PL234587B1

PL234587B1 - Magnetyczne urządzenie do pomiaru odległości i przemieszczenia od podłoża ferromagnetycznego

Info

Publication number: PL234587B1
Application number: PL402584A
Authority: PL
Inventors: Czesław NEF; Czesław Nef; Arkadiusz Bernard MOKRZECKI; Arkadiusz Berna Rd Mokrzecki
Original assignee: Arkadiusz Bernard MOKRZECKI; Nef Czeslaw
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2020-03-31
Also published as: PL402584A1; EP2767796A1

Abstract

Magnetyczne urządzenie, posiadające magnes pierścieniowy i czujnik wrażliwy na pole magnetyczne, charakteryzuje się tym, że magnes pierścieniowy (1) i czujnik (2) wrażliwy na pole magnetyczne zamocowane są do elementu nośnego (3), przy czym czujnik (2) wrażliwy na pole magnetyczne umieszczony jest w pionowej osi magnesu pierścieniowego (1) w obszarze o liniowej charakterystyce indukcji magnetycznej funkcji odległości od magnesu (1), a element nośny (3) połączony jest z obudową (4) wykonaną z materiału ferromagnetycznego, natomiast pomiędzy obudową (4), a magnesem pierścieniowym (1) zamocowanym na elemencie nośnym (3) jest magnetyczna szczelina (5), przy czym druga magnetyczna szczelina (7) jest pomiędzy obudową (4) a podłożem ferromagnetycznym (6). Czujnikiem (2) wrażliwym na pole magnetyczne, korzystnie jest czujnik Halla. Element nośny (3), wykonany jest z materiału o współczynniku rozszerzalności termicznej poniżej 12x10-6 m/mK, korzystnie z materiału ceramicznego. Magnetyczne szczeliny (5) i (7) wypełnione są materiałem o właściwościach diamagnetycznych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest magnetyczne urządzenie do pomiaru odległości i przemieszczenia od podłoża ferromagnetycznego. Urządzenie to może być również stosowane do pomiaru powłok materiałów magnetycznych na podłożu ferromagnetycznym oraz do pomiaru grubości powłok materiałów niemagnetycznych na podłożu ferromagnetycznym oraz do pomiaru odkształceń podłoża ferromagnetycznego na skutek naprężeń lub do pomiaru ugięcia. Można je również wykorzystać jako czujnik zbliżeniowy lub defektoskop do wykrywania na powierzchni wad materiału ferromagnetycznego, np. pęcherzy, wtrąceń, pięknieć, itp.

Urządzenie pomiarowe z efektem Halla znane z opisu patentowego USA nr US8624586, przeznaczone jest do pomiaru odległości i przemieszczenia od podłoża ferromagnetycznego. Urządzenie zawiera magnes pierścieniowy i czujnik wrażliwy na pole magnetyczne, czujnik Halla. Czujnik umieszczony jest w pionowej osi magnesu pierścieniowego. Dla prawidłowego działania magnes pierścieniowy i czujnik połączone są z obudową z materiału ferromagnetycznego. Pomiędzy obudową i magnesem pierścieniowym jest szczelina magnetyczna. Druga szczelina magnetyczna jest pomiędzy obudową i podłożem ferromagnetycznym. Urządzenie to przeznaczone jest do pomiaru odległości, przy czym mierzy się odchylenie badanego elementu będącego w ruchu, od położenia odniesienia.

Podobnie urządzenie magnetyczne znane z niemieckiego opisu zgłoszeniowego DE3638622, zawiera magnes pierścieniowy i czujnik Halla umieszczone w cylindrycznej obudowie, przy czym czujnik Halla umieszczony jest w pionowej osi magnesu pierścieniowego. Obudowa może być wykonana z materiału ferromagnetycznego. Pomiędzy magnesem pierścieniowym i obudową oraz pomiędzy obudową i podłożem ferromagnetycznym zawarte są szczeliny. Urządzenie to stosowane jest w motoryzacji do wykrywania ruchów obrotowych lub wykrywania prędkości obrotowej.

