Преобразователь механических усилий в электрический сигнал

(72) Авторы изобретения Стронгин, В, А,ов ен титут механики Московскогта им. Ломоносова аучно-исследовательскийгосударственного унив(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ УСИЛ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛия изги 1 2Изобретение относится к преобраэова- йото бурового инструмента, но имеет сутелям механических усилий в эпектричес- щественный недостаток, а именно в слукий сигнал и может найти применение во чае проходки наитонно-направленных сквамногих областях, в частности дпя иэмере- жин становится существенным впияние иэния осевой нагрузки на долото непосред- гибаюших нагрузок.5ственно в процессе бурения. Целью изобретения является повышениеИзвестен преобразователь механичес- точности пУтем УменьшениЯ впиЯн ких усилий в электрический сигнал поавт. св. М 606117, содержащий воэбуж Это достигается тем, что в предпагаедаюшую систему на постоянных магнитах м)м преобразоватепе стержни, распопожен.1 Осилопередаюший эпемент, измеритель ин- ные симметрично относительно измеритедукции магнитного попя и магнитоупругий ля магнитной индукции, выполнены иэ мачувствитепьный элемент, выпопнениый в териалов с пРотивоположными знаками маг виде четного чиспа стержней, распопожен- нитострнкции, а силопередающий элемент ных симметрично относительно измерите- механически соединен с парами стержнейБля индукции магнитного поля и механичес- разного знака магнитострикции.ки соединенных с чередуюшимися разнои- На фиг. 1 представпена принципиальная менными полюсами постоянных магнитов схема описываемого преобразователя; на возбуждающей системы И 1, фиг. 2 - магничное попе в зоне распопоЭтот преобразователь обладает целым жения измеритепя индукции магнитного26рядом достоинств в случае применения,поля.например, для опредепения динамических В каналах силопередаюшего элемента нагрузок в колонне бурвтьных труб ипи в 1 преобразователя, изготовленного из не- качестве датчика осевой нагрузки на до- магнитного материала, расположены стерж684343 4го ных потоков, равен нулю, Балансировку е- магнитных потоков производят теми же ь- элементами 11, 12, 15, 16, которыми ра). создают предварительное напряжение. При ржнагружении преобразователя сжимающимиили растягиваюшими нагрузками происхомаг- дит нарушение баланса магнитных потоковза счет изменения магнитной проницаемосый ти рабочих стержней магнитоупругого чуВ 10 ствительного элемента, Характер изменений магнитных потоков О, Ь, с, д пока от- зан на фиг. 2. ни 2-5 магнитоупругого чувствительноэлемента, причем стержни 2,3 иэготовлны из материала, обладающего отрицателной магнитострикцией (например альфеСтержни 2, 4 являются рабочими,а стени 3, 5 - компенсационными.Под всеми стержнями расголоженыпиты 6-9 воэбуждаюшей системы, опирающиеся на замыкатель 10, изготовленниэ ферромагнитного материала. Магнитьрасположены на замыкателе, чередуясьразноименными полюсами, поэтому присутствии внешних нагрузок магнитные потоки О,Ь., С, д (фиг, 2) равны, а их конфигурация такова, что в центре магнитнойсистемы по ее оси результирующий векториндукции магнитного ноля равен нулю,Элемент, передающий внешнюю нагрузку на стержень 4, выполнен в виде винта11, Он создает в стержне предваритель 2 Оное сжимающее напряжение, Элемент, передающий нагрузку на стержень 2, выполненв виде гайки 12, Он создает в стержнепредваритепьное растягиваюшее усилие.25Компенсационные стержни 3, 5 помешеныВ гильзы 13, 14 таким образом, что внешние нагрузки на них не действуют, Предварительное напряжение в компенсационных стержнях создается с помощью винта15 и гайки 16. В центре преобразователя,по его оси расположен измеритель индукции 17 магнитного поля, в частности, имможет быть кольцевой ферроэондовый магнитометр, Он размещен в контейнере (насхеме не показан), в котором может бытьтакже часть электронной схемы, Ось чувстВИтелЬНостн МаГНИтоМЕтРа лежит в плоскости, проходящей через рабочие стержни.