Способ возбуждения крутильных колебаний и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к способам для воз буждекня кругяпьных колебаний магнитосгрикЩ1ОКНОГО стержня в вибраишонно-частотных измерительных приборах и к устройствам для их осуществления.

Известен способ возбуждения крутильных колебаний магнитострикционного стержня, ос кованный на намагничивании его геликоидальным магнитным потоком, который вследствие Наличия у стержня магнитострикционных свойств создает упругие силы, вызывающие закру п-шание .стержня. При модуляции одного из полей результирующий геликоидально направленный в пространстве и периодически изменяющийся во времени магнитньш лоток вызывает крутильные колебания стержня Таким образом, стержень периодически закручивается по линиям намагниченности. Направление закручивания определяется знаком линейной магнитострикции материала. Сдвиг, осущес вляемыи касательными напряжениями при магHHTOcrpHKiuiomsoM закручивании стержня, эквивалентен главным напряжениям растяжения и : сжатия, которые пропорциональны- по его оси и направнены но винтовым поверхностям: геликоидам, составляющим угол { t Jl / 4- ) с любым осевым и поперечным седением стерж ня в зависимости от направления скручивания. Максимальное закручивание стержня осуществляется нри совпадении угла наклона резульГ;рующего геликоидального магнитного поля с направлением действия напряжений в стержне Мзнестный способ обладает низкой точностью воспроизведения колебаний. Известно устройство для осуществления этого способа, в котором возбуждение крутяпаиых колебаний магнитострикдионного стержня осуществляется намагничиванием его переменным геликоидальным магнитным потоком. Известное устройство содержит консольно закрепленный магнитострикдконный трубчатый стержень с зопдом, охваченный взаимно перпен дикул5ф)Ы.ми обмотками возбуждения, последовательно соедипеьшые датчик колебательной скорости и усилитель, к выходу которого подключена одна из об.моток возбуждения. Другая обмотка возбуж.цения подключена к источнику постоянного тока 2 . Однако это устройство обладает низкой тоиюстью измерений. Наиболее близким по технической су1дности к изобретению является способ, основапный на намагничивании магнитострикцнонного стерж1 я постояннь м круговььм и переменным продольпы.м магпитт 1ми полями, величины которых изменяют одновременно, обеспечивая условие максима.чьного скручивания стержня.

Известко устройство для его реализации, содержащее консольно закрепленный магнито стрикгяюнный трубчатый стержень с зондом, взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения: тороидальную и коаксиальную, датчик колебательной скорости, соединенный с входом блока автоматической регулировки усиления и входом усилительного устройства, выход которого подключен к коаксиальной обмотке возбуждения, последовательно соединенные источник стабилизированного постоянного тока, тороидальную обмотку возбуждения и потенциометр отработки, блок управления током тороидальной обмотки возбуждения, содержащий

