PL167742B1

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12) OPIS PATENTOWY (19)PL
(21) Numer zgłoszenia:
292313
(11) 167742
(13) B1
(51) IntCl6:
G 01B 7/10
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
(22) Data zgłoszenia: 0 6 .1 1 .1 9 9 1
Sposób pomiaru przesunięć liniowych oraz przetwornik do pomiaru przesunięć liniowych
(73)
(43)
Uprawniony z patentu:
Werbik Teresa, Wrocław, PL
Zgłoszenie ogłoszono:
17.05.1993 BUP 10/93
(72)
Twórca wynalazku:
Teresa Werbik, Wrocław, PL
(45)
O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.10.1995 WUP 10/95
(74)
Pełnomocnik:
Koczara Zbigniew,
Biuro Usług Patentowych
PL 167742 B1
1. Sposób pomiaru przesunięć liniowych, w którym
element wykonujący mierzone przesunięcie sprzęga się
(5 7) mechanicznie ze stożkowym rdzeniem przesuwnie usytuowanym wewnątrz cewki, znamienny tym, że wielkość
mierzonego, liniowego przesunięcia ( ∆x) wyznacza się z
liniowej zmiany amplitudy napięcia przemiennego generatora (3), korzystnie generatora w układzie Colpittsa z
równoległym obwodem rezonansowym, od przesunięcia
stożkowego rdzenia (1) wewnątrz cewki (2) rezonansowego obwodu wymienionego generatora (3), przy czym
rdzeń o kształcie stożka jest wykonany z nieferromagnetycznego metalu, podczas gdy zakres pomiarowy mierzonych, liniowych przesunięć ( ∆x) wyznacza różnica
między długością (1) stożkowego rdzenia (1) wykonanego z nieferromagnetycznego metalu a szerokością (dc)
wymienionej cewki (2) rezonansowego obwodu generatora (3).
2. Przetwornik do pomiaru przesunięć liniowych
zwierający generator napięcia przemiennego oraz zaopatrzony w cewkę wewnątrz której jest przesuwnie usytuowany stożkowy rdzeń sprzężony mechanicznie z elementem, którego liniowe przesunięcie jest mierzone, znamienny tym, że rdzeń (1) w postaci stożka jest wykonany z
nieferromagnetycznego metalu i rdzeń ten jest usytuowany przesuwnie wewnątrz cewki (2) rezonansowego
obwodu generatora (3), korzystnie generatora w układzie
Colpittsa z równoległym obwodem rezonansowym, przy
czym cewka (2) jest trwale osadzona wewnątrz korpusu
(11) całego przetwornika i jest połączona bezpośrednio z
generatorem (3), którego wyjście jest połączone . . .
Fig.1
Sposób pomiaru przesunięć liniowych
oraz przetwornik do pomiaru przesunięć liniowych
Zastrzeżenia
patentowe
1. Sposób pomiaru przesunięć liniowych, w którym element wykonujący mierzone przesunięcie sprzęga się mechanicznie ze stożkowym rdzeniem przesuwnie usytuowanym wewnątrz cewki,
znamienny tym, że wielkość mierzonego, liniowego przesunięcia ( ∆x) wyznacza się z liniowej
zmiany amplitudy napięcia przemiennego generatora (3), korzystnie generatora w układzie Colpittsa z równoległym obwodem rezonansowym, od przesunięcia stożkowego rdzenia (1) wewnątrz
cewki (2) rezonansowego obwodu wymienionego generatora (3), przy czym rdzeń o kształcie stożka
jest wykonany z nieferromagnetycznego metalu, podczas gdy zakres pomiarowy mierzonych,
liniowych przesunięć ( ∆x) wyznacza różnica między długością (1) stożkowego rdzenia (1) wykonanego z nieferromagnetycznego metalu a szerokością (dc) wymienionej cewki (2) rezonansowego
obwodu generatora (3).
