Способ возбуждения крутильных колебаний и устройство для его осуществления
1. Способ возбуждения крутильных колебаний , основанный на намагничивании .магнитострикционного стержня постоянным круговым .и переменным продольным магнитными полями, отличающийся тем, что, с целью снижения нелинейности возбуждения, продольное магнитное поле увеличивают, а круговое магнитное ноле уменьшают на половину величины размагничивающегося поля. 2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее консолыю закрепленный магнитострикционный трубчатый стержень с зондом, взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения - тороидальную и коаксиальную, датчик колебательной скорости, соединенный с входом блока автоматической регулировки усиления и входом усилительного устройства, выход которого подключен к коаксиальной обмотке возбуждения, пос.чедовательно соединенные источник стабилизировапного постоянного тока, тороидальную обмотку возбуждения, потенциометр отработки и блок управления током тороидальной обмотки возбуждения, содержащий генератор, выход которого подклю чей к одной из статорных обмоток двигателя непосредственно и через фазовращатель к одному из входов балансного модулятора, выход которого подключен к другой статорной обмотке двигателя, вал которого через редуктор механически связан с движком потенциометра отработки, отличающееся тем, что в устройство введены амплитудный детектор, два датчика рассогласования, два сумматора и формирователь опорного напряжения , при этом вход амплитудного детектора соединен с выходом усилительного устройства, S а выход -- с суммирующим входом первого (Л датчика рассогласования и с вычитающим входом второго датчика рассогласования, вычитающий вход первого датчика рассогласования и сум.мирующий вход второго датчика рассогласования соединены с выходом формирователя опорного напряжения, вход которого подключен к тороидальной обмотке возбуждения, а 4 выход первого датчика рассогласования подключен к одно.му из входов первого суммаСО тора, второй вход которого соединен t выхоел дом блока автоматической регулировки усиле1C ния, а выход - с управляющим входом усилиО5 тельного устройства, выход второго датчл1ка рассогласования соединен с одним из входов второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления, а выход - к управляюще .му входу балансного модулятора.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„„SU„„1043526
3151) G 01 М 11 16
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3448332/18 — 25 (22) 31.05.82 (46) 23.09.83. Бюл. N 35 (72) В. В. Зайцев (53) 534.232 (088.8) (56) 1. Большая Советская энциклопедия.
Изд. 3 — е, "Советская энциклопедия" T. 5, 1971, с, 30. .2. Авторское свидетельство СССР
N 636510, кл. G01N 9/10, 1978.
3. Авторское свидетельство СССР
Й 774382, кл. G01N 9/10, 1981 (прототип) . (54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ КРУТИ)!ЪНЫХ
КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ возбуждения крутильных колебаний, основанный на намагничивании магнитострикционного стержня постоянным круговым и переменным продольным магнитными полями, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью снижения нелинейности возбуждения, продольное магнитное поле увеличивают, а круговое магнитное поле уменьшают на половину величины размагничиваюйегося поля.
2. Устройство для осуществления способа по и. 1, содержагцее консольно закрепленный магнитострикционный трубчатый стержень с зондом, взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения — тороидальную и коаксиальную, датчик колебательной скорости, соединенный с входом блока автоматической регулировки усиления и входом усилительного устройства, выход которого подключен к коаксиальной обмотке возбуждения, последовательно соединенныс источник стабилиэированногo постоянного тока, тороидальную обмотку возбуждения, потенциометр отработки и блок управления током тороидальной обмотки возбуждения, содержащий генератор, выход которого подключен к одной из статорных обмоток двигателя непосредственно и через фазовращатель к одному из входов балансного модулятора, выход которого подключен к другой статорной обмотке двигателя, вал которого через редуктор механически связан с движком потенциометра отработки, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что в устройство введены амплитудный детектор, два датчика рассогласования, два сумматора и формирователь опорного напряжения, при этом вход амплитудного детектора соединен с выходом усилительного устройства, а выход -- с суммируюшим входом первого датчика рассогласования и с вычитаюшим входом второго датчика рассогласования, вычитаюший вход первого датчика рассогласования и суммирующий вход второго датчика рассогласования соединены с выходом формирователя опорного напряжения, вход которого подключен к тороидальной обмотке возбуждения, а выход первого датчика рассогласования подключен к одному из входов первого сумма-! тора, второй вход которого соединен c выходом блока автоматической регулировки усиления, а выход — с управляюшим входом усилительного устройства, выход второго датчика рассогласования соединен с одним иэ входов второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления, а выход — к управляюшему входу балансного модулятора.
