МЕХАНОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/18 

Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов, в частности к контролю и измерению перемещений, усилий, давлений.

Известно устройство для преобразования сил, перемещений и давлений (при соответствующей замене материалов) в магнитный сигнал, включающее корпус с установленным в нем упругодеформируемым элементом и двумя магнитопроводами, включенными в магнитоцепь сигнализации и замыкаемыми магнитопроводным соплом, реализующее положительную обратную связь упругодеформируемым элементом [1].

Недостатком известного устройства является малая чувствительность при уменьшении входного сигнала, что обусловлено действием гидродинамических сил между торцом сопла и упругодеформируемым элементом - мембраной, которые будут стремиться исказить входной сигнал. Кроме того, мембрана обладает гистерезисом, а сильфон при таких существенных перемещениях - малой надежностью, что в сумме ухудшает достоинства в целом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее корпус из немагнитовосприимчивого материала, мембрану с силовоспринимающей площадкой и магнитопроводом, постоянно контактирующие с магнитной жидкостью, а мембрана снабжена клапаном конусообразной формы с ответным конусом в корпусе [2]. Такое устройство при соответствующем выборе материалов позволяет получать на выходе пропорциональный по величине входному механическому сигналу магнитный сигнал, обусловленный изменением сечения, а следовательно, и магнитного сопротивления конусного "колпачка" магнитной жидкости.

К недостаткам известного устройства следует отнести низкий коэффициент усиления и, соответственно, точность из-за конусности преобразующих элементов, а также из-за того, что изменение магнитной проводимости осуществляется практически путем изменения зазора. Указанные недостатки устраняются тем, что в предложенном механомагнитном преобразователе, содержащем корпус из немагнитного материала, основание и плунжер с силовоспринимающими площадками и силопередающими, зазор между которыми заполнен жидкостью, силопередающие площадки выполнены эквидистантными из магнитомягкого ферритного материала с несмачиваемым жидкостью покрытием. Кроме того, механомагнитный преобразователь имеет сферические силопередающие площадки, а жидкость может быть использована магнитопроводная.

Суть изобретения сводится к тому, что поверхности силопередающих площадок выполнены эквидистантными, т.е. они либо плоские, либо сферические, либо других форм, но, в любом случае, при их сближении одна силопередающая площадка полностью повторяет форму (рельеф) другой (аналог пуансона и матрицы), а расположенная в зазоре между силопередающими площадками жидкость не смачивает силопередающие площадки, выполненные из магнитомягких ферромагнитов, благодаря специальному покрытию этих площадок, причем жидкость при непредельном положении плунжера только частично заполняет зазор между площадками.

Такое выполнение позволяет при изменении входного сигнала и соответствующего изменения зазора между силопередающими площадками, например уменьшении, увеличить площадь растекания жидкости между площадками (при неизменном объеме жидкости), с одной стороны, и за счет несмачивания жидкостью силопередающих площадок уменьшить капиллярный радиус, с другой. Все это приводит к появлению сил, противодействующих изменению входного сигнала, ибо в жидкости увеличивается давление с одновременным увеличением площади контакта с силопередающими площадками.

Одновременное и однонаправленное воздействие сил со стороны жидкости позволяет в несколько раз по сравнению с прототипом увеличить обратную связь по усилию при идентичной величине перемещения плунжера, т.е. увеличить разрешающую способность, коэффициент усиления и точность преобразования устройства. Выполнение поверхностей силопередающих площадок эквидистантными позволяет получать практически равномерные зазоры по всей поверхности силопередающих площадок, что исключает перераспределение магнитных силовых линий и их концентрацию в каких-либо местах площадок и, соответственно, способствует поддержанию стабильности параметров ферромагнитных материалов.

