1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (6 голосовало, оценка: 4,33 из of 5)
Загрузка...

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ УРОВНЯ И ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

TEMPOSONICS КОМПАНИИ MTS SENSORS

ООО «Техноком-Ост»
менеджер,
Козлов Е.Ю.

Во всем мире два десятилетия с успехом применяются датчики линейных перемещения ( или как их еще называют: датчики линейного положения, датчики и измерители пути) основанные на эффекте магнитострикции. Мировым лидером и пионером в производстве данных сенсоров является компания MTS Sensors, отделение американской корпорации MTS Systems. Это подразделение было создано в 1984 году после покупки MTS компании Temposonics Inc, сейчас, Temposonics – торговая марка, которую можно видеть на любом магнитострикционном датчике перемещения MTS Sensors.

Принцип работы

Магнитострикция была обнаружена только в ферромагнитных материалах, таких как железо, никель, кобальт и сплавах. Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства этих материалов. То есть, если ферромагнетик находится в области магнитного поля, то оно вызывает микроскопическую деформацию его молекулярной структуры, что приводит к изменению физических размеров ферромагнетика. Такое поведение объясняется существованием бесчисленного количества маленьких элементарных магнитов, из которых состоит ферромагнитный материал. Они будут стремиться установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных пространственных областей, уже без внешнего магнитного поля. В этих так называемых доменах, все элементарные магниты направлены одинаково. Но первоначальное распределение доменов хаотично и снаружи ферромагнитное тело кажется немагнитным. При приложении магнитного поля , домены выстраиваются по направлению этого поля и выравниваются параллельно друг другу.
Иллистрация магнитострикционного эффекта

Таким образом, получаются собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз. Например, если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень испытает механическую деформацию и получит линейное удлинение. Но в реальности удлинение посредством магнитострикционного эффекта очень мало. (рис.1)

Магнитострикционный эффект обуславливается совокупностью магнитных и механических свойств ферромагнитных материалов, соответственно его можно оптимизировать посредством создания специальных сплавов и управлять с помощью направленного действия внешнего магнитного поля. В промышленных измерительных системах Temposonics используется магнитострикционный эффект, который называется эффект Видемана. Он описывает механическую деформацию (скручивание) длинного, тонкого ферромагнитного стержня, который находится под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В датчиках линейных перемещений MTS Sensors внешнее магнитное поле создается позиционным магнитом, которое при пересечении с концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня(Рис.2). Так же, в датчиках Temposonics используется так называемый, магнитоупругий эффект (или эффект Виллари). Он связан с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Иллистрация магнитострикционного эффекта

Чтобы превратить изложенные выше физические основы в надежно работающую измерительную систему, была предложена конструкция датчика, представленная на рисунке 3. Датчик линейных перемещений Temposonics состоит из 5 основных частей:

-измерительный элемент (волновод);

-электроника датчика;

-позиционер в виде постоянного магнита;

-преобразователь торсионного импульса;

-демпфирующая часть (на конце стержня, в которой гасится вторая часть торсионного импульса).

Рисунок 3

«Стержнем» измерительной системы является ферромагнитный измерительный элемент, использующийся как волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна до преобразователя импульсов. Измеряемая позиция определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Этот магнит создает магнитное поле в волноводе и связан с объектом измерения. Здесь нужно подчеркнуть, что между позиционером (магнитом) и измерительным элементом (волноводом), полностью отсутствует механическая связь. Это гарантирует очень долгий срок службы датчиков MTS Temposonics на основе этого принципа измерения.

При измерении короткий импульс тока посылается из электронной части сенсора с помощью волновода. При перемещении импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (Рис.3). При пересечении с магнитным полем постоянного магнита-позиционера, возникает ,согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, которая является высокодинамичным процессом, вследствие скорости токового импульса. Из-за этого возникает ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода, однако в одном из концов она полностью гасится и ,таким образом, помехи и искажения сигнала исключаются. Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в специальном преобразователе. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика.

Торсионная ультразвуковая волна перемещается по волноводу с постоянной скоростью звука. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципа измерения, на котором созданы датчики линейных перемещений Temposonics, очевидны несколько преимуществ, которыми они обладают: измерять расстояние можно с наивысшей точностью; металлические магнитострикционные материалы обладают долговременными и очень стабильными параметрами; благодаря ноу-хау компании MTS Sensors – специальному дизайну и конструкции датчика, вся измерительная система надежно защищена от внешних воздействий, например от вибрации станков. Из суммы этих преимуществ получаем высокоточные датчики перемещения MTS Temposonics , обладающие высочайшей повторяемостью измерений и очень большой надежностью.