1О43526
Изобретение относится к способам для воэ буждения крутильных колебаний магнитострикщеонного стержня в вибрационно-частотных измерительнъЕх приборах и к устройствам для их осуществления. 5
Известен способ возбуждения крутш1ьных колебаний магнитострикционного стержня, ос нованный на намагничивании его геликоидальным магнитным потоком, который вследствие наличия у стержня магнитострикционных свойств создает упругие силы, вызывающие закручивание.стержня. При модуляции одного из магнитных полей результирующий геликоидально"направленный В пространстве и периодически изменя1ощийся во времени магнитный поток вызывает крутильные колебания стержня, Таким образом, стержень периодически закручивается по линиям намагниченности. Направление закручивания определяется знаком линейной магнитострикции материала. Сдвиг, осущест. уо вляемый касательными напряжениями при магЕеитострикциоЕПЕОМ закручивании стержня, эквивалентен главным напря>кениям растяжения и сжатия, которые пропорциональны по его оси и направлены по винтовым поверхностям— геликоидам, составляЕощ1ем угол (+ .7Е /4- } с любым осевым и поперечным сечением стержня В зависимости от направлеиия скручивания.
Максимальное закручивание стержня осуществляется при совпадении угла наклона резуль30
";рую1цего геликоидального магнитного поля с
Е-.ап1>аилением действия напря>кений в стержне (!), f !
Лзвестнеяй способ обладает низкой точностью Воспроизведенич колебаний, Иэвссте10 устройство для осуществлеиия епо1"о способа, в котором возбуждение кру- З5 тилы1ых колебаний магнитострикционного стержия осуществляется намагничиванием его пеосм-"ииь1м Геликоидалыилм ма17ПЕтеиэЕм 170Током.
173ВссТНос устройство содержиl консольно закрепленный маг> итострикциопный трубчатый стсржеиь с зоидом, охваченный взаимно перпендикулярными обмотками возоужцс ия, послеjI063Tc 75Н0 coc, иенные датчик колебательной скорости и усилитель, к выходу которого иодклю Есиа одиа из обмоток возбуждения.
3py125i Обмотка Возбуждения подк>ПО Еена lc источиику иостоянеЕОГО TQKcl (2) Однако это устройство обладает низкой ->О то иьостью измерений.
Иаиболее олизким по техничсской1 сулНЕОсти к изобретению является способ, основанный на намагничивании магиитострикциоиного стержня иостояннЕЕМ круговым и переменным продольиым магиитнЕЕМН полями, величины которых иэмсняЕот одновременно, обеспечивая условие максимального скpу 1ива11ия стержня.
Известно устройство для его реализации, содержащее консольно закрепленнъЕй магнито стрикциониый трубчатый стержень с зондом, взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения: тороидальную и коаксиальную, датчик ко1 лебательной скорости, соединенный с входом блока автоматической регулировки усиления и входом усилительного устройства, выход которого подключен к коаксиальной обмотке возбуждения, последовательно соединенные источник стабилизированного постоянного тока, тороидальную обмотку возбуждения и потенциометр отработки, блок управления током тороидальной обмотки возбуждения, содержащий генератор, Выход которого подключен к одной из статорных обмоток двигателя непосредственно и через фазовращатель к одному иэ входов балансиого модулятора, выход которого подключен к другой статориой обмотке цвигателя, вал которого через редуктор механически связан с движком погенциометра отработКИ. е> устройстве поддержание на заданном уровне колебаний стержня осуществляется автомати11еской регулировкой Величины крутяше,"о момента за счет формирования на выходе блока автоматической регул. раи:c; усиления регулнруЕощего воздействия, котсрое осуецествляют изменением дз1ух регулир>c:иых величин: продольнОГО персменнОГО маГнитиОГО пОлл 3R счет изменег!ия icоэфф>1щэснта,>CHJlcíHÿ усилитель" лого устрой>ст:1а и кругового постоянногэ иагнитн010 поля за счст формирОВания у71равляюЕцего сигнала В блоке управления током торои,цальной обмотки возбуждеиия,3) .
