close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14525

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.06.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14525
(13) C1
(19)
G 01P 3/50 (2006.01)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ,
ЮЗА И ПРОБУКСОВКИ АВТОМОБИЛЯ
(21) Номер заявки: a 20091456
(22) 2009.10.15
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной
академии наук Беларуси по материаловедению" (BY)
(72) Автор: Ярмолович Вячеслав Алексеевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(56) RU 2307356 C1, 2007.
BY 5390 U, 2009.
BY 5005 U, 2009.
RU 2104554 C1, 1998.
WO 2005/003789 A1.
BY 14525 C1 2011.06.30
(57)
1. Устройство для определения скорости движения, юза и пробуксовки автомобиля,
содержащее датчик магнитного поля с возможностью измерения вертикальной составляющей индукции магнитного поля Земли, датчик угла наклона автомобиля, датчик контроля угловой скорости ведущего колеса автомобиля, первую измерительную катушку,
выполненную из равного количества изолированных, последовательно соединенных измерительных и обратных проводников, расположенных в горизонтальной плоскости в
направлении, перпендикулярном направлению движения автомобиля, для обеспечения
возможности воздействия на измерительные проводники вертикальной составляющей
магнитного поля Земли, обратные проводники размещены в магнитопроводе, выполненном в виде магнитного экрана для магнитного экранирования упомянутых проводников;
Фиг. 3
BY 14525 C1 2011.06.30
вторую аналогичную измерительную катушку, установленную на автомобиле в горизонтальной плоскости и повернутую на 90° относительно первой, причем выводы измерительных катушек и выходы датчиков магнитного поля и угла наклона подключены к
соответствующим входам бортового микропроцессора, выполненного с возможностью
фильтрации переменной составляющей электрического потенциала и вычисления скорости
движения автомобиля в зависимости от разности электрических потенциалов, возникающей на измерительных проводниках катушек, каждая из которых снабжена концентратором магнитного потока, выполненным из магнитного материала с высокой начальной
магнитной проницаемостью в виде двух идентичных пластин с заостренными концами в
виде усеченной пирамиды, расположенными встречно с зазором, в котором размещены
измерительные проводники и датчик магнитного поля, например датчик Холла; магнитопровод каждой из измерительных катушек электрически соединен с корпусом автомобиля
и выполнен многослойным с чередующимися ферромагнитными и немагнитными слоями
соответственно c высокими магнитной проницаемостью и электрической проводимостью;
выводы измерительных катушек подключены к соответствующим входам бортового микропроцессора непосредственно или через измерители электрического потенциала; первая
измерительная катушка расположена предпочтительно под корпусом автомобиля, а датчик угла наклона выполнен двухосным с возможностью измерения поперечного или продольного угла наклона автомобиля.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пластины концентратора магнитного
потока выполнены из ферромагнитного материала с углом заострения концов, выбранным
из диапазона от 90 до 120°.
Устройство для определения скорости движения, юза и пробуксовки автомобиля относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть преимущественно использовано для автономного определения параметров движения автомобиля.
Известно устройство для измерения скорости объекта, преимущественно автомобиля,
путем контроля угловой скорости какого-либо механизма этого объекта, например колеса,
кинематически связанного с поверхностью, по которой перемещается объект. Устройство
содержит последовательно соединенные датчик импульсов, схему формирования управляющих сигналов, выполненную в виде делителя частоты с регулируемым коэффициентом пересчета, и указатель скорости - стрелочный индикатор [1].
Недостатками этого технического решения являются отсутствие автономности и повышенная сложность установки на объекте ввиду необходимости присоединения датчика
импульсов к какому-либо движущемуся механизму объекта, а также отсутствие универсальности в применении, вызванное необходимостью установки различных коэффициентов
деления частоты для различных объектов. Недостатком также является недостоверность
показаний скорости при пробуксовке колеса. Юз не фиксируется вообще.
