Способ возбуждения крутильных колебаний и устройство для его осуществления

) б 01 М 11 16 оное чины раз 2. Усагцичива ойство д егося пог существлеция способа и. 1гцито нныи ом ыи кийства,ной ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ.2, Авторское свидетельство СССР У 636510, кл. 601 И 9/10, 1978.3. Авторское свидетельство СССР У 774382, кл. 601 М 9/1 О, 1981 (прототип), (54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ КРУТИ)1 ЪНЫХ КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.(57) 1. Способ возбуждения крутильшях колебаний, основанный на намагничивании магцитострикционного стержня постояцгплм круговым и переменным продольным маг 1 п 1 тцыми полям о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения нелинейности возбуждения, цр ное магнитное поле увеличивают, а кру магнитное поле уменьшают на половицу одержа 1 цее коцсольцо эакрепле икциоццый трубчатый стерже аимно перпендикуляршяе обм возбуждения - тороидальную и коаксиа датчик колебательной скорости, соедице входом блока автоматической регулиров усиления и входом усилительного устро выход которого подключен к коаксиалобмотке возбуждения, последовательноненцыс источник стабилизированного по ного тока, тороидальную обмотку возбуждения,потенциометр отработки и блок управлениятоком тороидальной обмотки возбуждения,содержащий генератор, выход которого подключен к одной из статорных обмоток двигателянепосредственно и через фазовращатель к одному из входов балансного модулятора, выходкоторого подключен к другой статорнойобмотке двигателя, вал которого через редуктор механически связан с движком потенциометра отработки, о т л и ч а ю ш е е с ятем, что в устройство введены амплитудныйдетектор, два датчика рассогласования, двасумматора и формирователь опорного напряжения, при этом вход амплитудного детекторасоединен с выходом усилительного устройства,а выход - с суммирующим входом первогодатчика рассогласования и с вычитаюшим входом второго датчика рассогласования, вычитаю.ший вход первого датчика рассогласования и суммирующий вход второго датчика рассогласования соединены с выходом формирователяопорного напряжения, вход которого подключен к тороцдальной обмотке возбуждения, авыход первого датчика рассогласования под.ключец к одному из входов первого сумматора, второй вход которого соединен 1 выхо.дом блока автоматической регулировки усиления, а выход - с управляющим входом усилительного устройства, выход второго датчикарассогласования соединен с одним из входоввторого сумматора, второй вход которогоподключен к выходу блока автоматическойрегулировки усиления, а выход - к управляющему входу балацсного модулятора.1 О 43526 Изобретение относится к способам для возбуждения крутильных колебаний магнитострик.щГонного стержня в вибрационцо.частотных из.мернтельнъ 1 х приборах и к устройствам дляих осуществления. 5Известен способ возбуждения крутильцыхколебаний магцитострикционного стержня, основанный ца намагничивании его геликоидаль.ным магнитным потоком, который вследствиеналичия у стержня магГГитострикциоццыхсвойств создает упругие силы, вызывающиезакручивание,стержня. При модуляции одногоиз магнитных полей результирующий гег 1 икои.дально"направленный В пространстве и периодически изменяГощийся во времени магнитныйпоток вызывает крутильные колебания стержня,Таким образом, стержень периодически закручивается по линиям намагниченности, Наиравле.цие закручивания определяется знаком линей.цой магнитострикции материала, Сдвиг, осущест ъовляемый касательными напряжениями ири маг.нГГтострикциоГПГОМ закручивании стержня, эквивалентен главным напряжениям растяжения исжатия, которые пропорциональны по его осии направлены ио винтовым иоверхностям -геликоцдам, составляьощим угол Г Г У Г 4- )с любым осевым и поперечным сечением стсрж.ця В зависимости от направлеиия скручивания.Максимальное закручивание стержня осущестВляется при совпадении угла наклона резуль.30;руюГцего геликоидального магнитного поля снаи 11 ВГ 1 лением действия напряжений в стержне 11),11 звестный способ обладает низкой точностью восироизведенич колебаний,Известно устройство для осуществленияэтоГо способа, В котором возбуждение крутигыГых колебаний магцитострикционногостержця осуГцсствляется намагничивацием егопеОсм" Глп,1 м Гсликоидалы 1 ым маГцитепим гОто. ком.1 ззеГестное устройство содержит консОльн 0 закрепленный магнитострикциопный трубчатый стсржець с зоцдом, охваченный взаимно иериен. дикулГГрными обмотками возоужисция, последовательно соедицен 11 е дачик колебательной скорости и усилитель, к выходу которого цо 11 ключсца одца из обмоток возбуждения, Лру 1 ая Обмотка Возбуждения ПОдкл 10 чена к исГОчцику ибстОянного тОка 2 ОдцаКО Эта уСтПОйетВО ОбдадаЕт НИЗКОЙ Ото иГостью измерений.11 аиболее близким ио техцичсскойГ су 1 ццостик изобретению является способ, основанный цаНамагничивании магцитострикциоцного стержняиостояцн 1 ГМ круговым ц переменным продоль. 55цым магцитцГГМН полями, величины которыхизмсцяГот одновременно, ОбесГГсчивая условиемаксимальцого скручивания стержня. 