RU2766529C2

RU2766529C2 - Magnetic sensor of displacements frequency

Info

Publication number: RU2766529C2
Application number: RU2019138466A
Authority: RU
Inventors: Юрий Алексеевич Котенков; Иван Петрович Осипчук
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная компания "Геоэлектроника сервис"
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2022-03-15
Also published as: RU2019138466A3; RU2019138466A

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: magnetic sensor of displacements frequency comprises a magnetic field source based on a permanent magnet fixed on the movable controlled object and a magnetic field converter installed in the housing, the sensitivity axis of which is parallel to the longitudinal axis of the sensor, wherein magnetic field converter is made in form of working throttle with core of rod type, installed in tip of housing on electronic printed circuit board located along longitudinal axis of housing, at some distance from working throttle and perpendicular to it on electronic printed-circuit board there fixed is a choke for comparison of inductances. Results of comparison of the measured values are used to determine the presence or absence of a permanent magnet in the tip of housing sensitivity zone.

EFFECT: broader functional capabilities of the sensor.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, которые могут быть применены на станциях геолого -технологических исследований буровой установки для измерения частоты циклических движений механической системы и подсчета количества совершенных движений, например, частоты вращения вала, для измерения частоты ходов поршня, буровых насосов и т.п.The invention relates to measuring technology, namely to devices that can be used at stations for geological and technological research of a drilling rig to measure the frequency of cyclic movements of a mechanical system and count the number of perfect movements, for example, the shaft rotation frequency, to measure the frequency of piston strokes, drilling pumps etc.

Датчик частоты вращения (RU 178425. Кл. G01P 3/487, 2018 г) содержащий подвижный элемент, закрепленный на вращающемся объекте, источник магнитного поля на основе постоянного магнита и преобразователь магнитного поля, установленный между источником магнитного поля и подвижным элементом датчика. Подвижный элемент выполнен из электропроводящего немагнитного материала, источник магнитного поля выполнен в виде двухполюсного устройства с полюсами, обращенными к подвижному элементу, а преобразователь магнитного ноля установлен в нейтральной плоскости источника магнитного поля с осью чувствительности, перпендикулярной его магнитному потоку. Кроме того датчик снабжен преобразователем магнитного поля с осью чувствительности, параллельной оси чувствительности первого преобразователя и перпендикулярной магнитному потоку источника магнитного поля, причем преобразователи по выходному сигналу включены последовательно - встречно.Speed sensor (RU 178425. Cl. G01P 3/487, 2018) containing a movable element fixed on a rotating object, a magnetic field source based on a permanent magnet and a magnetic field converter installed between the magnetic field source and the movable element of the sensor. The movable element is made of an electrically conductive non-magnetic material, the magnetic field source is made in the form of a bipolar device with poles facing the movable element, and the magnetic field converter is installed in the neutral plane of the magnetic field source with the sensitivity axis perpendicular to its magnetic flux. In addition, the sensor is equipped with a magnetic field transducer with a sensitivity axis parallel to the sensitivity axis of the first transducer and perpendicular to the magnetic flux of the magnetic field source, and the output signal transducers are connected in series - counter.

Недостатком известного датчика является сложность его настройки и ограниченное применение, направленное только для измерения скорости вращения исследуемого объекта. Такие параметры, как измерение частоты циклических движений механической системы, например, штока, которые необходимо определять на буровых установках, известный датчик выполнять не может.The disadvantage of the known sensor is the complexity of its settings and limited application, aimed only at measuring the rotation speed of the object under study. Such parameters as measuring the frequency of cyclic movements of a mechanical system, for example, a rod, which must be determined on drilling rigs, cannot be performed by a known sensor.

Проблемой полезной модели является разработка простого по конструкции и эксплуатации датчика обеспечивающего возможность измерения частоты циклических движений механической системы, как вращающихся объектов, так и объектов с возвратно-поступательным перемещением.The problem of the utility model is the development of a sensor that is simple in design and operation, providing the ability to measure the frequency of cyclic movements of a mechanical system, both rotating objects and objects with reciprocating movement.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей датчика.The technical result of the invention is to expand the functionality of the sensor.