Также известно устройство для измерения скорости и обнаружения буксования (пробуксовки) и юза транспортного средства [2], которое относится к области железнодорожной
автоматики, телемеханики и связи и предназначено для использования на локомотивах и
моторвагонных подвижных составах. Устройство содержит датчики пути и скорости ДПС,
выходы которых соединены со входами блоков формирователей сигналов, выходы которых
соединены со входами блоков счетчиков импульсов, выходы которых соединены со входами блоков вычисления скорости, другие входы которых соединены с выходами блоков
постоянных характеристик; навигационный приемник ПН входом соединен с навигационной антенной, а выходом соединен со входом блока данных навигационного приемника
БДН, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения скоростей БСС, который другими входами соединен с выходами блоков вычисления скорости БВС, а выход
соединен со входом блока связи с CAN-интерфейсом БКИ, выходы которого соединены со
входами блоков постоянных характеристик.
2
BY 14525 C1 2011.06.30
Недостатком этого технического решения является невозможность его использования
в целом для определения параметров автомобиля, в том числе юза. Параметры юза железнодорожного транспорта и автомобильного принципиальным образом отличаются, т.к.
для автомобиля возможен юз в плоскости (более сложный), и не только одномерный.
Кроме того, для измерения некоторых параметров движения необходимо сложное оборудование, например навигационная антенна, которой обычно автомобиль не оборудован.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения скорости объекта [3] (прототип), которое по первому варианту содержит измерительный проводник, расположенный в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению
движения объекта, с возможностью воздействия на этот проводник магнитным полем
Земли, и бортовой вычислитель, выполненный с возможностью определения скорости
движения объекта в зависимости от разности электрического потенциала между различными точками измерительного проводника, дополнительно используется обратный проводник, размещенный в магнитном экране, соединенный последовательно и расположенный
параллельно измерительному проводнику. Однонаправленные выводы измерительного и
обратного проводника непосредственно или через дополнительный измеритель потенциала подключаются к бортовому вычислителю. Устройство может также содержать датчик
магнитного поля, осуществляющий измерение вертикальной составляющей индукции
магнитного поля Земли, и/или датчик угла поперечного наклона (инклинометр), и/или акселерометр.
Во втором варианте этого устройства используются дополнительные N изолированных измерительных проводников, которые расположены аналогично указанному измерительному проводнику, и обратные изолированные проводники, количество которых равно
количеству измерительных проводников, причем измерительные и обратные проводники
соединяются последовательно и образуют измерительную катушку, размещенную в магнитопроводе, который обеспечивает магнитное экранирование обратных проводников,
причем выводы измерительной катушки непосредственно или через дополнительный измеритель потенциала подключены к бортовому вычислителю.
В обоих вариантах исполнения устройство дополнительно может содержать также
датчик угла наклона объекта (инклинометр) и/или акселерометр, подключенный ко входу
бортового вычислителя. В последнем случае бортовой вычислитель выполняется с возможностью определения скорости движения объекта с учетом отклонения объекта от горизонтального положения и его линейного ускорения.
Недостатком этого устройства является низкая точность измерения скорости объекта
из-за малой величины вертикальной составляющей индукции магнитного поля Земли,
воздействующей на измерительные проводники, которая обычно находится на уровне, не
превышающем 5-8 мкТл, что и обусловливает малую величину контролируемой разности
потенциалов. Недостатком также является невозможность определения таких параметров
движения автомобиля, как пробуксовка и юз автомобиля, что в итоге приводит к снижению безопасности транспортного средства.
Задачей настоящего изобретения является повышение безопасности движения и точности определения скорости автомобиля.
