Магнитоупругий датчик давления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН ЗСЮ С 01 Ь 9 16(53) 531.787,91(088,8) 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 ич а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности и уменьшения нелинейности засчет исключения осевой деформации чувствительного элемента, в нем каждый чувствительный элемент выполнен в виде полого цилиндра, а защитная оболочка - в виде двух колец, установлен-ных герметично с зазором относитель- Е но полого цилиндра(56) 1. Авторское свидетельство СССРУ 214165, кл, С 01 Ь 9/16, 1968,2. Авторское свидетельство СССРВ 551524, кл. С 01 Ь 9/16,1975(54) (57) 1. МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИКДАВЛЕНИЯ, содержащий два преобразо,вателя с питающей и двумя измерительными обмотками, каждый иэ которых фГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРя " ОПо ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙЮьф.0,Н АВТОРСКОМУ СВЩЕПЦЪСТВУ1111041 2.Датчик по и. 1, о т л и ч а ю-щ и й с я тем, что в нем стенка Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения избыточного иабсолютного давлений, разности давлений различных жидких и газообразных сред, в частности для контролядавления рабочей жидкости в гидросистемах испытательных стендовИзвестны магнитоупругие датчикидавления, содержащие в качествечувствительного элемента полыйцилиндр, заглушенный с одного торцаи охваченный обмотками 1 1 1,Этот датчик обладает нелинейностью и низкой чувствительностью,поскольку главные механические напряжения 1,окружное б и осевоеимеют одинаковые знаки и, следовательно, выходной сигнал датчикаявляется функцией разности этихнапряжений, Кроме этого, датчик позволяет измерять только избыточноедавление,Известны магнитоупругие датчики,позволяющие измерять разность давлений за счет наличия двух преобразователей с линейной характеристикой,получаемой за счет приближенияработы чувствительного элемента кусловиям линейного напряженного состояния, что достигается с помощьюмембраны, которая упирается среднейчастью в торец полого цилиндра,являющегося чувствительным элементом,который охвачен обмотками. Подводимое к мембране давление практическиполностью преобразуется только восевое механическое напряжение 6,испытываемое полым цилиндром. Отсут"ствие окружного напряжения уменьшаетнелинейность преобразователейКонструкций преобразователейпозволяет производить поджатие чувст.вительного элемента с целью линеаризации их характеристик.Датчик обладает сложной конструкцией из-за наличия мембранных преобразователей, а магнитопривод являетполого цилиндра выполнена с прогибом в.средней части в сторону оси цилиндра,ся составным(состоит из чувствительного элемента и наружного магнитопровода)и, следовательно, содержитвоздушные зазоры,5 Кроме этого, преобразователихотя и выдают разный по величинесигнал, но одного знака, и суммарныйсигнал равен их разности, что такжеснижает чувствительность датчика по10 сравнению, например, с датчиком,содержащим два преобразователя сразнЬзначным выходом.Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результату15,к изобретению является магнитоупругий датчик давления, содержащийохваченные намагничивающей обмоткойдва преобразовател каждый иэ которых выполнен в виде кольцеобразного20 охваченного защитной оболочкой изнемагнитного материала и измерительной обмоткой, выполненного из магнитного материала чувствительногоэлемента, разделяющего две, наруж 25 ную и внутреннюю герметичные полости, сообщенные с подводящими штуцерами, причем наружная полость каждогопреобразователя сообщена с внутренней полостью другого, а измерительЗ 0 ные обмотки включены встречно, Вдатчике чувствительный элемент выполнен в, виде полого тора, а защитная оболочка - в виде охватывающегопервый второго тора, причем полостьвнутри первого образует внутреннюю35полость, а полость, образованнаяпервым и вторым торами, образуетнаружную полость. При таком исполнении датчика магнитопроводом являют 40ся стенки внутреннего тора, которыене имеют воздушных зазоров 23.