Магнитоупругий датчик давления Советский патент 1977 года по МПК G01L9/16 

1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для дистанционного измерения избыточного и абсолютного давлений, разности давлений, а также уровня и расхода по разности давлений различных жидких и газообразных сред.

Известны магнитоупругие датчики давления. Такие датчики имеют магнитопровод из магнитострикционного материала и две обмотки. Под воздействием измеряемого давления у магнитопровода изменяется магнитная проницаемость, а в результате - взаимная индуктивность между обмотками, являющаяся мерой измеряемого давления ij. Однако магнитоупругие датчики уступают по точности дифференциально-трансформаторным датчикам, хотя и более надежны.

Известны также магнитоупругие датчики избыточного давления, содержащие два одинаковых чувствительных элемента в виде полых цилиндров f2j. На каждом из них имеется первичная и вторичная полуобмотка. Первичные полуобмотки включены последовательно и согласно, а вторичные - встречно. Оба чувствительных элемента вместе с наружным экраном образуют одну замкнутую магнит 11ую цепь. Измеряемое давление подают внутрь одного из чувствительных элементов, а второй - соединен с атмосферой, так что датчик измеряет избыточное по отношению к атмосфере давление.

При такой конструкции датчика лишь часть всей магнитной цепи меняет свое сопротивление под действием давления - это рабочий чувствительный элемент. Изменение взаимной индуктивности между первичной и вторичной обмотками достигается не изменением основного потока, а изменением потоков рассеивания вокруг каждой из полуобмоток. Магнитная цепь является составной и поэтому содержит воздушные зазоры.

