RU2032882C1 - Electromagnetic converter of spatial movements - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: electromagnetic converter of spatial movements has case 1 anchored on one object and trihedral bearing angle piece 10 attached to other object of test. Case of current conducting nonmagnetic material has through grooves fabricated in its neighboring mutually orthogonal faces which house three identical sensitive elements 2. Each of them is manufactured in the form of measuring inductance coil 4 wound on flat magnetic core 3 and two identical multilayer flat figure-eight-shaped coils 5 and 6 in symmetry to center, placed on both sides of magnetic core. Neighboring layers of flat figure-eight-shaped coils are connected in series aiding, directions of spirals of adjacent layers are opposite. Layer are so placed that turns of one layer are located above intervals between turns of other. Free ends of extreme figure-eight-shaped coils are interconnected through controlled key. Converter can operate under two modes: measurement of relative movement of objects of test and testing of its sensitive elements. Under each of modes one figure-eight-shaped coil is closed and the other one is open. Signal of testing mode depends on properties of elements 2 and signal of working mode - not only on properties of elements 2 but on distances between objects of testing. Difference signal of both modes is invariable to properties of elements 2. EFFECT: high precision and increased noise immunity, expanded range of controlled movements, diminished masses and dimensions. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к средствам электромагнитного контроля неэлектрических величин по сигналам, полученным от взаимодействия объектов контроля сложной формы с электромагнитными полями, напримеp, для контроля в труднодоступных зонах перемещений по трем ортогональным осям координат изделий, работающих в скоростных газовых потоках с перепадами температуры. The invention relates to means for electromagnetic monitoring of non-electric quantities by signals obtained from the interaction of complex objects with electromagnetic fields, for example, for monitoring in inaccessible areas of movement along three orthogonal coordinate axes of products operating in high-speed gas flows with temperature extremes.

Известен накладной компланарный (плоскость витков параллельная плоскости объекта контроля) электромагнитный преобразователь с дополнительными тестирующими катушками, выводы которых могут замыкаться накоротко в процессе контроля и с помощью которых при обработке сигналов устраняются погрешности измерений из-за нестабильности самих преобразователей [1]
Известен электромагнитный ортогональный (в нем плоскость витков ортогональна плоскости объекта контроля) преобразователь, содержащий измерительную катушку индуктивности и восьмеркообразную экранирующую катушку, замыкаемую накоротко через ключ, управляемый от блока обработки. Использование тестирования, проводимого при экранировании преобразователя от самого объекта, позволяет отстроиться от влияния изменений температуры на преобразователь и тем самым повысить точность контроля [2]
Однако перечисленные преобразователи позволяют контролировать только однокоординатные перемещения, простое же соединение трех таких преобразователей для контроля пространственных перемещений приводит к возникновению мешающих факторов от взаимного влияния электромагнитных полей и к значительным (в 3 раза) увеличениям массы и габаритов, что затрудняет доступ к зонам контроля изделий сложной формы, а также искажает динамику контролируемых перемещений объекта.Known consignment note is coplanar (the plane of turns parallel to the plane of the object of control) electromagnetic transducer with additional testing coils, the conclusions of which can be short-circuited during the control and with the help of which signal processing eliminates measurement errors due to instability of the transducers themselves [1]
Known electromagnetic orthogonal (in it the plane of the turns is orthogonal to the plane of the object of control) a transducer containing a measuring inductor and a figure-eight shielding coil, short-circuited through a key controlled from the processing unit. Using testing conducted when shielding the transducer from the object itself allows you to tune away from the influence of temperature changes on the transducer and thereby increase the accuracy of control [2]
However, the listed transducers allow you to control only one-coordinate displacements, but the simple connection of three such transducers to control spatial displacements leads to the appearance of interfering factors from the mutual influence of electromagnetic fields and to significant (3-fold) increase in weight and dimensions, which makes it difficult to access the product control zones with complex shape, and also distorts the dynamics of controlled movements of the object.