Однако этот способ и реализующ е его устройство обладают зиачитслы1ой нелинсйностью характеристики Возбуждения, приводящей к снижени о тоеиости измерений. Укаэанные недостатки обусловлены неполпым совпадением направления рсзультируеощего геликоидального магнитного поля с иаправле Еием действия напряжеиий эа счет того, по одиа регулируемая величина — круговой постоянный магнитный поток в стержне, пропорциональна величине регулирующего Воздействия (для кругового магнитного поля магнит-провод имеет замкнутую кольцевую форму, допускающую однородную намаг>1ичеииость без возникновения размагничива101цего поля}, а вторая регулируемая величина — продольный 11ере.: Еенный магнитный поток В стер>хие. H(. JIpollo;>1lèîíàëüíà Величине регулиру1оиЕего воздействия еец111 продольного магнитеього ноля маге1итопровод разомкнут, размагничивающий фактор суиесстве1еен, величина размагиичивающегося ноля растет с увели чением иамагииченности} .
1043526
55
Величина напряженности продольного магнитного поля в стержне (H; ) может быть представлена в виде
Hl =H — н где Н вЂ” напряженность продольного магнит5 ного поля коаксиальной обмотки возбуждения, пропорциональная вели чина ее ампер — витков;
Hp = N3 — размагничивающее поле;
N — размагничивающий фактор: !О
З --намагниченность стержня.
Для стержней, используемых в вибрацианночастотных измерительных приборах, отношение длины (Р ) к диаметру (d)/, как правило, находится в пределах 5 — 10. Причем для отна15 шения Р/с1 =10 N = 0,2, а для О/d=5 N = 0,5.
В этом случае для стержня Р/3 = 10 максималь. ная величина продольного поля в стержне снижается на 20%, направление результирующей величины поля составляет угол с направлением действия напряжений (7 /4/), равным 6 20 .
При этом возникают две взаимно перпендикулярные составляющие результирующего паля: одна — на направление действия напря, ений растяжения (в случае положительной мзгнитастрикции материала стержня), с углом подъема (+ 7/4/), ее величина -на 9,65% меньше величины результирующего поля без учета размагничивания, а вторая — на направление действия напряжений сжатия с углом подъема (— 7i /4), 30 ее величина составляет -9>65% ат величины результирующего поля без учета размагничивания. Возникающее в стержне сложнанапряженное состояние в двух взаимно перпендикулярных направлениях снижает амплитуду колебаний стержня, чта приводит к проявлению нелинейных свойств в виде зависимости частоты крутильных колебаний стержня от амплитуды ега колебаний и способствует возникновению гарма нии высших частот колебаний. Увеличение амплитуды колебаний за счет увеличения намаг- 40 ничивающих полей приводит к тому, что вели чина размагничивающега фактора в достаточно сильных полях теряет простой геометрический смысл и становится функцией намагниченности.
При этом, несмотря на значите, ьную величину внешыего продольного поля, продольная намагниченность уменьшается, снижая амплитуду коле. баний стержня. Это несовпадение направлений действия магнитных и механических сил при- водит к возникновению несинусоидзльных колебаний стержня. Ослабление частот высших гармоник, возникающих при этом, может быть достигнуто примснепием усилителей с амплитуд. ными ограничителями, чта в конечном итоге снижает точность измерений.
Эта погрешность является методической, вытекающей из способа формирования управ. ляющих воздействий.