Предложено устройство для определения скорости движения, юза и пробуксовки автомобиля, содержащее датчик магнитного поля с возможностью измерения вертикальной
составляющей индукции магнитного поля Земли, датчик угла наклона автомобиля, датчик
контроля угловой скорости ведущего колеса автомобиля, первую измерительную катушку,
выполненную из равного количества изолированных, последовательно соединенных
измерительных и обратных проводников, расположенных в горизонтальной плоскости в
направлении, перпендикулярном направлению движения автомобиля, для обеспечения
возможности воздействия на измерительные проводники вертикальной составляющей
магнитного поля Земли, обратные проводники размещены в магнитопроводе, выполнен3
BY 14525 C1 2011.06.30
ном в виде магнитного экрана для магнитного экранирования упомянутых проводников;
вторую аналогичную измерительную катушку, установленную на автомобиле в горизонтальной плоскости и повернутую на 90° относительно первой, причем выводы измерительных катушек и выходы датчиков магнитного поля и угла наклона подключены к
соответствующим входам бортового микропроцессора, выполненного с возможностью
фильтрации переменной составляющей электрического потенциала и вычисления скорости
движения автомобиля в зависимости от разности электрических потенциалов, возникающей на измерительных проводниках катушек, каждая из которых снабжена концентратором магнитного потока, выполненным из магнитного материала с высокой начальной
магнитной проницаемостью в виде двух идентичных пластин с заостренными концами в
виде усеченной пирамиды, расположенными встречно с зазором, в котором размещены
измерительные проводники и датчик магнитного поля, например датчик Холла; магнитопровод каждой из измерительных катушек электрически соединен с корпусом автомобиля
и выполнен многослойным с чередующимися ферромагнитными и немагнитными слоями
соответственно с высокой магнитной проницаемостью и электрической проводимостью;
выводы измерительных катушек подключены к соответствующим входам бортового микропроцессора непосредственно или через измерители электрического потенциала; первая
измерительная катушка расположена предпочтительно под корпусом автомобиля, а датчик угла наклона выполнен двухосным с возможностью измерения поперечного или продольного угла наклона автомобиля.
Новым, по мнению автора, является то, что устройство содержит вторую измерительную катушку, расположенную на автомобиле в горизонтальной плоскости и повернутую
на 90° относительно первой, а также два концентратора магнитного потока, каждый из которых изготовлен из магнитного материала с высокой начальной магнитной проницаемостью и состоит из двух идентичных пластин с заостренными концами в виде усеченной
пирамиды, направленными навстречу друг другу и расположенными с зазором, причем в
зазоре каждого из концентраторов размещены изолированные измерительные проводники
от соответствующих катушек, кроме того, магнитные экраны выполнены многослойными
с чередующимися ферромагнитными и немагнитными слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью,
причем экраны электрически соединены с корпусом автомобиля, а датчик угла наклона
выполнен двухосным (т.е. с возможностью определения как поперечного, так и продольного наклона автомобиля).
Также новым является то, что пластины концентратора магнитного потока выполнены
из ферромагнитного материала с углом заострения концов, выбранным из диапазона от 90
до 120°.
Реализация отличительных признаков заявленного изобретения обеспечивает новизну
предложенного технического решения (соответствует критерию новизны), а именно применение магнитного концентратора позволяет существенно (в десятки раз) повысить уровень магнитного поля, воздействующий на измерительные проводники, следовательно, и
на величину электрического напряжения на входе измерителя потенциала или бортового
микропроцессора. Размещение датчика магнитного поля, например датчика Холла, в зазоре
концентратора также одновременно позволяет увеличить точность измерения вертикальной составляющей индукции магнитного поля в месте расположения катушки. Следовательно, обеспечивается повышение точности работы устройства, заключающееся в повышении
точности измерения скорости объекта.
Применение магнитного экрана, который выполнен многослойным, с чередующимися
ферромагнитными и немагнитными слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и электрической проводимостью, дополнительно позволяет уменьшить
влияние внешних переменных магнитных и электрических полей на результат измерения
скорости и, соответственно, также обеспечивает повышение точности измерения.
4
BY 14525 C1 2011.06.30
Применение в устройстве датчика контроля угловой скорости ведущего колеса и второй измерительной катушки, расположенной на автомобиле в горизонтальной плоскости и
повернутой на 90° относительно первой, позволяет определить такие параметры движения
автомобиля, как пробуксовка и юз, что в итоге способствует повышению безопасности
движения.