Известен электромагнитный преобразователь пространственных перемещений, содержащий опорный уголок из электропроводящего немагнитного материала, корпус преобразователя кубической формы из того же материала, что и опорный уголок, с пазами на трех соседних взаимно ортогональных гранях, в которых размещены три идентичных чувствительных элемента [3]
Недостатками данного преобразователя являются снижение точности контроля при длительных испытаниях изделия из-за температурной и временной нестабильности и, как следствие, необходимость извлечения преобразователя из зоны контроля и удаление от объекта для тестирования, а также небольшая длина магнитопровода (ограничена размером ребра куба) при заданных габаритах и массе преобразователя, что сужает диапазон контролируемых перемещений и, в конечном счете, снижает точность, так как вынуждает использовать преобразователь и на пологом участке характеристики чувствительности, что загрубляет чувствительность и снижает точность.Known electromagnetic transducer of spatial displacements containing a reference angle of an electrically conductive non-magnetic material, a housing of a cubic shape converter of the same material as the reference angle, with grooves on three adjacent mutually orthogonal faces, in which three identical sensing elements are placed [3]
The disadvantages of this transducer are a decrease in the control accuracy during long-term product testing due to temperature and time instability and, as a consequence, the need to remove the transducer from the control zone and away from the object for testing, as well as the small length of the magnetic circuit (limited by the size of the cube rib) for given dimensions and the mass of the transducer, which narrows the range of controlled movements and, ultimately, reduces accuracy, since it forces the transducer to be used on a gentle ASTK sensitivity characteristics that roughened sensitivity and reduces accuracy.

Задачей изобретения является повышение точности при длительном встроенном контроле в труднодоступных местах. The objective of the invention is to improve accuracy with long-term built-in control in hard to reach places.

Это достигается за счет введения тестирования, увеличения помехозащищенности, расширения диапазона контролируемых перемещений и снижения массы и габаритов (уменьшение массы и габаритов приводит к увеличению достоверности динамических характеристик исследуемого объекта). This is achieved by introducing testing, increasing noise immunity, expanding the range of controlled movements and reducing weight and dimensions (reducing weight and dimensions leads to an increase in the reliability of the dynamic characteristics of the studied object).

Поставленная задача решена тем, что в электромагнитном преобразователе пространственных перемещений, содержащем опорный уголок из электропроводящего немагнитного материала, корпус преобразователя из того же материала, что и опорный уголок с пазами на трех соседних взаимно ортогональных гранях, в которых размещены три идентичных чувствительных элемента: корпус преобразователя выполнен в виде полой усеченной правильной треугольной пирамиды, оба основания которой параллельны, а боковые грани взаимно ортогональны, пазы в корпусе выполнены сквозными, а их продольные оси совпадают со средней линией соответствующей боковой грани, имеющей форму трапеции, каждый чувствительный элемент выполнен в виде плоского магнитопровода, намотанной на нем измерительной катушки индуктивности и двух идентичных многослойных плоских центрально-симметричных спиральных восьмеркообразных катушек, расположенных с обеих сторон от плоского магнитопровода, восьмеркообразные катушки в соседних слоях включены последовательно-согласно, а направления закрутки спиралей в них противоположны, слои выполнены таким образом, что над промежутками между витками одного слоя размещены витки другого, свободные концы крайних восьмеркообразных катушек соединены между собой через управляемый ключ, толщина чувствительных элементов равна толщине боковых граней корпуса, а их длина и ширина не превышает соответственно длину средней линии и высоту трапеций. The problem is solved in that in an electromagnetic transducer of spatial displacements containing a reference angle made of electrically conductive non-magnetic material, the converter housing is made of the same material as the reference angle with grooves on three adjacent mutually orthogonal faces in which three identical sensitive elements are placed: the converter housing made in the form of a hollow truncated regular triangular pyramid, both bases of which are parallel, and the side faces are mutually orthogonal, the grooves in the housing are are transparent, and their longitudinal axes coincide with the middle line of the corresponding lateral face, having the shape of a trapezoid, each sensitive element is made in the form of a flat magnetic core, a measuring inductance coil wound on it and two identical multilayer flat centrally symmetric eight-shaped spiral coils located on both sides from a flat magnetic circuit, the eight-shaped coils in adjacent layers are connected in series according to, and the directions of the twist of the spirals in them are opposite, with They are made in such a way that coils of the other are placed over the gaps between the turns of one layer, the free ends of the extreme eight-shaped coils are interconnected via a controlled key, the thickness of the sensitive elements is equal to the thickness of the side faces of the housing, and their length and width do not exceed the length of the midline and height trapezoid.

