Бесконтактный поворотный переключатель

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматических устройствах контроля и управления тепловыми процессами. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности определения углового положения источника тепловой энергии. Постоянный магнит 4, закрепленный на роторе 3, взаимодействует с пластинами 2 термочувствительного элемента, выполненными в виде инверсионного постоянного магнита, в которых произошло изменение величины магнитного поля в результате их нагрева источником тепловой энергии, совершающим угловое перемещение. Ротор 3, имеющий три степени свободы угловых перемещений относительно статора 1, вместе с постоянным магнитом 4 повторяет это угловое перемещение, при этом под действием светового луча светодиода управляющего элемента 6, закрепленного в центре постоянного магнита, последовательно облучаются фотоэлементы фотоприемников 14, размещенные на внутренней поверхности статора 1 и соединенные с внешней измерительной электрической цепью. Наличие напряжения во внешней измерительной электрической цепи, соединенной с облучаемым фотоэлементом фотоприемника 14, получаемое в результате фотоэлектронного преобразования, сигнализирует об угловом положении источника тепловой энергии в пространстве, а его точные угловые координаты определяются по соотношению напряжений облучаемых фотоэлементов фотоприемника 14. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

COIO3 (;OBF ГСКИХ

СОЦИАЛИС1ИЧЕСКИХ

РЕС«1УЬЛИК

IcIIc Н 01 Н 37/58

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

l10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

: Е«0 :.",ga(", ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1 iт

IG» «»»

1() К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4736358/07 (22) 07.09.89 (46) 15.08,91. Бюл.№30 (72) И.И.Рисак (53) 621.318.56 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 999933335533, кл. Н 01 H 37/58, 1981.

Авторское свидетельство СССР

¹1241297,,кл. Н 01 Н 36/00, 37/58, 1984, Авторское свидетельство СССР № 1432628, кл. Н 01 Н 37/58, 36/00, 1987, (54) БЕСКОНТАКТНЫЙ ПОВОРОТНЫЙ ПЕР Е КЛ ЮЧАТЕЛ Ь (57) Изобретение относится к электротех«ике и может быть использовано s автоматических устройств контроля и управления тепловыми г роцессами. Целью изобрете ния яйляется расширение функциональных возможностей и повышение точности определения углового положения источника тепловой энергии, Постоянный магнит 4. закрепленный на роторе 3, взаимодействует с пластинами 2 термочувствительного элеме «та, выполненными в виде инверсионного постоянного магнита, в которых проИзобретение от осится к электротехнике, а именно к теплов.«м поворотным г;ереключателям, и мо,«ет быть использовано в автоматических устройствах контроля и управления тепловыми процессами.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей. а также повышение точности определения углового положения источника «епловой энергии.

„„5U ÄÄ 1670712 А1 изошло изменение величины магнитного поля в результате их нагрева источником тепловой энергии, совершающим угловое перемещение. Ротор 3, имеющий три степени свободы угловых перемещений относительно статора 1, вместе с постоянным магнитом 4 повторяет это угловое перемещение, при этом под действием светового луча светодиода управляющего элемента 6, закрепленного в центре постоянного магнита, последовательно облучаются фотоэлементы фотоприемников 14. размещенные на >«утр(i ««ей поре-, к но(т««o —,-:,тор.-, 1

Д "1НРН НЫЕ С ВЧЕШ НРИ :13««ЕР«1: C Ë Ü« .1«Э «Г К рической цепью Наличие напГ«=.х: li«.«я ва вне,lj: ей измерительн:й з.-е1."ричг .кой цепи, соединенной с облу «аемым фо . -«гем..;том фотоприемника 14, получаемое в результате фотоэлектроннп, о поеобразоьателя, сигнализирует об у. Ловом «1олож; «««и источника тепловой энергии в «1ростоанстве. а его точные координать, ooð äåë êïoя .о соотношению напрях.ен«:;й облучао«. „:: фотоэлементов фотоприемник=« 14 1 з.п.флы,3 ил

HB ф 1(. 1 пока 3.зн igi j .öij«i« ид, к. т акт j-:(«го поворотного переключа. «ls. попереч. :.«и разрез: на фиг 2 — фу««к цио „. л «;.:j электрическая схема бесконт;-«кт« )fo повор(;т ного перекл«оча1еля; на cj иi«3 темпера«урная эавиСимость . ста го-;н;й намагниченности пластин 1ер: очувствительного элемента. Из1(11овлеj«j .-. из ин1ерметаллическо«о оединен Я i м СС .

