Магнитоупругий датчик давления Советский патент 1984 года по МПК G01L9/16 

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

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

Г. МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий два преобразо.вателя с питаю:1цей 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, о т л ичающийся тем, что, с Целью увеличения чувствительности и уменьшения нелинейности замечет исключения осевой деформации чувствительного элемента, в нем каждый чувствительный элемент вьтолнен в виде полого цилиндра, а защитная оболоч-; ка - в виде двух колец, установленных герметично с зазором относитель(П но полого цилиндра.1 .

Изобретение относится к контрольно измерительной технике и предназначено для измерения избыточного и абсолютного давлений, разности давлений различных жидких и газообразных сред, в частности для контроля давления рабочей жидкости в гидросистемах испытательных стендов.

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

Этот датчик обладает нелинейностью и низкой чувствительностью, поскольку главные механические напряжения (окружное (э и осерое ) Имеют одинаковые знаки и, следовательно, выходной сигнал датчика является функцией разности этих напряжений. Кроме этого, датчик позволяет измерять только избыточное давление.

Известны магнитоупругие датчики, позволяющие измерять разность давлений за счет наличия двух преобразователей с линейной характеристикой, получаемой за счет приближения работы чувствительного элемента к условиям линейного напряженного соетояния, что достигается с помощью мембраны, которая упирается средней частью в торец полого цилиндра, являющегося чувствительным элементом который охвачен обмотками. Подводимое к мембране давление практически полностью преобразуется только в осевое механическое напряжение 2, испытываемое полым цилиндром. Отсутствие окружного напряжения уменьшает нелинейность преобразователе й.

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

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

Кроме этого, преобразователи хотя 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 преобразователя с разнйзначным выходом.

Наиболее.близким по технической сущности и достигаемому результату

5 к изобретению является магнитоупругий датчик давления, 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, разделяющего две, наруж5 ную и внутреннюю герметичные полости, сообщенные с подводящими штуцерами, причем наружная полость каждого преобразователя сообщена с внутренней полостью другого, а измерительg ные обмотки включены встречно. В датчике чувствительный элемент выполнен в,виде полого тора, а защитная оболочка - в виде охватывающего первый второго тора, причем полость внутри первого образует внутреннюю полость, а полость, образованная первым и вторым торами, образует наружную полость. При таком исполнении датчика магнитопроводом являются стенки внутреннего тора, которые не имеют воздушных зазоров ).

Однако известно, что для случая плоского напряженного состояния .относительное изменение магнитной проницаемости i является функцией алгебраической разности главных механических напряжений: напряжения (JJ, действующего по касательной к стенке

тора в плоскости,проходящей через ос вращения и совпадающей с плоскостью обмотки, и кольцевого напряжения (б,), совпадающего с направлением магнитных силовых линий, и действующего по касательной к стенке тора в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

При работе чувствительного элемента, например, на растяжение, при изменении вдоль тора, в плоскости, перпендикулярной оси вращения,

V-S(. где тензочувствительность

материала по изменению магнитной проницаемости.

f P( )„ Учитывая, что i - ° - ,

/ hg

Р - измеряемая разность давлений г - текущий радиус стенки тора относительно оси вращения; г - радиус центра поперечного сечения тора относительно оси вращения;

а - радиус стенки тора относительно центра поперечного сечения;

сА - толщина стенки тора, и принимая 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, статическая характеристика магнитоупругого преобразования такого датчика имеет нелинейный характер, что связано с особенностями объемного напряженного состояния ферромагнитного тела.

Недостатком известного датчика является наличие значительного радиального механического напряжения (перпендикулярного поверхности чувствительного элемента);

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

Изменение магнитной проницаемости под действием напряжения одного знака и равной величины в обоих преобразователях датчика за счет встречного включения, измерительных обмоток не должно оказывать влияния на суммарный вьЬ одной сигнал.-. Однако ввиду различия геометрии чувствительных элементов преобразователей, -различия . в материале и т.д. изменение магнитной проницаемости за счет 6, будет различным в преобразователях и пото му полной компенсации добиться нельзя. Нелинейность, обуславливаемая напряжением &у тем больше, чем

больще его величина. Поэтому снижение этого напряжения является сред-, ством уменьшения нелинейности.

Цель изобретения - уменьшение нелинейности и повышение чувствителы

5 ности датчика за счет устранения осевой деформации чувствительного элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике, содержащем

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

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

0 элемент выполнены в виде полого цилиндра, а защитная 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 давления

45 содержит два преобразователя 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. Защитная 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 преобразователя I в осевом направлении охвачены измерительной обмоткой 11, а преобразователя U- обмоткой 12. Обмотки 11 и 12 включены встречно, Н аружная полость 6 преобразователя t сообщена каналом 13с (внутренней полостью 9 преобразовате ля 5 , а внутренняя полость 9 преобразователя и сообщена каналом 14 с наружной полостью 6 преобразователя I . Давления и Р подводятся с Помощью штуцеров 15 и 16. Датчик работает следующим образом. Под действие разности давлений, подаваемых в полости 6 и 9 преобразователя 1 , его чувствительный элемент 1 из магнитного материала испытывает растягивакидие или сжимаю щие окружные механические напряжения. Под действием этих напряжений изменяется магнитная проницаемость чувствительного элемента 1, который одновременно является замкнутым маг нитопроводом, охваченным обмоткой 11. Под влиянием изменения магнитно проницаемости магнитоЬровода меняется индуктивное сопротивление обмотки 1I, которое является функцией измеряемой 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 напряжения. 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 напряжения (5,. Осевые напр . женияь отсутствуют ввиду того,что они действуют на малые торцовые кольцевые поверхности, и следовател но, они малы по величине и, кроме того, они воспринимаются цилиндрами 4 и 3 защитной оболочки. Напряжения в этих цилиндрах, так как они выполнены из немагнитного материала, не оказывают влияния на выходно игнал датчика и не передаются на увствительный элемент в местах герметизации благодаря уплотнительым кольцам 5 и 8. Таким образом, ввиду отсутствия чувствительном элементе 1 осевых апряжений б его напряженное состояие приближается к линейному, что оответственно 5гменьщает нелинейость магнитоупругого преобразоваеля.. Чувствительность одного преобраователя в этом случае(например, ри работе чувствительного элемента а растяжение определяется, учитыая изменение i, по окружности цилинда, величиной .. I- .где «U, радиус цилиндра чувстви тел1эного элемента; 5 - толщина стенки этого цилинДра..Принимая для сравнения 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 выбирается достаточной, чтобы можно было пренебречь увеличением среднего диаметра торцов при подаче высоких давлений, иначе это приведет .к погрешности, связанной с увеличением диаметра цилиндра чувствительного элемента при но при высоком уровне самих Р, и РЗЧувствительность датчика можно повысить, используя конструкцию чувствительного элемента(фиг. 2). В этом случае стенка 2 цилиндра чувствительного элемента выполнена с прогибом 17 в средней части в сторону оси вращения. Для возможности сборки BHyTpeHHHjH цилиндр 4 оболочки в этом случае делается разъемным с последующей герметизацией цосле сборки(клеем, сваркой, герметиком Ь В этом случае в зависимости от направления разности давлений выходной сигнал одного преобразователя пропорционален величине () ,

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

Технико-экономическая эффективность датчика заключается в уменьшении нелинейности и повьписнии чувствительности (примерно в 2- раза ) по сравнению с прототипом. При.этом он / сохраняет преимущества известного

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

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

По сравнению с прототипом, .являющимся 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.