Кроме того, преобразователь может быть снабжен дополнительным корпусом, предназначенным для размещения блока обработки сигналов преобразователя, выполненным в виде правильной треугольной призмы из того же материала, что и основной корпус преобразователя, и с теми же размерами основания, что и размеры большего основания усеченной пирамиды, оба корпуса соединены одинаковыми основаниями так, что боковые ребра одного из корпусов являются продолжениями боковых ребер другого, а в центре объединенных оснований выполнено сквозное отверстие для прокладки соединительных проводников. In addition, the transducer can be equipped with an additional housing designed to accommodate the signal processing unit of the transducer, made in the form of a regular triangular prism of the same material as the main transducer body, and with the same base dimensions as the dimensions of the larger base of the truncated pyramid, both cases are connected by identical bases so that the side ribs of one of the cases are extensions of the side ribs of the other, and a through hole is made in the center of the combined bases A gasket connecting conductors.

Кроме того, опорный уголок может быть выполнен в виде трех идентичных равнобедренных трапеций, объединенных боковыми сторонами и перпендикулярных одна другой, высота каждой трапеции равна сумме расчетного диапазона контролируемых перемещений и высоты боковой грани основного корпуса преобразователя. In addition, the supporting corner can be made in the form of three identical isosceles trapezoids, united by the sides and perpendicular to each other, the height of each trapezoid is equal to the sum of the calculated range of controlled movements and the height of the side face of the transducer main body.

Размещение блока первичной обработки сигналов преобразователя в корпусе, объединенном с корпусом самого преобразователя, позволяет исключить погрешность от взаимного влияния компонент перемещений при больших длинах соединительных линий между преобразователем и блоком обработки и тем самым увеличить точность измерений. Наличие же длинных линий при большом выходном напряжении на одной из измерительных катушек приводит к появлению токов в двух других измерительных катушках из-за их последовательного включения с большой по величине распределенной емкостью соединительных линий относительно их экрана, что приводит к снижению точности измерений. The placement of the primary signal processing unit of the converter in the housing combined with the housing of the converter itself eliminates the error from the mutual influence of the movement components at large lengths of the connecting lines between the converter and the processing unit and thereby increase the accuracy of measurements. The presence of long lines with a large output voltage on one of the measuring coils leads to the appearance of currents in two other measuring coils due to their sequential inclusion with a large distributed capacity of the connecting lines relative to their screen, which leads to a decrease in the measurement accuracy.

Выполнение корпуса преобразователя в виде усеченной пирамиды уменьшает габариты и массу преобразователя примерно в 4 раза по сравнению с корпусом в форме куба. Предлагаемая ориентация чувствительных элементов (вдоль диагонали, а не стороны квадрата, образующего боковую грань корпуса кубической формы) позволяет увеличить длину чувствительных элементов почти 1,4 раза, что расширяет диапазон контролируемых перемещений. Предлагаемая форма опорного уголка уменьшает его массу и габариты в 2 раза по сравнению с опорным уголком, каждая грань которого квадрат. Усечение вершины опорного уголка также снижает массу и уменьшает взаимное влияние от соседних граней (влияние грани компенсируется противоположным влиянием края), что также увеличивает точность. The execution of the housing of the transducer in the form of a truncated pyramid reduces the dimensions and weight of the transducer by about 4 times compared with the cube-shaped housing. The proposed orientation of the sensitive elements (along the diagonal, and not the side of the square that forms the lateral face of the cubic body) allows you to increase the length of the sensitive elements by almost 1.4 times, which extends the range of controlled movements. The proposed shape of the reference corner reduces its weight and dimensions by 2 times compared with the reference corner, each face of which is square. Truncating the top of the reference corner also reduces mass and reduces the mutual influence from neighboring faces (the influence of the face is compensated by the opposite influence of the edge), which also increases the accuracy.