2. Przetwornik do pomiaru przesunięć liniowych zwierający generator napięcia przemiennego
oraz zaopatrzony w cewkę wewnątrz której jest przesuwnie usytuowany stożkowy rdzeń sprzężony
mechanicznie z elementem, którego liniowe przesunięcie jest mierzone, znamienny tym, że rdzeń (1)
w postaci stożka jest wykonany z nieferromagnetycznego metalu i rdzeń ten jest usytuowany
przesuwnie wewnątrz cewki (2) rezonansowego obwodu generatora (3), korzystnie generatora w
układzie Colpittsa z równoległym obwodem rezonansowym, przy czym cewka (2) jest trwale
osadzona wewnątrz korpusu (11) całego przetwornika i jest połączona bezpośrednio z generatorem
(3), którego wyjście jest połączone poprzez uśredniający układ (4) z nieodwracającym wejściem
operacyjnego wzmacniacza (5), którego odwracające wejście jest połączone z suwakiem potencjometru włączonego między masę układu a wyjście stabilizatora (7) połączone z generatorem (3),
natomiast wyjście sumatora (5) jest połączone poprzez drugi potencjometr (10) z przetwornikiem
(8) napięcie-prąd sterującym wskaźnikiem (9) mierzonego przesunięcia.
3.Przetwornik do pomiaru przesunięć liniowych, według zastrz. 2, znamienny tym, że cewka
(2) i stożkowy rdzeń (1) stanowią odrębny zestaw czujnikowy, w którym cewka (2) jest przewodowo
połączona, korzystnie koncentrycznym przewodem (22) z generatorem (3).
* * *
Przedmiotem wynalazków jest sposób pomiaru przesunięć liniowych oraz przetwornik do
pomiaru przesunięć liniowych przeznaczone do stosowania w układach automatyki i sterowania
oraz w procesach pomiaru i kontroli, w tych wszystkich przypadkach, gdzie występuje problem
dokładnego pomiaru przesunięć liniowych lub też wyznaczenie kąta obrotu, gdy mierzoną wielkość
wychylenia kątowego można poprzez mechanizmy krzywkowe zamienić na ruch posuwisto
zwrotny. Sposób i przetwornik do pomiaru przesunięć liniowych według wynalazku jest szczególnie przydatny do wyznaczenia wielkości kąta obrotu siłowników.
Z opisów polskich wzorów użytkowych nr RU 48068 i nr RU 47856 są znane przetworniki
przesunięć liniowych posiadające czujnik zawierający popychacz połączony z płaskim lub cylindrycznym elementem stanowiącym jedną z okładzin kondensatora, przemieszczającą się względem
drugiej okładziny jednego lub dwóch kondensatorów.
Wymieniony cylindryczny kondensator stanowi element multiwibratora stabilnego, w którym
zmiana pojemności powoduje zmianę współczynnika wypełnienia generowanego przebiegu, który
następnie zostaje przetworzony w przetworniku napięcia - prąd na standardowy sygnał.
Znane są na przykład z polskiego opisu patentowego nr 159336 i z polskiego opisu wzoru
użytkowego nr RU 50944 indukcyjne przetworniki przesunięć liniowych, oparte na zasadzie zmian
strumienia magnetycznego wewnątrz cewki, zawierające czujniki których popychacze, wykonujące
167 742
3
ruchy posuwiste zwrotne, proporcjonalne do mierzonych przesunięć liniowych są zaopatrzone w
jeden lub kilka ferromagnetycznych rdzeni przemieszczających się względem cewek takich czujników, przy czym co najmniej jedna z cewek jest zasilana z generatora.
Znane są, na przykład z książki K.S.Lion „Przyrządy do badań naukowych“ WNT Warszawa
lub z katalogu PHILIPSA „Machnę Monitoring Systems“ str. 14-16 Edition 1. 1.88.10 indukcyjne
przetworniki przesunięć liniowych wykorzystujące zjawisko prądów wirowych. Przetworniki takie
są utworzone z czujnika i z bloku elektroniki o takiej postaci technologicznej realizacji, że nie
możliwą jest ocena schematu układowego. Podzespoły takie występują pod nazwą firmową
„OSCYLATOR“ w przypadku firmy SCHENCK zaś pod nazwą „PROKXMETER“ w przypadku
firmy „BENTLEY NEVADA“. Przetworniki te służą najczęściej do pomiaru odległości metalowej
płaszczyzny od czoła czujnika. Przetworniki takie mogą być również wykorzystane do pomiaru
odległości ruchomych części metalowych względem określonej bazy, na której jest zamocowany
czujnik. Omawiane przetworniki mają czujniki w postaci cewki bez rdzenia lub z ferrytowym
rdzeniem.
