Устройство для измерения давления Советский патент 1986 года по МПК G01L9/16 

lN9

05 СП

сл : Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может использоваться в отраслях промышленности, где необходимо измерять статическое или динамическое давление бесконтактным способом. Целью изобретения является уменьшение погрешности и расширение области применения датчика давления. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - цилиндрическая мембранная коробка с чувствительным элементом; на фиг. 3 - функциональная схема переключаюш,его устройства; на фиг. 4 - зависимость измеряемого давления от ЭДС спинового эха, наведенная на катушке индуктивности переключающего устройства. Устройство для измерения давления состоит из чувствительного элемента 1 (фиг. 1)., причем в качестве чувствительного элемента используется магнитоупорядоченный кристалл, например гематит (а-Ре2Оз), ось которого перпендикулярна вектору статической ядерной намагниченности магнитоупорядоченного кристалла, излучателя 2 импульсов, электромагнитного поля в виде катушки индуктивности, возбуждающего устройства электромагнитных колебаний, представляющего собой последовательно соединенные генератор 3 высокочастотных колебаний и генератор 4 прямоугольных имцульсов, переключающего устройства 5, усилителя 6 напряжения и регистрирующее устройство 7. Переключающее устройство 5 (фиг. 3) представляет собой параллельно соединенные катушку 8 индуктивности, конденсатора 9 и двух встречно-направленных диодов 10 и 11. Переключающее устройст;во 5, усилитель 6 напряжения и регистрирующее устройство 7 соединены последовательно. Расстояния от оси чувствительного элемента 1 до оси катушек индуктивности излучателя 2 импульсов электромагнитного поля и переключающего устройства 5 выбираются эмпирически, кроме того, все три оси взаимно параллельны. Чувствительный элемент 1 установлен в цилиндрическую мембранную коробку (фиг. 2), представляющую собой корпус 12, верхняя часть которой имеет цилиндрическую форму 13 с выступом 14 для закрытия его сверху ограничительной гайкой 15, а нижняя - конусообразную форму 16, переходящую в цилиндрическую поверхность с выступами 17 и 18 с наружной и внутренней сторон, на выступ 18 внутренней стороны с помощью уплотнительной гайки 19 установлена мембрана 20 с жестким центром 21, а на выступе 17 с наружной стороны выполнены сквозные цилиндрические отверстия 22 для крепления цилиндрической мембранной коробки. Корпус 12, ограничительная гайка 15 и уплотнительная гайка 19 цилиндрической мембранной коробки бесконтактного датчика давления изготовлены из немагнитных материалов. Устройство работает следующим образом. Чувствительный элемент устанавливается основанием на жесткий центр 21, а верхним концом упирается на ограничительную гайку 15. Под действием статического или динамического давления мембрана 20 прогибается и движение жесткого центра 21 мембраны 20 передается чувствительному элементу 1. В результате под действием давления исследуемой среды, воспринимаемой мембраной 20, магнитоупорядоченный кристалл 1 деформируется. Высокочастотные электромагнитные колебания на частоте ядерного магнитного резонанса ядер Fe гематита, выработанные генератором 3 высокочастотных колебаний, модулируются генератором 4 прямоугольных импульсов. С выхода возбуждающего устройства снимают импульсы с некоторой последовательностью и такая последовательность поддерживается непрерывно до конца измерений. Импульсы попадают в излучатель 2 импульсов электромагнитного поля, вокруг которого создается высокочастотное электромагнитное поле с частотой, равной частоте ядерного магнитного резонанса на ядре Fe гематита. При этом чувствительный элемент 1, расположенный на расстоянии от излучателя 2 импульсов электромагнитного поля попадает в это поле. Ось чувствительного элемента 1 перпендикулярна вектору статической ядерной намагниченности магнитоупорядоченного кристалла 1 и параллельна к оси излучателя 2 импульсов электромагнитного поля. Под действием импульса вектор статической ядерной намагниченности fn(f) магнитоупорядоченного кристалла 1 начинает процессировать в плоскости, перпендикулярной к вектору магнитной составляющей высокочастотного поля Hi, и через время tp поворачивается на 90°. После выключения импульса статическая ядерная намагниченность (m(r)) начинает прецессировать в плоскости, перпендикулярной к первоначальному положению. Результирующая статическая ядерная намагниченность магнитоупорядоченного кристалла 1 состоит из векторной суммы ядерных намагниченностей кристаллических магнитных решеток (ni(f) и они не во всех кристаллических магнитных решетках одинаковы. Поэтому во время прецессии векторы ядерной намагниченности кристаллических магнитных решеток расфазируются. Через время т подается второй импульс, статическая ядерная намагниченность поворачивается за время 2tp на 180°. Все разбегающиеся компоненты вектора намагниченности начинают собираться, и через время 2tp они снова оказываются в фазе. При этом получается электромагнитное поле (спиновое эхо), которое возбуждает электродвижущую силу (ЭДС) в катушке 8 индуктивности переключающего устройства 5. После усиления усилителем б напряжения ЭДС фиксируется регистрирующим устройством 7.