На фиг. 1 представлен предлагаемый преобразователь (опорный уголок не показан из-за возможности затемнения чертежа преобразователя уголком); на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1 (плоскость сечения ортогональна оси DY); на фиг. 3 чувствительный элемент. In FIG. 1 shows the proposed Converter (the reference angle is not shown due to the possibility of darkening the drawing of the Converter angle); in FIG. 2, section AA in FIG. 1 (section plane orthogonal to the DY axis); in FIG. 3 sensitive element.

Предлагаемый преобразователь содержит корпус 1 из электропроводящего немагнитного материала с пазами на его трех соседних взаимно ортогональных гранях, в которых размещены три идентичных чувствительных элемента 2. The proposed converter comprises a housing 1 of an electrically conductive non-magnetic material with grooves on its three adjacent mutually orthogonal faces, in which three identical sensing elements 2 are placed.

Корпус 1 выполнен в виде полой усеченной правильной треугольной пирамиды, оба основания которой параллельны, а боковые грани взаимно ортогональны, пазы в корпусе выполнены сквозными, а их продольные оси совпадают со средней линией соответствующей боковой грани, имеющей форму трапеции. The housing 1 is made in the form of a hollow truncated regular triangular pyramid, both bases of which are parallel, and the side faces are mutually orthogonal, the grooves in the body are made through, and their longitudinal axes coincide with the middle line of the corresponding side face having the shape of a trapezoid.

Каждый чувствительный элемент 2 выполнен в виде плоского магнитопровода 3, намотанной на нем измерительной катушки 4 индуктивности и двух идентично выполненных многослойных плоских центрально-симметричных спиральных восьмеркообразных катушек 5 и 6, расположенных с обеих сторон от плоского магнитопровода 3. Восьмеркообразные катушки в соседних слоях включены последовательно-согласно, а направления закрутки спиралей в них противоположны, слои выполнены таким образом, что над промежутками между витками одного слоя размещены витки другого, свободные концы крайних восьмеркообразных катушек соединены между собой через управляемый ключ 7. Each sensing element 2 is made in the form of a flat magnetic core 3, a measuring inductance coil 4 wound thereon and two identically made multilayer flat centrally symmetric eight-shaped spiral coils 5 and 6 located on both sides of the flat magnetic core 3. The eight-shaped coils in adjacent layers are connected in series -agrees, and the directions of the twist of the spirals in them are opposite, the layers are made in such a way that coils of another are placed over the gaps between the turns of one layer , The free ends of the extreme vosmerkoobraznyh coils are interconnected via the controllable switch 7.

Толщина чувствительных элементов 2 равна толщине боковых граней корпуса 1, а длина и ширина не превышают соответственно длину средней линии и высоту трапеций. The thickness of the sensing elements 2 is equal to the thickness of the side faces of the housing 1, and the length and width do not exceed, respectively, the length of the midline and the height of the trapezoid.

Преобразователь снабжен дополнительным корпусом 8, предназначенным для размещения блока обработки сигналов преобразователя, выполненным в виде правильной треугольной призмы из того же материала, что и основной корпус преобразователя 1, и с теми же размерами основания, что и размеры большего основания усеченной пирамиды. The converter is equipped with an additional housing 8, designed to accommodate the signal processing unit of the converter, made in the form of a regular triangular prism of the same material as the main body of the converter 1, and with the same dimensions of the base as the dimensions of the larger base of the truncated pyramid.

Оба корпуса 1 и 8 соединены одинаковыми основаниями так, что боковые ребра одного из корпусов являются продолжением боковых ребер другого, а в центре объединенных оснований выполнено сквозное отверстие 9 для прокладки соединительных проводников. Both cases 1 and 8 are connected by identical bases so that the side ribs of one of the cases are a continuation of the side ribs of the other, and a through hole 9 is made in the center of the combined bases for laying the connecting conductors.