1670712

Бесконтактный поворотный переключатель состоит из с!атора 1, выполненного в виде полого шара с ребрами на.его внешней поверхности 1з радиопрозрачного и имеющего малый коэффициент 1рения материала, наг|ример фторопласта,с закрепленными на его наружной поверхности пластинами 2 термочувствительного элемента, выполненными из ферромагнитного материала, например интерметаллического соединения Тм С07, имеющего свойство менять нап ра вле. I ëå намагниченности на противоположное при изменении температуры. Внутри сТаТпра размещен ротор 3, выполненный B в Зде полого шара из диэлектрического материала, например пластмассы. на котором закреплены постоянный магнит 4 выг1олнс33нь3й в виде полого полушария, и сердечник 5 выполненный в виде полого полушария из высокоIBcToTHoro феррома нит 3о с ма3ериала, например феррига. Ро3ор 3 имеет три степени свободы угловых переме3цений относительно статора 1, В г азу, в:,н олненном в центре г3остоянного магнита 4, размещен управляющий элемен r 6, вь полненный в виде светодиода, световой луч которого имеет круглое сечение, подкл. ) .енно о к источнику тока 7.

Источник ока 7 включает. внешнюю цепь 8 в lcoao I;IcToTIIoro сигнала, соединенную с 13!Iу 3ателем 9 высокочастотного сигнала, выполненным в виде трехсекционной кату вки: дукгивности, секции которой размещены э внешней поверхности ста ора в прис г ан-тве между его ребрами, в трех взаимно»ерпендикулярных плоскостях приемник высоко.3астотного си333ала

10, выполненнь3и в виде катушки индуктивности, размещенной на сердечнике 5. соединенной с выпрямителем 11 высскочастотного сигнала, выход которого соединен со входом сгабилизагора 12 постоянного тока. Выпрямитель 11 и стабилизатор 12 размещены в роторе 3. Выход стабилизатора 12 является одновременно выходом источника тока 7, к которому подключен управля ощий элемент 6. Постоянный магнит 4 и приемник 10 высокочастотно о сигнала закрыты оболочкой 13, выполненной из радиопрозрач ного и имеющего малыи коэффициент трения материала, например фторопласта, Ротор 3 сбалансирован относительно его центра, В пазах, выполненных с равномерным смещением на всей внутренней поверхности статора, установлены фотоприемники 14, выполненные в виде круглых полупроводниковых фотоэлементов, соединенных с. внешней измерительной электрической

55 цепью 15, при этом диаметр полупроводникового фотоэлемента фотоприемника 14 выбран меньшим диаметра светового луча светодиода управляющего элемента 6, а полупроводниковые фотоэлементы фотоприемников 14 размещены в пазах статора на расстоянии между центрами двух смежных полупроводниковых фотоэлементов фотоприемников 14, не превышающих диаметр светового луча светодиода управляющего элемента 6. Кроме того сферические координаты каждого фотоприемника 14 относительно центра переключателя заданы их размещением на внутренней поверхности статора.

Бесконтактный поворотный переключатель работает следующим образом.

В исходном положении, когда температура равна Тк — температуре компенсации магнитных моментов подрешеток ферромагнитного материала пластин 2, величина их остаточной намагниченности равна нулю. Магнитные силы взаимодействия между постоянным магнитом 4, закрепленным на роторе 3, и пластинами 2 термочувствительного элемента. Ротор 3 с закрепленным на нем постоянным магнитом 4 и расположенным в пазу постоянного магнита управляющим элементом 6 находится в произвольном положении, Светодиод управляющего элемента 6 не излучает световую энергию, так как источник тока 7, к которому он подключен, находится в выключенном состоянии, При этом полупроводниковые фотоэлементы фотоприемников 14 не облучаются световым лучом светодиода управляющего элемента 6, вследствие чего ео внешней измерительной электрической цепи 15, подключенной к вь3ходам полупроводниковых фо оэлементов фотоприемников 14, напря:кение отсутствует, что сигнализирует об о гсутствии информации об угловом положении источника тепловой энергии в пространстве относительно переключателя.