Поэтому указанные отличительные признаки являются существенными и находятся в
прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня
техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в комплексе обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,
можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена одна из двух измерительных катушек. На фиг. 2 представлено
изображение концентратора магнитного поля в плоскости XZ (ось Z направлена вертикально, ось X - вдоль дороги), в зазоре которого размещены измерительные проводники и
датчик магнитного поля. Угол между продолжениями заостренных граней концентратора
выбирается из диапазона ω = 90-120°. Длина каждой пластины концентратора по вертикали - s, по горизонтали - не менее L, зазор между пластинами по вертикали - d. На фиг. 3
приведена упрощенная функциональная схема устройства. На фиг. 4 представлена расчетная зависимость индукции магнитного поля Bn в зазоре концентраторов магнитного потока
со свойствами стали марки M-45 как функция расстояния по координате X (координата X
отсчитывалась от края зазора, при этом Z = d/2) при величине индукции внешнего (измеряемого) магнитного поля Bz = 7,7 мкТл и следующих геометрических размерах концентратора согласно фиг. 2: L = 0,3 м, s = 50 мм, d = 300 мкм, t = 8 мм, что позволяет
разместить датчик Холла с размерами 500×500×300 мкм и в два ряда по 50 измерительных
проводов диаметром 0,1 мм с коэффициентом заполнения 1,4 (всего количество измерительных проводников в одной катушке N = 100). Расчет выполнялся с использованием
программы femm 4.0 [4]. Зависимость I соответствует ω = 120° и g = s/2, II соответствует
ω = 90° и g = s/2, III соответствует ω = 60° и g = s/2, IV соответствует случаю, когда концы
концентраторов не заострены, т.е. ω = 0° и g = s. В таблице приведены расчетные значения
коэффициентов усиления KY при различных значениях углов ω, при фиксированном
t = 8 мм и двух значениях g = s/2 = 25 мм и g = 0 мм, что позволяет оптимизировать диапазон значений угла ω, при котором выполняются два основных требования:
а) значение коэффициента усиления KY стремится к максимуму;
б) величина индукции магнитного поля Bn(x) практически не изменяется в месте расположения элемента Холла и измерительных проводников катушки, т.е. все части элемента Холла и N проводников находятся в однородном магнитном поле.
Поэтому необходимо обеспечить, чтобы площадь зазора (d⋅t) концентратора магнитного потока в разрезе перпендикулярно измерительным проводам была минимально возможной для размещения элемента Холла и измерительных проводников и одновременно
выполнялись условия а) и б). Анализ полученных расчетных данных указывает, что при
фиксированном t, которое в основном определяется размерами проводников и их количеством, оптимальным является диапазон угла ω, равный 90-120°. В этом диапазоне ω
наблюдается также рост KY при уменьшении размера g до 0 мм, т.е. когда форма пластин
концентратора магнитного потока в плоскости XZ превращается в трапецию. Ограничение
ω < 120° связано с целесообразностью ограничений габаритных размеров и массы концентратора в целом.
ω, °
g
KY
0
s
12,2
60
s/2
15,5
60
0
18,1
90
s/2
17,3
5
90
0
21,4
120
s/2
19,5
120
0
26,0
BY 14525 C1 2011.06.30
Устройство для измерения скорости и обнаружения юза и пробуксовки автомобиля
содержит первую 1 и повернутую на 90° вторую 2 измерительные катушки, предпочтительно расположенные под автомобилем (автомобиль не изображен), каждая из которых
состоит из N изолированных измерительных проводников 3 длиной L, расположенных в
горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению движения объекта со скоростью Vx вдоль дороги для катушки 1 и Vy - перпендикулярно Vx (для внештатных случаев движения, в том числе юзом в плоскости дорожного покрытия) соответственно для
катушки 2, с возможностью воздействия на них вертикальной составляющей магнитного
поля Земли Bz. Каждая из катушек содержит по N обратных изолированных проводников 4,
соединенных последовательно с измерительными проводниками 3, размещенных в магнитопроводе 5 (в магнитном экране), который обеспечивает магнитное экранирование обратных проводников, причем выводы измерительной катушки непосредственно или через
дополнительный измеритель потенциала подключены к бортовому микропроцессору 6,
выполненному с возможностями фильтрации переменной составляющей электрического
потенциала и определения (вычисления) скорости движения объекта в зависимости от
разности электрического потенциала, возникающего на измерительных проводниках 3.