Поставленная проблема и указанный технический результат осуществляются за счет того что датчик частоты перемещений магнитный включает источник магнитного поля на основе постоянного магнита, закрепленного на подвижном контролируемом объекте и установленный в корпусе преобразователь магнитного поля, ось чувствительности которого параллельна продольной оси датчика. Согласно полезной модели преобразователь магнитного поля выполнен в виде рабочего дросселя с сердечником стержневого типа, установленного в наконечнике корпуса на электронной печатной плате, расположенной вдоль продольной оси корпуса. На некотором расстоянии от рабочего дросселя и перпендикулярно ему на электронной печатной плате закреплен образцовый дроссель для сравнения индуктивностей. По результатам сравнения измеренных величин определяют состояние присутствия или отсутствия постоянного магнита в зоне чувствительности наконечника корпуса.The problem posed and the specified technical result are carried out due to the fact that the magnetic displacement frequency sensor includes a magnetic field source based on a permanent magnet fixed on a movable controlled object and a magnetic field converter installed in the housing, the sensitivity axis of which is parallel to the longitudinal axis of the sensor. According to the utility model, the magnetic field converter is made in the form of a working choke with a rod-type core installed in the tip of the housing on an electronic printed circuit board located along the longitudinal axis of the housing. At some distance from the working inductor and perpendicular to it, an exemplary inductor is fixed on the electronic printed circuit board for comparing inductances. According to the results of comparing the measured values, the state of the presence or absence of a permanent magnet in the sensitivity zone of the housing tip is determined.

Внутри наконечника корпуса датчика закреплен светодиод, для обеспечения визуального контроля за его работоспособностью.An LED is fixed inside the tip of the sensor housing to provide visual control over its performance.

Корпус датчика преимущественно выполняют из пластмассы.The sensor housing is predominantly made of plastic.

Электронная печатная плата содержит микроконтроллер для расчета частоты приближений и общего числа приближений магнита для дальнейшей передачи измеренных величин от рабочего и образцового дросселей через гермоввод и по кабелю связи в систему сбора данных геолого-технологических исследований, систему контроля, регулирования и управления технологическими процессами.The electronic printed circuit board contains a microcontroller for calculating the frequency of approximations and the total number of approximations of the magnet for further transmission of the measured values from the working and exemplary chokes through a pressure seal and via a communication cable to the system for collecting data of geological and technological studies, the system for monitoring, regulating and controlling technological processes.

Датчик выполнен в взравозащищенном исполнении.The sensor is made in explosion-proof design.

Расположение в наконечнике корпуса рабочего дросселя с сердечником стержневого типа, продольная ось которого совпадает с продольной осью чувствительной головки датчика обеспечивает повышение влияния магнитного поля постоянного магнита на изменение индуктивности дросселя.The location in the tip of the housing of the working throttle with a core of a rod type, the longitudinal axis of which coincides with the longitudinal axis of the sensitive head of the sensor provides an increase in the influence of the magnetic field of the permanent magnet on the change in the inductance of the throttle.

Расположение на некотором расстоянии от рабочего дросселя и перпендикулярно ему такого же образцового дросселя позволяет оценивать индуктивность методом сравнения, что упрощает схему, снижает требования к номиналу дросселей, компенсирует влияние температуры и некоторых внешних помех.The location at some distance from the working choke and perpendicular to it of the same exemplary choke allows you to evaluate the inductance by comparison, which simplifies the circuit, reduces the requirements for the rating of the chokes, and compensates for the influence of temperature and some external noise.

Электронная печатная плата содержит микроконтроллер, который опрашивает рабочий и образцовый дроссели, измеряет время между приближениями магнита, рассчитывает частоту приближений и общее число приближений магнита, передает измеренные величины по цифровой линии связи. Кабель, выведенный через гермоввод содержит линии питания и цифрового канала связи с системой сбора данных геолого-технологических исследований, системы контроля, регулирования и управления технологическими процессами.The electronic printed circuit board contains a microcontroller that interrogates the working and exemplary chokes, measures the time between magnet approaches, calculates the frequency of approximations and the total number of magnet approximations, and transmits the measured values via a digital communication line. The cable brought out through the cable gland contains power lines and a digital communication channel with a system for collecting data from geological and technological studies, a system for monitoring, regulating and managing technological processes.

