Датчик перемещения для гидравлических систем

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Датчик перемещения для гидравлических систем, содержащий первый цилиндрический постоянный магнит, соединенный с золотником гидроцилиндра посредством немагнитного штока, находящегося в гидрожидкости под давлением, и отделенный от окружающей среды с помощью немагнитной крышки, с внешней стороны которой неподвижно установлен гальваномагнитный элемент, например, Холла, установленный вдоль линии,параллельной оси цилиндрического постоянного магнита, и схему обработки сигнала, отличающийся тем, что он содержит второй цилиндрический постоянный магнит со средствами жесткого крепления к первому, расположенный соосно первому, намагниченный противоположно первому, а гальваномагнитный элемент расположен в плоскости, перпендикулярной осям указанных магнитов, проходящей через центр зазора, таким образом,что нормальная к пластине Холла составляющая индукции магнитного поля близка к нулю, причем указанный гальваномагнитный элемент находится в узком зазоре двух трубчатых магнитомягких концентраторов магнитного потока, охватывающих указанную немагнитную крышку, а упомянутые концентраторы магнитного потока расположены 100672014.04.30 внутри многослойного ферромагнитного экрана, выполненного в виде трубы, содержащего диамагнитную прослойку и ферромагнитный каркас с высокой магнитной проницаемостью, например, из пермаллоя и многослойных чередующихся тонкопленочных слоев, в том числе нанослоев, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. 2. Датчик перемещения для гидравлических систем по п. 1, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены из материалов с большой удельной магнитной энергией,например изили 5.(56) 1.. Каталог фирмы(Англия). 2.6504 , МПК 15 9/00,01 7/00, 2010. 3. Электронный ресурс сайт в интернете //.-,программа, версия 4.2. 4. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1988. - С. 196, 200. Заявляемая полезная модель относится к устройствам, позволяющим контролировать перемещение рабочих органов гидросистем золотников гидроцилиндров, в частности к датчику перемещения для гидравлических систем, и может найти применение в пропорциональных системах с обратной связью по положению золотника гидрораспределителя. Известен датчик перемещения 1, содержащий цилиндрический постоянный магнит,соединенный с золотником гидрораспределителя посредством немагнитного штока, находящегося в гидрожидкости под давлением и отделенного от окружающей среды с помощью немагнитной крышки, с внешней стороны которой установлены гальваномагнитный элемент и схема обработки. Указанный датчик функционирует на постоянном токе. Недостатками этого датчика являются низкая чувствительность и малый диапазон рабочего перемещения, при заданных габаритах магнита его полезное перемещение не может быть больше его осевой длины. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик перемещения для гидравлических систем 2, содержащий цилиндрический постоянный магнит, соединенный с золотником гидроцилиндра посредством немагнитного штока,находящегося в гидрожидкости под давлением, и отделенный от окружающей среды с помощью немагнитной крышки, с внешней стороны которой установлены два гальваномагнитных элемента Холла, установленные вдоль линии, параллельной оси цилиндрического постоянного магнита, эквидистантно относительно его поперечной оси симметрии,и схему обработки сигнала, причем упомянутая схема обработки содержит сумматор, входы которого связаны с выходами указанных гальваномагнитных элементов (прототип). Прототип работает следующим образом. При расположении гальваномагнитных элементов симметрично относительно поперечной оси симметрии цилиндрического постоянного магнита (длиной 15 мм) радиальные составляющие индукции магнитного поля в местах установки гальваномагнитных элементов равны и противоположны по направлению. Суммарный сигнал с этих элементов на выходе сумматора равен нулю. При перемещении магнита, например, в одном направлении радиальная составляющая на одном из гальваномагнитных элементов уменьшается, а на другом гальваномагнитном элементе увеличивается, в результате выходное напряжение на выходе сумматора повышается. Соответственно, при перемещении цилиндрического постоянного магнита в противоположном направлении общее выходное напряжение сумматора уменьшается. Недостатками этого устройства являются низкая чувствительность вследствие небольшой величины выходного сигнала с гальваномагнитных элементов, требующих их усиления схемой обработки сигнала, сложность идентичного подбора гальваномагнитных 2 100672014.04.30 элементов и их симметричной установки, ярко выраженная нелинейность выходной характеристики датчика и связанная с этим необходимость использования удлиненного цилиндрического магнита (длина 15 мм), высокий уровень наводимых магнитных помех,обусловленных магнитными полями рассеяния, вызванных незамкнутостью силовых линий магнитного поля цилиндрического магнита, и по той же причине низкая помехоустойчивость к внешним электромагнитным полям. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение чувствительности к перемещению и повышение помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям. Датчик перемещения для гидравлических систем содержит первый цилиндрический постоянный магнит, соединенный с золотником гидроцилиндра посредством немагнитного штока, находящегося в гидрожидкости под давлением, и отделенный от окружающей среды с помощью немагнитной крышки, с внешней стороны которой неподвижно установлен гальваномагнитный элемент, например, Холла, установленный вдоль линии, параллельной оси цилиндрического постоянного магнита, и схему обработки сигнала. Он отличается тем, что датчик содержит второй цилиндрический постоянный магнит со средствами жесткого крепления к первому, расположенный соосно первому, намагниченный противоположно первому, а гальваномагнитный элемент расположен в плоскости,перпендикулярной осям указанных магнитов, проходящей через центр зазора, таким образом,что нормальная к пластине Холла составляющая индукции магнитного поля близка к нулю, причем указанный гальваномагнитный элемент находится в узком зазоре двух трубчатых магнитомягких концентраторов магнитного потока, охватывающих указанную немагнитную крышку, а упомянутые концентраторы магнитного потока расположены внутри многослойного ферромагнитного экрана, выполненного в виде трубы, содержащего диамагнитную прослойку и ферромагнитный каркас с высокой магнитной проницаемостью, например, из пермаллоя и многослойных чередующихся тонкопленочных слоев, в том числе нанослоев, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. Датчик перемещения для гидравлических систем отличается тем, что постоянные магниты выполнены из материалов с большой удельной магнитной энергией, например изили 5. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, датчик перемещения для гидравлических систем содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной комплексной задачи по сравнению с прототипом и выявленными аналогами. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фигурой. На фигуре изображена функциональная схема заявляемого датчика перемещения для гидравлических систем. Датчик перемещения для гидравлических систем содержит первый цилиндрический постоянный магнит 1, соединенный с золотником гидрораспределителя (на фигуре не изоб 3 100672014.04.30 ражен) посредством немагнитного штока 2, например, с помощью резьбового соединения золотник, немагнитный шток 2 и цилиндрический постоянный магнит 1 находятся в полости 3 гидрожидкости под давлением и отделены от окружающей среды с помощью немагнитной крышки 4, с внешней стороны которой неподвижно установлен гальваномагнитный элемент 5, например, Холла, установленный вдоль линии, параллельной оси цилиндрического постоянного магнита 1. В датчике установлен второй цилиндрический постоянный магнит 6 со средствами жесткого крепления к первому магниту 1, расположенный соосно первому, намагниченный противоположно первому. Гальваномагнитный элемент 5 установлен неподвижно в плоскости, перпендикулярной продольным осям указанных магнитов 1 и 6, проходящей через центр зазора, таким образом, что нормальная к пластине Холла составляющая индукции магнитного поля близка к нулю, причем указанный гальваномагнитный элемент 5 находится в узком зазоре двух трубчатых магнитомягких концентраторов магнитного потока 7, охватывающих немагнитную крышку 4. Концентраторы магнитного потока 7 расположены внутри многослойного экрана 8, выполненного в виде трубы (закрыта с одной слоны экраном 8), содержащего диамагнитную прослойку 9,и ферромагнитный каркас с высокой магнитной проницаемостью, например, из пермаллоя и многослойные чередующиеся тонкопленочные слои, в том числе нанослои, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. Сплошными стрелками на фигуре обозначены возможные направления перемещения системы цилиндрических постоянных магнитов 1, 6 вдоль их продольной оси(радиальная ось обозначена ), а буквамииполюса магнита. Схема обработки сигнала 10 вынесена за пределы немагнитной крышки 4 в окружающую среду. Каркас многослойного экрана 8 может быть выполнен, например, из пермаллоя