SK500012008A3 - Magnetostrikčný snímač - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka magnetostrikčného snímača vhodného na sledovanie uhla natočenia vzájomne sa otáčajúcich častí, najmä krúžkov ložiska.

Doterajší stav techniky

Sú známe rôzne riešenia zamerané na sledovanie uhlu natočenia vzájomne sa otáčajúcich častí, ktoré pracujú na odporovom, elektrooptickom, indukčnom a magnetickom princípe. Nevýhodou týchto riešení je chyba, ktorá vzniká v prevode a nekompaktnosť s otáčajúcimi časťami. Známe riešenia, ktoré tvoria kompaktný systém spolu s otáčajúcimi časťami pracujú inkrementálnym spôsobom, v dôsledku čoho neumožňujú absolútne odmeriavanie uhlu natočenia. Ich nevýhodou tiež je, že pri prerušení dodávky elektrickej energie, náhodnom elektrickom rušení a pod. sa musí celý sledovací systém vrátiť na začiatok odmeriavania.

Z amerického patentu US 6,863,442 je známy inkrementálny senzor pozostávajúci zo zvlneného pásika magneticky mäkkého materiálu upevneného na vonkajšom obvode vnútorného krúžku ložiska a z meracej hlavice, upevnenej na vnútornom obvode vonkajšieho krúžku, citlivej na zmenu magnetického toku spôsobeného striedaním vrcholov a údolí zvlneného pásika pohybujúceho sa pod meracou hlavicou pri otáčaní vnútorného krúžku.

Z amerického patentu US 5073711 je známe riešenie senzora, podľa ktorého uhlová stupnica v binárnom kóde upevnená na otočnej súčasti je vytvorená opticky čitateľným médiom. Snímacia hlava sníma niekoľkými optickými lúčmi údaje v odpovedajúcich kanáloch kódovanej stupnice. Výstup o uhlovom natočení je v digitálnej forme. Z optického princípu vyplýva obmedzená použiteľnosť pre meranie vzájomného natočenia dvoch súčastí v znečistenom prostredí.

Z amerických patentov US 4,238,844 a US 6,906,512 sú známe riešenia senzorov na sledovanie vzájomnej polohy dvoch predmetov, založené na magnetostrikčnom princípe. Tieto riešenia sa však dotýkajú iba sledovania vzájomnej polohy dvoch priamočiaro sa pohybujúcich predmetov. Ich využitie v kovovom prostredí, kde sledované rotačné súčasti sú kovové, komplikuje usporiadanie magnetického obvodu v mieste permanentného magnetu určujúceho natočenie jednej zo súčastí a prívod elektrického prúdu na koniec ultrazvukového vlnovodu nie je možný cez kovovú obalovú rúrku senzora, ako to je uskutočnené v týchto známych riešeniach. Nevýhodou tiež je, že jednoduchým stočením priamočiareho senzora by vzniklo pomerne dlhé „hluché“ pásmo, v ktorom by nebolo možné merať polohu vzájomného natočenia súčastí.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značnej miery odstraňuje magnetostrikčný snímač na sledovanie uhla natočenia vzájomne sa otáčajúcich častí, tvorený magnetostrikčným vlnovodom umiestneným na jednej z otáčajúcich sa častí, na ktorého začiatok je pripojený generátor elektrických impulzov a snímač mechanických kmitov a na druhej z otáčajúcich sa častí je umiestnený permanentný magnet, pričom signály zo snímača mechanických kmitov sú vedené do vyhodnocovacieho modulu, kde sú upravené prevodníkom a následne spracované v jednotke na meranie času šírenia mechanických kmitov a zobrazenie aktuálneho uhla natočenia, podľa tohto vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že magnetostrikčný vlnovod je umiestnený v obvodovej drážke vytvorenej v jednej zo vzájomne sa otáčajúcich častí, pričom obvodová drážka je výhodne vyplnená izolačnou hmotou. Týmto sa zabráni nepriaznivému vplyvu nečistôt vyskytujúcich sa v meranom prostredí na presnosť merania, zamedzí sa prenosu kmitania otáčajúcich sa častí na magnetostrikčný vlnovod a zabezpečí sa poloha magnetostrikčného vlnovodu v požadovanej vzdialenosti od permanentného magnetu upevneného na druhej otáčajúcej sa časti.

Aby sa zamedzilo prenosu kmitania feromagnetického vodiča magnetostrikčného vlnovodu do okolia, ktoré by tlmilo šírenie ultrazvukového impulzu spočíva podstata vynálezu ďalej v tom, že magnetostrikčný vlnovod je tvorený feromagnetickým magnetostrikčným vodičom umiestneným v izolačnom obale.

Ďalej podstata vynálezu spočíva v tom, že začiatok a koniec magnetostrikčného vlnovodu sa navzájom prekrývajú čím sa anuluje tzv. „hluché pásmo“, ktoré vzniká pri budení prúdového impulzu, čo umožňuje merať vzájomnú polohu otáčajúcich sa častí pri uhle ich natočenia 360° a viac.

S cieľom zamedziť zoslabeniu detekovaného signálu pod úroveň rušenia parazitnými magnetickými poľami a urýchlenia merania spočíva ďalej podstata vynálezu v tom, že magnetostrikčný vlnovod pozostáva z aspoň dvoch segmentov, kde budenie a snímanie ultrazvukového impulzu, ako aj vyhodnotenie polohy sa vykonáva paralelne.

V záujme anulovania tzv. „hluchého pásma“ v prípade použitia viacsegmentového magnetostrikčného vlnovodu spočíva ďalej podstata vynálezu v tom, že začiatky segmentov sa navzájom prekrývajú ako aj konce segmentov sa navzájom prekrývajú.

Za účelom fixovania polohy koncov magnetostrikčného vlnovodu v požadovanej vzdialenosti v obvodovej drážke a ich izolovania od nečistôt okolitého prostredia, spočíva podstata vynálezu ďalej v tom, že magnetostrikčný vlnovod je na svojom začiatku vybavený snímacím ukončovačom a na svojom konci je magnetostrikčný vlnovod vybavený referenčným ukončovačom.

Ďalej podstata vynálezu spočíva v tom, že snímací ukončovač je tvorený puzdrom, v ktorom je ukotvený magnetostrikčný vlnovod, ktorého začiatok dosadá na snímač mechanických kmitov, na ktorý dosadajú kontakty na pripojenie prevodníka vyhodnocovacieho modulu.

Podstata vynálezu spočíva tiež v tom, že referenčný ukončovač je tvorený puzdrom, v ktorom je ukotvený koniec magnetostrikčného vlnovodu, vedľa ktorého je v puzdre osadený referenčný magnet, ktorého účelom je v definovanej vzdialenosti od konca vlnovodu v dôsledku magnetického poľa generovať referenčný koncový impulz, prostredníctvom ktorého sa eliminuje z výpočtu vzájomnej polohy otáčajúcich sa častí vplyv teploty okolia na segment.

Nakoniec podstata vynálezu spočíva v tom, že na výstup prevodníka vyhodnocovacieho modulu je pripojená korelačná jednotka, na ktorej výstup je pripojená jednotka na vyhodnotenie času šírenia mechanických kmitov a zobrazenie aktuálneho uhla natočenia. Vyhodnocovaním ultrazvukového impulzu korelačným obvodom sa dosiahne odstránenie rušivých vplyvov okolia hlavne v oblasti vysokonapäťových rozvodov, pri búrkových činnostiach a pod. a zvýšenie presnosti odmeriavania.

Výhody magnetostrikčného snímača podľa vynálezu sú v tom, že tvorí kompaktný celok s rotujúcou súčasťou, ktorej uhol natočenia sa odmeriava, umožňuje absolútne odmeriavanie uhla natočenia rotujúcich súčastí, ktorých geometrické rozmery sú rádovo desiatky až stovky centimetrov, je použiteľný v silne znečistenom prostredí tvorenom kovovými súčasťami, je odolný voči mechanickým vplyvom okolitého prostredia a vyhodnocuje niekoľko po sebe idúcich impulzov, aby boli vylúčené náhodné chybné impulzy.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález bude bližšie objasnený pomocou výkresov, kde na obr.l je schematicky znázornený jednosegmentový magnetostrikčný vlnovod, na obr. 2 je schematicky znázornený dvoj segmentový magnetostrikčný vlnovod, na obr. 3 je znázornený pozdĺžny rez ložiskovým krúžkom so zabudovaným magnetostrikčným vlnovodom, na obr. 4 je znázornený detail A vyznačený na obr. 3, na obr. 5 je schematicky znázornený magnetostrikčný snímač v rozvinutom tvare s blokovou schémou vyhodnocovacieho obvodu, na obr. 6 je znázornený axonometrický pohľad na snímací ukončovač v uzavretom stave, na obr. 7 je znázornený axonometrický pohľad na otvorené teleso snímacieho ukončovača, na obr. 8 je znázornený axonometrický pohľad na otvorený kryt snímacieho ukončovača, na obr. 9 je znázornený bočný pohľad na snímací ukončovač v uzavretom stave, na obr. 10 je znázornený rez B-B vyznačený na obr. 9, na obr. 11 je znázornený rez A-A vyznačený na obr. 9, na obr. 12 je znázornený axonometrický pohľad na referenčný ukončovač, na obr. 13 je znázornený axonometrický pohľad na otvorené teleso referenčného ukončovača, na obr. 14 je znázornený axonometrický pohľad na otvorený kryt referenčného ukončovača, na obr. 15 je znázornený bočný pohľad na referenčný ukončovač, na obr. 16 je znázornený rez B-B vyznačený na obr. 15 a na obr. 17 je znázornený rez A-A vyznačený na obr. 15.

