МАГНИТОУПРУГИЙ МАГНИТОИЗОТРОПНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК G01L1/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к магнитоупругим преобразователям усилий, и может быть использовано для контроля механических усилий.

Известен монолитный силоизмерительный магнитоупругий магнитоанизотропный преобразователь [см. кн. Шишкинский В.И. Магнитоанизотропные монолитные силоизмерители. - М.: Машиностроение, 1981. - с.8-9, 15-23]. В отверстиях магнитопровода преобразователя намотаны во взаимно перпендикулярных плоскостях две обмотки, первичная - возбуждения w₁ и вторичная - w₂. Плоскости обеих обмоток пересекаются с направлением действия силы под углом 45°.

Преобразователь имеет следующее соотношение геометрических параметров:

D≥2d; 2а≥3d; h≥2а,

где D - расстояние между центрами отверстий, d - диаметр отверстий, 2а - ширина магнитопровода, h - высота магнитопровода.

В отсутствии нагрузки плоскость вторичной обмотки не пронизывается магнитным потоком, создаваемым первичной обмоткой, и, следовательно, напряжение на обмотке отсутствует. При нагружении преобразователя измеряемой силой магнитная проницаемость в направлении силы и в перпендикулярном направлении изменяется неодинаково. Материал магнитопривода становится анизотропным по отношению к магнитному потоку: магнитные сопротивления становятся зависимыми от направления, вследствие чего преобразователь назван магнитоанизотропным. По мере изменения силы изменяется доля магнитного потока, пересекающего плоскость измерительной обмотки, что вызывает соответствующие изменения ее выходного напряжения.

Принцип действия магнитоанизотропного преобразователя можно описывать и другим способом: как поворот вектора магнитной индукции, создаваемой первичной обмоткой.

Однако данный преобразователь имеет немонотонную градуировочную характеристику с V-образными начальным участком, что приводит к увеличению погрешности нелинейности преобразователя.

Самым близким по сути является магнитоупругий магнитоанизотропный датчик [см. кн. Шевченко Г.И. Магнитоанизотропные датчики. - М.: Энергия, 1967. - с.9-10, 15-18], содержащий замкнутый магнитопровод с четырьмя отверстиями, расположенными симметрично по углам квадрата. В отверстиях расположены две взаимно перпендикулярные обмотки. Каждая обмотка укладывается в два диагонально противоположных отверстия. Измеряемая нагрузка прикладывается под углом 45° к плоскости каждой обмотки.

Датчик имеет следующее соотношение геометрических параметров:

а=0,33t; a=0,46t; a=0,53t,

где а - расстояние между центрами отверстий, t - ширина магнитопровода.

Намагничивающая обмотка w₁ питается переменным током, создавая магнитный поток, к измерительной обмотке w₂ подключается измерительный прибор или другой чувствительный орган.

В идеальном случае, когда магнитопровод датчика выполнен из магнитоизотропного материала и отверстия для обмоток расположены симметрично, при отсутствии нагрузки магнитные линии потока, замыкаясь, не пересекают измерительную обмотку и, следовательно, не индуктируют в ней ЭДС.

Однако реально под влиянием начальной магнитной анизотропии материала магнитный поток при отсутствии нагрузки направлен под некоторым углом к плоскости измерительной обмотки датчика, индуктируя в последней некоторую ЭДС [2, с.17].

Действие нагрузки на магнитопровод вызывает в нем изменение магнитных свойств, неодинаковое в различных направлениях, что приводит к повороту магнитного потока. При определенном значении механических напряжений в магнитопроводе угол между направлением магнитного потока и плоскостью измерительной обмотки станет равным нулю и, соответственно, уменьшится ЭДС, индуцированная в измерительной обмотке. При дальнейшем возрастании нагрузки абсолютное значение указанного угла увеличивается и магнитный поток, пересекая измерительную обмотку датчика, индуктирует в ней некоторую ЭДС.

Таким образом, градуировочная характеристика датчика является немонотонной, имея минимум на начальном участке.

Техническая задача - устранение немонотонности начального участка градуировочной характеристики магнитоупругого преобразователя усилий.

Технический результат - уменьшение погрешности нелинейности магнитоупругого преобразователя усилий.