Датчик частоты перемещений магнитный поясняется следующими чертежами, где на фиг. 1 представлен датчик в разрезе; на фиг. 2 - внешний вид датчика.The magnetic displacement frequency sensor is illustrated by the following drawings, where in Fig. 1 shows the sensor in section; in fig. 2 - appearance of the sensor.

Датчик частоты перемещения магнитный выполнен в взрывозащищенном исполнении и включает пластмассовый корпус 1, внутри которого вдоль продольной оси симметрии смонтирована электронная печатная плата 2. Возле торца наконечника корпуса 1, на плате 2 параллельно продольной оси корпуса 1 закреплен рабочий дроссель 3 с сердечником стержневого типа. На некотором расстоянии от него и перпендикулярно ему закреплен образцовый дроссель 4. Внутри наконечника корпуса 1 закреплен светодиод 5. Так же на плате 2 смонтирован микроконтроллер (на фиг. не показано). Датчик через гермоввод 6 связан кабелем 7 с внешней системой сбора (на фиг. не показано). На подвижном контролируемом объекте 8 закреплен источник 9 магнитного поля на основе постоянного магнита. Датчик снабжен кронштейном 10 для установки его на неподвижном элементе конструкции 11 (кожух или станина).The magnetic displacement frequency sensor is made in an explosion-proof design and includes a plastic case 1, inside which an electronic printed circuit board 2 is mounted along the longitudinal axis of symmetry. Near the end of the tip of the case 1, on the board 2 parallel to the longitudinal axis of the case 1, a working throttle 3 with a rod-type core is fixed. At some distance from it and perpendicular to it, an exemplary inductor 4 is fixed. An LED 5 is fixed inside the tip of the housing 1. A microcontroller is also mounted on the board 2 (not shown in the figure). The sensor is connected by a cable 7 to an external collection system through a pressure seal 6 (not shown in the figure). A magnetic field source 9 based on a permanent magnet is fixed on the movable controlled object 8. The sensor is equipped with a bracket 10 for mounting it on a fixed structural element 11 (casing or frame).

Датчик частоты перемещения магнитный работает следующим образом.Magnetic displacement frequency sensor works as follows.

Принцип действия датчика частоты приближений магнита основан на свойстве рабочего дросселя 3 изменять индуктивность при приближении к нему постоянного магнита 9. Каждые 200 мкс в датчике сравнивается индуктивность двух дросселей: рабочего 3, расположенного в торце пластмассового корпуса 1, и образцового 4, удаленного от торца корпуса 1 на некоторое расстояние. По результату сравнения индуктивностей определяется состояния «присутствие» или «отсутствие» постоянного магнита 9 в зоне чувствительности датчика. Расстояние срабатывания зависит от габаритов магнита 9 и напряженности его магнитного поля.The principle of operation of the magnet proximity frequency sensor is based on the property of the working choke 3 to change the inductance when the permanent magnet 9 approaches it. Every 200 μs, the inductance of two chokes is compared in the sensor: the working choke 3, located at the end of the plastic case 1, and the exemplary 4, remote from the end of the case 1 for some distance. The result of the comparison of inductances determines the state of "presence" or "absence" of a permanent magnet 9 in the sensitivity zone of the sensor. The actuation distance depends on the dimensions of the magnet 9 and the intensity of its magnetic field.

Для проведения измерений датчик устанавливают с помощью кронштейна 10 и крепежных приспособлений 12 на корпусе 11 контролируемого механизма. Магнит 9 крепят за счет собственной силы притяжения на металлической части подвижного контролируемого объекта 8, частоту циклического движения которой необходимо измерять. Например, при установке магнита 9 на вал измеряется частота и количество оборотов этого вала, при установке магнита 9 на шток измеряются частота и количество возвратно-поступательных движений штока. Датчик срабатывает, когда магнит 9 приближается к торцу его пластмассового корпуса 1. При этом внутри пластмассового корпуса 1 загорается светодиод 5, позволяющий визуально контролировать работоспособность датчика.For measurements, the sensor is installed using the bracket 10 and fasteners 12 on the body 11 of the controlled mechanism. The magnet 9 is fixed due to its own force of attraction on the metal part of the movable controlled object 8, the frequency of the cyclic movement of which must be measured. For example, when installing magnet 9 on a shaft, the frequency and number of revolutions of this shaft are measured, when installing magnet 9 on a rod, the frequency and number of reciprocating movements of the rod are measured. The sensor is triggered when the magnet 9 approaches the end of its plastic case 1. At the same time, LED 5 lights up inside the plastic case 1, which makes it possible to visually monitor the sensor's performance.