В результате датчик обладает малой чувствительностью и поэтому для получения риемлемых значений взаимной индуктивности при заданных значениях давления необходимы существенные значения механических напряжений в материале магнитопровода. По этой причине характеристика преобразования известного датчика обладает довольно большой нелинейностью и гистерезисом. Кроме того, такая конструкция чувствительных элементов не позволяет получить высокой точности при использовании датчика даш измерения малых разностей двух дав лений. Это объясняется тем, что каждое из двух давлений должно подаваться в свой чувствительный элемент по одну сторону ег стенки, так что вместо прямого преобразования разности двух давлений, датчик преоб разовывает каждое давление в отдельности как избыточное, а затем осуществляет элек трическое вычитание результатов преобразо вания, т. е. приведенная погрешность при измерении разности давлений окажется большей,, чем приведенная погрешность при изме рении избыточного давления, во сколько же раз, во сколько раз наибольшее из измеряемых давлений больше их разности. Целью изобретения является уменьшение нелинейности и гистерезиса магнитоупругого датчика и обеспечение в одной конструкции из мерения избыточного, дифференциального и аб солютного давлений с одинаковой точностью. Это достигается выполнением обоих чувствительных элементов датчика в виде полы тороидов, вложенных в тороидальную защитную оболочку из немагнитного материала и подачей двух давлений, разность между которыми измеряется, по разные стороны стен ки обоих чувствительных элементов, так что в одном чувствительном элементе материал работает на растяжение, а в другом на сжатие. При таком исполнении датчика магнитная цепь - тороид - не имеет воздушных зазоров и вся целиком меняет свое сопротивление под воздействием измеряемого давления причем изменение взаимной индуктивности достигается за счет изменения основного потока. Примененная схема нагружения чувствительных элементов обеспечивает непосредст венное преобразование разности двух давлений - основного и опорного, а противополож ность знаков механических напряжений при встречном включении вторршных обмоток обес печивает взаимную компенсацию нелиней- ностей преобразования обоих чувствительных элементов. На фиг. 1 схематически изображен датчик с разрезами; на фиг. 2 - его принципиальная электрическая схема; на фиг. 3 - закон изменения проницаемости материала с положительной магнитострикцией. Магнитоупругий преобразователь избыточ ного, дифференциального и абсолютного дав ления во взаимную индуктивность (фиг. 1) имеет два тороидальных полых чувствительных элемента 1 и 2, являющихся одновреме но магнитопроводами. Они изготовлены из ферромагнетика с большой магнитострикцией, например, пермаллоя 50 Н. Каждый из магнитопроводов 1 и 2 вложен в защитную оболочку 3 и 4 из немагнитного материала, например, стали 36НХТЮ. На каждом магнитопроводе поверх защитной оболочки имеется первичная и вторичная обмотки, а также обмотки регулировки нуля: соответственно 5, 6, 7 - на одном, 8, 9, 10 - на другом магнитопроводе. Оба магнитопровода крепятся к держателю 11, несущему на себе всю конструкцию. Внутренние полости магнитопроводов соединяются со штуцерами 12 и 13 для подвода двух давлений , разность между которыми необходимо преобразовать во взаимную индуктивность. Кроме того, внутренние полости защитных оболочек также соединяется со штуцерами, но в обратном порядке: 3с 13, а4с 12с помощью каналов 14 и 15. На держателе 11 крепится коробка 16 с электрическими элементами и органами настройки преобразователя. Коробка 16 имеет электрический разъем 17 для присоединения ко вторичным устройствам. Первичные обмотки 5 и 8 (на фиг. 2) соединены последовательно, согласно и выводятся на зажимы А и Б разьема 17. Вторичные обмотки 6 и 9 также соединены последовательно, но встречно. Обмотки регулировки нуля соединены последовательно и согласно. Выход со вторичных обмоток и обмоток регулировки нуля подсоединяется к настроечным элементам схемы, а затем - к зажимам ВГ разъема 17. Схема имеет следующие органы настройки ; регулировку нуля резистор 18, регулировку диапазона взаимной индуктивности - резистор 19. (ручки этих сопротивлений обозначены на фиг. 1 теми же позициями). Магнитоупругий преобразователь избыточного дифференциального и. абсолютного давления во взаимную индуктивность работает следующим образом. С помощью разъема 17 его подсоединяют ко вторичному устройству, измеряющему взаимную индуктивность, например, вторичному дифференциально-трансформаторному прибору КСД2, от которого поступает питающий ток.Через штуцера 12 и 13 подают давления, разность которых необходимо преобразовать во взаимную индуктивность. Если давление, поданное в штуцер 12, больше давления, поданного в штуцер 13, то на стенки магнитопровода 1 будут действовать растягивающие напряжения, а на стенки магнитопрово- да 2 - сжимающие. Как известно, магнитная проницаемость магнитных материалов зависит от механических напряжений по гиперболическому закону - кривая а (фиг. 3). Для растягивающих напряжений справедлив участок а для сжимающих - участок -Ь . Благодаря тому, что вторичные обмотки магнитопроводов включены навстречу, взаимная индуктив- 5 ность между первичной и вторичной цепью преобразователя будет пропорциональной разкости Х между участками 5 (И % (или. симметрично построенным ему участком 1 кривой изменения проницаемости с давлением, ю В результате при исходной нелинейности зависимости проницаемости материала от напряжений зависимость взаимной индуктивности от давления оказывается линейной. Магнитоупругий датчик, благодаря малой нелинейности и гистерезису, превосходит по своим характеристикам дифференциально-трансформаторные датчики. В описанном датчике магнитопривод с защитной оболочкой совмещает в себе несколько функций - функцию чувствительного элемента, корпуса для больших статических давлений, магнитопровода и каркаса для обмоток. Он не содержит подвижных элементов. Поэтому он проще и надежнее, чем дифферендиаль но-трансформаторные датчики давления и ра ности давлений, что дает ему преимущество как в производстве, так и эксплуатации. Формула изобретения Магнитоупругий датчик давления, содержащий два полых чувствительных элемевл а 15

5,в:1

л

J2

Фиг.1 из магнитострикционного сплава, соединенные последовательно обмотки на них, из которых первичные включены /согласно, а вторичные - встречно, элементы регулировки нуля и диапазона, а также подводящие штуцеры для каждого чувствительного элемента, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью уменьшения нелинейности и гистерезиса и обеспечения возможности измерения как избыточного , так дифференциального и абсолютного давлений, чувствительные элементы датчика выполнены в виде полых тороидов и заключены в тороидальную защитную оболочку из немагнитного материала, причем один из штуцеров соединен каналами с внутренней полостью первого чувствительного элемента и полостью, образованной защитной оболочкой и вторым чувствительным элементом, а другой штуцер -С внутренней полостью второго чувствительного элемента и полостью, образованной защитной оболочкой и первым чувствительным элементом. Источники информации , принятые во внимание пои экспертизе: 1. Гинзбург В„ В. Магнитоупругие датчики, М., 1970, с. 32-34. 2. Гинзбург В. В. Магнитоупругие датчики, М., 1970,,с.60 (прототип), А -А5-5

Фиг.2

В -0

а

г

iH

Фиг.З