Датчики магнитного поля 7, например полупроводниковые датчики Холла, измеряющие
вертикальную составляющую индукции магнитного поля Земли, и датчик углов поперечного и продольного наклона автомобиля 8, выполненный двухосным, подключены также к
бортовому микропроцессору 6. Концентратор магнитного потока 9 изготовлен из магнитного материала с высокой начальной магнитной проницаемостью (например, из магнитомягкого феррита или низкоуглеродистой трансформаторной стали). Он выполнен из двух
идентичных пластин с заостренными концами в виде усеченной пирамиды, направленными навстречу друг другу, которые расположены с минимально возможным зазором величиной d. В каждом зазоре размещены по N изолированных измерительных проводников 3
и датчик магнитного поля 7.
Магнитный экран 5 выполнен многослойным с чередующимися ферромагнитными и
немагнитными слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью
и высокой электрической проводимостью, причем он электрически заземлен, как показано
на фиг. 3. Внутренний слой экрана 5 является каркасом экрана, поэтому его целесообразно
изготавливать из магнитомягкого феррита, например, марки 2000 НН или 3000 HM толщиной не менее 5 мм, исходя из требований жесткости оболочки. Следующий, немагнитный
слой с высокой электрической проводимостью может быть выполнен из медной фольги.
Остальные чередующиеся слои легко изготавливаются электролитическим осаждением,
например, из пермаллоя состава Fe 80 % - Ni 20 % и Cu и т.д. толщиной не менее 0,1 мм.
Выбор материалов чередующихся слоев (магнитный - немагнитный) может быть и другим, но он ограничивается требованием гальванической совместимости материалов и их
адгезионной прочностью. Целесообразное число слоев - не менее 20-30.
Датчик контроля угловой скорости 10 ведущего колеса 11 кинематически связан с поверхностью 12, по которой перемещается автомобиль. Выход датчика 10 электрически
подключен к бортовому микропроцессору 6.
Устройство функционирует следующим образом. На автомобиле, движущемся параллельно поверхности земли со скоростью Vx вдоль дороги, размещено предлагаемое
устройство. На устройство воздействует магнитное поле Земли, вертикальная составляющая которого имеет индукцию Bz. Так как изолированные измерительные проводники катушек 1 и 2 размещены в зазорах концентраторов магнитного потока 9, то на
измерительные проводники воздействует магнитное поле с величиной индукций Bn1 и Bn2
соответственно. Индукция Bz усиливается в Ky1 и Ky2 раз соответствующими концентраторами магнитного потока, т.е. Bn1 = Ky1 ⋅ Bz1 и Bn2 = Ky2 ⋅ Bz2. Величины Bn1 и Bn2 могут различаться не только из-за различий в коэффициентах усиления, но из-за разнесения
катушек 1 и 2 в пространстве возможны изменения вертикальной составляющей индукции
6
BY 14525 C1 2011.06.30
магнитного поля Земли Bz, которая в общем случае является функцией координат (X, Y).
Поэтому необходимо использовать два полупроводниковых датчика Холла 7 для определения Bz1 и Bz2 - вертикальных составляющих индукции магнитного поля Земли в местах
расположения измерительных проводников катушек 1 и 2 соответственно.