Тепловое движение ядер магнитных атомов приводит к разбросу магнитных моментов по направлениям, а локальное магнитное поле кристаллической магнитной решетки прямо пропорционально усредненным значениям моментов по всем магнитным атомам. Величина результирующего ядерного момента fh (f) ), а значит и ЭДС, фиксируемая регистрирующим устройством 7, зависит от температуры. Поэтому при определении давления необходимо учитывать температурную поправку.

Наличие статической (продольной) соетавляющей локального магнитного поля позволяет наблюдать спектр ядерного магнитного резонанса при отсутствии внещнего постоянного магнитного поля Яо. Если пренебречь корреляционными эффектами, обусловленными косвенным взаимодействием ядерных, спинов через электронную спин-систему, то частота ядерного магнитного резонанса определяется при данной температуре средним значением результирующего локального магнитного поля на интересующем нас ядре. Эта частота на ядрах Fe гематита равна 71,5 МГц при К.

Кроме того, магнитоупорядоченные кристаллы обладают больщим внутренним коэффициентом усиления ядерного магнитного резонанса. Это связано с наличием динамической (поперечной) составляющей локального магнитного поля Ялок.. Поэтому нет необходимости устанавливать чувствительный элемент в резонатор.

При отсутствии приложенного давления интенсивность магнитного поля, излучаемого магнитоупорядоченным кристаллом 1, максимальна. При действии давления на магнитоупорядоченный кристалл 1 интенсивность излучения уменьщается пропорционально приложенному давлению, а следовательно, величина возбуждаемой ЭДС в катущке 8 индуктивности переключающего устройства 5 пропорциональна приложенному давлению (фиг. 4). По величине ЭДС, фиксируемой регистрирующим устройством 7, определяют давление, действующее на чувствительный элемент 1.

В катущке 8 индуктивности переключающего устройства 5 кроме основного спинового эха возбуждаются ЭДС и электромагнитное поле, созданное излучателем 2 импульсов электромагнитного поля. Когда катущка индуктивности . переключающего устройства 5 и излучателя 2 импульсов электромагнитного п-ля находятся на расстоянии м от чувствительного элемента 1, величина последней ЭДС превышает примерно в 100 раз от ЭДС, наведенной спиновым эхом.

Встречно-направленные диоды 10 и II переключающего устройства 5 из-за нелинейности вольт-амперных характеристик пропускают на вход усилителя б ЭДС спинового эха и накоротко шунтируют ЭДС, наведенную электромагнитным полем излучателя 2 импульсов электромагнитного поля. Колебательный контур в переключающем устройстве 5 (фиг. 3), состоящей из катущки 8 индуктивности и конденсатора 9, настроен на резонансную частоту.

Расстояния от оси чувствительного элемента 1 до осей катущек индуктивности излучателя 2 импульсов электромагнитного поля и переключающего устройства 5 определяются опытным путем. Минимальное расстояние находят по формуле 4-D+а+i d,

где D - диаметр каркаса катущек индуктивности излучателя 2 импульсов электромагнитного поля и переключающего устройства 5 соответственно, d - диаметр медного провода, с которым намотаны катушки индуктивности, а - размер магнитоупорядоченного кристалла.