генератор, выход которого подключен к одной из статорных обмоток двигателя непосредственно и через фазовращатель к одному из входов балансного модулятора, выход которого подключен к другой статорной обмотке двигателя, вал которого через редуктор механически свядвижком потенциометра отработзанки. В устройстве поддержание на заданном уровне колебаний стержня осуш.ествляется автоматической регулировкой величинь крутящего момента за счет формирования на въгходе блока автоматической регулкроики усиления регухшруЕОщего воздействия, которое осуществляют изменением jipyx. регулируег-льгх величгш: продольного переменного магнитного поля за счет изменения коэффиш-;снта усгления усштительного устройстна и кругового постоянного магнитного поля за счет формирования управляющего сигнала в блоке управления током тороидальной об.Ютки возбуж; епия 3. I Однако :)тот способ и реализующее его устройство обладают значительной нелинейностью характеристики возбуждения, приводящей к снижению точности измерений. Указаннью недостатки обусловлены неполным совпаде)шем направления результирующего геяи)соидального магнитного поля с направлением действия рипряжепий за счет того, что одпа регулируемая величина - круговой постоянный магнитный потокв стержне, пропорциональна величине регулирующего воздействия (лля кругового магнитного поля магнит-провод имеет за.мкнутую кольцевую фор.му, допускающую однородную намагниченпость без возникновения раз.магничивающего поля), а вторая регулируемая величина продольный перетменный магнитный поток в стерж1 е, не пропорциональна величине рег)лирующего воздействия (для продольного магнит 1ого поля магнитопровод разомкнут, размагничивающий фактор существенен, величина размагпичиваюш.егося поля растет с увели чением па.магпиченности). 3104 Величина напряженности продольного магнитного поля в стержне (Н ) может быть пред ставлена в виде Н. Н - Н i - р где Н напряженность продольного магнитного поля коаксиальной обмотки возбуждения, пропорциональная вели чина ее ампер-витков; Нр N3 -размагничивающее поле; N -размагничивающий фактор; Э -намагниченность стержня. Для стержней, используемых в вибрационно частотных измерительных приборах, отношение длины ( Е ) к диаметру (d)/, как правило, находится в пределах 5-10. Причем для отношения P/cJ 10 N 0,2, а для /cJ 5 N 0,5. В этом случае для стержня Е/с 10 максимальная величина продольного поля в стержне снижается на 20%, направление результирующей величины поля составляет угол с направлением действия напряжений ( 7 /4/), равным 6 20 При этом возникают две взаимно перпендикулярные составляющие результирующего поля: одна - на направление действия напря.кений растяжения (в случае положительной магнитострикции материала стержня), с углом подъема {+ ), ее величина на 9,65% меньше вели шны результирующего поля без учета размагничивания, а вторая - на направление действия напряжений сжатия с углом подъема (- J7/4), ее величина составляет 9,65% от величины результирующего поля без учета размагничивания. Возникающее в стержне сложнонапряженно состояние в двух взаимно перпендикулярных направлениях снижает амплитуду колебаний стержня, что приводит к проявлению нелинейных свойств в виде зависимости частоты крутильных колебаний стержня от амплитуды его колебаний и способствует возникновению гармо нии высщих частот колебаний. Увеличение амплитуды колебаний за счет увеличения намагничивающих полей приводит к тому, что величина размагничивающего фактора в достаточно сильных полях теряет простой геометрический смысл и становится функцией намагниченности. При этом, нес.мотря на значительную величину. 5 внещнего продо;П)Ного поля, продольная намагниченность уменьшается, снижая амплитуду кол баний стержня. Это несовпадение направлений действия магнитных и механических сил приводит к возникновению несипусоида;н ных колебаний стержня. Ослабление частот высших гармоник, возникающих при зтом, может бытьл достигнуто npHMefreHHeM усилителей с амплитуд ными ограничителями, что в конечном итоге снижает точность измерений. Эта погрещность является методической, вытекающей из способа формирования управляющих воздействий. Целью изобретения является снижение нели нейности возбуждения колебаний. Поставленная цель достигается тем, что сог-. ласно способу возбуждения крутильных колебаний, основанному на намагничивании магнитострикционного стержня постоянным круговым и переменным продольным магнитными полями, продольное магнитное поле увеличивают, а круговое магнитное поле уменьшают на половину величины размагничивающего поля. В устршстве, содержащем консольно закрепленный магнитострикционный трубчатый стержень с зондом, взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения: тороидальную лИ лсоаксиальную, датчик колебательной скорости, соединенный с входом блока автоматической регулировки усиления и входом усилительного устройства, выход которого подключен к коаксиальной обмотке возбуждения, последовательно соединенные исто1шик стабилизированного постоянного тока, тороидальную обмотку возбуждения и потегщиометр отработки, блок управления током тороидальной обмотки возбуждения, содержащий генератор, выход которого подключен к одной из статорных обмоток двигателя непосредственно и через фазовращатель к одному из входов балансного модулятора, выход которого подключен к другой статорной обмотке двигателя, вал которого через редуктор ме: анически связан с движком потсншюметра отработки, введены амплитудный детектор, два датчика рассогласования, два сумматора и формирователь опорного напряжения, при этом вход амплитудного детектора соединен с выходом усилительного устройства, а выход - с суммирующим выходом первого датчика рассогласования и с выЩтающим входом второго датчика рассогласования, вычитающий вход первого .датчика рассогласования и суммирующий вход второго датчика рассогласования соединены с выходом формирователя опорного напряжения, вход которого подключен к тороидальной обмотке возбуждения, а выход первого датчика рассогласования подключен к одной из входов первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока автоматической регулировки усиления, а выход - с управляющим входом усилительного устройства, выход второго датчика рассогласования соединен с одним из входов второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления, а выход - к управляющему входу балансного модулятора. Указанная совокупность признаков, изменяющая способ формирования управляющих воздействий, позволяет снизить нелинейность возбуждения и повысить точность измерений за счет того, что при увеличении продольного