Электронная схема электронной печатной платы 2 измеряет время между соседними срабатываниями, вычисляет частоту циклических движений и по запросам системы верхнего уровня передает ей результаты измерений по цифровой однопроводной линии связи (на фиг. не показано). Кроме частоты перемещений датчик подсчитывает и передает общее количество срабатываний, т.е. количество совершенных циклических движений (количество оборотов, ходов штока и т.п.) через кабель 7 связи для дистанционной передачи в систему сбора данных геолого-технологических исследований, системы контроля, регулирования и управления технологическими процессами.The electronic circuit of the electronic printed circuit board 2 measures the time between adjacent operations, calculates the frequency of cyclic movements, and, at the request of the upper-level system, transmits the measurement results to it via a digital single-wire communication line (not shown in the figure). In addition to the frequency of movements, the sensor counts and transmits the total number of operations, i.e. the number of perfect cyclic movements (the number of revolutions, strokes of the rod, etc.) through the communication cable 7 for remote transmission to the data collection system of geological and technological research, the system of control, regulation and management of technological processes.

В настоящее время датчик частоты перемещения магнитный прошел опытно-промышленные испытания и готовится его серийное производство для использования на буровых установках.At present, the magnetic displacement frequency sensor has passed pilot tests and is being prepared for mass production for use on drilling rigs.

Claims

1. Датчик частоты перемещений магнитный, включающий источник магнитного поля на основе постоянного магнита, закрепленного на подвижном контролируемом объекте, и установленный в корпусе преобразователь магнитного поля, ось чувствительности которого параллельна продольной оси датчика, отличающийся тем, что преобразователь магнитного поля выполнен в виде рабочего дросселя с сердечником стержневого типа, установленного в наконечнике корпуса на электронной печатной плате, расположенной вдоль продольной оси корпуса, на некотором расстоянии от рабочего дросселя и перпендикулярно ему на электронной печатной плате закреплен образцовый дроссель для сравнения индуктивностей, по результатам сравнения измеренных величин определяют состояние присутствия или отсутствия постоянного магнита в зоне чувствительности наконечника корпуса.1. A magnetic displacement frequency sensor, including a magnetic field source based on a permanent magnet fixed on a movable controlled object, and a magnetic field transducer installed in the housing, the sensitivity axis of which is parallel to the longitudinal axis of the sensor, characterized in that the magnetic field transducer is made in the form of a working throttle with a rod-type core installed in the tip of the housing on an electronic printed circuit board located along the longitudinal axis of the housing, at some distance from the operating inductor and perpendicular to it, an exemplary inductor is fixed on the electronic printed circuit board for comparing inductances, based on the results of comparing the measured values, the state of presence or absence is determined permanent magnet in the sensitive area of the body tip.

2 Датчик по п. 1, отличающийся тем, что внутри наконечника корпуса закреплен светодиод для обеспечения визуального контроля за его работоспособностью.2 Sensor according to claim 1, characterized in that an LED is fixed inside the housing tip to provide visual control over its performance.

3 Датчик по п. 1, отличающийся тем, что корпус датчика выполняют из пластмассы.3 Sensor according to claim 1, characterized in that the sensor body is made of plastic.

4 Датчик по п. 1, отличающийся тем, что электронная печатная плата содержит микроконтроллер для расчета частоты приближений и общего числа приближений магнита и для дальнейшей передачи измеренных величин от рабочего и образцового дросселей через гермоввод и по кабелю связи в систему сбора данных геолого-технологических исследований, систему контроля, регулирования и управления технологическими процессами.4 The sensor according to claim 1, characterized in that the electronic printed circuit board contains a microcontroller for calculating the frequency of approximations and the total number of approximations of the magnet and for further transmission of the measured values from the working and exemplary chokes through a pressure seal and via a communication cable to the data collection system of geological and technological studies , system of control, regulation and management of technological processes.

5 Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в взрывозащищенном исполнении.5 Sensor according to claim 1, characterized in that it is made in explosion-proof design.