БЕСКОНТАКТНЫЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КЛАПАНА

  • С. А. Матюнин Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
  • Р. А. Жигалов Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
  • А. А. Иголкин Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Ключевые слова: Бесконтактный датчик, Феррозондовый датчик, 3D-модель, COMSOL, чувствительный элемент, Пермаллой, моделирование, датчик положения, магнитооптический датчик

Аннотация

Целью исследования является разработка бесконтактного феррозондового датчика
положения для контроля открытого/закрытого состояния клапана. Существует немало
примеров использования в современной техники элементов или устройств, взаимодейст-
вующих с магнитным полем. Одной из актуальнейших задач является использование влия-
ния магнитного поля в качестве средства контроля или составляющей управляющей сре-
ды. Применение магнитооптических датчиков для контроля функционирования техниче-
ских объектов обусловлено их бесконтактным способом измерения, возможностью изме-
рения не только магнитных, но и других различных физических величин, относительной
простотой, надежностью и дешевизной конструкции чувствительного элемента, гибко-
стью в применении, эксплуатацией в низкотемпературных и высокотемпературных сре-
дах. Одним из датчиков подобного типа является феррозондовый преобразователь магнитного поля. Примером объекта внедрения феррозондового датчика являются клапаны
различных пневмогидравлических систем. Сущность поставленной задачи заключается в
создании бесконтактного концевого переключателя золотника клапана, сигнализирующего
о закрытом или открытом состоянии клапана и передающего эту информацию в систему
контроля. Предлагается разбиение данной задачи на этапы и последовательное их выпол-
нение. Сначала производится поиск и анализ уже существующих решений, реализующих
датчик положения с использованием феррозондового метода контроля для усовершенст-
вования разрабатываемой конструкции. Далее, разрабатывается первоначальная конст-
рукция чувствительного элемента феррозондового преобразователя, согласно начальной
конструкции, создается геометрическая 3D-модель чувствительного элемента, выбирает-
ся предполагаемый материал составляющих элементов датчика. С помощью численных
методов компьютерного моделирования моделируется работа датчика и определяется его
выходная характеристика при различных режимах работы. По расчетным характеристи-
кам выбирается и рассчитывается оптимальная конструкция и конфигурация чувстви-
тельного элемента датчика. По итогам моделирования разрабатываются сборочные и
рабочие чертежи датчика. Предложенный способ решения задачи характеризуется слож-
ностью изучения нелинейных магнитных систем и их моделирования. Результаты данного
исследования могут быть рекомендованы для разработки магнитооптических датчиков
подобного или иного типа и изучения материалов с нелинейными магнитными свойствами.

