close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14624

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.08.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14624
(13) C1
(19)
G 01P 3/50
(2006.01)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТА
(21) Номер заявки: a 20091396
(22) 2009.09.30
(43) 2011.04.30
(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.
RU 2104554 C1, 1998.
RU 2331891 C2, 2008.
SU 1686384 A1, 1991.
US 4509131 A, 1985.
EP 0629861 A1, 1994.
BY 14624 C1 2011.08.30
(57)
Устройство для измерения скорости объекта, движущегося параллельно поверхности
Земли, содержащее датчик магнитного поля для измерения вертикальной составляющей
индукции магнитного поля Земли, датчик угла наклона объекта относительно ее поверхности,
а также измерительную катушку, состоящую из заданного количества N изолированных
Фиг. 2
BY 14624 C1 2011.08.30
измерительных проводников, последовательно соединенных с N соответствующими изолированными обратными проводниками, экранированными магнитным экраном от магнитного поля Земли, выполненную с возможностью ее размещения на исследуемом объекте с
обеспечением ориентации всех указанных проводников горизонтально и перпендикулярно
направлению движения объекта и соединенную выводами непосредственно или через дополнительный измеритель потенциала с микропроцессором, соединенным также с указанными датчиками и выполненным с возможностью фильтрации переменной составляющей
разности потенциалов, возникающей между различными точками измерительных проводников при воздействии на них магнитного поля Земли, и определения искомой скорости с
учетом полученной разности потенциалов, отличающееся тем, что измерительные проводники и датчик магнитного поля, выполненный, например, в виде полупроводникового
датчика Холла, размещены в зазоре между двумя идентичными пластинами концентратора магнитного поля Земли, выполненными в виде встречно ориентированных усеченных
пирамид из магнитного материала с высокой начальной магнитной проницаемостью, а
магнитный экран электрически заземлен и выполнен многослойным с чередующимися
ферромагнитными и неферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой
магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью.
Устройство для измерения скорости объекта, движущегося параллельно поверхности
Земли, относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть преимущественно использовано для автономного определения линейной скорости автомобиля.
Известно устройство для измерения линейной скорости подвижного объекта путем
интегрирования его ускорения в направлении движения объекта и содержащее линейный
акселерометр, подключенный к входу интегратора, соединенного с отсчетным устройством [1]. Это устройство не обеспечивают высокой точности измерения скорости объекта
ввиду накопления ошибки интегрирования.
Известно также 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 [2].
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.
Также известно устройство для автономного измерения линейной скорости объекта [3],
содержащее изолированный линейный проводник, размещенный на объекте с возможностью воздействия на него горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, и электрический двигатель, приводящий во вращательное движение этот проводник. Проводник
при помощи токосъемника соединен с входом усилителя, выход которого подключен к
входу бортового вычислителя.
Недостатком этого технического решения является наличие движущихся элементов и
токосъемника, что предопределяет невысокую надежность и ограниченный ресурс работы
измерителя скорости.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения скорости объекта [4] (прототип), которое по первому варианту содержит измерительный проводник, расположенный в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению
2
BY 14624 C1 2011.08.30
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 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 к входу
бортового вычислителя (микропроцессора). 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
5 мкТл, что и обусловливает малую величину контролируемой разности потенциалов.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения скорости
объекта.
Предложено устройство для определения скорости объекта, движущегося параллельно
поверхности Земли, содержащее датчик магнитного поля для измерения вертикальной составляющей индукции магнитного поля Земли, датчик угла наклона объекта относительно
ее поверхности, а также измерительную катушку, состоящую из заданного количества N
изолированных измерительных проводников, последовательно соединенных с N соответствующими изолированными обратными проводниками, экранированными магнитным
экраном от магнитного поля Земли, выполненную с возможностью ее размещения на исследуемом объекте с обеспечением ориентации всех указанных проводников горизонтально и
перпендикулярно направлению движения объекта и соединенную выводами непосредственно
или через дополнительный измеритель потенциала с микропроцессором, соединенным
также с указанными датчиками и выполненным с возможностью фильтрации переменной
составляющей разности потенциалов, возникающей между различными точками измерительных проводников при воздействии на них магнитного поля Земли, и определения искомой скорости с учетом полученной разности потенциалов.