Z polskiego zgłoszenia wynalazku nr P.394282 znany jest magnetyczny czujnik do pomiaru przemieszczeń, który składa się z dwóch magnesów pierścieniowych, usytuowanych względem siebie równolegle biegunami jednoimiennymi, korzystnie w odległości równej promieniowi R każdego z magnesów. Magnesy pierścieniowe osadzone są w sposób trwały w korpusie do jego wewnętrznej strony, który to korpus wykonany jest z materiału o małym współczynniku rozszerzalności temperaturowej. W przestrzeni środkowej między magnesami pierścieniowymi umieszczony jest liniowy czujnik Halla lub inny czujnik przystosowany do pomiaru natężenia pola magnetycznego.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr US6,703,830 znany jest magnetyczny czujnik zbliżeniowy z możliwością strojenia, który składa się z magnesu trwałego w kształcie pierścienia, a w jego otworze znajduje się element dostrojczy. Do czoła magnesu pierścieniowego przytwierdzony jest na stałe czujnik wrażliwy na pole magnetyczne. Element dostrojczy wykonany jest z materiału ferromagnetycznego lub diamagnetycznego. W przypadku materiału diamagnetycznego końcówka śruby dostrojczej zakończona jest magnesem stałym lub ferromagnetykiem.

Z innego polskiego zgłoszenia wynalazku nr P.396780 znany jest magnetyczny czujnik do pomiaru odległości i grubości powłok materiałów diamagnetycznych i paramagnetycznych na podłożu ferromagnetycznym. Magnetyczny czujnik składa się z dwóch magnesów pierścieniowych usytuowanych względem siebie, równolegle biegunami jednoimiennymi. Magnesy pierścieniowe osadzone są w sposób trwały i nierozłączny w korpusie do jego wewnętrznej ściany, będącym metalową tuleją wykonaną z materiału o wąskiej pętli histerezy magnetycznej, korzystnie ze stali magnetycznie miękkiej. A w pionowej osi przestrzeni środkowej pomiędzy magnesami pierścieniowymi zamocowany jest liniowy czujnik Halla lub inny czujnik przystosowany do pomiaru natężenia pola magnetycznego, który jest zespolony w sposób trwały z korpusem.

Według wynalazku magnetyczne urządzenie do pomiaru odległości i przemieszczenia od podłoża ferromagnetycznego, posiadające magnes pierścieniowy i czujnik wrażliwy na pole magnetyczne, korzystnie czujnik Halla charakteryzuje się tym, że magnes pierścieniowy i czujnik wrażliwy na pole magnetyczne, korzystnie czujnik Halla zamocowane są do elementu nośnego wykonanego z materiału o współczynniku rozszerzalności termicznej poniżej 12 x 10^-6 m/mK, korzystnie z materiału ceramicznego, przy czym czujnik wrażliwy na pole magnetyczne umieszczony jest w pionowej osi magnesu pierścieniowego w obszarze o liniowej charakterystyce indukcji magnetycznej w funkcji odległości od magnesu pierścieniowego.

Element nośny połączony jest z obudową wykonaną z materiału ferromagnetycznego. Pomiędzy obudową a magnesem pierścieniowym zamocowanym na elemencie nośnym oraz obudową i podłożem ferromagnetycznym znajdują się szczeliny magnetyczne.

PL 234 587 B1

W drugiej wersji wynalazku szczeliny magnetyczne szczeliny wypełnione są materiałem o właściwościach diamagnetycznych, pełniąc funkcję dystansu od podłoża ferromagnetycznego. Wypełnienie w szczelinie magnetycznej pomiędzy obudową a podłożem ferromagnetycznym wystaje poza poziomą linię czoła obudowy.

Zaletą magnetycznego urządzenia według wynalazku jest jego uniwersalność i dokładność polegająca na dokonywaniu w bardzo prosty sposób szereg u pomiarów takich jak: odległość i przemieszczenie badanych materiałów od podłoża ferromagnetycznego, grubość wszelakich powłok z materiałów diamagnetycznych na podłożach ferromagnetycznych oraz odkształceń podłoża ferromagnetycznego.

Urządzenie charakteryzuje się bardzo prostą konstrukcją i pozwalającą na uzyskiwanie dokładnych wyników pomiaru poniżej jednego mikrometra. Zastosowanie elementu nośnego wykonanego z materiału o współczynniku rozszerzalności termicznej poniżej 12 x 10^-6 m/mK z zamocowanym na nim magnesem pierścieniowym i czujnikiem wrażliwym na pole magnetyczne, pozwala na uzyskiwanie wysokiej stabilności temperaturowej.

Obudowa wykonana z materiału ferromagnetycznego umożliwia pomiar badanych materiałów na krawędziach materiału ferromagnetycznego oraz pełni funkcję ekranu magnetycznego i dzięki temu uzyskuje się wysoką odporność na zewnętrzne zakłócenia.