Рисунок 4

Воплощение магнитострикционного принципа в измерительную систему, удовлетворяющую суровым требованиям промышленного производства, ставит высокие требования к возможностям и компетенции производителя датчиков. Инженеры MTS обладают фундаментальными физическими знаниями, накопленную за десятилетия лабораторных опытов информацию по магнитострикционным материалам.

Например, были детально исследованы различные варианты схемы преобразователя торсионных импульсов, которые представлены на рисунке 4. При этом оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения.

Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную (скручивающую) волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией.

Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, MTS использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Причем в каждом поколении датчиков Temposonic конструкция и схема совершенствуются и развиваются, находясь на самом современном уровне.

Ниже рассмотрим основные модели, которые представлены на рынке.

Преимущества

По сравнению с традиционными системами измерений расстояния, магнитострикционные обладают важными преимуществами:

— нечувствительность к вибрациям, ударам, загрязнению, влажности и т.д.;

— долгий срок службы и отсутствие необходимости в специальном обслуживании, благодаря бесконтактному принципу работы;

-отсутствие необходимости возвращаться в начальную точку при отключении питания, т.е. абсолютный выходной сигнал;

-высокая линейность, повторяемость и разрешение;

-позиционер (магнит) не нуждается в подаче питания;

-высокая степень пылевлагозащиты IP67/IP68;

-модели, предназначенные для установки в гидравлических цилиндрах, выдерживают давление до 600 бар.

Под маркой  Temposonics ( Temposonic ) компания MTS Sensors выпускает три основные серии датчиков линейных перемещений:

Temposonics E-Series

Экономичная серия недорогих датчиков перемещения. Представлена моделями:

Temposonics EP

Temposonics EP

Серия профильных датчиков перемещений в корпусе из алюминия. Диапазон измерений: 50-3250мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В или 4..20мА); цифровой(Start/Stop pulse RS422). Разрешение: 10мкм.
Temposonics EH

Temposonics EH

Компактная стержневая серия датчиков перемещений для установки в гидравлические цилиндры. Диапазон измерений: 50-1000мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В/4..20мА).

Temposonics G-Series

Оптимальная по соотношению стоимость/производительность серия датчиков перемещений для автоматизации производственных процессов. Представлена моделями:

Temposonics GP

Temposonics GP

Профильная система из алюминия. Диапазон измерений: 50-5000мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В или 4..20/20..4мА); цифровой(Start/Stop pulse RS422). Разрешение: 5мкм

Temposonics GHTemposonics GH

Универсальный датчик,стойкий к давлению, со штангой из нержавеющей стали. Диапазон измерений:50-7600мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В/4..20мА); цифровой( Start/Stop pulse RS422). Разрешение: 5мкм.

Temposonics GB Temposonics GBСерия датчиков перемещений для установки в гидравлические цилиндры. Диапазон измерений: 50-3250мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В или 4..20мА); цифровой (SSI: бинарный или код Грэя). Разрешение: 10мкм.

Temposonics R-Series

Высокопроизводительная серия датчиков перемещений, для измерения с максимальной точностью и с различными выходными сигналами. Представлена моделями:

Temposonics RHTemposonics RH

Универсальный датчик, стойкий к давлению, со штангой из нержавеющей стали, для измерения уровня жидкости. Диапазон измерений: 25-7600мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10/10..0/-10..+10В или 4..20/20..4мА); цифровой (SSI: бинарный или код Грэя; CANOpen, Profibus, DNet). Разрешение: 1 мкм.

Temposonics RPTemposonics RP

Профильная система из алюминия. Диапазон измерений: 25-6200мм. Выходной сигнал: аналоговый        (0..10/10..0/-10..+10В или 4..20/20..4мА); цифровой (SSI: бинарный или код Грэя; CANOpen, Profibus, DNet).            Разрешение:1 мкм.

Temposonics RFTemposonics RF

Универсальный датчик с гибким измерительным стержнем. Диапазон измерений: 25-15000мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10/10..0/-10..+10В или 4..20/20..4мА); цифровой (SSI: бинарный или код Грэя; CANOpen, Profibus, DNet). Разрешение: 1 мкм.

К каждому датчику возможно заказать магниты различной конструкции и поплавки.