Новым, по мнению автора, является то, что измерительные проводники и датчик магнитного поля, выполненный, например, в виде полупроводникового датчика Холла, размещены в зазоре между двумя идентичными пластинами концентратора магнитного поля
Земли, выполненными в виде встречно ориентированных усеченных пирамид из магнитного материала с высокой начальной магнитной проницаемостью, а магнитный экран
электрически заземлен и выполнен многослойным с чередующимися ферромагнитными и
неферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью.
3
BY 14624 C1 2011.08.30
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 микропроцессора. Размещение датчика магнитного поля, например полупроводникового датчика
Холла, в зазоре концентратора также одновременно позволяет увеличить точность измерения вертикальной составляющей индукции магнитного поля. Следовательно, обеспечивается повышение точности работы устройства, заключающееся в повышении точности
измерения скорости объекта.
Применение магнитного экрана, который выполнен многослойным, с чередующимися
ферромагнитными и не ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой
магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью дополнительно
позволяют уменьшить влияние внешних переменных магнитных и электрических полей
на результат измерения скорости и соответственно также обеспечивают повышение точности измерения.
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 представлено изображение концентратора магнитного поля в плоскости XZ,
в зазоре которого размещены измерительные проводники и датчик магнитного поля. На
фиг. 2 приведена упрощенная функциональная схема устройства.
Устройство для измерения скорости объекта, движущегося параллельно поверхности
Земли, содержит измерительную катушку, расположенную на объекте (объект не изображен),
состоящую из N изолированных измерительных проводников 1 длиной L, расположенных
в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению движения объекта со
скоростью Vx, с возможностью воздействия на них магнитного поля Земли Bz и N обратных изолированных проводников 2, соединенных последовательно с измерительными
проводниками 1, но размещенных в магнитопроводе 3 (в магнитном экране), который
обеспечивает магнитное экранирование обратных проводников, причем выводы измерительной катушки непосредственно или через дополнительный измеритель потенциала
подключены к микропроцессору 4, выполненному с возможностями фильтрации переменной составляющей электрического потенциала и определения (вычисления) скорости движения объекта в зависимости от разности электрического потенциала, возникающего на
измерительных проводниках 1. Датчик магнитного поля 5, например полупроводниковый
датчик Холла, измеряющий вертикальную составляющую индукции магнитного поля
Земли и датчик угла наклона объекта 6 подключены также к микропроцессору 4. Концентратор магнитного потока 7 изготовлен из магнитного материала с высокой начальной
магнитной проницаемостью (например, из магнитомягкого феррита или трансформаторной стали). Он выполнен из двух идентичных пластин 7 с заостренными концами в виде
усеченной пирамиды, направленными навстречу друг другу, которые расположены с минимально возможным зазором величиной d. В зазоре размещены N изолированных измерительных проводников 1 и датчик магнитного поля 5. Магнитный экран 3 выполнен многослойным с чередующимися ферромагнитными и не ферромагнитными слоями, обладающими
соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, причем он электрически заземлен, как показано на фиг. 2. Внутренний слой экрана 3
является каркасом экрана, поэтому его целесообразно изготавливать из магнитомягкого
4
BY 14624 C1 2011.08.30
феррита, например марки 2000 HH 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 %-Ni20 % и Cu и т.д. толщиной не мене 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.
