Преобразователь механических усилий в электрический сигнал

 

(72) Авторы

"зебРете""Я N. М. Стронгин, В. А. Турков и А. М. Хазен

Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. Ломоносова (7I) Заявятель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧ ЕСКИХ УСИЛИЙ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ

Изобретение относится к преобразова,телям механических усилий в эпектричесmR сигнал и может найти применение во многих областях, в частности дпя иэмерения осевой нагрузки на долото непосредственно в процессе бурения.

Известен преобразователь механических усилий в электрический сигнал по авт. св. М 606117, содержащий воэбуж двюшую систему нв постоянных силопередвюший епемент, измеритель индукции магнитного попя и магнитоупругий чувствительный элемент, выпопнениый в виде четного чиспв стержней, рвспопожжных симметрично относительно измерите- ля индукции магнитного поля и механически соединенных с чередуюшимнся рвзнонменными полюсами постоянных магнитов воэбуждаюшей системы fg), Этот преобразователь обладает цяым рядом достоинств в случае применення, например, дпя ottpåäettåíèÿ динвмических нагрузок и колонне бурвтьных труб ипи в качестве двтчикв осевой нвгруэки нв дойото бурового инструмента, но имеет существенный недостаток, в именно в случае проходки наитонно-направленных скважинн становится существенным влияние иэгибаюших нагрузок.

Целью нзобретения является повышение точности путем уменьшения впияння изгибов.

Это достигается тем, что в предпвгвеьюм преобрвзоватепе стержни, рвспопоженные симметрично относительно измерителя магнитной индукции, выполнены иэ мвтернвпов с противопопожнымн GB&KBMtt мвг» нитострикцни, а силопередаюший элемент механически соедннен с парами стержней разного знака магнитострнкции.

На фиг. 1 представпенв принципивпьнвя схема описываемого преобразователя; на фиг. 2 - магничиое попе в зоне распопожения измеритепя индукции мвгнитного поля.

В каналах силопередаюшего элемента

1 преобразователя, изготовленного иэ немагнитного мвтернвла, расположены стерж684343 4 го ных потоков, равен нулю. Балансировку е- магнитных потоков производят теми же

b- элементами 11, 12, 15, 16, которыми

pa). создают предварительное напряжение. При рж-5 нвгружении преобразователя сжимающими или растягиввюшими нагрузками происхомвг- дит нарушение баланса магнитных потоков за счет изменения магнитной проницаемосый ти рабочих стержней магнитоупругого чувствительного элемента. Характер изменений магнитных HoToKDB o 5 с, Д пока от- зан на фиг. 2. ни 2-5 магнитоупругого чувствительно элемента, причем стержни 2,3 иэготовп ны из материала, Обивдаюшего отрицвтеп ной магнитострикцией (например альфе

Стержни 2, 4 явпяк тся рабочими,а сте ни 3, 5 — компенсационными.

Под всеми стержнями рвсгопожены питы 6-9 воэбуждаюшей системы, опирающиеся нв замыкатель 10, изготовпенн иэ ферромагнитного материала. Магнить расположены на звмыкатепе, чередуясь разноименными полюсами, поэтому при сутствии внешних нагрузок магнитные потоки О,Ь., С. d (фиг. 2) равны, а их конфигурация такова, что В центре магнитной системы по ее оси резупьтируюший вектор индукции магнитного ноля равен нулю.

Элемент, передающий внешнюю нагрузку на стержень 4, выполнен в виде винта

11. Он создает в стержне предваритепь2О ное сжимающее напряжение. Зпемент, передающий нагрузку на стержень 2, выполнен в Виде гайки 12. Он создает в стержне предварительное растягиваюшее усилие.

Компенсационные стержни 3, 5 помешены

В гипьэы 13, 14 таким образом, что внешние нагрузки на них не действуют. ПредВари гепьное напряжение в компенсационных стержнях создается с помощью винта

15 и гайки 16. B центре преобразователя, по его оси расположен измеритель индукции 17 магнитного поля, в частности, им может быть кольцевой ферроэондовый магнитометр. Он размещен в контейнере (на схеме не показан), в котором может быть также часть электронной схемы. Ocb чув стВИтепЬНостн МвГНИтоМЕтРа лежит в плоскости, проходящей через рабочие стержни.

Принцип работы преобразователя закпючается в спедуюшем.

Во.всех стержнях 2-5 с помошью винтов 11, 15 и гаек 12, 16 coaAaloT npeAваритепьные напряжения в пределах середины пинейних участков характеристик магнитострикции применяемых материалов, причем вепичины предварительных напряжений определяют диапазон измеряемой преобразователем нагрузки.

Характер нагрузки предварительных нап-, ряжений зависит от анака магнитострикции материала: дпя материалов с отрицательной магнитострикцией нагрузка должна быть растягиваюшей, для материалов с положительной магнитострикцией - сжи- » маюшей.

Выходной сигнал магнитометрв при отсутствии внешней нагрузки на преобрвэоватепь, в случае сбалансированных магнитВ результате, в центре магнитной системы магнитная индукция не равна нупю, в выходной обмотке магнитометра появляется сигнал, пропорционвпьный припоженной нагрузке, фаза которого соответствует характеру приложенной нвгрузки— сжатие ипи растяжение.

Метод компенсации внешнего магнит:ного попя определяется условиями работы устройства и может осуществляться, например, путем выставления уровня нулевого сигнала магнитометра предварительным нвгружением магнитоупругих стерж,ней ипи установкой магнитных экранов.

Можно не.проводить компенсацию, в просто учитывать величину внешнего магнитного поля по показанию дополнительного магнитометрв.

Преобразователь обпадвет сушественными достоннствами пОЗВОляюшими ис поиьзовать его дпя измерения осевой нагрузки нв долото в случае проходки наклон« но-направпенных скважин, так KBK преобразователь нечувствителен к изгибам.

Эго Обьясняется тем, что рабочие стержни расположены попарно симметрично относительно измерителя магнитной индукции, и при воздействии на корпус изгибающих усилий в стержнях возникают дополнительные напряжения, противопопожные по характеру, в твк квк стержни иэготовпены из материала с разными знаками магнитострикции, то изменение соотношения величин магнитных потоков не происходит. Кроме того, применение дпя изготовления магнитоупругих стержней материалов с разными знаками мвгнито« стрикции позвопипо попучить характеристику преобразователя более линейную по электрическому сигналу и уменьшить механический гистереэис.

Выбранная ориентация намагничивания рабочих и компенсационных стержней позволяет корректировать температурную погрешность.

6843

17 авиа 1

Конструктивные изменения, не нару-. шавшие сушества предлагаемого преобразователя, могут свестись к изменению конструкции силопередаюшего алемента, к исключению замыкателя, но последнее повлечет уменьшение чувствительности преобразователя.

Технико-економический аффект при применении предлагаемого датчика заключаеъ о ся в следующем: возможно производство технологических измерений .в наклонно направленных скважинах; расширены boa можности применения преобразователя пу тем исключения влияния изгибов; изме15 ряются приложенные усилия обоих знаков; улучшена характеристика преобразователя.

43 ьФормула изобретения

Преобразователь механических усилий в электрический сигнал по авт. св.

M 606117,отличающий<., я тем, что, с целью повышения точности By тем уменьшения влияния югибов, стержни, расположенные симметрично относительно юмерителя магничной индукпии, :выполнены нз материалов с противоположными знаками магнитострикнии, а силопередаюший элемент механически соединен с парами стержней разного знака маги итострикпии.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

% 606117, кн. 9 01 4 2/12, 1975.

684343

17 !

V 7

Фиг. 7

Составитель Г. Максягин

Редактор Л. Бибер Техред М. Петко корректор Г. I laaaрова

Заказ 5272/32 Тираж 1090 Подписное

1ШИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4