Он достигается тем, что магнитопровод магнитоупругого преобразователя выполнен из трех вертикально ориентированных зон: одной рабочей и двух компенсационных и имеет выступы для приложения усилия в рабочей зоне и шесть отверстий (по два в каждой зоне) для размещения обмоток; по краям выступов выполнены четыре вертикальные прорези, разделяющие рабочую и компенсационные зоны; плоскости обмоток параллельны направлению приложения усилия, обмотка возбуждения размещена в шести отверстиях, причем направления ее намотки в рабочей и компенсационных зонах противоположны, а измерительная обмотка выполнена из трех секций, по одной в каждой зоне магнитопровода, причем для обеспечения нулевого начального значения выходного сигнала магнитоупругого преобразователя число витков секций измерительной обмотки выполнено согласно формуле: w_2Р=2w_2К, где w_2Р - число витков секции измерительной обмотки рабочей зоны магнитопровода, w_2К - число витков секции измерительной обмотки компенсационной зоны магнитопровода.

Магнитопровод преобразователя имеет следующие соотношения геометрических параметров:

где а - расстояние между центрами отверстий по вертикали,

b - расстояние между центрами отверстий по горизонтали,

А - высота магнитопровода,

В - ширина магнитопровода,

D - диаметр отверстий.

Данное устройство изображено на чертеже (фиг.1-5). На фиг.1 представлен общий вид магнитопровода преобразователя с указанием геометрических параметров; на фиг.2 - схематичное размещение обмотки возбуждения в отверстиях магнитопровода; на фиг.3 - картина силовых линий магнитного поля, создаваемого в магнитопроводе током возбуждения; на фиг.4 - схематичное размещение измерительной обмотки в отверстиях магнитопровода; на фиг.5 - электрическая схема включения обмоток преобразователя.

Преобразователь имеет магнитопровод 1 с шестью отверстиями 2, состоящий из рабочей зоны 3 и двух компенсационных зон 4, обмотку возбуждения 5, секцию 6 измерительной обмотки рабочей зоны магнитопровода 3, две секции 7 измерительной обмотки компенсационных зон магнитопровода 4, размещенные в отверстиях 2, два выступа 8 для приложения измеряемого усилия и четыре вертикальные прорези 9, выполненные по краям выступов 8 и разделяющие рабочую зону 3 и компенсационные зоны 4 магнитопровода 1.

Обмотка возбуждения 5 размещена в шести отверстиях 2 таким образом, что направления ее намотки в рабочей зоне 3 и компенсационных зонах 4 противоположны, а плоскость обмотки возбуждения 5 параллельна направлению приложения усилия.

Секция 6 измерительной обмотки рабочей зоны магнитопровода 3 и две секции 7 измерительной обмотки компенсационных зон магнитопровода 4 выполнены таким образом, что плоскости секций параллельны направлению приложения усилия, причем секции измерительной обмотки соединены последовательно: две секции 7 компенсационных зон магнитопровода 4 - согласно, а секция 6 рабочей зоны магнитопровода 3 - встречно с ними.

Устройство работает следующим образом.

Питание размещенной в отверстиях 2 (фиг.1) обмотки возбуждения 5 (фиг.2) осуществляется в режиме заданного действующего значения переменного тока, при этом в магнитопроводе 1 возбуждается переменное магнитное поле, силовые линии которого показаны на фиг.3. В отсутствии измеряемой нагрузки магнитная проницаемость рабочей зоны 3 и компенсационных зон 4 имеет одно и то же значение, ЭДС, индуктированная в секции 6 измерительной обмотки рабочей зоны 3, равна удвоенному значению ЭДС, индуктированной в одной секции 7 измерительной обмотки компенсационной зоны 4, поскольку w_2Р=2w_2К. В силу того, что две секции 7 измерительной обмотки компенсационных зон магнитопровода 4 соединены согласно, а секция 6 рабочей зоны магнитопровода 3 - встречно с ними (фиг.5), выходной сигнал преобразователя определяется разностью ЭДС секции 6 измерительной обмотки рабочей зоны 3 и двух ЭДС секций 7 измерительной обмотки компенсационных зон 4 и в отсутствии измеряемой нагрузки равен нулю.