магнитного поля ji y -iau imiaw кp гoi;o 0 ;,;,:; 6у)сдающсго Mrsnniifioro игхия на liononiiiiv во.птаны pяз ч iГIlичн amщeгo пг;;и1 р..-пфук)п;гг магнипгое поле по ггягфанлспиг;; соппэда:; с направлением действия расткг;п;н:о П|;х ;u;ju :жений (- 7/ /4j, по йе,1П5чппе оно «xasbioari-c:/;

. бОЛЬиШМ. ИрИ этом ОТСУ jCiKVST СОСП :ЛЯ;;1ПдЛЯ

рсзулыкругоишго ге; паправленчс лействпм капряжеинн CKarsi; {- л /1). (;-1ит(;|; одночасготньгй режим колсоаииП сгсрж-и с

большей амплитудой KOJieGnHUH, отиг/даст KC.JUхоцимость 1юпол1 игельиой обработки снг:ч;м|о:, гто 11| иводит к попьиисннк) точности ;«мс):еинч IIorpcLiuiocTb OKaiibiBacTCJ моиыогй THIC ica:-: носит Р51-струмепталыгЬ Й характер li эи ;:зде.м ется качесгвом изготпвле; ия злсмошов is lioui: формирования yrtparuiniiiiuHX воздсйсгмип

На чергслсе лредст; влсня схслк; rrDCj.na ;-1:гло. го устроксша.

Магиитострикпиоп 1,;й Т 1уб;ат;,г;; стопжекь 1 консольпо жестко закреплен в ОДД) ,.. На снободпом конце стержня 1 с помгпд;- ;

СЧуПИЦЫ 3 укреплен ЗОПД 4, Hbll Ui ;iCfiJ b ;i. П.Д

пример, для измсрепий п;(отност;1 и 1)( идадких сред в виде дклиИ ра 5 с pii,.iU:MJsOiiacTHMH 6. OnrvtoTica 7 зозбзиатскк кьак-ч да коаксиальной, oxuiiTiinihroinci С)еряс;;нь I, г

Г1ОД;С; ШЧеНа к выходу УСНЛНГСЛТДЮГС д;т,,о:|(;;иа 8. Обмотка 9 ВОЗбуЖДСНИ ПЫПОЛтидг;. чдлпидалыюй, проходчптей сквозь слсгокеп;, :, i,цепь которой последо1затс1|ЬН )МЛ;:(я iCTi;iилк 10 CTaDHJUiaitponanitoro юсго;;; ього TOI::;. потенциометр 11 отзаботки л н кппьГ1| ;й резистор 12, аодкл;г четгт;ый j-: влсду форлпдт;;вателя 13 опорного наггряжеяпл, Дагчнг : 1 колебательной скорости исдичиАи ciir;;:;; ;: гт: выходе которого пропорднолалтдгя nr/vrri :--дс сковости колебаний стсрхдя i : :i;virvi;v, :

подключен к входу yc;ij|iri;:;ii,:i;iro .;lУ;; ;и

8 и к входу блока ;S aiiiOi; T :H c-v па; vVM-

ровки усиления, выход KOTOiiofo coejiniic; :

входал-ги сумматоров 15 и 1-7, Hi,:x,vi тора 16 соединен с уппавляющим ;;л;) усилителы ого устройства В. Вьио; :.: iy

ЯОГО устройства 8 ЛОДКД)0-1С ; Х ll;,.V v unvi:Ty;. детектора 18. БЫХОД КОТОПО.-О СО:;Дп-лен с С)ммирую1цим входол датчик;; -v ;к;г согласоваття и вычптзютцим .уходом JIHVMIIK: 20 рассог;засО1зания, Вгчлпаыппдг вход ir:;

19 раССОГЛаСОаа1и4Я и суМЛ ИрУН;. п .;.;, .

