Измеритель линейных перемещений
Содержит датчик Холла, в котором два подобных толстостенным гильзам кольцевых магнита смонтированы соосно с зазором между их встречно направленными однополярными торцовыми поверхностями, а чувствительный элемент перемещается коаксикально.
Предлагаемая полезная модель относится к измерению линейных размеров, в частности, к измерительным устройствам, характеризующимся использованием магнитных средств, и предназначена для применения в устройствах, определяющих степень износа двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Традиционно для определения степени износа ДВС его частично разбирали и непосредственно измеряли изношенные детали, после чего принималось решение о необходимости его ремонта или возможности продолжения эксплуатации. Однако сборка двигателя после его разборки вызывает ускоренный износ деталей, поэтому непрерывно разрабатываются различные способы и устройства, позволяющие определить степень износа ДВС без его разборки. Они основаны на измерении каких-либо косвенных величин и показателей (моточасы, километраж, тонно-километры и т.д.) достоверность которых бывает сомнительной и не отражает фактического состояния ДВС.
К наиболее достоверным косвенным способам относится измерение расхода топлива, на который однако влияют не только отработанные моточасы, но и выполненная при этой работа. Очевидно, например, что при одних и тех же оборотах коленвала расход топлива под нагрузкой будет выше. Поэтому при наличии прибора для дифференцированного определения расхода топлива на разных режимах работы ДВС можно с большой степенью
достоверности определить степень его износа.
В дальнейшем для простоты описания и большей ясности изложения заявленное устройство будет поясняться на примере дизельного ДВС, хотя принципиально то же самое с несущественными конструктивными особенностями будет верным и для бензинового ДВС.
Так, количество топлива, подаваемого в цилиндры дизельного ДВС, задается положением возвратно-поступательно перемещаемой рейки топливного насоса высокого давления, поэтому если будет известно, сколько времени и в каком линейном положении находилась рейка в течение работы ДВС и сопоставить эти значения с соответствующими значениями чисел оборотов, то можно установить достаточно достоверно.
Важно то, что из контрольно-измерительных приборов, требуемых для получения нужных сведений, тахометр входит в состав штатных, часы для регистрации времени работы двигателя широко применяются, в частности, на сельхозтракторах, и их установка на другое транспортное средство не требует каких-либо конструктивных изменений в работающих узлах и механизмах, и поэтому задача сводится к выбору соответствующего прибора для регистрации перемещения рейки и его монтажу.
Наиболее удобным для решения этой задачи является датчик Холла, содержащий чувствительный элемент, помещенный в магнитное поле системы из постоянных магнитов (см., например, Кобус А., Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. М., "Энергия", 1971). При прямолинейном перемещении чувствительного элемента в магнитном поле, имеющем на пути его перемещения разную напряженность, элемент выдает сигналы, соответствующие величине его перемещения.
Различные конструкции, реализующие описанный принцип, направлена на улучшение характеристик датчика, касающихся его точности, чувствительности, расширения диапазона измерений и т.д.
Например, известен "Измеритель линейных размеров" по патенту PФ №2178139, МПК G 01, В 7/14, приоритет 2000, в котором магнитная система представлена смонтированными под углом друг к другу двумя прямоугольными магнитными брусками, а чувствительный элемент перемещают по биссектрисе угла, образованного магнитами. Анализируя конструкцию известного измертителя, можно согласиться с его разработчиками в том, что измеритель соответствует предъявляемым ему требованиям по чувствительности и точности измерений, однако втроить его в систему питания ДВС, не внося в нее существенных конструктивных изменений, представляется проблематичным.
С этих позиций наиболее близкой является конструкция по патенту РФ №2126953, МПК G 01 В 7/14, 1992, "Датчик перемещений".
Известный датчик (измеритель линейных перемещений) содержит насаженные на возвратно-поступательно смонтированный вал два подобных толстостенным гильзам кольцевых магнита, контактирующих между собой разноименными полюсами, и группу неподвижно закрепленных вокруг магнитов чувствительных элементов. При линейном перемещении вала в ту или другую сторону суммарный сигнал чувствительных элементов преобразуется в показатель величины линейного перемещения вала.
Однако, несмотря на близость конструкции и даже некоторое внешнее сходство с заявленным, известный датчик не может быть использован по заявленному назначению из-за громоздскости конструкции, большой инерционности и неудобства ее монтажа.
Перед заявленным техническим решением была поставлена задача создать датчик линейных перемещений, который при минимально возможных габаритах мог бы быть установлен на топливной системе дизельного ДВС без вмешательства в ее конструкцию, имел бы линейный характер сигнала во всем диапазоне измерений при соответствующей точности и чувствительности.
Поставленная задача решается тем, что предложен измеритель линейных перемещений на основе датчика Холла, содержащий, по меньшей мере, один чувствительный элемент, помещенный с возможностью относительного линейного перемещения в магнитное поле системы, образованной подобными толстостенным гильзам двумя кольцевыми магнитами.
Новым в предложенном измерителе является то, что магниты встречно направлены одноименными полюсами и закреплены неподвижно с зазором между их торцами, имеющими внутреннюю конусность, а направление перемещения чувствительного элемента коаксиально круговым поверхностям магнитов.