Целью изобретения является снижение нели нейнасти возбуждения колебаний.
Г1аставленнзя цель достигается тем, что сог, ласна способу возбуждения крутильных колебаний, основанному на намагничивании магнитастрикцисннаго стержня постоянным круговым и переменным продольным магнитными полями, продольное магнитное поле увеличивают, а круговое магнитное поле уменьшают на половин, величины рзэмагничивающего поля.
В устройстве, содержащем консально закрепленный магнитастрикционный трубчатый тержень с зондом, взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения: тороидальную:и коаксиальную, датчик колебательной скорости, соединенный с входам блока автоматической регулировки усиления и входом усилительного устройства, выход катара о подключен к коаксиаль- най обмотке возбуждения, последовательно соединенные источник стабилизированного постаяннога тока, тороидальнУю обмотку возбуж. дения и пателциаметр отработки, блок управления токам тараидальной обмотки возбуждения, содержащий генератор, выход которого подключен к одной из статорных обмоток двигателя непосредственно и через фазовращатель к одному из входов балансного модулятора, выход которого подключен к другой стзтарнай обмотке двигателя, вал которого через редуктор механически связан с движком патенцнометрз отработки, введены амплитудный детектор, двз датчика рассогласования, два сумматора и формирователь опорного напряжения, при этом вход амплитудного детектора соединен с выходом усилительного устройства, а выход — с суммирующим выходом первого датчика рзссогласования и с выгитзющим входом второго датчика рассогласоваши, вычитающий вход первого датчика рассогласования и суммирующий вход второго датчика рассогласования соединены с выходам формирователя опорного напряжения, вход которого подключен к тороидальной обмотке возбуждения, з выход первого датчика рассогласования подключен к одной из входов первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока автоматической регулировки усиления, а выход — с управляЮщпм входам усилительного устройства, выход второго датчика рассогласования соединен с одним из входов второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления; а выход— к управляющему входу балансного модулятора.
Указанная совокупность признаков, изменяю. щая способ формирования управляющих воздействий, позволяет снизить нелинейность возбуждения и повысить точность измерений за счет тога, что при увеличении продольного (<(а! ИИТИОГО i!И!H;! .:. .«::1>.!!>C!П(>1 <. Р<<: . :. ."
Gy)iC(IaJojHcI.<; !)((Пгниг)(с>1:> .-:. Ва и ) «„и> «,.-.<:л-;.
<)тшь) раз(!)!(>Hi . (> I (<л>i ° Г)<.,и, » р,:лл<, с
Маги)ГГ)(ОС Г!ОЛЕ Г<О:i! tJ,)ЯВ>!C 1»;«". . (
ИЯПРЯВЛ(Пил<И >„ Нет!В)и!I I);
ЖЕИИИ (+,,!, ->», 1<0 В< >i>T:,,r «< :(<", <>
ООЛЬ(ТИ(!<1. »Pli ->т!и.;-,:," —;
РЕЗ > ЛЬТИ )
И<ЯПРЛЖСПИЙ <.ЖС))i, >, .J, -1 ) . ";;"<",I>
Од>(оч«с ГО(и)<>Й Г)еж>«<> . О.lс )а !!i с 1<. . ;)) О»
á0ТИ>(!1()< а(<П(ЛИТУЛО-! КО,QI) >HHJf. Ц-.i!<, СТ
ХО)иif(OСГЬ,ОПО.И<И Г !11) ГЗИ )> Hi<(ГГIС 1 >!< "<>Я)!(>Л, 1< 0 П >ИВО(H! К .!01)ЬHIIC! Hi!() Оl
Г1огрег>п!0< т- сне!: ь «летел з.<.!1>,!!(Я>:,, тл>.
TI0iHT HJiC > j>(."r>- J! >JIËJ>HÜ .JI ХЯП<Н<Г< !) !> О<> (< . >Е. > ЕТСЙ KJ) ЧЕС 1 ВО(!ЗГОТПЛИ!"!.11>> OHC.<>СП. () . i; 1; !l
Г!)ОР(<ПИ!)ОВ<)П)IЯ "П!Та) Т!ЯЬЛ!(ИХ В<>ЗЬ((:::(<: >"- 1!<
ГО ><< С Т -. О и С П) <1 .