Принцип работы устройства основан на эффекте возникновения разности потенциалов
в измерительных проводниках 3, движущихся параллельно самим себе и перпендикулярно
магнитному полю Bn. При таком движении проводников на находящиеся в них электроны
действует сила Лоренца. Под действием этой силы электроны смещаются относительно
положительных ионов кристаллической решетки, за счет чего в проводниках возникает
электрическое поле и кулоновские силы начинают препятствовать разделению зарядов.
Разделение зарядов в проводниках 3 прекращается, когда наступает равенство кулоновских сил и сил Лоренца. В этом случае разность электрических потенциалов U1, возникающая в измерительных проводниках 3 катушки 1, имеет вид:
(1)
U1 = Bn1 ⋅ Vx⋅L⋅N = Ky1 ⋅ Bz ⋅ Vx⋅L⋅N.
Далее бортовой микропроцессор 6 на основании зависимости (1) определяет значение
скорости движения объекта Vx
(2)
Vx = U1/(Ky1 ⋅ Bz1 ⋅ L⋅N)
и формирует выходной сигнал устройства Ux1 в виде электрического напряжения, пропорционального скорости объекта, или цифрового кода, значение которого также пропорционально значению скорости объекта Vx.
Для определения Bn1, а следовательно и Bz1, в устройстве используется датчик магнитного поля 7, размещенный с измерительными проводами 3 катушки 1. С его помощью
и, при необходимости, с использованием вычислительных ресурсов бортового микропроцессора 6 определяется вертикальная составляющая магнитного поля Земли в месте движения объекта (значения Ky1, а также Ky2 определяются при калибровке устройства в
известном магнитном поле). Размещение датчиков магнитного поля, например полупроводниковых датчиков Холла, в зазоре концентраторов также одновременно позволяет увеличить точность измерения вертикальной составляющей индукции магнитного поля.
Следовательно, обеспечивается повышение точности работы устройства, заключающееся
в повышении точности измерения скорости объекта. Благодаря измерению магнитного
поля Bz1 дополнительно обеспечивается независимость результата измерения скорости от
воздействия на описываемое устройство магнитных полей различных предметов, расположенных вне движущегося объекта, в том числе от различных магнитных аномалий Bz1.
При движении автомобиля вдоль дороги скорость вычисляется по формуле (2), при этом
разность потенциалов на измерительных проводниках катушки 2 равна нулю, следовательно, Vy = 0.
При этом назначение магнитных экранов 5 - предотвратить воздействие вертикальной
составляющей магнитного поля Земли на обратные проводники 4 катушек 1, 2 и, соответственно, предотвратить возникновение в них разности электрических потенциалов. В противном случае разности электрических потенциалов на измерительных и на обратных
проводниках были бы направлены встречно, что привело бы к их частичной компенсации.
Информация с датчика контроля угловой скорости 10 ведущего колеса 11, с которой
перемещается автомобиль, позволяет продублировать вычисление скорости движения автомобиля, например, в случае проявления аномалий в поведении Bz1, например, когда
Bz1 ≈ 0 (тогда в соответствии с формулой (2) значение Vx становится неопределенным),
что значительно повышает безопасность движения. При этом бортовой микропроцессор
непрерывно сравнивает вычисления скорости V'x по показаниям с датчика контроля угловой скорости 10 ведущего колеса и результаты, полученные вычислением по формуле (2),
т.е. Vx. При обычном движении автомобиля Vx ≈ V'x.
При возникновении разности потенциалов на измерительных проводниках катушки 2
(3)
U2 = Bn2⋅Vy⋅L⋅N = Ky2⋅Bz2⋅Vy⋅L⋅N.
7
BY 14525 C1 2011.06.30
Бортовой микропроцессор вычисляет составляющую компоненту скорости Vy по
формуле
(4)
Vy = U2/(K y 2 ⋅ B z 2 ⋅ L ⋅ N ) .
Модуль скорости движения вычисляется по формуле
12
(5)
V = V2y + V2x .
(
)
При этом бортовой микропроцессор определяет по величине Vy наличие юза у автомобиля в плоскости дороги.
