Магнитоупругий датчик давления Советский патент 1982 года по МПК G01L9/16 

Изобретение относится к контрольногизмерительной технике и может быть использовано для контроля давления жидкостей преимущественно в гидрос.истемах управления нажимными валками клетей прокатных станов.

Известны магнитоупругйе датчики давления, содержащие корпус, магнитопровод, выполненный в виде кольца с двумя консольными балками с выступами, расположенными в плоскости по его дис1метру, на каждой из которых размещены намагничивающая и измерительная обмотки и мембрану, прижатую к кольцу магнитопровода и преобразующую измеряемое давление в усилие, передаваемое к выступам консольных балок 1.

Однако в известном устройстве трение скольжения, возникающее при прогибе консольных магнитопроводов, ведет к увеличению случайной погрешности, погрешности гистерезиса и, следовательно, к общему понижению точности измерения давления.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является магнитострикциончый датчик давления, содержащиП магнитострикционный чувствительмыЛ элемент в виде пустотелого цилиндра, укрепленного на стойке из электропроводящего материала. Стойка снабжена верхним и нижним фланцами, к которым прикреплен чувствительный элемент. Внутри стойки имеется канал, сообщающийся с входньвл штуцером датчика .Снаружи стойки расположены две клеммы, с которыми соединены выходные провода

10 датчика. Изменение давления внутри чувствительного элемента и снаружи (датчик разности давления) или только- снаружи (датчик абсолютного давления) создает вертикальный нитострикционный эффект, вызывающий изменение индуктивности стойки, благодаря чему в ней изменяется ток, который служит мерой контролируемого давления 2.

20 Однако этот датчик характеризуется относительно низкой абсолютной магнитоупругой чувствительностью.

Действительно, изменение индуктивности токопроводящей стойки при

25 постоянстве тока (i const) можно после ряда преобразований определить .следующим образом:

А - WtP Х

где дМ - изменение магнитной протрницаемости магнитоупругого материала трубы; сечение трубы, участвующее в проведении магнитного потока;

внутренний радиус трубы.

трОднако такой датчик является преобразователем дроссельного типа, для которого справедливо U const и i var при действии давления. Если материал трубы характеризуется положительной магнитострикдией и пр действии внешнего давления в поверхностном слое трубы возникают сжимающие касательные напряжения, то магнитная проницаемость снижается, а индуктивность падает. Ток в электропроводящем стержне растет. Увеличивается напряженность магнитного пол на внутренней поверхности трубы, состояние которой характеризуется н i .const, а и const, i var, т.е. изменение индуктивности, пропоциональное изменению потокосцепления, будет меньшим.

Изложенное выше справедливо при отсутствии осевых усилий в поверхностном внутреннем слое трубы. Их присутствие еще в большей степени снижает абсолютную магнитоупругую чувствительность и линейность выходной характеристики устройства. Цель изобретения - увеличение абсолютной магнитоупругой чувствительности и улучшение линейности выходной характеристики.

Указанная цель достигается тем, что в магнитоупругом датчике давления, содержащем заключенный в корпусе чувствительный элемент в виде полого магнитоупругого цилиндра с элементом намагничивания внутри, последний выполнен в виде сердечник с обмоткой, причем ось сердечника, совпадаквдая с осью обмотки, и ось цилиндра взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, а между корпусом и наружной боковой поверхностью цилиндра выполнена полость, сообщенная с измеряемой средой.

Кроме того, чувствительный элемент датчика может быть выполнен в виде двух вложенных один в другой полых цилиндров, причем наружный цилиндр выполнен из немагнитного материала, а внутренний - из магнитоупругого.

Магнитный поток Ф, внутреннего магнитопровода в местах стыка с трубчатым чувствительным элементом разветвляется в нем на два потокаф р совпадающих по направлению с тангенциальными сжимающими напряжениями в поверхностном внутреннем слое цилиндрического чувствительного элемента, возникающими вследствие воздействия давления только на его

внешнюю боковую поверхность (осевые усилия исключены). Тогда изменение индуктивности обмотки, охватывающей в предлагаемом устройстве внутренний магнитопровод и содержащий для сравнения с известным только один виток (при i const), определяют после ряда преобразований,использующих известные зависимости, следующим образом:

л - гь.Мтр Sx 1СГ,р

Проведя сопоставительный анализ изменения индуктивности в известном и предлагаемом магнитоупругих датчиках давления, получаем, что абсолютная магнитоупругая чувствительность предлагаемого датчика в 4 раз выше чувствительности известного.