Príklad uskutočnenia vynálezu

Magnetostrikčný snímač je tvorený magnetostrikčným vlnovodom I umiestneným na jednej z rotujúcich častí a permanentným magnetom umiestneným na druhej z rotujúcich častí. K začiatku H magnetostrikčného vlnovodu 1 je pripojený generátor 10 elektrických impulzov, ktorý je elektricky prepojený s koncom 12 magnetostrikčného vlnovodu L Začiatok H magnetostrikčného vlnovodu I je vybavený snímačom 22, ku ktorému je pripojený vyhodnocovací modul 4, tvorený prevodníkom 41 mechanických kmitov, korelačnou jednotkou 42 a jednotkou 43 na vyhodnotenie času šírenia mechanických kmitov a zobrazenie aktuálneho uhla natočenia, ako je znázornené na obr. 5. Keď je potrebné merať vzájomnú polohu otáčajúcich sa častí pri uhle ich natočenia 360° a viac, začiatok H a koniec 12 magnetostrikčného vlnovodu 1 sa navzájom prekrývajú, ako je znázornené na obr. 1. Magnetostrikčný vlnovod I môže pozostávať z viacerých segmentov la, lb, ako je znázornené na obr. 2, vtedy sa začiatky Ha, 11b segmentov la, lb navzájom prekrývajú, ako aj konce 12a, 12b segmentov la. lb sa navzájom prekrývajú. Zabudovanie magnetostrikčného vlnovodu 1 v ložiskovom krúžku 7 axiálnoradiálneho ložiska pri praktickej aplikácii magnetostrikčného snímača na sledovanie uhla vzájomného natočenia krúžkov axiálnoradiálneho ložiska je znázornené na obr. 3 a obr. 4. Obvodová drážka 71 vytvorená v ložiskovom krúžku 7 je vyplnená izolačnou hmotou 8, v ktorej je uložený magnetostrikčný vlnovod 1, tvorený feromagnetickým magnetostrikčným vodičom 6 umiestneným v izolačnom obale 5 a obvodová drážka 71 je uzavretá krytom 72. Ak má feromagnetický magnetostrikčný vodič 6 dutý profil, potom je v jeho dutine umiestnený budiaci vodič 61, ako je znázornené na obr. 13 a obr. 16.

Magnetostrikčný vlnovod 1 je vybavený na svojom začiatku H snímacím ukončovačom 2 a na konci 12 referenčným ukončovačom 3. Snímací ukončovač 2 pozostáva z puzdra 21, tvoreného telesom 211 a krytom 212. ktoré sú spojené skrutkou 13 a maticou 14. V telese 211 je uložený snímač 22 mechanických kmitov, na ktorý dosadá feromagnetický magnetostrikčný vodič 6_ magnetostrikčného vlnovodu 1. Feromagnetický magnetostrikčný vodič 6 magnetostrikčného vlnovodu 1 je proti pootočeniu a posunutiu v izolačnom obale 6 fixovaný v snímacom ukončovači 2 aretačným prvkom 24. V telese 211 sú ďalej uložené kontakty 23 na pripojenie prevodníka 41 vyhodnocovacieho modulu 4 , ktoré dosadajú na snímač 22 mechanických kmitov, ako je znázornené na obr. 7 a obr. 10. Referenčný ukončovač 3 pozostáva z puzdra 31, tvoreného telesom 311 a krytom 312, ktoré sú spojené skrutkou J_3 a maticou Í4. V referenčnom ukončovači 3 je ukotvený koniec 12 magnetostrikčného vlnovodu i, vedľa ktorého je v puzdre 31 osadený referenčný magnet 32.