Один из мировых лидеров в области производства датчиков и компонентов для автоматизации для различных отраслей промышленности, фирма Balluff, также выпускает под торговой маркой Micropulse магнитострикционные датчики уровня и линейных перемещений серии BTL5:профильная серия

Micropulse BTL5 профильная серия

Корпус из штампованного алюминия. Диапазон измерений: 50-4000мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10 и 10..0 или 4..20 и 20..4мА); цифровой (SSD: бинарный или код Грэя; CANOpen, Profibus). Разрешение: 1 мкм.

Micropulse BTL5 стержневая сериякомпактная стержневая серия

Стержень из нержавеющей стали. Диапазон измерений: 25-4000мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10 и 10..0 или 4..20 и 20..4мА); цифровой (SSD: бинарный или код Грэя; CANOpen, Profibus). Разрешение: 1 мкм.

Micropulse BTL5

компактная стержневая серия

Стержень из нержавеющей стали. Выдерживает давление до 600 бар. Фланцевое крепление. Для установки в гидравлические цилиндры. Диапазон измерений: 25-4000мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10 и 10..0 или 4..20 и 20..4мА); цифровой (SSD: бинарный или код Грэя; Start/Stop). Разрешение: 1 мкм.

Micropulse BTL5 компактная стержневая серия.

Ex исполнениестержневая Ex серия

Стержень из нержавеющей стали. Диапазон измерений: 25-4000мм. Для применения во взрывоопасных областях. Выходной сигнал: аналоговый (0..10 и 10..0 или 4..20 и 20..4мА); цифровой (SSD: бинарный или код Грэя; Start/Stop). Разрешение: 1 мкм.

Специальное стержневое исполнение для применения в качестве датчиков уровня в Зоне 0. Используются в качестве уровнемеров:

  • автозаправочных станций
  • цистерн;
  • на нефтеперегонных заводах;
  • в химической промышленности.поплавки

Компанией Balluff выпускается большое разнообразие магнитов (свободных и закрепленных), поплавков и штанг для датчиков уровня и линейных перемещений Micropulse BTL5.

Все современные модели магнитострикционных датчиков расстояния очень надежны. Уровнемеры находят свое применение различных областях промышленности: от пищевой до химической. Различные стенды для испытаний в автомобильной промышленности, лабораторных исследований, оборудование для лесопильных заводов, различные прессы и гидравлические цилиндры. Большим успехом пользуются Micropulse BTL5 в специальном исполнении, в качестве уровнемеров для автозаправочных станций. Часто встречаются датчики Temposonic прослужившие в тяжелых условиях 6-10 лет.

Все модели датчиков линейных перемещений MTS Temposonics (Temposonic) и Balluff Micropulse BTL5,а также аксессуары к ним, доступны для заказа в Москве.

Так же встречаются магнитострикционные датчики уровня и линейных перемещений других производителей:

TR-Electronic (Германия) магнитострикционные датчики серии LA; Gefran (Италия) серии IK1 (стержневые) и MK4 (профильные); Turck и KSR-Kuebler (Германия) серии FFG. На данное оборудование мы можем подобрать аналоги из магнитострикционных датчиков уровня и линейных перемещений MTS Temposonics и Balluff BTL5.

Козлов Е.Ю., менеджер ООО «Техноком-Ост»

Во всем мире два десятилетия с успехом применяются датчики линейных перемещения ( или как их еще называют: датчики линейного положения, датчики и измерители пути) основанные на эффекте магнитострикции. Мировым лидером и пионером в производстве данных сенсоров является компания MTS Sensors, отделение американской корпорации MTS Systems. Это подразделение было создано в 1984 году после покупки MTS компании Temposonics Inc, сейчас, Temposonics – торговая марка, которую можно видеть на любом магнитострикционном датчике перемещения MTS Sensors.

Принцип работы

Магнитострикция была обнаружена только в ферромагнитных материалах, таких как железо, никель, кобальт и сплавах. Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства этих материалов. То есть, если ферромагнетик находится в области магнитного поля, то оно вызывает микроскопическую деформацию его молекулярной структуры, что приводит к изменению физических размеров ферромагнетика. Такое поведение объясняется существованием бесчисленного количества маленьких элементарных магнитов, из которых состоит ферромагнитный материал. Они будут стремиться установиться параллельно друг другу  в пределах ограниченных пространственных областей, уже без внешнего магнитного поля. В этих  так называемых доменах, все элементарные магниты направлены одинаково. Но первоначальное распределение доменов хаотично и снаружи ферромагнитное тело кажется немагнитным. При приложении магнитного поля , домены выстраиваются по направлению этого поля и выравниваются параллельно друг другу. Иллистрация магнитострикционного эффектаТаким образом, получаются собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее  магнитное поле в сотни раз. Например, если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень испытает механическую деформацию и получит линейное удлинение. Но в реальности удлинение посредством магнитострикционного эффекта очень мало. (рис.1)