Маг:!.ГГ(>с)1>и!с Hr>H:!, т руин: »:.." *::. ::
< консол!>Ио :!(ссг! (! заi;!>;.,iJцпп л <> з <> <::I <.
<)JI (H00(>Ii(1:>(< < ",0) f)i (« >}JЖ>1 < !T> < ><;,! с(упи(УВ(3 <>крсилен . )Оп, > <>< !!ь<пц!I."c >t r. ;
ПРИ(ИСР< ДЛЯ HHJ!C C
ЖИДКИ (.СРЕ;! В gj(!I ПОДКЛ1(1 JC)i«. К Oй! ;0>( И)(ЯЛ(110й< !Ij.:0!((H)÷ii-,с«,. < ;:.,-,...,: -;С<,-„:;-r Ц< >1) <)ТОР<)1 Tf0. Т, пик 10 стао)<ли -ilp01 é: и!(Го 10, "х>:<;>< 0< с< т(. потси(Тио)(стр .! (> отрз.:::::;и ;:-:.::=,:.-:З>ц:;>, Р(. IJ!<, TOP 1.„, >IO!Ij< H!ЛЛС>Л!(<1<;. >т В:-;,—,: <Вателя 13 ()Пор>>0-.::,:, .HïH;Hc (пл...(; >ц, ! t "ОЛЕОЯ 1 g <(0<(r <" )П < "« (1!ИХОПС Ко IОООГО f "I>1!0< ".I(<0) -!i; > cK0DocIjI кол< Оали l (".".,.-; (; По)(КЛЮ<>Е)1 IС ВХОДЗ,, ;! I Ii . I!;,! <;,с,:", >) < Г> И К ПХОду ОЛОКЯ,. ; <>1«О <с... — ронки усилсиия 1)ь)хоя . Ti)j)::— Вхо>(<я.) и су(!1<1< j(;p0(j j,! —.: /. "::.,> ГОРЯ 1() co:.;ö(HcH с <:j) H-:, (Я <лl>,<: ., > ) УС) .!И > ЕЛЬПОГО УСТ> РО!!С> НОГО )/СТРО). : П);< . >:!(><Л>.. (> ::. С ТУ П>0! О <)Е *,КТООЛ:, „, ЗЬ<: Оi< >O10)HÑ0ÁßIIJ!H JI ВЬ1<-;:i >>;<Зн!Н вЂ”,;,;.ало) О(> "» Л -:; 19 РЯССОГЛЯСО. ЯГП ..:... и С,, "<х ->-<Х „, и <ика 20 0->c J(гл.":.)О: —,:: ..::::. ;)<ГССО(ЛЯСОВ "il 4è <- I! I П<1, ИЗ ": i!C!T (ОРЯ (/ В)С "(\Ц; 0(r)0(H О:.Л ОЛОКЯ ) j "ii! а <И;!I »-; . t«,; O (. >„-,!." > <.(",">, Р; ГИИ(4 ВХО/ О:l й. Jl:.! < >,. — liCPHT0P . 3< ВЬ!ХОП >>ц:)С >(>:-. О, 1l0!-; Jl.Ë. <. Tr,)0(1)fI>JA 1-„-ГС)ЕПИС) )! ЯЕРВЗ <(>я> < Г-:(>. (с,i!0 Пл()огде с )с>1У!))С(и. ООРазоч. .<О.! >(» З<<Л >и Б КОНТ(. (ii:.i((1(<1„<)а )!<Ид - <)": > 1 (» !<с <:>« IH;J< 1-» )<) ;;r" > 1 > т(1 т <п< - В К< . .Ii:I .«Jlц () ) <10 JC< )3« .<> Ж,!>CHHH ВОЗНИКЯ ()т <> !> < Ль: !о:::.;. I,I,I IJ, .К) 1;«;"; I!0tH;,:.—, )<ВО про,-О < Со; Е:.. Ь СНИЦ 0 (,!а.!Ш:ЛОГО >!О;>Я< .(ОРОИ, -;l!!,;,(:» .,,« тка -.1 . Оз)л>< т ..1)у) оноc исc !:)янHoе <а! . :! > Пцс 1:<>. )С- jj, )ЕЗ < ЛЬ "3 С C>JПСрПОЗИ!!ИИ (т!ЯГ ь i J!! I:! х !(»Пл< с:"!.> <и! < соз! Iае! и .: cë:H!coH . С .> :С: I I!!I Г<ГОЕ !1(i 1 .. . (С))>(<., ; T! > .,; !rr >Н;!JJiU!< я „-, ) < r! JJ (1„,,;;l.,C I(;.I:I . I<:».,iJ:IH<() . i (:!) ( I!1,) I . ". I l: "<1 I>OHHj>" r >, > ! «..
1 < >! !!<) 1 О, 1! :" « . .><>! З. .! . 1!
)< О« :- !.(:.-".. Ва — ги ,ц;> 1:! >;< >00 с:0 (3 .. v «, I < .;Р " .. :! :,—.>ХО 104352о 20 ного напряжения балансного модулятора 22, подаваемого на статорную обмотку управления двигателя 24, является линейной функцией модуля постоянного напряжения на выходе сумматора 7. Фазовращатель 25 создает постоянный фазовый сдвиг на статорных обмотках, равный 7/2, необходимый для получения в двигателе 24 вращающегося магнитного поля. Вал двигателя 24 через редуктор 26 изменяет положение движка потенциометра 11 10 отработки, увеличивая постоянное круговое магнитное поле. Так как постоянная времени контура управления током коаксиальной обмотки 7 возбуждения (контур содержит только электрические элементы) значительно меньше постоянной времени контура управления током тороидальной обмотки 9 возбуждения (контур содержит электрические и электромеханические элементы), то на выходе датчиков 19 и 20 рассогласования образуются сигналы разной полярности. Выходной сигнал датчика 19 рассогласования, суммируясь с выходным сигналом блока 15 автоматической регулйровки усиления в сумматоре 16, еще больше увеличивает коэффициент усиления усилительного устройства 8, 25 увеличивая продольное магнитное поле в стержне 1. Одновременно выходной сигнал датчика 20 рассогласования уменьшает напряжение на выходе сумматора 17, уменьшая тем самым величину кругового магнитного поля. Изменение величин кругового и продольного магнитных полей происходит до тех пор, пока с учетом размагничивающего продольного магнитного поля амплитуда колебаний стержня 1 с зондом 4 не достигнет прежнего заданного значения, при этом за счет выбора весовых коэффициентов сумматоров 16 и 17 величина кругового постоянного магнитного поля в стержне 1 уменьшается, а величина продольного переменного магнитного поля увеличивается на половину величины размагничивающего поля. В необходимых случаях при больших значениях вязкости жидкости для уменьшения влияния вязкости на точность измерения плотности в усилительном устройстве может быть предусмотрен фазовый сдвиг выходного сигнала, физически осуществляющий разворот вектора крутящего момента. В этом случае горизон. тальная составляющая вектора крутящего момента копменсирует действие активных сил, обусловленных влиянием вязкости среды. Возможная нестабильность фазового сдвига в кольце самовозбуждения колебаний легко может быть устранена автоматическим регулированием величины сдвига фазы выходного сигнала датчика колебательной скорости относительно входного (например, на концах коаксиальной обмотки 7 возбуждения). Испытания предложенного способа и устройства на макетном образце показало, что исполь. зование изобретения по сравнению с базовым обеспечивает снижение нелинейности возбуждения колебаний и за счет этого повышает точность измерения плотности тяжелых углеводо-. подобных топлив в диапазоне 700 — 900 кг/м 3 от 0,6 до 0,4Ж. 1043526 ВНИИПИ Заказ 7328/46 Тираж 873 Подписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