При одновременном выполнении условий Vy = 0; Vx > 0; V'x = 0 бортовой микропроцессор определяет наличие юза у автомобиля вдоль дороги.
В случае вычислений по формуле (2), когда получается Vx = 0, но выполняются условия V'x > 0 и Vy = 0, бортовой микропроцессор определяет наличие пробуксовки.
Если имеет место неполное экранирование обратных проводников от воздействия
магнитного поля Земли, то на этих проводниках также будет возникать разность электрических потенциалов, которая будет направлена встречно к разности потенциалов на измерительных проводниках. Это не имеет принципиального значения и лишь уменьшает
величину результирующего напряжения на входе бортового микропроцессора 6.
Применение магнитного экрана, который выполнен многослойным, с чередующимися
ферромагнитными и немагнитными слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и электрической проводимостью, дополнительно позволяет значительно уменьшить влияние внешних переменных магнитных и электрических полей в
широкой области частот на результат измерения скорости и, соответственно, также обеспечивает повышение точности измерения. В соответствии с известными рекомендациями
по проектированию экранирующих оболочек и конструкций [5] их необходимо заземлять,
что и предусмотрено в предложенном техническом решении, особенно в устройствах с
транспортными энергоустановками, так как в противном случае сама оболочка может
явиться источником помехонесущего электромагнитного поля нежелательного частотного
диапазона (при невозможности заземления осуществляется электрическое соединение с
корпусом транспортного средства). Кроме того, высокая помехозащищенность обеспечивается применением многослойного экрана. Известно [5], что при экранировании магнитной
напряженности низкочастотных электромагнитных полей большой интенсивности применяются многослойные экраны как с целью повышения эффективности экранирования, так
и с целью более рационального их конструирования (уменьшения массы и габаритов экрана). Слои из ферромагнитного и немагнитного материалов выполнены чередующимися,
поскольку чередование слоев с разными волновыми сопротивлениями приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному
поглощению энергии поля в поперечном сечении стенок. 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. Следует отметить, что форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие функции. Таким
образом, применение в устройстве многослойного экрана, содержащего чередующиеся
ферромагнитный и неферромагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает значительное повышение помехозащищенности катушки от внешних источников в широком
диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля, следовательно,
дополнительно обеспечивается повышение точности измерения скорости.
Как и в прототипе, с целью повышения помехоустойчивости работы устройства измерения разности потенциалов целесообразно проводить между концами измерительных
проводников, помещенных внутрь замкнутого экрана - электропроводной оболочки, про8
BY 14525 C1 2011.06.30
ницаемой для магнитного поля Земли. В качестве материала для этого экрана может использоваться алюминий, медь или другой диамагнитный или парамагнитный металл. Воздействие
на устройство внешних переменных электрических и магнитных полей дополнительно
может быть также устранено путем фильтрации переменной составляющей электрического потенциала. В этом случае в бортовом микропроцессоре 6 и/или в измерителе потенциала (если он присутствует в устройстве) дополнительно осуществляется фильтрация
сигналов при помощи аппаратных и/или программных средств, т.е. реализуется фильтр
нижних частот. Если же наиболее существенные внешние помехи имеют фиксированную
частоту, например промышленную частоту 50 Гц, то в устройстве могут быть установлены дополнительные режекторные фильтры, устраняющие помехи на этой частоте. В
устройстве могут быть применены также специальные цифровые динамические фильтры,
реализованные, например, на цифровых сигнальных процессорах, обеспечивающие эффективное подавление внешних помех, в том числе от собственного электрооборудования
объекта.