Магнитострикционный эффект обуславливается совокупностью магнитных и механических свойств ферромагнитных материалов, соответственно его можно оптимизировать  посредством создания специальных сплавов и управлять с помощью направленного действия внешнего магнитного поля. В промышленных измерительных системах Temposonics используется магнитострикционный эффект, который называется эффект Видемана. Он описывает механическую деформацию (скручивание) длинного, тонкого ферромагнитного стержня, который находится под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В датчиках линейных перемещений MTS Sensors внешнее магнитное поле создается позиционным магнитом, которое при пересечении с концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня(Рис.2). Так же, в датчиках Temposonics используется так называемый, магнитоупругий эффект (или эффект Виллари). Он связан с изменением  магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Иллистрация магнитострикционного эффекта

Чтобы превратить изложенные выше физические основы в надежно работающую измерительную систему, была предложена конструкция датчика, представленная на рисунке 3. Датчик линейных перемещений Temposonics состоит из 5 основных частей:

-измерительный элемент  (волновод);

-электроника датчика;

-позиционер в виде постоянного магнита;

-преобразователь торсионного импульса;

-демпфирующая часть (на конце стержня, в которой гасится вторая часть торсионного импульса).

Рисунок 3

«Стержнем» измерительной  системы является ферромагнитный измерительный элемент, использующийся как волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна до преобразователя импульсов. Измеряемая позиция определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Этот магнит создает магнитное поле в волноводе и связан с объектом измерения. Здесь нужно подчеркнуть, что между позиционером (магнитом) и измерительным элементом (волноводом), полностью отсутствует механическая связь. Это гарантирует очень долгий срок службы датчиков MTS Temposonics на основе этого принципа измерения.

При измерении короткий импульс тока посылается из электронной части сенсора с помощью волновода. При перемещении импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (Рис.3). При пересечении с магнитным полем постоянного магнита-позиционера, возникает ,согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, которая является высокодинамичным процессом, вследствие скорости токового импульса. Из-за этого возникает ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода, однако в одном из концов она полностью гасится и ,таким образом, помехи и искажения сигнала исключаются. Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в специальном преобразователе. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика.

Торсионная ультразвуковая волна перемещается по волноводу с постоянной скоростью звука. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципа измерения, на котором созданы  датчики линейных перемещений Temposonics, очевидны несколько преимуществ, которыми они обладают: измерять расстояние можно с наивысшей точностью; металлические магнитострикционные материалы обладают долговременными и очень стабильными параметрами; благодаря ноу-хау компании MTS Sensors – специальному дизайну и конструкции датчика, вся измерительная система надежно защищена от внешних воздействий, например от вибрации станков. Из суммы этих преимуществ получаем высокоточные датчики перемещения MTS Temposonics , обладающие высочайшей повторяемостью измерений и очень большой надежностью.

Рисунок 4

Воплощение магнитострикционного принципа в измерительную систему, удовлетворяющую суровым требованиям промышленного производства, ставит высокие требования к возможностям и компетенции производителя датчиков. Инженеры MTS обладают фундаментальными физическими знаниями, накопленную за десятилетия лабораторных опытов информацию по магнитострикционным материалам.

Например, были детально исследованы различные варианты схемы преобразователя торсионных импульсов, которые представлены на рисунке 4. При этом оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения.

Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную (скручивающую) волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией.

Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, MTS использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Причем в каждом поколении датчиков Temposonic конструкция и схема совершенствуются и развиваются, находясь на самом современном уровне.

Проитано здесь: http://www.sensor.ru/articles/299/element_1130.html

Эта запись была опубликована 23.01.2010в 12:32 дп. В рубриках: Контроль положения, Предложенные студентами, АСУ, МГСУ, Все статьи. Вы можете следить за ответами к этой записи через RSS 2.0. Вы можете оставить свой отзыв или трекбек со своего сайта.

Оставьте свой отзыв

Примечание: Осуществляется проверка отзывов на соотвествие правилам, и это может задержать их публикацию. Отправлять отзыв повторно нет необходимости.