Магнитоупругий датчик давления

 

Г. МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий два преобразо .вателя с питаю:1цей и двумя измерительными обмотками, каждый из которых выполнен в виде чувствительного элемента из магнитострикционного материала с защитной .оболочкой из немагнитного материала, при этом питающая и измерительная обмотки охватывают . защитные оболочки, а измерительные обмотки включены встречно, о т л ичающийся тем, что, с Целью увеличения чувствительности и уменьшения нелинейности замечет исключения осевой деформации чувствительного элемента, в нем каждый чувствительный элемент вьтолнен в виде полого цилиндра, а защитная оболоч-; ка - в виде двух колец, установленных герметично с зазором относитель (П но полого цилиндра.1 .

,.SUat>

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ЗСЮ GOl Ь9 16 I

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

$/1„ юу,1-,. „, Н *BTOPCNI%lhf СВИ4ЕПЦ1ЬСТВУ (21) 3532709/18-10 (22) 01.12.82 (46) 30.08.84. Бюл. И 32 (72) А.С.Соколовский, В.Б.Воробьев, А.П.Демин и В.В.Ульянов (53) 53!.787.91(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N- 214165, кл. G 01 L 9/16, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

В 551524, кл. С Ol L 9/16,1975 (прототип). (54) (57) l . МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК

ДАВЛЕНИЯ, содержащий два преобразо,вателя с питающей и двумя измерительными обмотками, каждый иэ которых выполнен в виде чувствительного элемента из магнитострикционного материала с защитной, оболочкой из немагнитного материала, при этом питающая и измерительная обмотки охватывают защитные оболочки, а измерительные обмотки включены встречно, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и уменьшения нелинейности за счет исключения осевой деформации чувствительного элемента, в нем каждый чувствительный элемент выполнен в виде полого цилиндра, а защитная оболоч-: ка - в виде двух колец, установлен- 0 ных герметично с зазором относитель- Е но полого цилиндра.) 1111041

2. Датчик по и. 1, о т л и ч а ю- шийся тем, что в нем стенка

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения избыточного и абсолютного давлений, разности давлений различных жидких и газообразных сред, в частности для контроля давления рабочей жидкости в гидросистемах испытательных стендов °

Известны магнитоупругие датчики давления, содержащие в качестве чувствительного элемента полый цилиндр, заглушенный с одного торца и охваченный обмотками 11 ).

Этот датчик обладает нелинейностью и низкой чувствительностью, поскольку главные механические напряжения(окружное б„ и осевое имеют одинаковые знаки и, следовательно, выходной сигнал датчика является функцией разности этих напряжений, Кроме этого, датчик позволяет измерять только избыточное давление. I

Известны магнитоупругие датчики, позволяющие измерять разность давлений за счет наличия двух преобразователей с линейной характеристикой, получаемой за счет приближения работы чувствительного элемента к условиям линейного напряженного состояния, что достигается с помощью мембраны, которая упирается средней частью в торец полого цилиндра, являющегося чувствительным элементом, который охвачен обмотками. Подводимое к мембране давление практически полностью преобразуется только в осевое механическое напряжение 6<, испытываемое полым цилиндром. Отсут" ствие окружного напряжения уменьшает нелинейность преобразователей °

Конструкций преобразователей позволяет производить поджатие чувст.вительного элемента с целью линеаризации их характеристик.

Датчик обладает сложной конструкцией из-за наличия мембранных преобразователей, а магнитопривод являетполого цилиндра выполнена с прогибом в средней части в сторону оси цилиндра, ся составным(состоит из чувствительного элемента и наружного магнитопровода)и, следовательно, содержит воздушные зазоры.

5 Кроме этого, преобразователи хотя и выдают разный по величине сигнал, но одного знака, и суммарный сигнал равен их разности, что акже снижает чувствительность датчика по

10 сравнению, например, с датчиком, содержащим два преобразователя с разнбзначным выходом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату

15,к изобретению является магнитоупругий датчик давления, содержащий охваченные намагничивающей обмоткой два преобразовател... каждый иэ которых выполнен в виде кольцеобразного

20 охваченного защитной оболочкой из немагнитного материала и измерительной обмоткой, выполненного из магнитного материала чувствительного элемента, разделяющего две, наружную и внутреннюю герметичные полости, сообщенные с подводящими штуцерами, причем наружная полость каждого преобразователя сообщена с внутренней полостью другого, а измерительЗ0 ные обмотки включены встречно. В датчике чувствительный элемент выполнен в, виде полого тора, а защитная оболочка — в виде охватывающего первый второго тора, причем полость внутри первого образует внутреннюю

35 полость, а полость, образованная первым и вторым торами, образует наружную полость. При таком исполнении датчика магнитопроводом являют40 ся стенки внутреннего тора, которые не имеют воздушных зазоров (2).

