Датчик линейного перемещения для гидравлических систем

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Датчик линейного перемещения для гидравлических систем, содержащий постоянный магнит, соединенный с золотником гидроцилиндра посредством немагнитного штока,находящегося в гидрожидкости под давлением, и отделенный от окружающей среды с помощью немагнитной крышки, выдерживающей высокое давление, с внешней стороны которой неподвижно установлен гальваномагнитный элемент, например, Холла, расположенный вдоль линии, параллельной оси цилиндрического штока, и схему обработки сигнала с указанного гальваномагнитного элемента, отличающийся тем, что датчик содержит Ш-образный концентратор магнитного потока из магнитомягкого материала,например пермаллоя, расположенный с внешней стороны указанной крышки, причем немагнитные промежутки в указанном концентраторе по длине равны длине упомянутого магнита, а указанный гальваномагнитный элемент расположен на центральном выступе Ш-образного концентратора Ш-образный концентратор магнитного потока и гальваномагнитный элемент расположены внутри немагнитной трубы, с внешней стороны которой нанесен экран, содержащий многослойные чередующиеся тонкопленочные слои, в том числе нанослои, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. 2. Датчик линейного перемещения для гидравлических систем по п. 1, отличающийся тем, что постоянный магнит выполнен из материалов с большой удельной магнитной энергией, например изили 5.(Англия). 2. Патент на полезную модель 6504 , МПК 15 В 9/00, 01 В 7/00, 2010 (прототип). 3. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 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 чувтвительность 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 элементов 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. Недостатком этого устройства является низкая чувствительность вследствие небольшой величины выходного сигнала с гальваномагнитных элементов, требующих их усиления схемой обработки сигнала, сложности идентичного подбора гальваномагнитных элементов и их симметричной установки, ярко выраженная нелинейность выходной характеристики датчика и связанная с эти 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 низкой помехоустойчивостью к внешним электромагнитным полям. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение чувствительности к перемещению, расширение рабочего диапазона перемещения и увеличение поме 2 101302014.06.30 хоустойчивости к внешним электромагнитным полям, включая квазистатические магнитные поля. Датчик линейного перемещения для гидравлических систем содержит постоянный магнит, соединенный с золотником гидроцилиндра посредством немагнитного штока, находящегося в гидрожидкости под давлением, и отделенный от окружающей среды с помощью немагнитной крышки, выдерживающей высокое давление, с внешней стороны которой неподвижно установлен гальваномагнитный элемент, например, Холла, расположенный вдоль линии, параллельной оси цилиндрического штока, и схему обработки сигнала с указанного гальваномагнитного элемента. Он отличается тем, что датчик содержит Ш-образный концентратор магнитного потока из магнитомягкого материала, например пермаллоя, расположенный с внешней стороны указанной крышки, причем немагнитные промежутки в указанном концентраторе по длине равны длине упомянутого магнита, а указанный гальваномагнитный элемент расположен на центральном выступе Ш-образного концентратора Ш-образный концентратор магнитного потока и гальваномагнитный элемент расположены внутри немагнитной трубы, с внешней стороны которой нанесен экран, содержащий многослойные чередующиеся тонкопленочные слои, в том числе нанослои, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. Датчик линейного перемещения для гидравлических систем отличается тем, что постоянный магнит выполнен 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 датчике, изложенных в формуле. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции датчика 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 линейного 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 фиг. 1-2. На фиг. 1 изображен предложенный датчик линейного перемещения для гидравлических систем (функциональная схема). На фиг. 2 представлен график зависимости магнитной индукцииот перемещениямагнита вдоль оси . Датчик линейного перемещения для гидравлических систем содержит постоянный магнит 1 длинойс магнитопроводами ширинойу полюсовисоответственно, причем 1 соединен с золотником гидрораспределителя (на фигуре не изображен) посредством немагнитного штока 2 золотник, немагнитный шток 2 и постоянный магнит 1 с магнитопроводами находятся в полости 3 гидрожидкости под давлением и отделены от окружающей среды с помощью немагнитной крышки 4, способной выдержать высокое давление в гидрожидкости (30 атмосфер и более), а с внешней стороны крышки 4 установлен гальваномагнитный элемент 5, например, Холла, расположенный пластиной Холла параллельно оси цилиндрического штока 2. Гальваномагнитный элемент 5 установлен на центральном 3 101302014.06.30 выступе Ш-образного концентратора магнитного потока 6, выполненного из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, например пермаллоя или армкожелеза, причем немагнитные промежутки в указанном концентраторе 6 по длине равны длине магнита , а магнитные выступы шириной(каждый) концентратора 6 равны ширине магнитопровода магнита 1. Концентратор магнитного потока 6 и гальваномагнитный элемент 5 расположены внутри немагнитной трубы 7, с внешней стороны которой нанесен экран, содержащий многослойные чередующиеся тонкопленочные слои 8, в том числе нанослои немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. Гальваномагнитный элемент 5 подключен к схеме обработки сигнала 9, которая вынесена за пределы немагнитной крышки 4 в окружающую среду. Расстояниемежду магнитопроводами магнита 1 и гальваномагнитным элементом 5 не менее 3 мм. Следует отметить, что число тонкопленочных слоев 8 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 линейного перемещения для гидравлических систем работает следующим образом. При перемещении штока 2, соединенного с золотником гидрораспределителя, следовательно, и магнита 1 относительно оси симметрии 0 вдоль осивеличина индукции магнитного поляв месте расположения гальваномагнитного элемента 5 изменяется линейным образом, причем при смещении в одну сторонуувеличивается, а в другую, соответственно, уменьшается, что приводит к линейной зависимости характеристикиот величины перемещения , что представлено на фиг. 2. Рабочая зона измерения перемещения расширяется до диапазона - досоответственно. Благодаря использованию Ш-образного концентратора магнитного потока 6 происходит значительное увеличение градиента индукции магнитного поля, по сравнению с прототипом, следовательно, и чувствительности предложенного датчика к перемещению. Практически отпадает необходимость использования электронных операционных усилителей выходного сигнала с гальваномагнитного элемента Холла 5, который, как известно, прямо пропорционален величине . Далее выходной сигнал с элемента 5 поступает в схему обработки сигнала 9. По величине сигнала с гальваномагнитного элемента 5 определяется искомое перемещение , что позволяет контролировать перемещение рабочих органов гидросистем золотников гидроцилиндров, т.е. находит применение в пропорциональных системах с обратной связью по положению золотника гидрораспределителя. 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 100-100000 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 4 101302014.06.30 возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный 3. 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, в том числе квазистатических магнитных полей, или сверхэффектом. В итоге 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, а использование Ш-образного концентратора магнитного потока позволяет значительно увеличить градиент индукции магнитного поля,по сравнению с прототипом, следовательно, и чувствительность предложенного датчика к перемещению и расширить рабочий диапазон контролируемого перемещения без увеличения длины магнита. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает решение поставленной комплексной задачи по повышению магнитной чувствительности и помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям, а также расширению рабочего диапазона перемещения. Поэтому заявляемая полезная модель относится к устройствам, позволяющим контролировать перемещение рабочих органов гидросистем золотников гидроцилиндров, в частности к датчику линейного 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 заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5