Однако известно, что для случаяплоского напряженного состояния .относительное изменение магнитнойпроницаемости 1, является функцией45 алгебраической разности главных механических напряжений: напряжения(б,),.действующего по касательной к стенке6 =гб1 2 40 45 50 55 тора в плоскости, проходящей через ось вращения и совпадающей с плоскостью обмотки, и кольцевого напряжения(Я 1, совпадающего с направлением магнитных сйловых линий, и действующего по касательной к стенке тора в плоскости, перпендикулярной оси вращения.При работе чувствительного элемента, например, на растяжение, при изменениивдоль тора, в плоскости, перпендикулярной оси вращения,м (1 2)1где 5 - тензочувствительностьматериала по изменению магнитной проницаемости.- Р(" Ъ)учитывая, чта т --2Раг гБгде Р - измеряемая разность давлений;текущий радиус стенки тораотносительно оси вращения;г - радиус центра поперечногоОсечения тора относительнооси вращения;О - радиус стенки тора относительно центра поперечногосечения;толщина стенки тора,и принимая среднее значение ггО ,получим1,=-5Рам 2Следовательно, наличие 62 того же знака, что и 5 , уменьшает 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 );3 1 2где Р и Р - сравниваемые давления.Изменение магнитной проницаемостии под действием напряжения одного знака и равной величины в обоих преобразователях датчика за счет встречного включения измерительных обмоток не должно оказывать влияния на сум 11 15 25 30 35 марный выходной сигналОднако 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 Й тем больше, чем больше его величина. Поэтому снижение этого напряжения является средством уменьшения нелинейности,Цель изобретения - уменьшение нелинейности и повышение чувствитель-, ности датчика за счет устранения осевой деформации чувствительного элемента.Поставленная цель достигается тем, что в датчике, содержащем два преобразователя с питающей 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, каждый чувствительный 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, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг 1; на фиг. 3 - цилиндричес-, кий чувствительный элемент с прогибом.Магнитоупругий датчик давления содержит два преобразователя 1 и Й, охваченных намагничивающей обмоткой 1 и каждый из которых содержит чувствительный элемент 2, выполненный . в виде полого цилиндра из магнитного материала. Защитная оболочка выполнена из немагнитного материала в виде двух полых цилиндров колец ), наружного 3 и внутреннего 4. Все три цилиндра вложены один в другой, так что наружный цилиндр 3 и чувствительный элемент 2 с помощью уплотнительных колец 5 образуют наружную герметичную полость 6, сообщенную со штуцером 7, а чувствительный элемент2 и внутренний цилиндр 4 с помощьюуплотнительны., колец 8, установленныхпо их торцам, образуют внутреннююгерметичную полость 9, сообщеннуюсо штуцером 10.Все цилиндры преобразователя 1в осевом направлении охвачены изме"рительной обмоткой 11, а преобразователя- обмоткой 12. Обмотки 11и 12 включены встречно.Наружная полость 6 преобраэователя 1 сообщена каналом 13 свнутренней полостью 9 преобразовате;.ля :6, а внутренняя полость 9 преобразователясообщена каналом 4с наружной полостью 6 преобразователя 1 Дави Р и Р ддясс помощью штуцеров 15 и 16.Датчик работает следующим обра"зом.Под действием разности давлений,подаваемых в полости 6 и 9 преобразователя 1, его чувствительныйэлемент 1 из магнитного материалаиспытывает растягивающие или сжимающие окружные механические напряжения. Под действием этих напряженийизменяется магнитная проницаемостьчувствительного элемента 1, которыйодновременно является замкнутым магнитопроводом, охваченным обмоткой11. Под влиянием изменения магнитнойпроницаемости магнитоПровода меняется индуктивное сопротивление обмотки 11, которое является Функциейизмеряемой разности давлений. То жесамое происходит и в преобразователеЮ, но выход, рго будет другого знака, так как он испытывает противо-.