Однако известно, что для случая плоского напряженного состояния .относительное изменение магнитной проницаемости 1, является функцией алгебраической разности главных механических напряжений: напряжения(,),. действующего по касательной к стенке

l l l 1 04 l

6 =26

1 2

55 тора в плоскости, проходящей через ось вращения и совпадающей с плоскостью обмотки, и кольцевого напряжения(Я ), совпадающего с направлением магнитных сйловых линий, и действующего по касательной к стенке тора в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

При работе чувствительного элемента, например, на растяжение, при изменении вдоль тора, в плоскости, перпендикулярной оси вращения, м (Ga 2)1 где 5„ — тензочувствительность материала по изменению магнитной проницаемости.

P(ъ I„

Учитывая, чта т

2i.g

Ра

2Б где P — измеряемая разность давлений; текущий радиус стенки тора относительно оси вращения; г — радиус центра поперечного

О сечения тора относительно оси вращения;

0 — радиус стенки тора относительно центра поперечного сечения;

d" — толщина стенки тора, и принимая среднее значение г г получим 1.=-S

Ро

М 2ъ

Следовательно, наличие 52 того же знака, что и, уменьшает в два раза, в результате чего датчик имеет низкую чувствительность.

Кроме того, статИческая характеристика магнитоупругого преобразования такого датчика имеет нелинейный характер, что связано с особенностями объемного напряженного состояния ферромагнитного. тела.

Недостатком известного датчика является .наличие значительного ради— ального механического напряжения (перпендикулярного поверхности чувствительного элемента );

3 1 2 где Р„ и Р— сравниваемые давления.

Изменение магнитной проницаемости и под действием напряжения одного знака и равной величины в обоих преобразователях датчика за счет встречного включения измерительных обмоток не должно оказывать влияния на сум11

35 марный выходной сигнал. Однако вВиду различия .геометрии чувствительных элементов преобразователей, различия в материале и т.д. изменение магнитной проницаемости за счет 6 будет различным в преобразователях и пото" му полной компенсации добиться нельзя.Нелинейность, обуславливаемая напряжением Й тем больше, чем больше его величина. Поэтому снижение этого напряжения является средством уменьшения нелинейности, Цель изобретения — уменьшение нелинейности и повышение чувствитель-. ности датчика за счет устранения осевой деформации чувствительного элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике, содержащем два преобразователя с питающей и двумя измерительными обмотками, каждый из которых выполнен в виде чувствительного элемента из магнитострикционного материала с защитной оболочкой из немагнитного материала, при этом питающая и измерительная обмотки охватывают защитные оболочки, а измерительные обМотки включены встречно, каждый чувствительный элемент выполнены в виде полого цилиндра, а защитная оболочка— в виде двух колец, установленных герметично с зазором относительно полого цилиндра.

В датчике стенка полого цилиндра может быть выполнена с прогибом в средней части в сторону оси цилиндра.

На фиг. 1 изображен .. датчик, общий вид; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг..); на фиг. 3 — цилиндричес-, кий чувствительный элемент с прогибом.

Магнитоупругий датчик давления содержит два преобразователя 1 и Й, охваченных намагничивающей обмоткой

1 и каждый из которых содержит чувствительный элемент 2, выполненный . в виде полого цилиндра из магнитного материала. Защитная оболочка выполнена из немагнитного материала в виде двух полых цилиндров(колец ), наружного 3 и внутреннего 4. Все три цилиндра вложены один в другой, так что наружный цилиндр 3 и чувствительный элемент 2 с помощью уплотнительных колец 5 образуют наружную герметичную полость 6, сообщенную со штуцером 7, а чувствительный элемент

1111041

2 и внутренний цилиндр 4 с помощью уплотнительньг. колец 8, установленных по их торцам, образуют внутреннюю герметичную полость 9, сообщенную со штуцером 10.

Все цилиндры преобразователя Х в осевом направлении охвачены измерительной обмоткой 11, а преобразователя 11 - обмоткой 12. Обмотки 11 и 12 включены встречно.

Наружная полость 6 преобраэова1 теля l сообщена каналом 13 с внутренней полостью 9 преобразовате.-. ля :Й, а внутренняя полость 9 преобразователя tg сообщена каналом 14 с наружной полостью 6 преобразова1 . Давления Р1и Р2подводятся с помощью штуцеров 15 и 16.