Принцип работы преобразователя заключается в следующем.Во,всех стержнях 2-5 с помощью винтов 11, 15 и гаек 12, 16 создают пред.варительные напряжения в пределах середины линейных участков характеристикмагнитострикции применяемых материалов,причем величины предварительных напряжений определяют диапазон измеряемойпреобразователем нагрузки.Характер нагрузки предварительных нап-,ряжений зависит от анака магнитострикции материала: для материалов с отрицательной магнитострикцией нагрузка должна быть растяГиваюшей, для материаловс положительной магнитострикцией - сжи-маюшей,Выходной сигнал магнитометра приотсутствии внешней нагрузки на преобразователь, в случае сбалансированных магнитВ результате, в центре магнитной системы магнитная индукция не равна нулю,в выходной обмотке магнитометра появляется сигнал, пропорциональный приложенной нагрузке, фаза которого соответствует характеру приложенной нагрузки -сжатие или растяжение.Метод компенсации внешнего магнитного поля определяется условиями работыустройства и может осуществляться, например, путем выставления уровня нулевого сигнала магнитометра предварительным нагружением магнитоупругих стерж,ней или установкой магнитных экранов.Можно не.проводить компенсацию, а просто учитывать величину внешнего магнитного поля по показанию дополнительногомагнитометра.Преобразователь обладает сушественными достоинстВами поэВоляюшими ис .пользовать его для измерения осевой нагрузки на долото в случае проходки наклонно-направленных скважин, так как преобразователь нечувствителен к изгибам.Эго обьясняется тем, что рабочиестержни расположены попарно симметрично относительно измерителя магнитнойиндукции, и при воздействии на корпус изгибающих усилий в стержнях возникаютдополнительные напряжения, противоположные по характеру, а так как стержни изготовлены из материала с разными знаками магнитЬстрикции, то изменение соотношения величин магнитных потоков непроисходит. Кроме того, применение дляизготовления магнитоупругих стержнейматериалов с разными знаками магнитострикпии позВолило попучить характеристику преобразователя более линейную поэлектрическому сигналу и уменьшить механический гистереэис.Выбранная ориентация намагничиваниярабочих и компенсационных стержней позволяет корректировать температурную погрешность,6843Конструктивные изменения, не нарушавшие существа предлагаемого преобразователя, могут свестись к изменению конструкции силопередаюшего алемента, к исключению замыкателя, но последнее 5 повлечет уменьшение чувствительности преобразователя. Технико-економический аффект при применении предлагаемого датчика заключаеъо ся в следующем: возможно производство технологических измерений з наклонно- направленных скважинах; расширены воз можности применения преобразователя пу тем исключения влияния изгибов; юме 15 ряются приложенные усилия обоих знаков; улучшена характеристика преобразователя. 43 ьформула изобретенияПреобразователь механических усилий в электрический сигнал по авт. св. Мф 606117, о т л н ч а ю щ и йя тем, что, с целью повышения точности ду тем уменьшения влияния югибов, стержни, расположенные симметрично относительно юмерителя магничной индукпии, выполнены из материалов с противоположными знаками магнитострикцни, а свпо- передающий элемент механически соединен с парами стержней разного знака маги итострикпии.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР % 606117, кп. 8 01 Ь 2/12, 1975.Составитель Г. МаксягРедактор Л. Бибер Техред М. Петко раж 1090рственно гоэобретенийЖРауш дписноеР ц 1 кал ППП фПатент, г. Ужгород, ул. Прое 7 2/32 ТЦИИПИ Госу по делам35, Москва,митета СССоткрытий кая наб., д, 415