шка 20 рассогласовадня ч .:,.Г; формировагедя 13 оиорногд п:Д1рл:;с1., И .г/од датчика 19 оассо -:;асо1 апкя соодл;;:е1- -: oijUiM из входов сумматора 16. и иЬ.хцд ;;:тч ксп рассо ласов;дшя - с од;Д1М и; нходов ::тора Г/, вь;ход которого соед;к сн с :- Xono-,i блока 21 уттратитеипк TOKOS-I гог)оидад:л оп обмотки 9 возОуждснии, образовалльгм v MjMijXnioшим входом ба} ;и снпго г- одуд;(топ: ,/ ;д.;и;и-:; cojK:p;K :Т генератор ZJ,. ;1одк;,ючс11 к одной дз стагорных ойл.-::1ТО ч ддкга1ч:л; 24 д глосрсдственио и через фазс1И|)а|1п; ||;ль 2:: к вго)ому входу балансного л1(Д1,ул11Т(::-,:; .2. ;,:ход коюрого подк почен к irijioii стагярпой 1:)Пм(;тке двигатслл 24. вал Knsopoio ;;-д;с:; редуктор 26 мехалкчески связан с льижком )дюм(гра отработка II, Усгройсию работае- следу а1цим образом, Зо;1д, КО дужен в контролируемую жидicocib, )р. иклк чсикк напряжения пк-гяник в Koai-;cn;i i o-i обмотке :1ОЗоуждепня воз {ика;;т irvniyjM c токН; вызыза пп.нк 11О:№де1 ие продО) iiopeMciiHOio г,агниПгО1о лоля, тороидадь;;:) ош-ютка 9 eo3ji,aoT KpyiOHoe nocTtiHutioe ,;г,гн1,);; :пс- II резул1)Татс еуперпозппии магДлды-ос ;-;,и liiiTiioc пол,;, : ер:10дически изменяюыесся i 1;1:.острал(лт.е л во времени, и, как ijic/i.,r,, ToniijDJioioi круГ1ип 1ые колебания. л.чч,р1,;.: :|() датчикп 4 кодсбатедьной CKopocvii,;. ) снллтелыю э ycTpofic-jBa 8 PI коаксйадг.;.); опмиу; ;1 / ) х:1ел|;я ;1ОДде 5Ж(лзагатея ;:e3ap/xa;r;iiiH)viu с частого:, я}злк 1);де;;ея .lepon илоП1 к;т:| xoii.)Эус ,-ол Ci;c;nc.

;/,j,:;;c,%K;i ycu.i-i п ua.iei; iiyjim.

:;y, 1:мг::;:,:,1 и/.ью/д -ДГгчикоЕ

:ix хол,.|1 f |- ;;;Дп; ;i-:п Л И1 удг юго Х1лр;-пкй;л д коюргэе дюнордиональио

:х;)ЧЬДОД DJXKViKI; - ;К;зб ХХДСПИГ1,

;;|ед Л:, , ,.м1; глг;Д:еадип (измсДении i с;с::;.:;ч;- г -,онд,о:м 4, нлзьгвае:.;:,: оп :г:1о;у. у.,,т Еизк:ост 1;

г rvi:iJT iTy4,l: .X4i;eX ;i;4i С Г,.: :i)KH; I,

7j ;v:xi Д: ;Д::о,-, г:г|.п:ой гкгудиоов: 10 . ;:-.cp(j,: ;-Li;i;3 /., xiiui 1х:;)г: усе.livej bMO