состава 79-21 , обладающего малыми значениями коэффициента магнитострикции и стабильными по температуре и времени магнитными характеристиками. На внешнюю сторону каркаса нанесено многослойное покрытие, состоящее из тонкопленочных немагнитных и магнитныхчередующихся слоев, обладающих соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. Число слоев должно быть не менее 20 и может ограничиваться только технологией нанесения. Чередующиеся слои легко изготавливаются известной технологией электролитического осаждения, например, и пермаллоя соответственно. Выбор материалов чередующихся слоев немагнитный магнитный может быть и другим, но он ограничивается только требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью (сцеплением). Особенно перспективно осаждение большого числа нанотолщинных слоев (нанослоев), обеспечивающих значительно большие коэффициенты экранирования электромагнитного поля и практически не влияющие на массу экрана в целом. Датчик перемещения для гидравлических систем работает следующим образом. При расположении гальваномагнитного элемента 5 в плоскости, перпендикулярной продольным осям магнитов 1 и 6, проходящей через центр зазора, нормальная к пластине Холла составляющая индукции магнитного поляблизка к нулю из-за противоположного намагничивания магнитов 1 и 6 и условий симметрии, т.к. происходит компенсация составляющих магнитного поля в месте расположения элемента 5 (первоначальное положение 5 при настройке датчика). При перемещении пары жестко установленных относительно друг друга магнитов 1, 6 из первоначального положения вдоль осикомпенсация составляющих магнитного поля в месте расположения гальваномагнитного элемента 5 нарушается, причем при смещении в одну сторонуувеличивается, а в другую - соответственно уменьшается, что приводит к линейной зависимости характеристикиот величины перемещения по оси . Кроме того, происходит усилениемагнитомягкими концентраторами магнитного потока 7 враз. Расчет коэффициента усиленияпри зазоре 15 мм между магнитами 1 и 6, вы 4 100672014.04.30 полненными издлиной 5 мм с удельной магнитной энергией 32, трубчатыми концентраторами магнитного потока из пермаллоя толщиной 0,75 мм в точке расположения элемента Холла 5 на расстоянии 3 мм от края магнита, выполненный с использованием широко известной программыверсии 4.2 3, указывает на диапазон значений(25-35) единиц, в зависимости от приемлемых длин концентраторов 7. Следовательно, происходит значительное увеличение чувствительности датчика к перемещению не электронным, а твердотельным способом, т.е. без ухудшения шумовых характеристик элемента 7 и стабильности его работы. При этом отпадает необходимость использования электронных операционных усилителей выходного сигнала с датчика. Кроме того, из литературных источников известно, что многослойный пленочный экран, состоящий всего лишь из 10-20 тонкопленочных слоев по 0,1 мкм, обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м не менее 8-10 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-100 000 Гц не менее 30-40. Чередующиеся слои обладают разными волновыми сопротивлениями, что приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в их поперечном сечении. В экране датчика используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный 4. Использование нанослоев многослойных покрытий обеспечивают возможность многократного увеличения экранирования электромагнитных полей практически без наращивания массы экрана, что является кардинальным решением по обеспечению помехоустойчивости за счет электромагнитного экранирования или сверхэффектом. Следовательно, использование трубчатых магнитомягких концентраторов магнитного потока обеспечивает повышение чувствительности к перемещению. Применение в конструкции датчика многослойного экрана, содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению помехоустойчивости за счет пассивного подавления внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот,включая и постоянные магнитные поля. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает решение поставленной комплексной задачи по повышению магнитной чувствительности и повышению помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям. Поэтому заявляемая полезная модель относится к устройствам, позволяющим контролировать перемещение рабочих органов гидросистем золотников гидроцилиндров, в частности к датчику перемещения для гидравлических систем, и может найти целесообразное применение в пропорциональных системах с обратной связью по положению золотника гидрораспределителя. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5