Измеритель характеризуется также тем, что зазор между манитами равен или меньше их внутреннего диаметра, а конусность занимает от 20 и более процентов от площади торцовой поверхности соответствующего магнита.
Измеритель характеризуется также и тем, что угол конусности при вершине внутреннего конуса на торце магнита равен от 60° до 160°.
Еще одной особенностью заявленного измерителя является то, что каждой из магнитов может быть образован набором соосных колец, склеенных между собой через диамагнитные прокладки.
Технический результат заявленного устройства заключается в возможности с его помощью определять с достаточно высокой достоверностью степень износа ДВС без его разборки, что позволяет значительно снизить эксплуатационные затраты.
На фиг.1 схематически показано заявленное устройство, вид сбоку в разрезе; на фиг.2 - принципиальная электрическая блок-схема в случае одного из возможных применений устройства.
Измеритель линейных перемещений содержит оппозитно закрепленные в диамагнитном корпусе 1 два одинаковых кольцевых магнита 2, подобных толстостенным гильзам или втулкам. Противолежащие торцовые поверхности 3 магнитов 2 отстоят друг от друга на величину 
1,2d, где "d" - диаметр отверстия 4 в магните 2 (диаметр его внутренней поверхности). В каждой торцовой поверхности 3 магнитов выполнен внутренний конус 5 с величиной угла "
" при вершине, равной от 60° до 160°. Каждый из магнитов 2 может быть образован набором соосных колец 6, склеенных между собой через диамагнитные прокладки 7. Оба магнита обращены друг к другу одноименными полюсами (N-N, как показано, например, на фиг.1, или наоборот). По оси "0" симметрии устройства с возможностью прямолинейного поступательного перемещения по стрелке "А" в ту или иную сторону совместно с рейкой топливного насоса (на чертеже не показана) смонтирован чувствительный элемент 8, образующий вместе с магнитами 2 датчик Холла. Для удобства монтажа устройства на ДВС и дальнейшей его работы чувствительный элемент 8 следует монтировать внутри диамагнитной трубки 9, при этом прямолинейное движение по стрелке "А" можно придавать как элементу 8 внутри трубки 9, так и самой трубке 9 вместе с элементом 8, что для заявленного измерителя не имеет принципиального значения.
При установке измерителя линейных перемещений на ДВС он через процессор 10 получает выход на дисплей 11. К процессору подключены также штатный тахометр 12 и часы 13, которые по своей сути в большой степени являются дублирующим прибором.
Поскольку в последнее время подавляющее число контрольно-измерительных приборов (тахометр, часы и т.д.) основано на использовании электронных и полупроводниковых элементов, то их компоновка в единую схему не представляет трудностей. При этом простота обработки получаемых сигналов позволяет использовать в качестве процессора одну из множества подходящих общеизвестных микросхем, широко применяемых в различных областях техники, и ее применение в заявленном устройстве сводится только к ее соответствующему программированию, доступному любому среднему специалисту в данной области техники. То же относится и к дисплею, который может представлять собой общеизвестный жидкокристаллический цифровой индикатор.
Устройство работает следующим образом.
При пропускании тока от отдельного источника питания через чувствительный элемент 8 на его противолежащих плоскостях возникает разность потенциалов (если элемент находится в магнитном поле). При перемещении элемента 8 относительно магнитов 2, создающих вдоль оси "0" магнитное поле разной напряженности, разность потенциалов на плоскостях элемента 8 будет меняться пропорционально величине пройденного пути. Поступающая на процессор 10 величина изменения разности потенциалов будет перерабатываться в показатель величины пройденного пути. Поскольку на процессор 10 одновременно поступают электрические сигналы от тахометра 12 и часов 13, то по желанию оператора (при соответствующей программе или переключениях
прибора) на дисплей 11 может выдаваться одновременно или по выбору информация о выполненной работе, израсходованном топливе, отработанных моточасах и т.д.
Такие конструктивные особенности заявленного устройства, как величина зазора между магнитами, конусность на торцовых поверхностях магнитов, изготовление магнита из набора колец, разделенных диамагнитными прокладками, обеспечивают расширение диапазона перемещения чувствительного элемента, сохранение чувствительности прибора и линейность характеристики выдаваемого прибором сигнала во всем диапазоне перемещения элемента 8.
1. Измеритель линейных перемещений, содержащий, по меньшей мере, один чувствительный элемент, помещенный с возможностью относительного линейного перемещения в магнитное поле системы, образованной подобными толстостенным гильзам двумя кольцевыми магнитами, отличающийся тем, что магниты встречно направлены одноименными полюсами и закреплены неподвижно с зазором между их торцами, имеющими внутреннюю конусность, а направление перемещения чувствительного элемента коаксиально круговым поверхностям магнитов.
2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что зазор между магнитами 1,2d, где d - их внутренний диаметр, а конусность занимает 20% и более от площади его торцовой поверхности.
3. Измеритель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол конусности равен от 60 до 160°.
4. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что каждый из магнитов образован набором соосных колец, склеенных между собой через диамагнитные прокладки.