Литература

1. Baranochnikov M.L. Mikromagnitoelektronika [Micromagnetoelectronics]. Vol. 1. DMK
PRESS, 2001, 544 p.
2. Baranochnikov M.L. Mikromagnitoelektronika [Micromagnetoelectronics]. Vol. 2. DMK
PRESS, 2002, 691 p.
3. Braverman V.Ya., Belozertsev V.S., Lelekov A.T. Patent 0002457476 Russian Federation
MPK7 G 01 N 27/82. Ferrozondovyy datchik dlya slezheniya za stykom svarivaemykh detaley
[Ferroprobe sensor for monitoring the joint of welded parts]; applicant and patent holder educational
institution of higher professional education SibGAU. No. 2010144736/28; dec.
01.11.10; publ. 07/27/12.
4. Tsybin Yu.N., Brezinskiy A.A., Nikolaenko O.S. Patent 0000197484 Russian Federation MPK7
G 01 R 33/00. Datchik ferrozondovyy v magnitnom ekrane [Ferroprobe sensor in a magnetic
screen]; applicant and patent holder Joint-Stock Company Scientific Research Institute of
Command Devices. No. 2020100561; dec. 01/09/20; publ. 04/30/20.
5. Pudov V.I., Reutov Yu.Ya., Korotkikh S.A. Patent 02123303 Russian Federation MPK7 A 61 B
17/50, A 61 B 5/06. Ferrozondovyy polyusoiskatel' [Ferroprobe pole detector]; applicant and
patent holder Institute of Physics of Metals, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.
No. 96120296/14; dec. 08.10.96; publ. 12/20/98.
6. Gordeliy V.I. Patent 02315991 Russian Federation MPK7 G 01 N 27/83. Modul'nyy datchik
dlya sistem avtomatizirovannogo magnitnogo kontrolya rel'sov [Modular sensor for systems of
automated magnetic control of rails], No. 2006125395/28; dec. 07/17/06; publ. 01/27/2008.
7. Van Yan'chzhan, Li Tszintszi, Shi Tszyakin. Patent 108983124 China MPK7 G 01 R 33/04.
Magnitnyy datchik s obratnoy svyaz'yu po sostoyaniyu nasyshcheniya [Saturation Feedback
Magnetic Sensor]; applicant and Patent Holder of JILIN UNIVERSITY. No. 201811118866.7;
dec. 09/25/18; publ. 12/11/18.
8. Lyu Dongliang, Li Zhiming. Patent 210605010 China IPC7 G 01 V 3/08. Ferromagnitnoe
ustroystvo obnaruzheniya dlya kontrolya ferromagnitnykh veshchestv v rezhime
prostranstvennogo pozitsionirovaniya [Ferromagnetic Detection Device for Inspection of Ferromagnetic
Substances in Spatial Positioning Mode]; applicant and Patentee of SHENZHEN
NIMAGE TECHNOLOGY CO., LTD. No. 201921468161.8; dec. 09/05/2019; publ. 05/22/20.
9. Luo Yubiao, Yang Lei, Xia Yuechun, Huang Xinglong, Liu Feibiao, Xiang Biao, Zeng Jiheng.
Patent 210775814 China MPK7 G 01 R 33/04. Ferrozondovyy massiv datchikov s
vozmozhnost'yu obnaruzheniya orientatsii korabel'nykh gruzov [Ferroprobe sensor array capable
of detecting ship cargo orientation]; applicant and patent holder SHENZHEN LEILI
TECHNOLOGY CO., LTD. No. 201921549087.2; dec. 09/18/2019; publ. 06/16/2020.
10. Li Zhiguang. Patent 210981760 China MPK7 G 01 M 13/00. Ustroystvo izmereniya
mekhanicheskikh kharakteristik avtomaticheskogo vyklyuchatelya na osnove ferrozondovogo
datchika [Fluorescent probe based circuit breaker mechanical measurement device Applicant
and Patent Holder of SHIJIAZHUANG HANDY ELECTRICAL INSTRUMENTS CO., LTD.
No. 201922172017.6; dec. 12/06/2019; publ. 07/10/2020.
11. Yu Runqiao, Cheng Dongfang, Hu Bo, Xia Guisuo, Cheng Qiangqiang. Patent 206270508
China IPC7 G 01 V 3/08. Ustroystvo obnaruzheniya metalla [Metal detection device]; applicant
and patentee NINGBO YINZHOU CITAI ELECTRONIC SCIENCE & TECHNOLOGY
CO., LTD. No. 201621459612.8; dec. 12/28/2016; publ. 06/20/2017.
12. Scarzello. John F., Holmes. John J., O’Keefe. Edward C. Patent US 6456069 MPK7 G 01 33/04.
Ferrozondovyy datchik magnitnogo polya, soderzhashchiy ferromagnitnyy issleduemyy material, v
ego magnitnuyu tsep' [Ferroprobe magnetic field sensor containing a ferromagnetic test material into
its magnetic circuit]; applicant and Patentee of the United States of America as represented by the
Secretary of the Navy. - No. 09517559; dec. 03/02/2000; publ. 09/24/2002.
13. Baranov P. Kolomeytsev A., Zatonov I. Modelirovanie ferrozondovogo datchika [Modeling a
fluxgate sensor], Materials Science and Engineering [Materials Science and Engineering].
Tomsk, 2018.
14. Baranova V.E. Izmerenie slabogo magnitnogo polya na osnove ferrozondovogo datchika: dis.
... kand. tekhn. nauk [Measurement of a weak magnetic field based on a fluxgate sensor:: cand.
of eng. sc. diss.]: defended 12.01.16. Murav'ev Sergey Vasil'evich. Tomsk, 2015, 134 p.
15. Tang S.K. Skhema vozbuzhdeniya ferrozondovogo datchika s ispol'zovaniem
nasyshchayushchegosya induktora [Excitation circuit for a fluxgate sensor using a saturable
inductor], Sensors and Actuators A: Physical [Sensors and Actuators A: Physical]. Department
of Electronics, Power Electronics Research Center, National University of Ireland, Galway,
Ireland, 2004, pp. 156-165.
16. Sankov O.V., Legkiy V.N. Issledovanie ferrozondovykh magnitnykh ob"ektov dlya sistem
blizhney lokatsii [Investigation of fluxgate magnetic objects for systems of near location]
Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo un-ta im. N.E. Baumana [Herald of
the Bauman Moscow State Technical University], 2009, No. 2 (75), pp. 90-101.
17. Volkov A.V., Reutov V.Ya. Ferrozondovyy komp'yuternyy magnitometr [Ferrosonde computer
magnetometer]. Ekaterinburg: Institut fiziki metallov Uro RAN, 2015, pp. 322-327.
18. Yankin S. Integratsiya paketov COMSOL i SOLIDWORKS [Integration of COMSOL and
SOLIDWORKS packages], COMSOL Co. Free access mode: https://www.comsol.ru/video/18-
minutes-intro-to-livelink-for-solidworks-webinar-ru (accessed 01 February 2022).
19. Yankin S. Osnovy elektrotekhnicheskikh raschetov v COMSOL Multiphysics [Fundamentals
of electrical calculations in COMSOL Multiphysics], COMSOL Co. Free access mode:
https://www.comsol.ru/video/intro-to-ac-dc-modeling-in-comsol-webinar-ru (accessed 30 January
2022).
20. Davies N. Modeling Transformers and inductors in COMSOL Multiphysics, COMSOL Co.
– Free access mode: https://cn.comsol.com/video/modeling-transformers-and-inductors-incomsol-
multiphysics (accessed 01 February 2022).
Опубликован
2022-04-21
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ III. СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ, ПРИВОДНАЯ И ДАТЧИКОВАЯ АППАРАТУРА