Выполнение силопередающих площадок из магнитомягких ферритных материалов позволяет при немагнитовоспринимающих материалах остальных деталей устройства получать при стабильном магнитном сцеплении силопередающих площадок с источником переменного магнитного поля зависимость магнитного сопротивления в зазоре от величины входного сигнала. Особенностью изменения магнитного сопротивления в зазоре является его практически линейная зависимость от величины зазора. Характерным явлением, препятствующим прямому использованию силоизмерительных схем в механомагнитных преобразователях, является появление усиления, уменьшающего замыкающий зазор - δ в магнитопроводе, причем сила эта обратнопропорциональна квадрату величине этого зазора. Устройство обладает оригинальной отрицательной обратной связью, которая проявляется в том, что с уменьшением величины зазора δ возрастает капиллярное давление P_к в жидкости и одновременно пропорционально увеличивается площадь S растекания жидкости, причем сила обратной связи P_о.с. равна при этом:
,
где
σ - коэффициент поверхностного натяжения;
δ - толщина капиллярного слоя (замыкающий зазор);
V₀ - начальный объем жидкости.

Таким образом, величина обратной связи обратнопропорциональна квадрату величины зазора, что при соответствующем выборе размеров преобразователя позволяет практически полностью компенсировать изменение усилия в зазоре под действием магнитной силы. В известных аналогах такую автоматическую компенсацию провести невозможно и требуются специальные устройства.

Форма выполнения взаимосопряженных - эквидистантных поверхностей силопередающих площадок может быть различной, но наиболее удобная - сферическая, ибо она обладает большей универсальностью по сравнению, например, с плоской поверхностью, на которой трудно добиться собирания жидкости к центру площадки, расположенной горизонтально, или с конусной, у которой увеличение площади растекания жидкости требует большего хода подвижной силопередающей площадки. Дозировка рабочей жидкости, поступающей в межплощадочное пространство, позволяет сферическим силопередающим площадкам работать в различных диапазонах входных усилий и направлений растекания жидкости - от почти плоского горизонтального до почти вертикального.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена конструктивная схема механомагнитного преобразователя.

Преобразователь состоит из корпуса 1, основания 2 и плунжера 3, выполненных из немагнитного материала. Основание 2 и плунжер 3 имеют, соответственно, силовоспринимающие площадки 4 и 5 и силопередающие площадки 6 и 7, выполненные эквидистантными из магнитомягких ферритных материалов и имеющих тонкие покрытия 8 и 9, несмачиваемые жидкостью 10, расположенной между ними. Силопередающие площадки имеют магнитный контакт с внешней измерительной магнитной цепью (на чертеже не показана) через магнитопровод основания 11 и магнитопровод плунжера 12 с гарантированным микрозазором 13. Отверстие 14 служит для исключения изоляции силопередающих площадок 6 и 7 от внешнего давления окружающей среды.

Преобразователь работает следующим образом.

После подготовки к работе, заключающейся в установке оси перемещения плунжера 3 вдоль силовых линий, например гравитационного поля, и заполнения жидкостью 10 пространства между силопередающими площадками 6 и 7, а также подключения магнитоизмерительной цепи, подают входной сигнал - силовой, или перемещение на силовоспринимающие площадки 4 и 5. При этом площадка 4 основания 2 может быть установлена неподвижно, а входной сигнал подаваться на площадку 5 плунжера 3. В зависимости от направления входного сигнала плунжер 3 будет либо опускаться вниз (по чертежу), либо вверх. При, например, силовом сигнале, направленном вниз (вверх) силопередающая площадка 7 с большей силой надавит на поверхность растекания жидкости и, преодолевая силу обратной связи со стороны жидкости 10, уменьшит (увеличит) расстояние (зазор) между силопередающими площадками 6 и 7, что приведет к увеличению (уменьшению) площади растекания жидкости 10. Уменьшение (увеличение) зазора увеличит (уменьшит) капиллярное давление в жидкости 10, что увеличит (уменьшит) силу обратной связи, которая еще больше усилится (уменьшится) за счет увеличения (уменьшения) площади контакта растекающейся между площадками 6 и 7 жидкости 10.