Опорный уголок 10 выполнен в виде трех идентичных равнобедренных трапеций, объединенных боковыми сторонами и перпендикулярных одна другой, высота каждой трапеции равна сумме расчетного диапазона контролируемых перемещений и высоты боковой грани основного корпуса преобразователя 1. The supporting corner 10 is made in the form of three identical isosceles trapezoids, united by the sides and perpendicular to each other, the height of each trapezoid is equal to the sum of the calculated range of controlled movements and the height of the side face of the main body of the transducer 1.

Электромагнитный преобразователь пространственных перемещений работает следующим образом. An electromagnetic transducer of spatial displacements works as follows.

На одном из двух объектов контроля, взаимное пространственное (т.е. по трем взаимно ортогональным координатам) перемещение которых необходимо измерять, закрепляют корпус преобразователя 1, а на другом трехгранный ортогональный опорный уголок 10. Расположение трех чувствительных элементов 2 на взаимно перпендикулярных гранях делает возможным одновременный контроль взаимного перемещения объектов контроля по трем ортогональным координатам. On one of the two objects of control, the mutual spatial (that is, three mutually orthogonal coordinates) movement of which must be measured, the transducer housing 1 is fixed, and the trihedral orthogonal reference corner 10 is fixed on the other. The arrangement of the three sensitive elements 2 on mutually perpendicular faces makes it possible simultaneous control of the mutual movement of control objects in three orthogonal coordinates.

Наличие в каждом чувствительном элементе пары короткозамыкаемых восьмеркообразных катушек 5 и 6 позволяет реализовать два режима работы для каждого чувствительного элемента: первый режим измерение взаимного перемещения объектов контроля, второй режим тестирование чувствительного элемента 2. В каждом из режимов одна восьмеркообразная катушка замкнута, другая разомкнута, следовательно, благодаря экранирующим свойствам восьмеркообразных катушек поле измерительной катушки 4 в режиме тестирования оказывается направленным внутрь полости корпуса 1, а в рабочем режиме на опорный уголок 10. При питании измерительных катушек 4 напряжением высокой частоты вихревые токи, наводимые в рабочем режиме в опорном уголке 10 электромагнитными полями преобразователя, располагаются на поверхности уголка 10. Сигнал тестового режима зависит от свойств самого чувствительного элемента 2, а сигнал рабочего режима от свойств чувствительного элемента 2 и от расстояния между объектами контроля. Разностный же сигнал от обоих режимов зависит только от расстояния между объектами контроля, что позволяет повысить точность контроля при длительных испытаниях, так как разностные сигналы с преобразователя оказываются инвариантными к свойствам чувствительных элементов 2, подверженных температурной и временной нестабильности. Следовательно, отпадает необходимость в демонтаже и удалении преобразователя из зоны контроля в процессе работы для проведения тестирования. The presence of a pair of short-circuited eight-shaped coils 5 and 6 in each sensitive element makes it possible to realize two operating modes for each sensitive element: the first mode measures the mutual movement of objects of control, the second mode tests the sensitive element 2. In each of the modes, one eight-shaped coil is closed, the other is open, therefore , due to the shielding properties of the eight-shaped coils, the field of the measuring coil 4 in the test mode is directed inside the cavity and housing 1, and in operating mode to the reference corner 10. When the measuring coils 4 are supplied with high-frequency voltage, eddy currents induced in the operating mode in the reference angle 10 by the electromagnetic fields of the converter are located on the surface of the corner 10. The signal of the test mode depends on the properties of the most sensitive element 2, and the signal of the operating mode from the properties of the sensitive element 2 and from the distance between the objects of control. The difference signal from both modes depends only on the distance between the objects of control, which allows to increase the accuracy of control during long-term tests, since the difference signals from the converter turn out to be invariant to the properties of sensitive elements 2, subject to temperature and time instability. Therefore, there is no need to dismantle and remove the converter from the control zone during operation for testing.

Чтобы избежать взаимного влияния электромагнитных полей от разных чувствительных элементов 2 через общую полость корпуса преобразователя 1, переключение полей внутрь полости должно происходить поочередно. In order to avoid the mutual influence of electromagnetic fields from different sensitive elements 2 through the common cavity of the housing of the transducer 1, the switching of the fields inside the cavity should take place alternately.