положные по знаку напряжения.Суммарный сигнал от двух преобразователей будет равен сумме их выходных сигналов, так как магнитныйпоток от обмотки 1 в обоих чувствительных элементах одного направления, а измерительные обмотки 11 и12 включены встречно,В отличие от прототипа чувствительный элемент 1 испытывает толькоокружные напряжения 6, Осевые напряжения 6 отсутствуют ввиду того,чтоони действуют на малые торцовыекольцевые поверхности, иследовательно, они малы по величине и, крометого, они воспринимаются цилиндрами4 и 3 защитной оболочки, Напряже- .ния в этих цилиндрах, так как онивыполнены из немагнитного материала, не оказывают влияния на выходной сигнал датчика и не передаются на- чувствительный элемент в местахгерметизации благодаря уплотнительным кольцам 5 и 8.Таким образом, ввиду отсутствияв чувствительном элементе 1 осевыхнапряжений д его напряженное состояг.ние приближается к линейному, чтосоответственно уменьшает нелинейность магнитоупругого преобразователя.Чувствительность одного преобразователя в этом случае(например,при работе чувствительного элемента 15 на растяжение)определяется, учитывая изменение .по окружности цилиндра, величиной=-5 (А -6):5 Ц20где а - радиус цилиндра чувстви-тельного элемента;5 - толщина стенки этого цилин 25 дра,Принимая для сравнения а:а и5: о/" получим, что в предлагаемомдатчике относительное изменениемагнитной проницаемостив два30 раза выше, чем в прототипе,Следовательно, и чувствительность,и выходной сигнал такого датчика .также в два раза выше.Следует заметить, что жесткостьторцов цилиндров оболочки в радиальном направлении выбирается достаточной, чтобы можно было пренебречьувеличением среднего диаметра торцовпри подаче высоких давлений, иначе40 это приведет .к погрешности, связанной с увеличением диаметра цилиидрачувствительного элемента при Р=Р -- Р О, но при высоком уровне самих1 2Чувствительность датчика можноповысить, используя конструкциючувствительного элементаФиг. 2) .В этом случае .стенка 2 цилиндрачувствительного элемента выполненас прогибом 7 в средней части в сторону оси вращения, Для возможностисборки внутренний цилиндр 4 оболочкив этом случае делается разъемным споследующей герметизацией рослесборки(клеем, сваркой, герметиком ),В этом случае в зависимости от55направления разности давлений выходной сигнал одного преобразователяпропорционален величине 1, 6 Ф б),04 1Х 2 Фиг.г иг.Я КПИ Заказ 6300/33 Тираж 822 Подписное ал ППП фПатевт", г.Ужгород, ул.Проектная, 4 а выходной сигнал другого преобразователя - величине в ( 61 ф 6 ) , гдеи 6 - механические напряжения в1стенке чувствительного элемента, имеющие тот же смысл, что.и для чувствительного элемента, выполненного в виде тора, так как чувствительный элемент можно рассматривать как внутреннюю часть тора, защемленную по краям. Однако по сравнению с прототипом 1 где изменение магнитной проницаемостипропорционально разности главных механических напряжений Й и 6 )и с вариантом, когда одно из напряжений равно нулю , в данном вариантепропорционально сумме напряжений 4 и 6 , повьшает чувствительность преобразователей и датчика в целом.Технико-экономическая эффективность датчика заключается в уменьшеиии нелинейности и повышении чувствительности,примерно в 2-4 раза ) посравнению с прототипом. При. этом онсохраняет преимущества известного 5 датчика, а именно магнитопровод сзащитной оболочкой совмещает в себенесколько функций; чувствительногоэлемента, корпуса для больших статических давлений, магнптопровода, О каркаса для обмотки. Датчик несодержит подвижных элементов иследовательно, воздушных зазоров. По сравнению с прототипом, являю щимся базовым объектом; нелинейностьдатчика может быть снижена с 1,57до 0,3-0,57., что приводит к упрощению обработкиданных и сокращениюсроков испытаний на 0-157, это 20 в свою очередь дает экономию 100120 р. на одно испытываемое изделие.