С увеличением расстояний от оси чувствительного элемента до осей катушек индуктивности уменьшается поток импульсного магнитного поля, пронизывающего чувствительный элемент 1 и катушку 8 индуктивности, а следовательно, уменьшается ЭДС, наводимая в катушке 8 индуктивности переключающего устройства 5.

При увеличении размера чувствительного элемента 1 и при повышении чувствительности усилителя б напряжения (отношесигнал, ние---) верхняя граница диапазона этих

расстояний увеличивается.

Для конкретного чувствительного элемента и усилителя напряжения оптимальные расстояния, при которых работает устройство измерения давления, - 1 м.

Промежуток времени т между двумя последующими импульсами определяется временем спин-решеточной релаксации. При импульсных ЯМР-спектроскопия в случае гематита равна с.

Корпус 12 цилиндрической мембранной коробки (фиг. 2), ограничительная гайка 15, установленная на выступ 14, и уплотнительная гайка 19 изготовлены из немагнитных материалов.

Зазор между чувствительным элементом 1 и корпусом цилиндрической формы 13 в целях уменьшения влияния горизонтальных смещений жесткого центра 21 мембраны 20 на интенсивность спинового эха не оставляется.

На выступе 17 с наружной стороны конусообразной формы 16, переходящей в цилиндрическую поверхность, изготовлены сквозные цилиндрические отверстия 22 для прикрепления цилиндрической мембранной коробки. А на выступе 18 с внутренней стороны установлены мембрана 20 и уплотнительная гайка 19. Магнитоупорядоченным кристаллом 1 является гематит (оС-Ре Оз), выращенный из раствора в расплаве, обогащенный изотопом Отсутствие непосредственного контакта (гальванической связи) между чувствительным элементом 1, излучателем 2 импульсов электромагнитного поля и переключающим устройством 5, а также достаточно сильный сигнал спинового эха в гематите, позволяют осуществить дистанционные измерения давления на расстоянии до 1 м. Вследствие того, что гематит имеет высокую температуру точки Кюри и обладает больщой химической стойкостью, возможно использование давления в агрессивных средах. Формула изобретения Устройство для измерения давления, содержащее чувствительный элемент, первичную и вторичную катушки, генератор высокочастотных колебаний, подключенный к первичной катушке, усилитель с регистратором, подключенные к вторичной катушке, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности и расширения области применения, оно снабжено генератором прямоугольных импульсов, подключенным к генератору высокочастотных колебаний конденсатором и двумя встречно-направленными диодами, причем конденсатор и диоды параллельно подключены к вторичной катущке, а чувствительный элемент выполнен в виде обособленного блока, содержащего магнитоупорядоченный кристалл гематита, воспринимающий измеряемое давление в осевом направлении, при этом продольная ось кристалла перпендикулярна к вектору статической ядерной намагниченности и параллельна осям первичной и вторичной катущек.

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и позволяет уменьшить погрешность и расширить область применения устройства. Для этого в качестве чувствительного элемента 1 использован магнитоупорядоченный кристалл гематита, ось которого перпендикулярна вектору статической ядерной намагниченности и параллельна оси излучателя 2 импульсов электромагнитного ПОЛЯ. Под действием давления интенсивность высокочастотных электромагнитных колебаний кристалла 1, выработанных генератором 3 высокочастотных колебаний и промодулированных генератором 4 прямоугольных импульсов, уменьшается. Величина ЭДС в катушке индуктивности переключаюшего устройства 5 характеризует действующее на чувствительный элемент 1 давление. Встречно-направленные диоды переключающего устройства 5 щунтируют ЭДС, наведенную электромагнитным полем излучателя 2. Высокая температура точки Кюри € гематита и его высокая химическая стой(Л кость ПОЗВОЛЯЮТ использовать датчик в агрессивных средах. 4 ил.

9 с ЮКЛ, // $

8 ИШ 50 WO

fu2. 150 200 250 JOO J5i7 ffff f50 500 550 600 Р{атм)