Датчик работает следующим обра"

SOM °

Под действие к разности давлений, подаваемых в полости 6 и 9 преобразователя 1, его чувствительный элемент 1 .из магнитного материала испытывает растягивающие или сжимающие окружные механические напряжения. Под действием этих напряжений изменяется магнитная проницаемость чувствительного элемента 1, который одновременно является замкнутым магнитопроводом, охваченным обмоткой

11. Под влиянием изменения магнитной проницаемости магнитоПровода меняется индуктивное сопротивление обмотки 11, которое является функцией измеряемой разности давлений. То же самое происходит и в преобразователе

Ю, но выход, рго будет другого знака, так как он испытывает противо-. положные по знаку напряжения.

Суммарный сигнал от двух преобразователей будет равен сумме их выходных сигналов, так как магнитный поток от обмотки 1 в обоих чувствительных элементах одного направления, а измерительные обмотки 11 и

12 включены встречно.

В отличие от прототипа чувствительный элемент 1 испытывает только окружные напряжения d Осевые напряжения 6 отсутствуют ввиду того,что они действуют на малые торцовые кольцевые поверхности, и следовательно, они малы по величине и, кроме того, они воспринимаются цилиндрами

4 и 3 защитной оболочки. Напряже- . ния в этих цилиндрах, так как они . выполнены из немагнитного материала, не оказывают влияния на выходной сигнал датчика и не передаются на

- чувствительный элемент в местах герметизации благодаря уплотнительным кольцам 5 и 8.

Таким образом, ввиду отсутствия в чувствительном элементе 1 осевых напряжений 4 его напряженное состоя2 ние приближается к линейному, что соответственно уменьшает нелинейность магнитоупругого преобразователя.

Чувствительность одного преобразователя в этом случае(например, при работе чувствительного элемента на растяжение)определяется, учитывая изменение j.ïo окружности цилиндра, величиной

1 =.-Б„(,-t „)=s„—,, 20! где м — радиус цилиндра чувствительного элемента;

5 — толщина стенки этого цилин25 дра.

Принимая для сравнения а„=а и

5 = ol" получим, что в предлагаемом датчике относительное изменение магнитной проницаемости в два

З0 раза выше, чем в прототипе.

Следовательно, и чувствительность, и выходной сигнал такого датчика . также в два pasа выше.

Следует заметить, что жесткость торцов цилиндров оболочки в радиальном направлении выбирается достаточной, чтобы можно было пренебречь увеличением среднего диаметра торцов при подаче высоких давлений, иначе

40 это приведет .к погрешности, связанной с увеличением диаметра цилиидра чувствительного элемента при Р=Р—

- Р2 О, но при высоком уровне самих

1 2

Чувствительность датчика можно повысить, используя конструкцию чувствительного элемента(фиг. 2J .

В этом случае .стенка 2 цилиндра чувствительного элемента выполнена с прогибом !7 в средней части в сторону оси вращения, Для возможности сборки внутренний цилиндр 4 оболочки в этом случае делается разъемным с последующей герметизацией после сборки (клеем, сваркой, герметиком ).

В этом случае в зависимости от

55 направления разности давлений выходной сигнал одного преобразователя пропорционален величине (4„+ б ), 1! !104!

5 2

Х

6 Х2 Б

Аа т

Щук Заказ 6300/33 Тираж 822 Подписное

Филиал ППП "Патеат™, r.Ужгород, ул.Проектная, 4 а выходной сигнал другого прсобра.и>вателя — величине †(6„ i 6 ), 1де и 6 — механические напряжения и

1 стенке чувствительного элемента, имеющие тот же смысл, что.и для чувствительного элемента, выполненного в виде тора, так как чувствительный элемент можно рассматривать как внутреннюю часть тора, защемленную по краям. Однако по сравнению с прототипом(где изменение магнитной проницаемости пропорционально разности главных механических напряжений Й„ и 5 )и с вариантом, когда одно из напряжений равно нулю, в данном варианте пропорционально сумме напряжений 4„ и 6, повьш ает чувствительность преобразователей и датчика в целом.

Технико-экономическая эффективность датчика заключается в уменьшепии нелинейности и повышении чувствительности(примерно в 2-4 раза ) по сравнению с прототипом. При. этом он сохраняет преимущества известного

5 датчика, а именно магнитопровод с защитной оболочкой совмещает в себе несколько функций: чувствительного элемента, корпуса для больших статических давлений, магнптопровода, !

О каркаса для обмотки. Датчик не

Ф содержит подвижных элементов и,, следовательно, воздушных зазоров.

По сравнению с прототипом, являю-!

5 щимся базовым объектом, нелинейность датчика может быть снижена с 1,57 до 0,3-0,57., что приводит к упрощению обработки данных и сокращению сроков испытаний на !О-15Х это

20 в свою очередь дает экономию 100120 р. на одно испытываемое изделие.