При приложении измеряемого усилия к выступам 8 (фиг.4) магнитная проницаемость рабочей зоны магнитопровода 3 изменяется в направлении усилия, что при питании обмотки возбуждения 5 в режиме заданного действующего значения переменного тока приводит к изменению амплитуды магнитного потока в рабочей зоне 3, вызывая тем самым изменение ЭДС, индуктированной в секции 6 измерительной обмотки рабочей зоны 3. В то же время магнитная проницаемость компенсационных зон 4, разгруженных за счет выполнения в магнитопроводе 1 вертикальных прорезей 9, а следовательно, амплитуда магнитных потоков и ЭДС, индуктированные в секциях 7 измерительной обмотки компенсационных зон 4, остаются неизменными. Выходной сигнал преобразователя, пропорциональный величине измеряемого усилия, становится отличным от нуля. Зависимость выходного сигнала от величины измеряемого усилия имеет монотонный характер, что достигается за счет выполнения магнитопровода 1 из трех вертикально ориентированных зон: одной рабочей 3 и двух компенсационных 4, размещения плоскостей обмоток 5, 6, 7 параллельно направлению приложения усилия и выполнения обмотки возбуждения 5 таким образом, что направления ее намотки в рабочей и компенсационных зонах противоположны. Изменение выходного сигнала преобразователя фиксируется измерительным прибором. В связи с тем, что в предложенной конструкции изменение выходного сигнала обусловлено изменением магнитной проницаемости преимущественно в одном (продольном) направлении, заявляемый магнитоупругий преобразователь назван магнитоизотропным.

В заявляемом магнитоупругом магнитоизотропном преобразователе усилий благодаря выполнению магнитопровода из трех вертикально ориентированных зон: одной рабочей и двух компенсационных, размещению плоскостей обмоток параллельно направлению приложения усилия и выполнению обмотки возбуждения таким образом, что направления ее намотки в рабочей и компенсационных зонах противоположны, исключается поворот вектора магнитной индукции при нагружении преобразователя измеряемым усилием, что приводит к устранению немонотонности начального участка градуировочной характеристики и снижению погрешности нелинейности.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к магнитоупругим преобразователям усилий, и может быть использовано для контроля механических усилий. Магнитоупругий магнитоизотропный преобразователь содержит замкнутый магнитопровод с отверстиями для размещения обмоток и выступами для приложения измеряемого усилия, обмотку возбуждения и измерительную обмотку. При этом магнитопровод выполнен из трех вертикально ориентированных зон: одной рабочей и двух компенсационных и имеет выступы для приложения усилия в рабочей зоне и шесть отверстий (по два в каждой зоне) для размещения обмоток. По краям выступов выполнены четыре вертикальные прорези, разделяющие рабочую и компенсационные зоны; плоскости обмоток параллельны направлению приложения усилия, обмотка возбуждения размещена в шести отверстиях, причем направления ее намотки в рабочей и компенсационных зонах противоположны, а измерительная обмотка выполнена из трех секций, по одной в каждой зоне магнитопровода. Причем число витков секций измерительной обмотки выполнено согласно формуле: w_2Р=2w_2К, где w_2Р - число витков секции измерительной обмотки рабочей зоны магнитопровода, w_2К - число витков секции измерительной обмотки компенсационной зоны магнитопровода. Технический результат - уменьшение погрешности нелинейности магнитоупругого магнитоизотропного преобразователя усилий за счет устранения немонотонности начального участка его градуировочной характеристики. 5 ил.

Магнитоупругий магнитоизотропный преобразователь, содержащий замкнутый магнитопровод с отверстиями для размещения обмоток и выступами для приложения измеряемого усилия, обмотку возбуждения и измерительную обмотку, при этом магнитопровод выполнен из трех вертикально ориентированных зон: одной рабочей и двух компенсационных, и имеет выступы для приложения усилия в рабочей зоне и шесть отверстий (по два в каждой зоне) для размещения обмоток; по краям выступов выполнены четыре вертикальные прорези, разделяющие рабочую и компенсационные зоны; плоскости обмоток параллельны направлению приложения усилия, обмотка возбуждения размещена в шести отверстиях, причем направления ее намотки в рабочей и компенсационных зонах противоположны, а измерительная обмотка выполнена из трех секций по одной в каждой зоне магнитопровода, причем число витков секций измерительной обмотки выполнено согласно формуле: w_2Р=2w_2K, где w_2P - число витков секции измерительной обмотки рабочей зоны магнитопровода, w_2K - число витков секции измерительной обмотки компенсационной зоны магнитопровода.