Magnetostrikčný snímač meria bezdotykovo polohu permanentného magnetu umiestneného na jednej z otáčajúcich sa častí pomocou doby šírenia mechanického vzruchu, vybudeného interakciou medzi magnetickými poľami v magnetostrikčnom vodiči 6 magnetostrikčného vlnovodu 1. Do feromagnetického magnetostrikčného vodiča 6 je generátorom 10 privedený krátky prúdový impulz, ktorý v celej dĺžke magnetostrikčného vodiča 6 vybudí magnetické pole. V určitom mieste už pôsobí axiálne magnetické pole permanentného magnetu, ktorý sa nachádza blízko povrchu magnetostrikčného vlnovodu 1. Interakcia magnetického poľa permanentného magnetu a magnetického poľa magnetostrikčného vodiča 6 vybudí vo feromagnetickom magnetostrikčnom vodiči 6 torzný magnetostrikčný impulz, ktorý sa šíri ako mechanický kmit rýchlosťou zvuku od miesta vzniku k obom koncom magnetostrikčného vodiča 6. Snímačom 22 umiestneným na začiatku U magnetostrikčného vlnovodu 1 sa mechanický kmit zachytí a z časového oneskorenia od vyslania budiaceho prúdového impulzu a známej rýchlosti šírenia mechanického kmitu v danom feromagnetickom materiáli magnetostrikčného vodiča 6 sa určí poloha miesta vzniku mechanického kmitu a teda i poloha permanentného magnetu voči začiatku H magnetostrikčného vlnovodu i. Signály zo snímača 22 ultrazvukového impulzu sú upravené prevodníkom 41 a cez korelačnú jednotku 42 sú vedené do jednotky 43 na vyhodnotenie času šírenia mechanických kmitov a zobrazenie aktuálneho uhla natočenia.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Magnetostrikčný snímač na sledovanie uhla natočenia vzájomne sa otáčajúcich častí, tvorený magnetostrikčným vlnovodom umiestneným na jednej z otáčajúcich sa častí, ku ktorému je pripojený generátor elektrických impulzov a snímač mechanických kmitov a na druhej z otáčajúcich sa častí je umiestnený permanentný magnet, pričom signály zo snímača mechanických kmitov sú vedené do vyhodnocovacieho modulu, kde sú upravené prevodníkom a následne spracované v jednotke na meranie času šírenia mechanických kmitov a zobrazenie aktuálneho uhla natočenia, vyznačujúci sa tým, že magnetostrikčný vlnovod (1) je umiestnený v obvodovej drážke (71) vytvorenej v jednej zo vzájomne sa otáčajúcich častí (7), pričom obvodová drážka (71) je výhodne vyplnená izolačnou hmotou (8).
2. 2. Magnetostrikčný snímač podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že magnetostrikčný vlnovod (1) je tvorený feromagnetickým magnetostrikčným vodičom (6) umiestneným v izolačnom obale (5).
3. 3. Magnetostrikčný snímač podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že začiatok (11) a koniec (12) magnetostrikčného vlnovodu (1) sa navzájom prekrývajú.
4. 4. Magnetostrikčný snímač podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že magnetostrikčný vlnovod (1) pozostáva z aspoň dvoch segmentov (la, lb).
5. 5. Magnetostrikčný snímač podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že začiatky (11a, 11b) segmentov (la, lb) sa navzájom prekrývajú ako aj konce (12a, 12b) segmentov (la, lb) sa navzájom prekrývajú.
6. 6. Magnetostrikčný snímač podľa niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúci sa tým , že magnetostrikčný vlnovod (1) je na svojom začiatku (11) vybavený snímacím ukončovačom (2) a na svojom konci (12) je vybavený referenčným ukončovačom (3).
7. 7. Magnetostrikčný snímač podľa podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že snímací ukončovač (2) je tvorený puzdrom (21), v ktorom je ukotvený magnetostrikčný vlnovod (1), ktorého začiatok (11) dosadá na snímač (22) mechanických kmitov, na ktorý dosadajú kontakty (23) na pripojenie prevodníka (41) vyhodnocovacieho modulu (4).
8. 8. Magnetostrikčný snímač podľa nároku 6 alebo 7, vyznačujúci sa tým, že referenčný ukončovač (3) je tvorený puzdrom (31), v ktorom je ukotvený koniec (12) magnetostrikčného vlnovodu (1), vedľa ktorého je v puzdre (31) osadený referenčný magnet (32).
9. 9. Magnetostrikčný snímač podľa nároku 6 alebo 7 alebo 8, vyznačujúci sa t ý m , že na výstup prevodníka (41) vyhodnocovacieho modulu (4) je pripojená korelačná jednotka (42), na ktorej výstup je pripojená jednotka (43) na vyhodnotenie času šírenia mechanických kmitov a zobrazenie aktuálneho uhla natočenia.