Устройство функционирует следующим образом. На объекте, движущемся параллельно поверхности Земли со скоростью Vx, размещено предлагаемое устройство таким образом, что N изолированных измерительных проводников 1 длиной L, расположены в
горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению движения объекта. На
объект воздействует магнитное поле Земли, вертикальная составляющая которого имеет
индукцию Bz. Так как изолированные измерительные проводники размещены в зазоре
концентратора магнитного потока 7, то на них воздействует магнитное поле Bn, индукция
которого усилена в Ky раз, где Ky - коэффициент усиления (концентрации) магнитного
потока, т.е. Bn = Ky⋅Bz.
Принцип работы устройства основан на эффекте возникновения разности потенциалов
в измерительном проводнике 1, движущемся 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 1 прекращается, когда наступает равенство кулоновских сил и сил Лоренца. В этом случае разность электрических потенциалов U, возникающая в измерительных проводниках 1 имеет вид:
(1)
U = Bn⋅Vx⋅L⋅N = Ky⋅Bz⋅Vx⋅L⋅N.
Далее микропроцессор 4 на основании зависимости (1) определяет значение скорости
движения объекта Vx:
(2)
Vx = U/(Ky⋅Bz⋅L⋅N)
и формирует выходной сигнал устройства Ux в виде электрического напряжения, пропорционального скорости объекта или цифрового кода, значение которого также пропорционально значению скорости объекта Vx.
Для определения в Bn, следовательно и Bz, в устройстве используется датчик магнитного поля 5. С его помощью и при необходимости с использованием вычислительных ресурсов микропроцессора 4 определяется вертикальная составляющая магнитного поля
Земли в месте движения объекта (значение Ky определяется при калибровке устройства в
известном магнитном поле). Размещение датчика магнитного поля, например полупроводникового датчика Холла, в зазоре концентратора 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 Bz
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.
При этом назначение магнитного экрана 3 - предотвратить воздействие вертикальной
составляющей магнитного поля Земли на обратные проводники 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.
5
BY 14624 C1 2011.08.30
Соединительные проводники (или проводники торцевых частей измерительной катушки) ориентированы вдоль направления движения объекта и при его движении не пересекают силовых линий вертикальной составляющей магнитного поля. Поэтому разности
потенциалов на концах соединительных проводников от этой составляющей магнитного
поля равны нулю и не влияют на работу устройства.
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 микропроцессора 4.
Применение магнитного экрана, который выполнен многослойным, с чередующимися
ферромагнитными и не ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой
магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью дополнительно
позволяют значительно уменьшить влияние внешних переменных магнитных и электрических полей в широкой области частот на результат измерения скорости и соответственно также обеспечивают 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. Известно, 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, проницаемой 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 микропроцессоре 4 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
6
BY 14624 C1 2011.08.30
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 объекта в продольно-вертикальной плоскости не изменяет взаимного расположения измерительных проводников относительно вертикальной составляющей магнитного поля Земли и соответственно не влияет на результат измерения скорости объекта.
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. Чтобы это
уменьшение не оказывало влияния на результат измерения скорости, в устройстве, как и в
прототипе [4], используется датчик угла поперечного наклона объекта - инклинометр 6. В
этом случае эффективная длина измерительных проводников будет Lэф = L⋅cos ϕ, где ϕ угол поперечного наклона, вычисляемый по показаниям инклинометра 6. Следовательно,
формула (2) для вычисления скорости объекта имеет вид:
(3)
Vx = U/ (Ky⋅Bz⋅L⋅N⋅cos ϕ).
Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное техническое решение, при ее осуществлении, относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть преимущественно использовано для автономного определения линейной скорости автомобиля;
для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в ниже 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. Феодосьев В.И. Основы техники ракетного полета. - М.: Наука, 1981. - С. 378-391.
2. Патент РФ 2183836 С2, МПК G 01P 1/08, 3/10, 2002.
3. Патент США 2785376, МПК G 01P 3/50, 3/52, 3/42, 1957.
4. Патент РФ 2307356 C1, МПК G 01P 3/50, 2007 (прототип).
5. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196, 200.
7
BY 14624 C1 2011.08.30
Фиг. 1
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
357 Кб
Теги
by14624, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа