SU1111041A1 - Магнитоупругий датчик давлени - Google Patents

Abstract

Г. МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий два преобразо .вател  с питаю:1цей и двум  измерительными обмотками, каждый из которых выполнен в виде чувствительного элемента из магнитострикционного материала с защитной .оболочкой из немагнитного материала, при этом питающа  и измерительна  обмотки охватывают . защитные оболочки, а измерительные обмотки включены встречно, о т л ичающийс  тем, что, с Целью увеличени  чувствительности и уменьшени  нелинейности замечет исключени  осевой деформации чувствительного элемента, в нем каждый чувствительный элемент вьтолнен в виде полого цилиндра, а защитна  оболоч-; ка - в виде двух колец, установленных герметично с зазором относитель (П но полого цилиндра.1 .

Description

2.Датчик по п. 1, о т л и ч а ющ и и с   тем, что в нем стенка

полого цилиндр а выполнен а с гшогибом в .средней части в сторону оси цилиндра .

Изобретение относитс  к контрольно измерительной технике и предназначено дл  измерени  избыточного и абсолютного давлений, разности давлений различных жидких и газообразных сред, в частности дл  контрол  давлени  рабочей жидкости в гидросистемах испытательных стендов.

Известны магнитоупругие датчики давлени , содержащие в качестве чувствительного элемента полый цилиндр, заглушенный с одного торцаи охваченный обмотками D

Этот датчик обладает нелинейностью и низкой чувствительностью, поскольку главные механические напр жени  (окружное (э и осерое ) Имеют одинаковые знаки и, следовательно , выходной сигнал датчика  вл етс  функцией разности этих напр жений. Кроме этого, датчик позвол ет измер ть только избыточное давление.

Известны магнитоупругие датчики, позвол ющие измер ть разность давлений за счет наличи  двух преобразователей с линейной характеристикой, получаемой за счет приближени  работы чувствительного элемента к услови м линейного напр женного соето ни , что достигаетс  с помощью мембраны, котора  упираетс  средней частью в торец полого цилиндра,  вл ющегос  чувствительным элементом который охвачен обмотками. Подводимое к мембране давление практически полностью преобразуетс  только в осевое механическое напр жение 2, испытываемое полым цилиндром. Отсутствие окружного напр жени  уменьшает нелинейность преобразователе й.

Конструкций преобразователей позвол ет производить поджатие чувст . вительного элемента, с целью линеар.изации их характеристик.

Датчик обладает сложной конструкцией из-за наличи  мембранных преобразователей , а магнитопривод  вл етс  составным(состоит из чувствительного элемента и наружного магнитопровода )и, следовательно, содержит воздушные зазоры.

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

сравнению, например, с датчиком, содержащим два преобразовател  с разнйзначным выходом.

Наиболее.близким по технической сущности и достигаемому результату

5 к изобретению  вл етс  магнитоупругий датчик давлени , содержащий охваченные намагничивающей обмоткой два преобразовател/1, каждый из которых выполнен в виде кольцеобразного

0 охваченного защитной оболочкой из немагнитного материала и измерительной обмоткой, выполненного из магнитного материала чувствительного элемента, раздел ющего две, наруж5 ную и внутреннюю герметичные полости , сообщенные с подвод щими штуцерами , причем наружна  полость каждого преобразовател  сообщена с внутренней полостью другого, а измерительg ные обмотки включены встречно. В датчике чувствительный элемент выполнен в,виде полого тора, а защитна  оболочка - в виде охватывающего первый второго тора, причем полость внутри первого образует внутреннюю полость, а полость, образованна  первым и вторым торами, образует наружную полость. При таком исполнении датчика магнитопроводом  вл ютс  стенки внутреннего тора, которые не имеют воздушных зазоров ).

Однако известно, что дл  случа  плоского напр женного состо ни  .относительное изменение магнитной проницаемости i  вл етс  функцией алгебраической разности главных механических напр жений: напр жени  (JJ, действующего по касательной к стенке

тора в плоскости,проход щей через ос вращени  и совпадающей с плоскостью обмотки, и кольцевого напр жени  (б,), совпадающего с направлением магнитных силовых линий, и действующего по касательной к стенке тора в плоскости , перпендикул рной оси вращени .

При работе чувствительного элемента , например, на раст жение, при изменении вдоль тора, в плоскости, перпендикул рной оси вращени ,

V-S(. где тензочувствительность

материала по изменению магнитной проницаемости.

f P( )„ Учитыва , что i - ° - ,

/ hg

Р - измер ема  разность давлений г - текущий радиус стенки тора относительно оси вращени ; г - радиус центра поперечного сечени  тора относительно оси вращени ;

а - радиус стенки тора относительно центра поперечного сечени ;

сА - толщина стенки тора, и принима  среднее значение , получимI

. - «lf-Следовательно , наличие того же знака, что и ( , уменьшает i в два раза, в результате чего датчик имеет низкую чувствительность.

Кроме того, статическа  характеристика магнитоупругого преобразовани  такого датчика имеет нелинейный характер, что св зано с особенност ми объемного напр женного состо ни  ферромагнитного тела.

Недостатком известного датчика  вл етс  наличие значительного радиального механического напр жени  (перпендикул рного поверхности чувствительного элемента);

(.Р2 где-Р-, и- Pj - сравниваемые давлени .

Изменение магнитной проницаемости под действием напр жени  одного знака и равной величины в обоих преобразовател х датчика за счет встречного включени , измерительных обмоток не должно оказывать вли ни  на суммарный вьЬ одной сигнал.-. Однако ввиду различи  геометрии чувствительных элементов преобразователей, -различи  . в материале и т.д. изменение магнитной проницаемости за счет 6, будет различным в преобразовател х и пото му полной компенсации добитьс  нельз . Нелинейность, обуславливаема  напр жением &у тем больше, чем

больще его величина. Поэтому снижение этого напр жени   вл етс  сред-, ством уменьшени  нелинейности.

Цель изобретени  - уменьшение нелинейности и повышение чувствителы

5 ности датчика за счет устранени  осевой деформации чувствительного элемента.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в датчике, содержащем

0 два преобразовател  с питающей и двум  измерительными обмотками, каждый из которых выполнен в виде чувствительного элемента из магнитострикционного материала с защитной

5 оболочкой из немагнитного материала, при этом питак ца  и измерительна  обмотки охватывают защитные оболочки , а измерительные обМотки включены встречно, каждый чувствительный

0 элемент выполнены в виде полого цилиндра, а защитна  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,

0 общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - цилиндричес-, кий чувствительный элемент с прогибом .

Магнитоупругий датчик давлени 

45 содержит два преобразовател  I и и, охваченных намагничивающей обмоткой 1 и каждый из которых содержит чувст вительный элемент 2, выполненный ; в виде полого цилиндра из магнитного

50 материала. Защитна  оболочка выпол нена из немагнитного материала в виде двух полых цилиндров(колец ), наружного 3 и внутреннего 4. Все три цилиндра вложены один в другой, так

55 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 2 и внутренний цилиндр 4 с помощью уплотннтельньг-. колец 8, установленн по их торцам, образуют внутреннюю герметичную полость 9, сообщенную со штуцером 10. Все цилиндры преобразовател  I в осевом направлении охвачены измерительной обмоткой 11, а преобразовател  U- обмоткой 12. Обмотки 11 и 12 включены встречно, Н аружна  полость 6 преобразовател  t сообщена каналом 13с (внутренней полостью 9 преобразовате л  5 , а внутренн   полость 9 преобразовател  и сообщена каналом 14 с наружной полостью 6 преобразовател  I . Давлени  и Р подвод тс  с Помощью штуцеров 15 и 16. Датчик работает следующим образом . Под действие разности давлений, подаваемых в полости 6 и 9 преобразовател  1 , его чувствительный элемент 1 из магнитного материала испытывает раст гивакидие или сжимаю щие окружные механические напр жени . Под действием этих напр жений измен етс  магнитна  проницаемость чувствительного элемента 1, который одновременно  вл етс  замкнутым маг нитопроводом, охваченным обмоткой 11. Под вли нием изменени  магнитно проницаемости магнитоЬровода мен етс  индуктивное сопротивление обмотки 1I, которое  вл етс  функцией измер емой разности давлейий. То же самое происходит и в преобразовател и, но выход pro будет другого знака , так как он испытывает противо-т положные по знаку напр жени . Суммарный сигнал от двух преобразователей будет равен сумме их вы ходньпс сигналов, так как магнитный поток .от обмотки 1 в обоих чувствителыак элементах одного направлеНИН , а измерительные обмотки Пи 12 заключены встречно. В отличие от прототипа чувствительный элемент 1 испытывает только окружные напр жени  (5,. Осевые напр . жени ь отсутствуют ввиду того,что они действуют на малые торцовые кольцевые поверхности, и следовател но, они малы по величине и, кроме того, они воспринимаютс  цилиндрами 4 и 3 защитной оболочки. Напр жени  в этих цилиндрах, так как они выполнены из немагнитного материала , не оказывают вли ни  на выходно игнал датчика и не передаютс  на увствительный элемент в местах герметизации благодар  уплотнительым кольцам 5 и 8. Таким образом, ввиду отсутстви  чувствительном элементе 1 осевых апр жений б его напр женное состо ие приближаетс  к линейному, что оответственно 5гменьщает нелинейость магнитоупругого преобразоваел .. Чувствительность одного преобраовател  в этом случае(например, ри работе чувствительного элемента а раст жение определ етс , учитыа  изменение i, по окружности цилинда , величиной .. I- .где «U, радиус цилиндра чувстви тел1эного элемента; 5 - толщина стенки этого цилинДра ..Принима  дл  сравнени  и получим, что в предлагаемом датчике относительное изменение магнитной проницаемости в два раза вьше, чем в прототипе. Следовательно, и чувствительность, и выходной сигнал такого датчика, также в два раза выше. Следует заметить, что жесткость торцов цилиндров оболочки в радиальном направлении выбираетс  достаточной , чтобы можно было пренебречь увеличением среднего диаметра торцов при подаче высоких давлений, иначе это приведет .к погрешности, св занной с увеличением диаметра цилиндра чувствительного элемента при но при высоком уровне самих Р, и РЗЧувствительность датчика можно повысить, использу  конструкцию чувствительного элемента(фиг. 2). В этом случае стенка 2 цилиндра чувствительного элемента выполнена с прогибом 17 в средней части в сторону оси вращени . Дл  возможности сборки BHyTpeHHHjH цилиндр 4 оболочки в этом случае делаетс  разъемным с последующей герметизацией цосле сборки(клеем, сваркой, герметиком Ь В этом случае в зависимости от направлени  разности давлений выходной сигнал одного преобразовател  пропорционален величине () ,

a выходной сигнал другого npeoGjiartoвател  - неличине - ( & J Д 6-t и 6 механические напр жени  в стенке чувствительного элемента, имеющие тот же смысл, что.и дл  чувствительного элемента, выполнениого в виде тора, так как чувствительный элемент можно рассматривать как внутреннюю часть тора, защемленную по кра м. Однако по сравнению с прототипом (где изменение магнитной проницаемости | пропорционально разности главных механических напр жений (о и (з-) с вариантом, когда одно из напр жений равно нулю , в данном варианте |. пропорционально сумме напр жений (э и ety , повьшшет чувствительность преобразователей и датчика в целом.

Технико-экономическа  эффективность датчика заключаетс  в уменьшении нелинейности и повьписнии чувствительности (примерно в 2- раза ) по сравнению с прототипом. При.этом он / сохран ет преимущества известного

датчика, а именно магнитопровод с защитной оболочкой совмещает в себе несколько функций: чувствительного элемента, корпусу дл  больших статических давлений, магнитопровода,

каркаса дл  обмотки. Датчик не содержит подвижных элементов и,. следовательно, воздушных зазоров.

По сравнению с прототипом, . вл ющимс  базовым объектом, нелинейность датчика может быть снижена с 1,5% до 0,3-0,5%, что приводит к упрощению обработкиданных и сокращению сроков испытаний на 10-15%, это в свою очередь дает экономию 100120 р. на одно испытываемое изделие.

Claims (2)

1. Г. МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий 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, от л йчающийся тем, что, с Целью увеличения чувствительности и уменьшения нелинейности замечет исключения осевой деформации чувствительного элемента, в нем каждый чувствительный элемент выполнен в виде полого цилиндра, а защитная оболочка - в виде двух колец, установленных герметично с зазором относительно полого цилиндра. ;

   в»
2. 2.'Датчик по π. 1 , о т л и ч а ю- полого цилиндра выполнена с прогибом в щ и й с я тем, что в нем стенка .средней части в сторону оси цилиндра .