Nieoczekiwanie okazało się, że dzięki zastosowaniu dystansu pomiędzy obudową a magnesem oraz obudową a podłożem ferromagnetycznym, uzyskuje się zwiększenie dokładności pomiaru.

Wzajemne położenie magnesu pierścieniowego i czujnika wrażliwego na pole magnetyczne na elemencie nośnym zawartym w obudowie wykonanej z materiału ferromagnetycznego, pozwala na uzyskanie liniowego sygnału wyjściowego z czujnika wrażliwego na pole magnetyczne, na skutek zmian indukcji magnetycznej spowodowanej zmianą odległości od materiału ferromagnetycznego.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia magnetyczne urządzenie w przekroju pionowym, fig. 2 przedstawia wykres indukcji magnetycznej w funkcji odległości w pionowej osi magnesu pierścieniowego, fig. 3 pokazuje wykres napięcia wyjściowego w funkcji odległości od materiału ferromagnetycznego, fig. 4 p okazuje magnetyczne urządzenie w przekroju pionowym z elementami dystansowymi, fig. 5 przedstawia przekrój pionowy urządzenia do pomiaru odkształcenia materiałów ferromagnetycznych na skutek naprężeń.

P r z y k ł a d 1

Zgodnie z pierwszą wersją realizacji wynalazku przedstawione na fig. 1, magnetyczne urządzenie służące do pomiaru odległości składa się z magnesu pierścieniowego 1 i czujnika Halla 2 wrażliwego na pole magnetyczne, które zamocowane są do elementu nośnego 3. Element nośny 3 wykonany jest z materiału o współczynniku rozszerzalności termicznej poniżej 6 x 10^-6 m/mK. Czujnik Halla 2 w odniesieniu do magnesu pierścieniowego 1 umieszczony jest w pionowej jego osi, w obszarze o liniowej charakterystyce indukcji magnetycznej funkcji odległości od magnesu 1, odpowiadającej odcinkowi AB pokazanym na wykresie na fig. 2. Wielkość i położenie tego obszaru względem magnesu 1 uwarunkowana jest wymiarami magnesu 1, tj. średnicą wewnętrzną i zewnętrzną oraz wysokością i jego remanencją. Strojenie urządzenia odbywa się poprzez ustalenie wzajemnego położenia magnesu pierścieniowego 1 i czujnika Halla 2 na elemencie nośnym 3.

W celu zmniejszenia błędu pomiarowego na krawędziach badanej powierzchni zastosowano obudowę 4 wykonaną z materiału ferromagnetycznego. Obudowa 4 pełni też funkcję magnetowodu. Pomiędzy obudową 4, a magnesem pierścieniowym 1 zamocowanym na elemencie nośnym 3 zawarta jest magnetyczna szczelina 5. Natomiast pomiędzy obudową 4 a podłożem ferromagnetycznym 6 znajduje się druga szczelina magnetyczna 7 wypełniona materiałem o właściwościach diamagnetycznych. Wypełnienie szczeliny magnetycznej 7 tworzy dystans do podłoża ferromagnetycznego 6 od strony czoła urządzenia, wystając poza poziomą linię czoła obudowy 4.

Pomiar odległości badanych materiałów diamagnetycznych i paramagnetycznych 8 od podłoża ferromagnetycznego 6 odbywa się poprzez zbliżanie i oddalanie materiału o właściwościach ferromagnetycznych do czoła obudowy 4 zakończonej szczeliną magnetyczną 7 wypełnioną materiałem o właściwościach diamagnetycznych, która to obudowa 4 z wypełnieniem pełni funkcję magnetowodu i ekranu. Przybliżanie i oddalanie skutkuje zmianą wartości indukcji magnetycznej magnesu pierścieniowego 1 w obrębie jego liniowej charakterystyki AB, przedstawionej na wykresie na fig. 2, która to zmiana warunkuje sygnał napięciowy z czujnika Halla 2, przedstawionego na wykresie na fig. 3.

PL 234 587 B1

P r z y k ł a d 2

Zgodnie z drugą wersją wynalazku przedstawionego na fig. 4, magnetyczne urządzenie służące do pomiaru odległości jest podobne jak w przykładzie 1 i składa się z magnesu pierścieniowego i czujnika Halla 2 wrażliwego na pole magnetyczne, które zamocowane są do elementu nośnego 3. Element nośny 3 wykonany jest z materiału ceramicznego. Czujnik Halla 2 w odniesieniu do magnesu pierścieniowego 1 umieszczony jest w pionowej jego osi, w obszarze o liniowej charakterystyce indukcji magnetycznej funkcji odległości od magnesu 1, odpowiadającej odcinkowi AB pokazanym na wykresie na fig. 2. Wielkość i położenie tego obszaru względem magnesu i uwarunkowana jest wymiarami magnesu 1, tj. średnicą wewnętrzną i zewnętrzną oraz wysokością i jego remanencją. Strojenie urządzenia odbywa się poprzez ustalenie wzajemnego położenia magnesu pierścieniowego 1 i czujnika Halla 2 na elemencie nośnym 3.

W celu poprawienia dokładności pomiarowej urządzenia na krawędziach i zaekranowanie, zastosowano obudowę 4 wykonaną z materiału ferromagnetycznego. Obudowa 4 pełni też funkcję magnetowodu. Pomiędzy obudową 4, a magnesem pierścieniowym l zamocowanym na elemencie nośnym 3, a magnesem pierścieniowym 1 zamocowanym na elemencie nośnym 3 zawarta jest magnetyczna szczelina 5, a pomiędzy obudową 4 a podłożem ferromagnetycznym 6 zawarta jest druga szczelina magnetyczna 7. W podparciach umieszczone są śruby 10 wykonane z materiału o właściwościach diamagnetycznych, które tworzą dystans do podłoża ferromagnetycznego 6 wystając poza linię czoła obudowy 4.

Pomiar ugięcia badanego materiału ferromagnetycznego, jego zbliżanie lub oddalanie materiału względem czoła urządzenia skutkuje zmianą indukcji magnetycznej magnesu pierścieniowego i w obrębie jego liniowej charakterystyki AB, przedstawionej na wykresie na fig. 2, która to zmiana warunkuje sygnał napięciowy z czujnika Halla 2, przedstawionego na wykresie na fig. 3. Największe ugięcie uzyskuje się w części środkowej podłoża ferromagnetycznego 6 względem trój punktowego układu podparcia za pomocą śrub 10.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Magnetyczne urządzenie do pomiaru odległości i przemieszczenia od podłoża ferromagnetycznego zawiera cylindryczną obudowę wykonaną z materiału ferromagnetycznego, w której osadzone są magnes pierścieniowy i czujnik wrażliwy na pole magnetyczne, przy czym czujnik wrażliwy na pole magnetyczne umieszczony jest w pionowej osi magnesu pierścieniowego, ponadto pomiędzy magnesem pierścieniowym i obudową oraz pomiędzy obudową i podłożem ferromagnetycznym zawarte są szczeliny, znamienne tym, że magnes pierścieniowy (1) i czujnik (2) wrażliwy na pole magnetyczne zamocowane są trwale i nierozłącznie do elementu nośnego (3), przy czym czujnik (2) wrażliwy na pole magnetyczne umieszczony jest w pionowej osi magnesu pierścieniowego (1) w obszarze o liniowej charakterystyce indukcji magnetycznej w funkcji odległości od magnesu (1), a element nośny (3) połączony jest z obudową (4) wykonaną z materiału ferromagnetycznego.
2. Magnetyczne urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że czujnikiem (2) wrażliwym na pole magnetyczne jest czujnik Halla.
3. Magnetyczne urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że element nośny (3) wykonany jest z materiału o współczynniku rozszerzalności termicznej poniżej 12 x 10^-6 m/mK.
4. Magnetyczne urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że element nośny (3) wykonany jest z materiału ceramicznego.
5. Magnetyczne urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy magnesem pierścieniowym (1) i obudową (4) oraz pomiędzy obudową (4) i podłożem ferromagnetycznym (6) zawarte są magnetyczne szczeliny pierwsza (5) i druga (7), które wypełnione są materiałem o właściwościach diamagnetycznych.
6. Magnetyczne urządzenie, według zastrz. 5, znamienne tym, że w pierwszej magnetycznej szczelinie (5) umieszczone są elementy dystansowe (9) wykonane z materiału o właściwościach diamagnetycznych.
7. Magnetyczne urządzenie, według zastrz. 6, znamienne tym, że elementy dystansowe (9) i wypełnienia w magnetycznych szczelinach (7) wystają poza poziomą linię czoła obudowy (4).