Mankamentem przetworników pojemnościowych są trudności z utrzymaniem niezmiennej
szczeliny między okładzinami pomiarowego kondensatora, konieczność separacji galwanicznej
między ruchomą elektrodą a popychaczem, potrzeba zabezpieczenia dobrej izolacji między okładzinami kondensatora a masą układu.
Mankamentem przetworników indukcyjnych opartych na zmianie strumienia magnetycznego
wewnątrz cewek jest konieczność wykorzystania dla celów pomiaru wyłącznie środkowej części
wnętrza cewek lub też specjalnego kształtowania wymiarów cewek z uwagi na znaczne nieliniowości przy pracy w obszarze krańców cewek. Z książki M.Łapiński „Pomiary elektryczne i
elektroniczne wielkości nieelektrycznych“ WNT Warszawa 1974 str. 78 jest znany czujnik indukcyjny, magnetyczny, solenoidalny utworzony z cewki, w której przemieszcza się rdzeń ferromagnetyczny mający kształt stożka. Wskazana w powyższej publikacji idea magnetycznego czujnika nie
znalazła w praktyce zastosowania z uwagi na małą czułość oraz poziom liniowości rozstrzygające o
nieprzydatności tego typu czujnika dla potrzeb metrologii. Z kolei, znane i stosowane przetworniki
indukcyjne oparte na zasadzie prądów wirowych mają ten mankament, że ograniczony jest zakres
ich zastosowań, praktycznie do pomiarów przesunięć rzędu 20 mm, przy czym bardzo silną jest
zależność wymiarów czujnika - cewki od zakresu pomiarowego.
Przykładowo, czujnik dla pomiaru przesunięć liniowych do 1 mm ma cewkę o średnicy około
6 mm, zaś dla pomiaru przesunięć do 4 mm średnica cewki wynosi już 18 mm.
Sposób pomiaru przesunięć liniowych według wynalazku charakteryzuje się tym, że wielkość
mierzonego przesunięcia liniowego wyznacza się z liniowej zmiany amplitudy napięcia przemiennego generatora, korzystnie generatora w układzie Colpittsa z równoległym obwodem rezonansowym, od przesunięcia stożkowego rdzenia wykonanego z nieferromagnetycznego metalu, wewnątrz cewki rezonansowego obwodu wymienionego generatora. Zakres pomiarowy mierzonych
liniowych przesunięć wyznacza różnica między długością stożkowego rdzenia wykonanego z
nieferromagnetycznego metalu a szerokością wymienionej cewki rezonansowego obwodu
generatora.
Przetwornik do pomiaru przesunięć liniowych według wynalazku charakteryzuje się tym, że
rdzeń w postaci stożka jest wykonany z nieferromagnetycznego metalu, przy czym rdzeń ten jest
usytuowany przesuwnie wewnątrz cewki rezonansowego obwodu generatora, korzystnie generatora w układzie Colpittsa z równoległym obwodem rezonansowym, przy czym wymieniony rdzeń
jest zaopatrzony w popychacz i wraz z nim jest suwliwie a współosiowo względem cewki osadzony
w korpusie całego przetwornika, zaś wyjście generatora jest połączone poprzez uśredniający układ
z nieodwracającym wejściem operacyjnego wzmacniacza, którego odwracające wejście jest połączone z suwakiem potencjometru włączonego między masę układu a wyjście stabilizatora połączone z generatorem, natomiast wyjście sumatora jest połączone poprzez drugi potencjometr z
przetwornikiem napięcie-prąd sterującym wskaźnikiem mierzonego przesunięcia. W drugiej
postaci przetwornika według wynalazku cewka i stożkowy rdzeń stanowią odrębny zestaw w
którym cewka jest koncentrycznym przewodem połączona z generatorem.
