Датчик перемещений (варианты)

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения перемещений произвольной формы, в том числе прямолинейных, криволинейных, а также перемещений изменяющейся формы. Техническая сущность изобретения заключается в создании двух вариантов датчиков перемещений, позволяющих производить измерения при различных траекториях перемещения и различных условиях. Датчик перемещений содержит полую волноводную трубку из немагнитного материала, акустический локатор, установленный на одном из концов волноводной трубки, магнит, расположенный снаружи волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и связанный с перемещаемым объектом, ферромагнитный дефлектор, расположенный внутри волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и имеющий магнитную связь с расположенным снаружи трубки магнитом. Новым является заполнение волноводной трубки газовой средой, выполнение рефлектора в виде капли ферромагнитной жидкости, удерживаемого магнитными силами, заполнение волноводной трубки ферромагнитной жидкостью или пастой, а также выполнение волноводной трубки по траектории перемещения, например, в виде спирали или кольца или из материала, изменяющего форму, например резины. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к акустическим датчикам перемещений и может использоваться для измерения прямолинейных перемещений (в том числе в качестве уровнемера), любых криволинейных перемещений, например угла поворота, а также перемещений изменяемой формы.

Наиболее близким к изобретению является датчик, содержащий полую волноводную трубку из немагнитного материала, акустический локатор, установленный на одном из концов волноводной трубки, магнит, расположенный снаружи волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и предназначенный для связи с перемещаемым объектом, ферромагнитный рефлектор, расположенный внутри волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и взаимодействующий с магнитом. Устройство имеет также перфорированную трубку из немагнитного материала, служащую направляющей для рефлектора. Рефлектор находится в жидкости во взвешенном состоянии.

Известный датчик имеет следующие недостатки: сложную конструкцию; значительное гидродинамическое трение ферромагнитного рефлектора о жидкость, что при быстрых движениях перемещаемого объекта может вызвать отставание рефлектора от магнита и срыв магнитной связи, т. е. нарушение работоспособности прибора; при работе в условиях высоких температур жидкость, заполняющая трубку, может выкипать или испаряться, что ограничивает возможности применения прибора; отверстия, выполненные в перфорированной трубке, могут создавать ложный отраженный сигнал, что предъявляет повышенные требования к качеству изготовления отверстий, а также к электронной измерительной схеме прибора; принципиальная невозможность измерения криволинейных перемещений, а также перемещений изменяемой формы.

Суть изобретения заключается в создании двух вариантов датчиков перемещения, позволяющей проводить измерения при различных траекториях перемещения и различных условиях.

Поставленная задача достигается тем, что в датчике перемещений (по первому варианту), содержащем полую волноводную трубку из немагнитного материала, акустический локатор, установленный на одном из концов волноводной трубки, магнит, расположенный снаружи волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и предназначенный для связи с перемещаемым объектом, ферромагнитный рефлектор, расположенный внутри волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и взаимодействующий с магнитом, волноводная трубка заполнена газовой средой.

Рефлектор датчика перемещений выполнен в виде капли ферромагнитной жидкости.

В датчике перемещений (по второму варианту), содержащем полую волноводную трубку из немагнитного материала, акустический локатор, установленный на одном из концов волноводной трубки, магнит, расположенный снаружи волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и предназначенный для связи с перемещаемым объектом, волноводная трубка заполнена ферромагнитной жидкостью или ферромагнитной пастой.

Кроме того, в обоих вариантах волноводная трубка выполнена соответственно с траекторией перемещения, например, в виде спирали или кольца, а также она может быть выполнена из материала, допускающего изменение формы, например из резины.

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик, первый вариант; на фиг. 2 - то же, второй вариант; на фиг. 3 - рефлектор, представляющий собой каплю ферромагнитной жидкости; на фиг. 4 - датчик перемещений спиралевидной формы; на фиг. 5 - датчик перемещений, имеющий признаки второго варианта, предназначенный для измерения угла поворота; на фиг. 6 - датчик перемещений с резиновой волноводной трубкой, аналогичный по функциям обычной измерительной рулетке; на фиг. 7 - вариант датчика с резиновой волноводной трубкой, используемый для измерения величины опускания крюка подъемного устройства.

Датчик перемещений имеет два основных варианта исполнения. Датчик по первому варианту содержит волноводную трубку 1 из немагнитного материала, акустический локатор 2, установленный на одном из концов волноводной трубки, магнит 3, расположенный снаружи волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и связанный с перемещаемым объектом 4, ферромагнитный рефлектор 5, расположенный внутри волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и имеющий магнитную связь с магнитом 3. Волноводная трубка заполнена газовой средой 6.

Датчик перемещений по второму варианту содержит волноводную трубку 1 из немагнитного материала, акустический локатор 2, установленный на одном из концов волноводной трубки, магнит 3, расположенный снаружи волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и связанный с перемещаемым объектом 4. Волноводная трубка заполнена ферромагнитной жидкостью или пастой 7, область 8 которой расположена вблизи магнита 3 и выполняет роль рефлектора.

Ферромагнитный рефлектор 5 для первого варианта датчика перемещений, кроме исполнения в виде твердого ферромагнитного тела, может представлять собой сгусток ферромагнитной жидкости 9, удерживаемый магнитными силами (в случае, когда магнит 3 имеет форму кольца и намагничен вдоль волноводной трубки, этот сгусток имеет форму своеобразного усеченного кольца или тора - см. фиг. 3).

Для обеспечения возможности измерения перемещений криволинейной формы волноводная трубка 1 выполняется криволинейной, при этом ее форма соответствует траектории 10 перемещаемого объекта 4 (см. фиг. 4 и 5).

Для обеспечения возможности измерения перемещений произвольной, в том числе изменяющейся формы, волноводная трубка 1 выполнена из материала, допускающего изменение формы, например, резины (см. фиг. 6 и 7).

Датчик перемещений работает следующим образом.

Первый вариант (волноводная трубка заполнена газовой средой).

При перемещении объекта 4 вместе с жестко связанным с ней магнитом 3 вдоль волноводной трубки 1 внутри нее перемещается ферромагнитный рефлектор 5, имеющий магнитную связь с магнитом 3. Рефлектор может быть твердым ферромагнитным телом либо представляет собой сгусток ферромагнитной жидкости, удерживаемый магнитными силами. Акустический локатор 2 испускает акустические колебания, распространяющиеся по газовой среде 6 внутри волноводной трубки 1 вдоль нее. Акустическая волна доходит до рефлектора 5 и частично отражается в обратном направлении. По времени приема отраженного сигнала локатором 2 судят о расстоянии до рефлектора 5 и соответственно о положении объекта 4.

Второй вариант (волноводная трубка заполнена ферромагнитной жидкостью или ферромагнитной пастой).

При перемещении объекта 4 вместе с жестко связанным с ним магнитом 3 вдоль волноводной трубки 1 внутри нее перемещается намагниченная область ферромагнитной жидкости или пасты 8, выполняющая роль рефлектора (эти перемещения связаны с локальной перегруппировкой ферромагнитных частиц, но не с движением жидкости 7 как таковой). Акустический локатор 2 испускает акустические колебания, распространяющиеся по ферромагнитной жидкости или пасте 7 внутри волноводной трубки 1 вдоль нее. Ферромагнитная жидкость в области 8, находящейся в зоне действия магнита 3, имеет свойства, резко отличающие ее от ферромагнитной жидкости в остальной части трубки, в частности: более высокая плотность, вязкость, нарушение анизотропных свойств, вызванные перестройкой ферромагнитных частиц в магнитном поле, изменение скорости прохождения акустических колебаний, а в случае ферромагнитной пасты - приобретение свойств твердого тела. Такая компактная область с резко отличающимися свойствами вызывает частичное отражение акустической волны и может выполнять роль рефлектора, характеризующего положение перемещаемого объекта 4. О расстоянии до объекта 4 судят по времени приема отраженного сигнала локатором 2.

В случае выполнения трубки 1 криволинейной или из материала, допускающего изменение формы, например резины, акустические колебания распространяются в ней без отражения (при условии, что трубка не имеет изломов). В этом случае расстояние до рефлектора или до заменяющей его намагниченной области ферромагнитной жидкости или пасты, характеризуемое временем приема локатором 2 отраженного сигнала, однозначно определяет положение перемещаемого объекта 4.

Предлагаемый датчик имеет большие функциональные возможности, поэтому в зависимости от конкретных условий применения, оптимальные варианты его выполнения различны. Например, если требуется измерять уровень жидкой среды в аппарате, периодически подвергающемся воздействию высокой температуры (примером может служить биохимический реактор - ферментер), оптимальным будет использование в качестве волновода герметичной нержавеющей трубки, заполненной газовой средой, а в качестве рефлектора - постоянного магнита цилиндрической формы. Перемещаемым объектом является поплавок с вмонтированным магнитом, расположенный концентрично волноводной трубке. Применение ферромагнитной жидкости в этом случае нецелесообразно, так как при воздействии высокой температуры она может выкипать или испаряться.

Если нет жестких требований по температуре, то может быть использован рефлектор из ферромагнитной жидкости или второй вариант выполнения датчика.

Датчик с криволинейной волноводной трубкой используется для измерения перемещений соответствующей формы (см. фиг. 4 и 5).

Датчик перемещений с эластичной волноводной трубкой может использоваться в следующих случаях: например, когда надо измерить длину сложного криволинейного пути (см. фиг. 6; в данном примере при измерениях остаток волновода наматывается на барабан 11); когда в процессе работы должна меняться длина или форма волновода, например при измерении величины опускания крюка подъемного устройства (см. фиг. 7); для измерения перемещений фиксированной, но заранее (при изготовлении устройства) неизвестной формы. В этом случае эластичный волновод укрепляется по месту вдоль немагнитной направляющей, соответствующей по форме траектории перемещаемого тела (в том числе может быть проложен внутри немагнитной направляющей трубки). (56) Авторское свидетельство СССР N 620828, кл. G 01 F 23/28, 1977.

Формула изобретения

1. Датчик перемещений, содержащий полую волноводную трубку из немагнитного материала, акустический локатор, установленный на одном из концов волноводной трубки, магнит, расположенный снаружи волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и предназначенный для связи с перемещаемым объектом, ферромагнитный рефлектор, расположенный внутри волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и взаимодействующий с магнитом, отличающийся тем, что волноводная трубка заполнена газовой средой.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что рефлектор выполнен в виде капли ферромагнитной жидкости.

3. Датчик перемещений, содержащий полую волноводную трубку из немагнитного материала, акустический локатор, установленный на одном из концов волноводной трубки, магнит, расположенный снаружи волноводной трубки с возможностью перемещения вдоль нее и предназначенный для связи с перемещаемым объектом, отличающийся тем, что волноводная трубка заполнена ферромагнитной жидкостью или ферромагнитной пастой.

4. Датчик по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что волноводная трубка выполнена соответственно траектории перемещения, например, в виде спирали или кольца.

5. Датчик по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что волноводная трубка выполнена из материала, допускающего изменение формы, например из резины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7