Из исходного в рабочее положение бесконтактный поворотный переключатель переводится путем нагрева пластин 2 термочувствительногаэлемента от источника тепловой энергии и подключением внешней цепи 8 высокочастотного сигнала к источнику высокочастотного сигнала, находящемуся за пределами бесконтактного поворотного переключателя, в следующем порядке, При нагреве бесконтактного поворотного г ереключателя источником тепловой энергии(источник тепловой энергии должен находиться от переключателя на расстоянии, значительно превосходящем его диаметр) пластины 2 термочувствительного

1670712 элемента, расположенные на половине бесконтактного поворотного переключателя, обращенной к источнику тепловой энергии, нагреваются его тепловыми лучами. при этом зона нагрева пластин 2 составляет полушарие. При нагреве пластин 2 до температуры Т2 величина их остаточной намагниченности увеличивается до гр (фиг.3). В результате этого на статоре 1 из пластин 2 образуется ферромагнитный участок, равный зоне нагрева и имеющий направление намагниченности, совпадающее с направлением поля постоянного магнита 4. Ротор

3 в результате магнитного силового взаимодействия постоянного магнита 4 с пластинами 2, в которых произошло увеличение остаточной намагниченности, совершает угловое перемещение до совмещения постоянного магнита 4 с этим ферромагнитным участком, при этом светодиод управляющего элемента 6 оказывается напротив полупроводникового фотоэлемента фотоприемника 14. расположенного в центре зоны нагрева пластин 2 термочувствительного элемента, Одновременно включается источник тока 7, работа которого происходит следующим образом.

Внешняя цепь 8 высокочастотного сигнала подключается к источнику высокочастотного сигнала, например генератору высокочастотного сигнала, находящемуся за пределами бесконтактного поворотного переключателя. Высокочастотный сигнал через внешнюю цепь 8 высокочастотного сигнала поступает на излучатель 9 высокочастотного сигнала, выполненный в виде трексекцион ной катушки индуктивности, секции которой размещены на внешней поверхности статора в пространстве между его ребрами в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменная магнитная составляющая этого поля пересекает витки катушки индуктивности приемника 10 и в ней наводится ЭДС. Увеличение индуктивности катушки приемника 10 происходит за счет сердечника 5, выполненного из высокочастотного ферромагнитного материала феррита. В катушке индуктивности приемника 10 ЭДС будет наводиться при любом угловом положении ротора.3 относительно статора 1, так как переменное магнитное поле возбуждено в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Высокочастотная ЭДС, наводимая в катушке приемника 10, преобразуется выпрямителем 11 в постоянное напряжение, которым запитэн через стабилизатор тока

12 светодиод управляющего элемента 6.

Стабилизация тока, питающего светодиод управляющего элемента 6, позволяет стаби5

55 лизировать интенсивность светового луча светодиода, что повышает точность работы бесконтактного переключателя.

Таким образом включен источник тока

7, и подключенный к нему светодиод управляющего элемента 6 излучает световую энергию, Фотоэлемент фотоприемника 14, оказавшийся напротив светодиода управляющего элемента 6 и облучаемый его световым лучом, преобразует световую энергию в электрическую, в результате чего во внешней измерительной электрической цепи 15, соединенной с этим фотоэлементом, появляется напряжение, величина которого зависит от облучаемой площади фотоэлемента.

Наличие напряжение во внешней измерительной электрической цепи, подключенной к облучаемому фотоэлементу фотоприемника 14, сигнализирует об угловом положении в пространстве источника тепловой энергии относительно бесконтактного поворотного переключателя в сферических координатах, так как источник тепловой энергии находится на продолжении радиус-вектора, на котором расположен облучаемый фотоэлемент фотоприемника 14. а его полярные углы заданы размещением фотоэлементов фотоприемников 14 на внутренней поверхности статора 1.

В случае одновременного облучения световым лучом управляющего элемента 6 нескольких фотоэлементов фотоприемников 14 (до 4-х), во внешней измерительной электрической цепи 15, подключенной к этим фотоэлементам, появляется напряжение, величина которого зависит от облучаемой площади этих фотоэлементов. При этом точные угловые координаты источника тепловой энергии в и ространстве, относительно бесконтактного поворотного переключателя, определяются по соотношению напряжений облучаемых фотоэлементов фотоприемников 14. За эталонное принято напряжение, вырабатываемое одним фотоэлементом, вся площадь которого облучается лучом светодиода. Суммарное напряжение, вырабатываемое несколькими одновременно облучаемым фотоэлементами, равно эталонному, что достигается выбранным соотношением диаметров луча светодиода и фотоэлементов, а также выбранным размещением смежных фотоэлементов.

При угловом перемещении источника тепловой энергии в пространстве относительно бесконтактного поворотного преключателя, происходящего в произвольной плоскости, в зону нагрева попэдают пласти1670712

55 ны 2, находившиеся в тени, которые нагреваясь до температуры Тр увеличивают свою . остаточную намагниченность до величины

la. 0äH0BðåìåHHî на противоположом конце зоны нагрева другие пластины 2 выходят из зоны нагрева и охлаждаясь, уменьшают величину остаточной намагниченности до нуля. B результате этого происходит угловое перемещение ферромагнитного участка, образованного пластинами 2, на угол перемещения зоны нагрева. При этом происходит нарушение баланса магнитных сил, и ротор 3, имеющий три степени свободы угловых перемещений, совершает угловое перемещение до момента совмещения постоянного магнита 4 с этим ферромагнитным участком, При угловом перемещении источника тепловой энергии относительно бесконтактного поворотного переключателя, ротор 3 вместе с постоянным магнитом 4 и управляющим элементом 6, также отслеживает это угловое перемещение, последовательно облучая фотоэлементы фотоприемников 14, оказавшихся в центре зоны облучения, при этом во внешней измерительной электрической цепи, подключенной к этим фотоэлементам, появляется напряжение, величина которого зависит от.площади фотоэлементов, облучаемых световым лучом управляющего элемента 6, тем самым непрерывно сигнализируя об угловом положении источника тепловой энергии в пространстве относительно бесконтактного поворотного переключателя.

В случае понижения температуры бесконтактного поворотного переключателя (зона охлаждения равна полушарию) до температуры Т и происходит увеличение остаточной намагниченности пластин 2 термочувствител ьного элемента, находящихся в цепи (зоне) охлаждения в противоположном направлении до величины 1<1 (фиг.3). при этом магнитное поле ферромагнитного участка, образованного охлажденными пластинами 2 термочувствительного элемента и равного зоне охлаждения, направлено встречно магнитному полю постоянного магнита 4, и взаимодействие между ними носит о1талкивающий характер, В остальном работа бесконтактного поворотного переключателя аналогична описанной для случая его нагрева до температуры. Т2.

Бесконтактный поворотный переключатель работоспособен при наличии градиента температур его зон нагрева и охлаждения в любой части характеристики температурной зависимости остаточной намагниченности пластин 2 термочувствительного элемента, достаточного для создания дисбаланса магнитных сил, осуществляющих угловое перемещение ротора 3 относительно статора 1 в произвольных плоскостях, так как угловые размеры зон нагрева, охлаждения и постоянного магнита 4 равны полушарию. При этом, повышение точности определения углового положения источника тепловой энергии в йространстве при его угловом перемещении относительно бесконтактного поворотного переключателя в произвольных плоскостях происходит за счет непрерывного определения его угловых координат, Ротор 3 сбалансирован относительно его центра, что защищает от внешних возмущающих моментов.

Выполнение статора 1 и оболочки 13 из материала, обладающего малым коэффициентом трения, уменьшает трение между статором 1 и оболочкой 13, совершающей вместе с ротором 3, постоянным магнитом

4, сердечником 5 и приемником 10 угловое перемещение относительно статора 1, Все это повышает точность определения углового положения источника тепловой энергии в пространстве при его угловом перемещении относительно бесконтактного поворотного переключателя в произвольных плоскостях и расширяет эксплуатационные возможности поворотного переключателя, Преимуществами предлагаемого устройства являются его широкие эксплуатационные возможности и повышенная точность работы, так как оно позволяет непрерывно, с большей точностью определять угловое положение источника тепловой энергии в пространстве при его угловом перемещении относительно бесконтактного поворотного переключателя, происходящего в произвольных плоскостях. Кроме того, оно имеет высокую надежность.

Формула изобретения

1. Бесконтактный поворотный переключатель, содержащий статор, термочувствительный элемент, выполненный из термомагнитного материала и закрепленный на наружной поверхности статора, постоянный магнит ротора с пазом на внешней поверхнести, закрепленный íà роторе, управляющий элемент, установленный в пазу постоянного магнита ротора и внешнюю измерительную электрическую цепь, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей, он снабжен источником тока и фотоприемниками, управляющий элемент выполнен в виде светодиода, подключенно10

1670712 ф Я 1

13

Фиг. 2 го к источнику тока, статор выполнен в виде полого шара из радиопрозрачного материала с пазами, выполненными с равномерным смещением на его внутренней поверхности, в указанных пазах установлены фотоприемники, выполненные в виде полупроводниковых фотоэлементов, соединенных с внешней измерительной электрической цепью, при этом термочувствительный элемент и ротор выполнены в виде полых шаров, а постоянный магнит ротора выполнен в виде полого полушария.

2. Переключатель по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности определения углового положения источника тепловой энергии, светодиод вы5 полнен с лучом круглого сечения, каждый полупроводниковый фотоэлемент выполнен в виде цилиндра. диаметр которого меньше диаметра луча светодиода, а пазы на внутренней поверхности статора выполнены

10 так, что расстояния между центрами двух смежных пазов равны или меньше диаметра луча светодиода.

1670712

Составитель В.Коносов

Редактор Н,Каменская Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M Кучерявая

Заказ 2753 Тираж 337 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101