На фиг.1 изображен магнитоупруги датчик давления, продольное сечение на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - вариант выполнения датчика

Магнитоупругий датчик давления состоит из чувствительного элемента 1 в виде толстостенной трубы цилиндрической формы, выполненной из магнитоупругого материала, катушки 2 с обмотками и преимущественно двухполюсным магнитопроводом 3 из магнитсмягкого материала. Выводы обмоток подключены к разъему 4, через который происходит подвод питания и съем сигнала. Между корпусом.5 датчика и внешней боковой поверхностью чувствительного элемента 1 находится полость б, соединяемая с измеряемой средой.

Внутренний магнитопровод может быть и -многополюсныи, однако в этом случае резко возрастает влияние воздушных зазоров.

Чувствительный элемент 1 может быть изготовлен из немагнитного материала. В этом варианте выполнения (фиг.2) имеется кольцевая вставка 7 из магнитоупругого материала, что позволяет соответствующим выбором толщины и ширины материала активно влиять на чувствительность датчика.

Магнитоупругий датчик давления работает следующим образом.

При подключении намагничивающей обмотки датчика к источнику переменного тока в магнитопроводе, состоящем из внутреннего магнитопровода и цилиндрического чувствительного элемента, возникает магнитный поток Магнитный поток внутреннего магнитопрввода разветвляется в цилиндрическом чувствительном элементе на две (Фиг.1) или более параллельные ветви (при другом числе полюсов внутреннего магнитопровода). Потоки в трубе сосредоточены в достаточно

тонком поверхностном слое, толщина которого определяется физическими свойствами выбранного магнитоупругого материала и величинами механических напряжений в этом слое. При воздействии измеряемой среды только на внешнюю боковую поверхность цилиндра во внутреннем поверхностном слое трубы возникают сжимающие касательные напряжения, приводящие при положительной магнитострикции материала трубы к снижению магнитной проницаемости материала, магнитной индукции во внутреннем слое трубы и магнитного потока в работающем сечении трубы. Изменение (снижение) магнитного потока в каждой из параллельных ветвей магнитной цепи обусловливает соответствующие изменения магнитного потока во внутреннем магнитопроводе

ДФс--ИЛфтр,

где Лф и изменения магнитного

потока во внутреннем магнитопроводе и в одной из параллельны ветвей потока в трубчатом чувствительном элементе соответственно;

п - число параллельных ветвей потока в чувствительном элементе.

При дроссельном варианте выполнения датчика (при одной обмотке) по изменению тока в обмотке магнитоупругого датчика давления, обусловленному изменением ее индуктивности, судят о величине измеряемого давления.

При трансформаторном варианте выполнения датчика (при двух обмоТках) о величине измеряемого давления судят по наведенной в измерительной обмотке ЭДС, пропорциональной потокосцеплению измерительной обмотки. При этом варианте абсолютная чувствительность датчика тем больше, чем

больше при одном и том же изменении механического касательного напряжения AG изменение потокосцепления измерительной обмотки

с- А%г м-Ц;иглл &ФС

«/г- л. л

дб-.

&Gi

где Ш,,| - число витков измерительной обмотки.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения датчика в АСУ ТП прокатки по одному стану составит ориентировочно 250 тыс.руб.

Формула изобретения

1.Магнитоупругий датчик давления, содержащий заключенный в корпус чувствительный элемент в виде полого магнитоупругого цилиндра с элементом намагничивания внутри, отличающийся тем, что,

с целью увеличения чувствительности и улучшения линейности выходной характеристики, элемент намагничивания в нем выполнен в виде сердечника с обмоткой, причем ось сердечника-, совпадающая с осью обмотки, и ось цилиндра взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, а между корпусом и наружной боковой поверхностью цилиндра выполнена полость, сообщенная с измеряемой средой.

2.Датчик по п. 1, отличающий с я тем, что чувствительный элемент в нем выполнен в виде двух вложенных один в другой полых цилиндров, причем наружный цилиндр выполнен из немагнитного материала а внутренний - из магнитоупругого.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 535476, кл. G 01 L 9/16, 1975.

2.Патент Японии № 51-14395, кл; G 01 L 9/16, 1976 (прототип).

/У

//////// ///

Фиг. 2

Фиг.1