Rozwiązanie według wynalazku, dzięki zastosowaniu rdzenia metalowego, nieferromagnetycznego o kształcie stożka, przemieszczającego się wewnątrz cewki obwodu rezonansowego genera-
4
167 742
tora umożliwia pomiar przesunięć liniowych w zakresie pomiarowym ograniczonym wyłącznie
możliwościami technicznymi wykonania stożkowego rdzenia. W praktyce zakres pomiarowy może
wynosić do pojedynczych milimetrów aż do wielu dziesiątek centymetrów przy tej samej, niezmienialnej cewce obwodu rezonansowego generatora, w której rdzeń ten się przemieszcza i przy tym
samym układzie elektronicznej obróbki sygnału. Te korzyści konstrukcyjne czynią z przetwornika
według wynalazku uniwersalne narzędzie pomiarowe o bardzo szerokim zakresie zastosowań.
Rozwiązanie według wynalazku umożliwia pomiar przesunięć liniowych w klasie 0,1 w bardzo
szerokim, wymienionym zakresie pomiarowym. Rozwiązanie według wynalazku, przy zastosowaniu powszechnie znanego mechanizmu krzywkowego pozwalającego zamienić wielkość kąta
obrotu wału, na przykład siłownika, na ruch posuwisto zwrotny, pozwala na łatwy, prosty pomiar
kąta obrotu w klasie 0,1 a tym samym stwarza możliwość budowy prostych konstrukcyjnie,
niezawodnych i dokładnych przetworników przeznaczonych do współpracy z siłownikami.
Wyodrębniając cewkę i rdzeń z przetwornika i tworząc z nich zespół czujnikowy, który ma
cewkę połączoną przewodowo, korzystnie przewodem koncentrycznym, z blokiem elektroniki,
uzyskuje się bardzo dokładne i wygodne narzędzie pomiarowe dla pomiarów położenia zaworów
regulujących przepływ mediów w instalacjach przepływowych, poprzez bezpośrednie, sztywne
połączenie rdzenia z trzpieniem zaworu i osadzenie cewki na korpusie, współosiowo względem osi
symetrii rdzenia.
Wynalazki są bliżej objaśnione na przykładach wykonania za pomocą rysunku, na którym
fig. 1 przedstawia ideowo-blokowy układ połączeń elementów dla realizacji sposobu według
wynalazku oraz dla budowy przetwornika według wynalazku, fig. 2 - przykład wykonania przetwornika w przekroju wzdłużnym w płaszczyźnie przechodzącej przez oś symetrii rdzenia i cewki,
zaś fig. 3 -przykład rozwiązania przetwornika w wersji, w której cewka i rdzeń stanowią odrębny
zespół pomiarowy, połączony przewodowo z blokiem elektroniki.
W sposobie pomiaru przesunięć liniowych według wynalazku (fig. 1) element którego przesunięcie liniowe podlega pomiarowi sprzęga się mechanicznie z rdzeniem 1 przesuwnie usytuowanym
wewnątrz cewki 2.
Wielkość mierzonego przesunięcia liniowego Ax wyznacza się z liniowej zmiany amplitudy
napięcia przemiennego generatora 3, korzystnie w układzie Colpittsa z równoległym obwodem
rezonansowym, w funkcji przesunięcia wewnątrz cewki 2 rezonansowego obwodu generatora 3
rdzenia 1 posiadającego kształt stożka, a wykonanego z metalu nieferromagnetycznego.
Zakres wielkości mierzonych przesunięć liniowych ∆x wyznacza różnica między długością 1
rdzenia 1 o kształcie stożka a szerokością dc wymienionej cewki 2 rezonansowego obwodu
generatora 3 wewnątrz której przemieszcza się rdzeń 1 o kształcie stożka. Sygnał wyjściowy
generatora 3 po uśrednieniu w uśredniającym układzie 4 podaje się na nieodwracające wejście
operacyjnego wzmacniacza 5, podczas gdy na odwracające wejście tego wzmacniacza podaje się
sygnał z suwaka potencjometru 6 włączonego między jedno wyjście układu 7 stabilizatora a masę
układu. Za pomocą sumatora zbudowanego na operacyjnym wzmacniaczu 5 sumuje się uśrednione, wyjściowe napięcie generatora 3 odpowiadające przyjętemu, początkowemu usytuowaniu
rdzenia 1 o postaci stożka wewnątrz cewki 2 z częścią napięcia stabilizowanego zasilającego układy
elektronicze przetwornika, celem wyznaczenia prądu początku zakresu pomiarowego. Napięciowy
sygnał sumowania przetwarza się na prądowy sygnał za pomocą przetwornika 8 napięcie-prąd,
który to prądowy sygnał wysterowuje wskaźnik 9 wielkości mierzonych przesunięć. Potencjometrem 10 włączonym między wyjście sumatora zbudowanego na operacyjnym wzmacniaczu 5 a
napięcie z wyjścia stabilizatora 7 ustala się wskazania końca zakresu pomiarowego wskaźnika 9 dla
końcowego położenia rdzenia 1 wewnątrz cewki 2.
