Датчик обрыва нити

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Датчик обрыва нити, содержащий немагнитный корпус, на подвижной оси которого размещен неуравновешенный рычаг с нитепроводником, закрепленный на указанном рычаге постоянный магнит и неподвижный магниточувствительный элемент, выводы которого электрически соединены с токосъемными пластинами сигнальной цепи датчика,ограничитель движения упомянутого неуравновешенного рычага, отличающийся тем,что магниточувствительный элемент выполнен из полупроводниковой структуры -типа, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой, причем упомянутая структура подключена через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а именно плюс упомянутого источника напряжения подключен к -области, и защищена электромагнитным экраном от воздействия как поля рассеяния указанного постоянного магнита, так и от наводок помехонесущих электромагнитных помех указанный постоянный магнит размещен так, что при обрыве нити плоскость одного из его магнитных полюсов располагалась в непосредственной близости от магниточувствительного элемента и была ориентирована перпендикулярно плоскости раздела - и -областей полупроводниковой структуры, а на ограничителе движения рычага установлен демпфер.(56) 1. Патент 2049712, МПК 65 63/00, 1995. 2. А.с. СССР 601331, МПК 01 13/18, 1978. 3. Патент 2049034, МПК В 65 Н 63/02, 1995 (прототип). 4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М ДМК Пресс, 2001. - С. 87. 5. А.с. СССР 1739402, МПК 01 29/06, 1992. 6. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196, 200. Предлагаемая полезная модель относится к средствам контроля и может быть использована в текстильной промышленности, а более конкретно к устройству датчиков обрыва нити, применяемых для индикации факта обрыва нити путем коммутации сигнальной цепи датчиков, устанавливаемых на текстильных машинах. Известен датчик контроля прохождения нити на текстильной машине 1. Датчик содержит ролик, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнена проточка для нити, и фотодатчик. Проточка расположена на ролике под углом к плоскости вращения ролика, а фотодатчик установлен на выходе нити вблизи ролика, что заставляет движущуюся нить совершать колебательные движения поперек оси светового потока. Импульсы на светопринимающем устройстве формируются самой нитью в момент пересечения нити осью светового потока. Наличие импульсного сигнала свидетельствует об отсутствии обрыва нити и вращения ролика. Частота следования импульсов характеризует скорость движения нити, а суммарное число импульсов - длину отмерянной нити. Основным недостатком датчика являются сбои в работе, обусловленные запыленностью помещения, а также попаданием на фотодатчик пуха и шерсти. Известно устройство для контроля обрыва нити на текстильной машине 2, содержащее неуравновешенные рычаги с нитенаправителями, поворотную планку с осью, постоянный магнит, закрепленный на планке, и геркон, размещенный на корпусе. Недостатком этого устройства является то, что это оно предназначено для одновременного контроля большого числа нитей, что обусловлено большими геометрическими размерами устройства. Пазы в корпусе устройства, предназначенные для передвижения рычагов с нитенаправителями, способствуют попаданию пыли, пуха и т.п., и тем самым не обеспечивается надежность срабатывания устройства. Известен датчик обрыва нити 3, наиболее близкий к предлагаемому (прототип). Прототип содержит закрепленный на подвижной оси неуравновешенный рычаг с нитепроводником, большую и малую токосъемную пластины. На оси корпуса датчика в держателе установлен постоянный магнит в виде ферромагнитного кольца, намагниченного таким образом, что магнитное поле сконцентрировано в геометрическом центре кольца. В области, близкой к геометрическому центру кольца, закреплен неподвижно геркон. Взаимное расположение элементов датчика обрыва нити и их геометрические размеры выбраны таким образом, что при обрыве нити и повороте неуравновешенного рычага с нитепроводником осуществляется коммутация геркона и сигнальной цепи датчика. Основным недостатком датчика 3 является низкая надежность срабатывания, что обусловлено эффектом дребезга контактов геркона, в результате происходят замыкания и размыкания сигнальной цепи датчика, которые приводят к срабатыванию исполнительных элементов текстильной машины и прекращению процесса наматывания нити. Кроме того, достаточно сложно устанавливать геркон в области, близкой к геометрическому центру кольца (осуществлять выбор рабочей точки), которое намагничено таким образом, что магнитное поле сконцентрировано в геометрическом центре кольца. Геркон в таком магнитном поле с незамкнутыми контактами находится в бистабильном положении, и вибра 2 102682014.08.30 ция, обусловленная работой текстильных машин, может вызвать ложное срабатывание датчика. Поэтому прототип не является помехозащищенным от вибраций, вызванных работой текстильных машин. Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности срабатывания датчика, в том числе в условиях вибрационных воздействий. Для решения поставленной задачи датчик обрыва нити содержит немагнитный корпус, на подвижной оси которого размещен неуравновешенный рычаг с нитепроводником,закрепленный на указанном рычаге постоянный магнит и неподвижный магниточувствительный элемент, выводы которого электрически соединены с токосъемными пластинами сигнальной цепи датчика, ограничитель движения упомянутого неуравновешенного рычага. Датчик отличается тем, что магниточувствительный элемент выполнен из полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом 4, 5 и -образной вольтамперной характеристикой, причем упомянутая структура подключена через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а именно плюс упомянутого источника напряжения подключен к р-области, и защищена электромагнитным экраном от воздействия