„.;;.) i: п-ст:;е; 1:3 улелингШаЯ п no долг,j-vK лсдс, :i ;л; ,,пий вход 1-,:С;лулятора 2 еуыхгатор , 710 ного напряжения балансного модулятора 22, подаваемого на статорную обмотку управления двигателя 24, является линейной функцией модуля постоянного напряжения на выходе сумiviaTopa 17. Фазовращатель 25 создает постоянный фазовый сдвиг на статорных обмотках, равный TI 12, необходимый для получения в двигателе 24 вращающегося магнитного поля. Вал двигателя 24 через редуктор 26 изменяет положение движка потенциометра 11 отработки, увеличивая постоянное круговое магнитное поле. Так как постоянная времени контура управления током коаксиальной обмотки 7 возбуждения (контур содержит только электрические злементы) значительно меньше постоянной времени контура управления током тороидальной обмотки 9 возбуждения (контур содержит электрические и электромеханические элементы), то на выходе датчиков 19 и 20 рассогласования образуются сигналы разной полярности. Выходной сигнал датчика 19 рассогласования, суммируясь с выходным сигнало блока 15 автоматической регулировки усиления в сумматоре 16, еще больше увеличивает коэф фициент усиления усилительного устройства 8, увеличивая продольное магнитное поле в стерж не 1. Одновременно выходной сигнал датчика 20 рассогласования уменьшает напряжение на выходе сумматора 17, уменьшая тем самым величину кругового магнитного поля. Изменение величин кругового и продольного магнитных полей проис.ходит до тех пор, пока с учетом размагничивающего продольного маг0нитного поля амплитуда колебаний стержня с зондом 4 не достигнет пре5кнего заданного значения, при этом за счет выбора весовых коэффициентов сумматоров 16 и 17 величина кругового постоянного магнитного поля в стержне 1 уменьшается, а величина продольного переменного магнитного поля увеличивается на половину величины размагничивающего поля. В необходимых случаях при больших значениях вязкости жидкости для уменьшения влияния вязкости на точность измерения плотности в усилительном устройстве может быть предусмотрен фазовый сдвиг выходного сигнала, физически осуществляющий разворот вектора крутящего момента. В этом случае горизонтальная составляющая вектора крутяшего момента копменсирует действие активных сил, обусловленных влиянием вязкости среды. Возможная нестабильность фазового сдвига в кольце самовозбуждения колебаний легко может быть устранена автоматическим регулированием величины сдвига фазы выходного сигнала датчика колебательной скорости относительно входного (например, на концах коаксиальной обмотки 7 возбуждения). Испытания предложенного способа и устройства на макетном образце показало, что использование изобретения по сравнению с базовым обеспечивает снижение нелинейности возбуждения колебаний и за счет этого повышает точность измерения плотности тяжелых углеводо- подобных топлив в диапазоне 700-900 кг/м от 0,6 до 0,4%.

Г

1. Способ возбуждения крутильных колебаний, основанный на намагничивании .магнитострикционного стержня постоянным круговым .и переменным продольным магнитными полями, отличающийся тем, что, с целью снижения нелинейности возбуждения, продольное магнитное поле увеличивают, а круговое магнитное ноле уменьшают на половину величины размагничивающегося поля. 2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее консолыю закрепленный магнитострикционный трубчатый стержень с зондом, взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения - тороидальную и коаксиальную, датчик колебательной скорости, соединенный с входом блока автоматической регулировки усиления и входом усилительного устройства, выход которого подключен к коаксиальной обмотке возбуждения, пос.чедовательно соединенные источник стабилизировапного постоянного тока, тороидальную обмотку возбуждения, потенциометр отработки и блок управления током тороидальной обмотки возбуждения, содержащий генератор, выход которого подклю чей к одной из статорных обмоток двигателя непосредственно и через фазовращатель к одному из входов балансного модулятора, выход которого подключен к другой статорной обмотке двигателя, вал которого через редуктор механически связан с движком потенциометра отработки, отличающееся тем, что в устройство введены амплитудный детектор, два датчика рассогласования, два сумматора и формирователь опорного напряжения, при этом вход амплитудного детектора соединен с выходом усилительного устройства, S а выход -- с суммирующим входом первого (Л датчика рассогласования и с вычитающим входом второго датчика рассогласования, вычитающий вход первого датчика рассогласования и сум.мирующий вход второго датчика рассогласования соединены с выходом формирователя опорного напряжения, вход которого подключен к тороидальной обмотке возбуждения, а 4 выход первого датчика рассогласования подключен к одно.му из входов первого суммаСО тора, второй вход которого соединен t выхоел дом блока автоматической регулировки усиле1C ния, а выход - с управляющим входом усилиО5 тельного устройства, выход второго датчл1ка рассогласования соединен с одним из входов второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления, а выход - к управляюще.му входу балансного модулятора.