Перемещение плунжера 3 прекратится после выравнивания силы, действующей на силовоспринимающую площадку 5, и обратной связи, действующей на площадку 7. Изменение зазора между площадками 6 и 7 будет зафиксировано магнитоизмерительной системой, причем сопротивление магнитной цепи, передающей измеряемый сигнал, остается неизменным из-за неизменности магнитного сопротивления между площадками 6 и 7 и магнитопроводами 11 и 12 (см. чертеж). В зависимости от измеряемых параметров усилий проектируются параметры преобразователя, в частности геометрические размеры, материалы, а также начальная степень заполнения жидкостью 10 зазора между силопередающими площадками 6 и 7.

При использовании жидкости 10 с большой плотностью, например ртути, и сферическими силопередающими площадками 6 и 7, существенную роль играет подъем концов "блина" растекающейся жидкости относительно оси плунжера 3, ибо в этом случае добавляется сила гидростатического давления, что еще больше увеличивает силу обратной связи и входное сопротивление устройства, т.е. повышает качество преобразователя.

При использовании магнитопроводной жидкости 10 еще более увеличивается коэффициент преобразования (и точность преобразования) за счет замены в зазоре, например, воздуха на ферромагнитную жидкость на керосине с магнитной проникаемостью, равной 10, что в несколько раз увеличивает разрешающую способность выходного сигнала из-за дополнительного изменения магнитного сопротивления зазора между площадками 6 и 7.

При преобразовании перемещения в магнитный сигнал обычно встает проблема минимизации силовой связи между источником перемещения и преобразователем перемещения в магнитный сигнал (индукционные датчики перемещений), при стремлении к увеличению чувствительности преобразователя (коэффициента усиления передачи). Работа данного устройства позволяет реализовать и эти требования. При поступлении на силовоспринимающую площадку 5 плунжера 3 сигнала перемещения, например, направленного вниз (по чертежу) силовоспринимающая площадка 7 переместится ближе к площадке 6 и между ними, при наличии измерительного магнитного потока Ф возникает сила притяжения, обратно пропорциональная зазору между площадками 6 и 7, направленная на усиление входного сигнала. Однако в это время из-за увеличения капиллярного давления и растекания жидкости по площадкам 6 и 7 возникает сила обратной связи, направленная против силы магнитного притяжения между площадками 6 и 7 и аналогично обратно пропорциональная зазору между ними.

При соответствующем выборе параметров преобразователя можно практически компенсировать эти силы, сохранив за счет большой площади силопередающих площадок (и еще в большей степени при использовании магнитопроводной жидкости) большой коэффициент преобразования, а следовательно, и точность преобразования механического сигнала в магнитный.

Использование: к области автоматизации производственных процессов, в частности к контролю и измерению перемещений и сил. Сущность изобретения: преобразователь содержит выполненные из немагнитного материала корпус, основание и плунжер, выполненные соответственно с силовоспринимающей и силопередающей площадками, зазор между силопередающими площадками заполнен жидкостью, силопередающие площадки выполнены из магнитомягкого ферритного материала с покрытием, несмачиваемым жидкостью, а поверхности силопередающих площадкок выполнены эквидистантными, например, сферической формы. Жидкость в зазоре может быть магнитопроводная. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Механомагнитный преобразователь, содержащий выполненные из немагнитного материала корпус, основание и плунжер, причем основание и плунжер выполнены соответственно с силовоспринимающей и силопередающей площадками, а зазор между силопередающими площадками заполнен жидкостью, отличающийся тем, что поверхности силопередающих площадок выполнены эквидистантными, а площадки - из магнитомягкого ферритного материала с покрытием, несмачиваемым жидкостью. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что поверхности силопередающих площадок основания и плунжера выполнены сферическими. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что жидкость в зазоре магнитопроводная.