L 2} aV ^{L 1} aV )

H /2

a min

H

При перемещениях якоря из положения V в положение VI индуктивность катушки 2 не изменяется и равна L1 аV =L а max , т.к. во всей катушке 2

В положении VII и далее индуктивности L1, L2 не изменяются и равны Lаmax.

На рис. 2в изображено изменение разности индуктивностей L1-L2 датчика линейных перемещений при перемещениях якоря в виде сплошного ферромагнитного материала, выполненного в соответствии с прототипом. В исходном положении I сплошной ферромагнитный якорь находится вне магнитного поля катушек 2 и 3 (рис. 2б), поэтому индуктивности катушек 2 и 3 принимают значения собственной индуктивности L 0б , а именно L1 бI =L2 бI = L 0б . Разность индуктивностей L1 - L2 катушек 2 , 3 равна нулю. При перемещениях якоря из положения I в положение II индуктивность катушки 2 увеличивается от L1 бI = L 0 до L1 бII =L б ma x .

Так как в катушку 2 переместится ферромагнитный якорь (для упрощения примем линейный закон изменения индуктивностей), то разность индуктивностей L1 - L2 в положении II становится равной L бmax -L 0 . Крутизна позиционной характеристики устройства на участке, расположенном между позицией I и позицией II , определяется как:

V

-2

L б max II    L 0

H

При перемещениях якоря из положения II в положение III индуктивность катушки 2 больше не изменяется и остаётся равной L бmax . Индуктивность катушки 3 увеличивается и в положении III становится равной L_бmax , т.к. в катушках 2 и 3 находится ферромагнитный якорь. Крутизна позиционной характеристики устройства на участке, расположенном между позицией II и позицией III , определяется как:

= 2

I, - „ вmaxIII      0

H

Для сравнения свойств предлагаемого устройства с известным найдём отношение W крутизны их позиционных характеристик, для чего поделим крутизну S а(III…IV) характеристики предлагаемого устройства на участке характеристик между позициями III и IV на крутизну S в(II…III) характеристики известного устройства между позицией II и позицией III:

W =

4 а max a min H

L -

2    в max III      0 II

H

L max

—

L min

max ^L 0

Учитывая, что L min < L 0 видим, что отношение W >  2. Таким образом, крутизна позиционной характеристики предлагаемого устройства больше, чем у известного более, чем в 2 раза.

Выводы: увеличение чувствительности датчика линейных перемещений происходит за счет того, что якорь выполнен составным в виде частей с различными электромагнитными свойствами, чередующихся в осевом направлении таким образом, что части с высокой магнитной проницаемостью и низкой электропроводностью чередуются с частями, обладающими высокой электропроводностью и низкой магнитной проницаемостью, а линейные размеры составных частей соизмеримы с осевыми размерами катушек.