При движении объекта возможен его продольный и поперечный наклон. Очевидно,
что наклон автомобиля в продольно-вертикальной плоскости не изменяет взаимного расположения измерительных проводников катушки 1 относительно вертикальной составляющей магнитного поля Земли и, соответственно, не влияет на результат измерения
скорости объекта Vx. Наклон объекта в поперечной плоскости приводит к уменьшению
величины проекции длины измерительных проводников L на горизонтальную плоскость
и, соответственно, к уменьшению разности потенциалов на концах измерительных проводников катушки 1. Чтобы это уменьшение не оказывало влияния на результат измерения
скорости, в устройстве используется датчик 8 в режиме определения угла поперечного
наклона автомобиля. В этом случае эффективная длина измерительных проводников будет Lэф = L⋅cos ϕ, где ϕ - угол поперечного наклона, вычисляемый по показаниям датчика
углов поперечного и продольного наклона автомобиля 8, который выполнен двухосным.
Следовательно, формула (2) для вычисления скорости объекта с учетом наклона имеет вид
(6)
Vx = U1/(Ky1 ⋅ Bz1 ⋅ L ⋅ N cos ϕ).
Аналогично формула (4) для вычислений Vy принимает следующий вид:
(7)
Vy = U2/(Ky2 ⋅ Bz2 ⋅ L ⋅ N cos β),
где β - угол продольного наклона автомобиля, вычисляемый по показаниям датчика 8.
В соответствии с формулой (5) в общем случае модуль скорости движения автомобиля
с учетом поперечного и продольного наклонов вычисляется следующим образом, что позволяет повысить точность измерения скорости в целом:
V = (V 2 y + V 2 x)1/2 = {[U 2 /(Ky 2 ⋅ Bz 2 ⋅ L ⋅ N cos β)]2 + [U1/(Ky1 ⋅ Bz1 ⋅ L ⋅ N cos ϕ)]2 }1/2 .
(8)
Пример реализации устройства.
Концентраторы магнитного потока были изготовлены из M-45 Steel с начальной магнитной проницаемостью µ = 4689 и индукцией насыщения 2,3 Тл и имели следующие
геометрические размеры: L = 0,3 м; t = 8 мм; s = 50 мм; d = 300 мкм; ω = 90°; g = 0. В измерительных катушках использовались измерительные провода диаметром 0,1 мм, намотанные в два ряда, с коэффициентом заполнения 1,4 и в количестве N = 100.
Использовались миниатюрные датчики Холла из n-I nSb - i-GaAs, разработанные в ГО
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению", которые имели размеры, не превышающие 500×500×300 мкм.
При указанных геометрических размерах экспериментально были получены следующие значения коэффициентов усиления Ky2 ≈ Ky1 ≈ 21. Таким образом, величина сигнала
при Bz1 = 7,7 мкТл в 100 мВ достигается при скорости 74 км/ч, что вполне достаточно для
прецизионного определения скорости объекта. Внешние магнитные поля Земли имеют
шум на уровне 5⋅10-12 Тл, что практически не сказывается на точности измерения скорости. Магнитные шумы от электрических сетей и городского транспорта создают сильные
9
BY 14525 C1 2011.06.30
помехи для работы высокочувствительной магнитометрической аппаратуры на уровне не
менее 10-9 Тл, поэтому относительная погрешность измерения скорости автомобиля (расчетная) не превышала ∆Vx/Vx = ±1 %.
Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:
устройство, воплощающее заявленное техническое решение, при его осуществлении,
относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть преимущественно использовано для автономного определения линейной скорости автомобиля, а
также юза и пробуксовки автомобиля;
для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в выше изложенной
формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в
заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемое устройство соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству;
средство, воплощающее заявленное, в совокупности своих признаков обладает новизной, и при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата и соответствует критерию "изобретательский уровень".
Источники информации:
1. Патент RU 2183836 C2, МПК G 01P 1/08, 3/10, 2002.
2. Патент RU 2360805 C2, МПК B 60L 3/10, 2009.
3. Патент RU 2307356 C 1 , МПК G 0 1 P 3/50, 2007 (прототип).
4. Сайт в интернете http://femm.foster-miller.com. David Meeker, программа Finite Element Method Magnetics (femm), версия 4.0
5. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988 - С. 196, 200.
Фиг. 1
Фиг. 2
10
BY 14525 C1 2011.06.30
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
11
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
494 Кб
Теги
by14525, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа