Датчик перемещений с высокочастотным выходом
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, для контроля динамики срабатывания мембран предохранительных клапанов трубопроводной арматуры в режиме реального времени. Датчик содержит корпус, шток, возвратную пружину и высокочастотный автогенератор с частотозадающей цепью. Особенностью датчика является то, что в нем возвратная пружина и корпус выполнены конусообразными. Возвратная пружина выполнена из материала с высокопроводящим поверхностным слоем и соединена вершиной со штоком, а основанием - с высокочастотным автогенератором, размещенным на диэлектрической плате под крышкой датчика. Корпус имеет цилиндрическую часть с отверстием, имеющим твердое диэлектрическое покрытие поверхности, по которой скользит шток. Корпус совместно со штоком и возвратной пружиной образует включенный в частотозадающую цепь высокочастотный LC-контур в составе собственной емкости, емкости между штоком и корпусом и индуктивности возвратной пружины. Благодаря этому обеспечивается быстродействие и конструктивная простота датчика. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для оперативного контроля величины и скорости быстротечных перемещений в диапазоне от 0,1 мм до 100 мм, в частности, необходимого для контроля динамики срабатывания мембран предохранительных клапанов трубопроводной арматуры.
Известен датчик перемещений с частотным выходом по авт. свид. СССР №954818, выполненный на LC-контуре с сосредоточенной информативной емкостью, выполненном в виде коаксиального ВЧ-резонатора. Аналог содержит корпус в виде высокочастотного LC-резонатора и высокочастотный автогенератор, частота автоколебаний которого задается резонансной частотой LC-резонатора. Центральная часть LC-резонатора выполнена в виде неподвижного и подвижного конусрообразных электродов, подвижный электрод снабжен штоком с размещенной на нем вне корпуса возвратной пружиной. Измеряемое перемещение воздействует на шток, происходит изменение зазора и емкости между этими электродами аналога, как следствие, значение резонансной частоты LC-резонатора зависит от значения измеряемого перемещения. Индуктивность LC-резонатора является неинформативным параметром, что снижает коэффициент преобразования перемещения в частоту. Верхний предел измеряемых перемещений в аналоге может достигать (25...30) мм. Увеличение верхнего предела измеряемых перемещений выше 30 мм затруднено в связи с неприемлемым ростом массы и габаритов корпуса датчика, что существенно ограничивает возможности применения аналога.
Техническим результатом изобретения является обеспечение контроля быстротечных перемещений до 100 мм и скорости их изменения до 50 м/сек при контроле динамики срабатывания рабочих органов /мембран/ предохранительных клапанов трубопроводной арматуры в масштабе реального времени через каждые (10...20) мсек.
Для достижения технического результата корпус датчика и возвратная пружина выполнены конусообразными, подвижные части датчика максимально облегчены, для этого возвратная пружина введена внутрь корпуса, выполнена из материала с высокопроводящим поверхностным слоем и соединена вершиной со штоком, а основанием - с высокочастотным автогенератором, размещенным на диэлектрической плате под крышкой датчика, корпус имеет цилиндрическую часть с отверстием, имеющим твердое диэлектрическое покрытие, по которому скользит шток, при этом корпус имеет высокую проводимость стенок и совместно со штоком и возвратной пружиной образует включенный в частотозадающую цепь автогенератора LC-контур в составе собственной емкости, емкости между штоком и корпусом и индуктивности возвратной проужины. Кроме того, шток в наружной части снабжен диэлектрическим наконечником с утолщением для ограничения сжатия возвратной пружины, шток снабжен ограничительной шайбой, а основание возвратной пружины закреплено на введенной в датчик диэлектрической стойке.
Структура предлагаемого датчика приведена на Фиг.1, его эквивалентная схема изображена на Фиг.2.
Датчик содержит корпус 1 с покрытым диэлектрическим слоем калиброванным отверстием в цилиндрической части /шейке/ 2 корпуса. Шток 3 скользит внутри отверстия шейки 2 и соединен с вершиной возвратной конической пружины 4. Основание пружины 4 закреплено на диэлектрической стойке 5 на уровне верхней поверхности диэлектрической платы 6, на которой размещен автогенератор 7. К основанию корпуса 1 присоединена крышка 8 с помощью винтов 9, снабженная электрическим разъемом 10. Внутренний торец штока 3 снабжен ограничительной шайбой 11. Основание пружины 4 электрически соединено с автогенератором 7 перемычкой 12. Верхний /наружный/ торец штока 3 снабжен диэлектрическим наконечником 13 с утолщением 14. Между штоком 3 и шейкой 2 имеет место не зависящая от измеряемого перемещения Х емкость Сн, которая включена последовательно с параллельным высокочастотным LC-резонатором, состоящим из индуктивности Lk и межвитковой емкости Ck пружины 4 (см. Фиг.2). При обеспечении соотношения Сн>10 Ck резонансную частоту f высокочастотного LC-контура определяют по известной формуле:
. Величины Ск и Lk являются однозначными функциями положения штока 3, в свою очередь, определяемого измеряемым перемещением X. В исходном состоянии /при измеряемом перемещении Х=0/ шаг витков пружины 4 максимален, величины Ск и Lk минимальны, а при полностью введеном до упора 14 штоке 3 /при измеряемом перемещении Х max / пружина 4 сжата, величины Ск и Lk максимальны. Поскольку LC-резонатор через перемычку 12 подключен к высокочастотному автогенератору 7, то выходная частота последнего является однозначной функцией величин Ск и Lk, а значит, положения штока 3 и контролируемого перемещения X. Например, при числе витков пружины 4 n=7, d=10 мм, D=50 мм, Н=65 мм, dпр=1,2 мм величины Ck min=16 пФ, Ck max=59 пФ, Lk min=0,457 мкГн, Lk max=0,942 мкГн, f min=19,7 МГц, f max=46,2 Мгц. Здесь D, d, H - соответственно диаметры основания, вершины и высота конусообразной пружины 4 в исходном состоянии /при Х=0/, a dпр -диаметр провода, из которого выполнена пружина 4. При измеряемом перемещениии Xmax=60 мм обеспечен усредненный коэффициент преобразования перемещения в частоту К=442 Гц/мкм. За счет изменения от измеряемого перемещения величин Ск и Lk одновременно обеспечен высокий коэффициент преобразования перемещения Х в резонансную частоту f. В случае отсчета частоты датчика путем усреднения 100 периодов частоты время однократного измерения составит 5,07 мк сек. Очевидно, что при этом возможней контроль практически любых возможных скоростей изменения положения штока 3 в масштабе реального времени.
Для повышения добротности LC-контура на поверхность пружины 4 может быть нанесен слой металла высокой проводимости /серебра или меди/, а корпус 1, выполняющий функции электромагнитного экрана и электрической перемычки, выполнен конусообразным. Калиброванное отверстие в шейке 2 корпуса покрыто твердым диэлектрическим слоем, например, путем анодного оксидирования, что обеспечивает хорошее скольжение штока 3 при любой возможной скорости изменения положения штока.
По сравнению с прототипом в предложенном техническом решении обеспечено:
- увеличение верхнего предела измеряемых перемещений за счет выполнения возвратной пружины конической формы и включения ее в качестве индуктивности ВЧ-резонатора при минимальной массе подвижных частей датчика - конической пружины 4 и штока 3;
- повышение коэффициента преобразования измеряемого перемещения Х в частоту за счет использования индуктивности Lk и емкости Ck возвратной пружины в качестве информативных параметров, что позволяет повысить быстродействие датчика;
- равномерное усилие сжатия конической возвратной пружины во всем диапазоне измеряемых перемещений.
Все эти факторы обуславливают высокое быстродействие датчика, необходимое для контроля быстротечных перемещений и скорости их изменения в масштабе реального времени.
1. Датчик перемещений с высокочастотным выходом, содержащий корпус, шток, возвратную пружину, высокочастотный автогенератор с частотозадающей цепью, отличающийся тем, что возвратная пружина и корпус датчика выполнены конусообразными, причем возвратная пружина выполнена из материала с высокопроводящим поверхностным слоем и соединена вершиной со штоком, а основанием - с высокочастотным автогенератором, размещенным на диэлектрической плате под крышкой датчика, корпус имеет цилиндрическую часть с отверстием, имеющим твердое диэлектрическое покрытие поверхности, по которой скользит шток, при этом корпус имеет высокую проводимость внутренних стенок и совместно со штоком и возвратной пружиной образует включенный в частотозадающую цепь высокочастотный LC контур в составе собственной емкости, емкости между штоком и корпусом и индуктивности возвратной пружины.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что шток в верхней части снабжен диэлектрическим наконечником с утолщением для ограничения сжатия возвратной пружины.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что шток снабжен ограничительной шайбой.
4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что основание возвратной пружины закреплено на введенной в датчик диэлектрической стойке.