Изобретение может быть использовано для контроля пространственных перемещений изделий авиационной техники, работающих в скоростных газовых потоках с перепадами температуры. The invention can be used to control the spatial movements of aircraft products operating in high-speed gas flows with temperature changes.

Claims (3)

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий опорный уголок из электропроводящего немагнитного материала, из такого же материала корпус с пазами на его трех соседних взаимно ортогональных гранях и размещенные в этих пазах три идентичных чувствительных элемента, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде полой усеченной правильной треугольной пирамиды, оба основания которой параллельны, а боковые грани - взаимно ортогональны, пазы в корпусе выполнены сквозными, а их продольные оси совпадают со средней линией соответствующей боковой грани, имеющей форму трапеции, каждый чувствительный элемент выполнен в виде плоского магнитопровода, намотанной на нем измерительной катушки индуктивности и двух идентичных многослойных плоских центрально-симметричных спиральных восьмеркообразных катушек, расположенных с обеих сторон плоского магнитопровода, восьмеркообразные катушки в соседних слоях включены последовательно согласно, а направления закрутки спиралей в них противоположны, слои выполнены так, что над промежутками между витками одного слоя размещены витки другого, свободные концы крайних восьмеркообразных катушек соединены между собой через управляемый ключ, толщина чувствительных элементов равна толщине боковых граней корпуса, а их длина и ширина не превышают соответственно длину средней линии и высоту трапеций. 1. ELECTROMAGNETIC TRANSDUCER OF SPATIAL MOVEMENTS, comprising a reference angle made of an electrically conductive non-magnetic material, a housing with the same material with grooves on its three adjacent mutually orthogonal faces and three identical sensing elements placed in these grooves, characterized in that the housing is made in the form of a hollow truncated regular a triangular pyramid, both bases of which are parallel, and the side faces are mutually orthogonal, the grooves in the body are made through, and their longitudinal axes coincide with the middle with a line of the corresponding trapezoid-shaped side face, each sensitive element is made in the form of a flat magnetic circuit, a measuring inductance coil wound on it and two identical multilayer flat centrally symmetric spiral eight-shaped coils located on both sides of the flat magnetic circuit, eight-shaped coils in adjacent layers are connected in series according to, and the directions of the twist of the spirals in them are opposite, the layers are made so that over the gaps between the turns of one coils of the other are placed on the layer, the free ends of the extreme eight-shaped coils are interconnected via a controlled key, the thickness of the sensitive elements is equal to the thickness of the side faces of the body, and their length and width do not exceed the length of the midline and the height of the trapezoid. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным корпусом, предназначенным для размещения блока обработки сигналов преобразователя, выполненным в виде правильной треугольной призмы из того же материала, что и основной корпус преобразователя, и с теми же размерами основания, что и размеры большего основания усеченной пирамиды, оба корпуса соединены одинаковыми основаниями так, что боковые ребра одного корпуса являются продолжениями боковых ребер другого, а в центре объединенных оснований выполнено сквозное отверстие для прокладки соединительных проводников. 2. The Converter according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional housing designed to accommodate the signal processing unit of the converter, made in the form of a regular triangular prism of the same material as the main body of the converter, and with the same base dimensions as and the dimensions of the larger base of the truncated pyramid, both bodies are connected by the same bases so that the side ribs of one body are extensions of the side ribs of the other, and a through hole is made in the center of the combined bases stie for laying connecting lines. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что опорный уголок выполнен в виде трех идентичных равнобедренных трапеций, объединенных боковыми сторонами и перпендикулярных одна другой, высота каждой трапеции равна сумме расчетного диапазона контролируемых перемещений и высоты боковой грани основного корпуса преобразователя. 3. The transducer according to claim 1, characterized in that the support angle is made in the form of three identical isosceles trapezoidal joints, joined by the sides and perpendicular to each other, the height of each trapezoid is equal to the sum of the calculated range of controlled movements and the height of the side face of the transducer main body.

Images