Przetwornik do pomiaru przesunięć liniowych według wynalazku ma korpus 11, w którym jest
z jednej strony osadzona zamknięta tuleja 12 karkasu 13 cewki 2 generatora 3, zaś z drugiej strony
tego korpusu 11 jest w nim osadzona prowadząca tuleja 14. Zamknięta tuleja 12 ma kołnierz 15
opierający się od zewnętrznej strony korpusu 11 o jego ścianę.
Za pomocą kołnierza 15 oraz nakrętki 16 osadzonej na zamkniętej tulei 12, tuleja ta jest
zamocowana na ścianie korpusu 11. Wewnątrz korpusu 11, na zamkniętej tulei 12, jest osadzona
kontrolująca nakrętka 17 blokująca gwintowe osadzenie karkasu 13 cewki 2 generatora 3 na
zamkniętej tulei 12. Część karkasu 13 dochodząca do początku zamkniętej tulei 12 ma średnicę
wewnętrzną równą średnicy wewnętrznej zamkniętej tulei 12 i na tej części karkasu 13 jest nawinięta
167 742
5
cewka 2 generatora 3, korzystnie w układzie Colpittsa z równoległym obwodem rezonansowym.
Rdzeń 1 ma postać stożka od strony wierzchołka połączonego sztywnie z popychaczem 18 ułożyskowanym suwliwie w prowadzącej tulei 14, a zakończonego sprzęgaczem 19 za pomocą którego
sprzęga się rdzeń 1 z elementem wykonującym mierzone przesunięcie liniowe lub z krzywkowym
mechanizmem zamieniającym wielkość mierzonego kątowego wychylenia na ruch posuwistozwrotny popychacza 17. Od strony maksymalnej średnicy stożkowy rdzeń 1 jest zakończony
cylindrycznym odcinkiem z ukształtowanym pierścieniowym wybraniem, w którym jest osadzona
ślizgowa tuleja 20. W korpusie 11 jest osadzony blok 21 elektroniki w postaci pakietu obwodów
drukowanych. Blok elektroniki stanowi generator 3, którego wyjście jest połączone poprzez
uśredniający układ 4 z nieodwracającym wejściem operacyjnego wzmacniacza 5, którego odwracające wejście jest połączone z suwakiem potencjometru 6 włączonego między masę układu a wyjście
stabilizatora 7 połączone z układem generatora 3, natomiast wyjście wzmacniacza 5 jest połączone
poprzez drugi potencjometr 10 z przetwornikiem 8 napięcie-prąd połączonym ze wskaźnikiem 9
mierzonego przesunięcia.
W drugiej postaci przetwornika (fig. 3) przeznaczonej do pomiaru przesunięć liniowych w tych
wszystkich przypadkach, gdy bezpośrednie usytuowanie całego przetwornika, przy elemencie
którego przesunięcie jest mierzone, jest niemożliwe z uwagi na brak miejsca lub wysoką temperaturę, jak na przykład przy pomiarach położenia zaworów regulujących przepływ mediów w
instalacjach przemysłowych, cewka 2 wraz ze stożkowym rdzeniem 1 stanowi odrębny zespół
czujnikowy, w którym cewka 2 jest połączona koncentrycznym przewodem 22 z generatorem 3. W
takim wykonaniu stożkowy rdzeń 1 jest mocowany bezpośrednio na trzpieniu 23 mierzonego
zaworu za pomocą uchwytu 24, zaś cewka 2 jest zamocowana współosiowo względem rdzenia 1
bezpośrednio na korpusie 25 zespołu zaworowego.
Fig. 2
167 742
Fig.3
Fig.1
Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.
Cena 1,50 zł