как поля рассеяния указанного постоянного магнита, так и от наводок помехонесущих электромагнитных помех указанный постоянный магнит размещен так, что при обрыве нити плоскость одного из его магнитных полюсов располагалась в непосредственной близости от магниточувствительного элемента и была ориентирована перпендикулярно плоскости раздела - и -областей полупроводниковой структуры, а на ограничителе движения рычага установлен демпфер. Анализ элементов датчика, приведенных в отличительной части, показывает, что некоторые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических решений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является новым. Совокупность этих элементов придает датчику новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной комплексной задачи. Поэтому заявляемый датчик соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Предложенная полезная модель поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 изображен заявляемый датчик обрыва нити. На фиг. 2 приведен вариант подключения датчика к источнику постоянного стабилизированного напряжения. Датчик обрыва нити содержит корпус 1, в его отверстии на подвижной оси 2 закреплен неуравновешенный рычаг 3 с нитепроводником, на корпусе 2 с помощью держателя 4 неподвижно закреплен магниточувствительный элемент 5, первый вывод которого электрически соединен с большой токосъемной пластиной 6, которая электрически соединена с минусом источника питания -п через резистор нагрузки н. На оси 2 неуравновешенного рычага 3 с нитепроводником с помощью держателя 7 закреплен постоянный магнит 8, выполненный на основе редкоземельных материалов, например 5. На корпусе 1 неподвижно закреплена малая токосъемная пластина 9, электрически соединенная с помощью соединительного проводника 10 со вторым выводом магниточувствительного элемента 5 и плюсом постоянного напряжения источника питанияп. Выходной сигнал вых снимается с резистора нагрузки н. Для ограничения хода неуравновешенного рычага 3 с нитепроводником служит ограничитель 11, предотвращающий отскоки и возвратно-поступательные движения рычага 3, на корпусе имеется защитная крышка 12. Ограничитель хода содержит демпфер 3, который может быть выполнен резиноподобным или на основе притяжения двух дополнительно установленных миниатюрных магнитов. При наличии натянутой нити неуравновешенный рычаг 3 с нитепроводником находится в положениии постоянный магнит 8 своим магнитным полем не оказывает влияние на магниточувствительный элемент 5, который окружен с пяти сторон (кроме рабочей поверхности) электромагнитым экраном 14, содержащим ферромагнитный каркас, на котором нанесены чередующиеся тонкопленочные слои толщиной по 30-100 мкм из 3 102682014.08.30 магнитомягкого материала с высоким значением магнитной проницаемости (например, из высоконикелеевого пермаллоя) и с высоким значением удельной проводимости (например, меди) соответственно. 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. Использование в предложенной конструкции датчика многослойного экрана обеспечивает повышение надежности функционирования и помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям за счет пассивного подавления внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля. Этот вывод следует из того, что в литературных источниках известно, например, 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 устройства 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 6. Магниточувствительный элемент 5 обладает -эффектом 4 и -образной вольтамперной характеристикой. Способ формирования - и -областей такой структуры подробно описан в 5. Вектор индукции магнитного поля , на величину которого реагирует магниточувствительный элемент 5, прикладывается в плоскости, параллельной плоскости раздела - и -областей. Такие структуры поставляются фирмой, Россия,г. Москва (Институт проблем управления). Магниточувствительный элемент 5 способен генерировать частотно-импульсный выходной сигнал при величине индукции магнитного поля , превышающей 30-50 мТл (в зависимости от технологии изготовления), но не более 1000 мТл. В основе функционирования магниточувствительного элемента 5 лежит явление управляемой скачковой проводимости (-эффекта), которая возникает в структурах с образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том, что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно, амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с -образной вольт-амперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувствительного элемента 5 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. 4 102682014.08.30 Датчик обрыва нити работает следующим образом. При обрыве нити неуравновешенный рычаг 3 с нитепроводником под действием собственной силы тяжести поворачивает ось 2 и вместе с ней поворачивает держатель 7 и установленный в нем магнит 8. Магнит 8 перемещается совместно с рычагом 3 к магниточувствительному элементу 5 в крайнее положение (положение ). Когда неуравновешенный рычаг 3 с нитепроводником дойдет до ограничителя 11, в этот момент под влиянием магнитного поля постоянного магнита 8 происходит генерация частотноимпульсного сигнала высокой амплитуды, до 50 от напряжения питания. Выходной сигнал вых снимается с резистора нагрузки н, подается на сигнальную цепь исполнительных элементов текстильной машины. В результате происходит срабатывание исполнительных элементов текстильной машины и прекращение процесса наматывания нити. Повышение надежности срабатывания датчика обрыва нити, в том числе в условиях вибрации, что обусловлено введением в конструкцию прототипа новых и существенных в функциональном отношении элементов, позволяет существенно повысить производительность труда и значительно сократить выход угаров при работе на текстильных машинах. Для заявляемой конструкции датчика обрыва нити подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5