2Известно устройство для его реализации, содержащее консольно закрепленнъ 1 й магцито стрикциоццый трубчатый стержень с зондом, Взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения: тороидальную и коаксиальцую, датчик колебательной скорости, соединецный с входом блока автоматической регулировки усиления и входом усилительного устройства, выход кото" рого подключен к коаксиальной обмотке возбуждения, последовательно соединенные источ. ник стабилизированного постоянного тока, тороидальную обмотку возбуждения и иотенцио. метр отработки, блок управления током торои. дальной обмотки возбуждения, содержащий генератор, Выход которого подключен к одной из статорных обмоток двигателя непосредственно и через фазовращатель к одному из входов балансцого модулятора, выход которого под. ключец к другой статорцой обмотке двигателя, вал которого через редуктор механически связан с движком погенциометра отработки. В устройстве поддержание на заданном уровне колебаний стержня осуществляется авто. матической регулировкой Величины крутяше,"о момента за счет формирования на выходе блока автоматической регугироики ус 11 лсния регулиру 1 ощего Воздействия, котсрое Осуществляют изменецисм дэ 1 ух регулир,е иых Величин: про- дольнОГО персменнОГО маГнитцОГО поля за счет изменения коэффГитцснта усГГНГения усилитель Ного устройства и кругового постоянного магнизн 01 О поля за счет формирования упраВл 1 ю;пего сигнала в блоке управления током тороидальной обмотки Возбужде 11 ия,3 . Од 11 ако этот способ и реализующее его ус. тройство обладаГот зцачитслыГой нелинсйностью характеристики Возбуждения, приводящей к сниженГГю точэ 1 ости измерений, Указанные недостатки Обусловлены неполиым совпадением направления рсзультируГощего геликоидального магнитного поля с цаиравце Гнем действия напряжеццй эа счет того, 11 ТО одца регулируемая величина - круговой постоянный магнитный потокв стержне, проиорциоцальна величине регулирующего воздействия Гдгля кругового магн 11 тцого поля магнит провод имеет замкну. тую кольцевую форму, доцускающую одцород. ную намагьшцеццость без возникновения размаг. ничива 10 щего поля), а вторая регулируемая величина - продольный переменный магнитный потОк В стержце. Ге ирОГорииональна Величине регулируГОПГего воздействия Гд 1111 продольного магцит 110 ГО ноля магнитоГ 1 ровод разомкнут,размагниГивающий фактор суц 1 сствеГГен, величина размагцичивающегося ноля растет с увеличением цамагци Генности) .50 Величина напряженности продольного магнитного поля в стержне (Н; ) может быть представлена в видеН, = Н - Нгде Н - напряженность нродольнага магнит 5ного поля коаксиальной обмоткивозбуждения, пропорциональная величина ее ампер - витков; Н,= 1 чЗ - размагничивающее поле;М - размагничиваюший фактор: О3 -.намагниченность стержня.Для стержней, используемых в вибрацианно-. частотных измерительных приборах, отношение длины ( Р ) к диаметру (с 1)/, как правило, находится в пределах 5 - 10. Причем для отна 15 шения сЪ =10 й = 0,2, а для О/с 1 =5 М = 0,5. В этом случае для стержня Р/д= 10 максималь ная величина продольного поля в стержне снижаетсяна 20%, направление результирующей величины поля составляет угол с направлением действия напряжений ( Г /4/), равным 6 20, При этом возникают две взаимно перпендикулярные составляющие результирующего паля: одна - на направление действия напря,некий растяжения (в случае положительной магнитастрикции материала стержня), с углом подъема(+ Т/4/), ее величина -на 9,65% меньше вели.чины результирующего поля без учета размагничивания, а вторая - на направление действиянапряжений сжатия с углом подъема ( - .о/4),30ее величина составляет -9,65% ат величинырезультирующего поля без учета размагничивания, Возникающее в стержне сложнанапряженноесостояние в двух взаимно перпендикулярныхнаправлениях снижает амплитуду колебанийстержня, чта приводит к проявлению нелинейных свойств в виде зависимости частоты крутильных колебаний стержня от амплитуды егаколебаний и способствует возникновению гарма нии высших частот колебаний. Увеличение амплитуды колебаний за счет увеличения намаг Оничиваюших полей приводит к тому, .что вели.чина размагничиваюшега фактора в достаточно сильных полях теряет простой геометрическийсмысл и становится функцией намагниченности. При этом, несмотря на значите; ьную величину 45внешнего продольного поля, продольная намагниченность уменьшается, снижая амплитуду колебаний стержня. Это несовпадение направленийдействия магнитных и механических сил при-водит к возникновению несикусоидальных колебаний стержня. Ослабление частот высшихгармоник, возникающих при этом, может быть.достигнуто применением усилителей с амплитуд ными ограничителями, чта в конечном итоге снижает точность измерений. 55Эта погрешность является методической, вытекающей из способа формирования управ ляюших воздействий. Целью изобретения является снижение нели нейнасти возбуждения колебаний.Г 1 аставленная цель достигается тем, что сог, ласка способу возбуждения крутильных колебаний, основанному на намагничивании магнитастрикцисннаго стержня постоянным круговым и переменным продольным магнитными полями, продольное магнитное поле увеличивают, а круговое магнитное поле уменьшают на половику величины раэмагничивающего поля.В устройстве, содержащем консально за. крепленный магнитастрикционный трубчатый тержень с зондом, взаимно перпендикулярные обмотки возбуждения: тороидальную .и .коакси. алькую, датчик колебательной скорости, соеди. ненный с входам блока автоматической регулы. ровки усиления и входом усилительного устройства, выход катарао подключен к коаксиаль-най обмотке возбуждения, последовательно соединенные источник стабилизированного по. стаяннага тока, тороидальную обмотку возбуж дения и патекциаметр отработки, блок управления токам тараидальной обмотки возбужде. ния, содержащий генератор, выход которого подключен к одной из статорных обмоток двигателя непосредственно и через фазовраща. тель к одному из входов балансного модулятора, выход которого подключен к другой статарнай обмотке двигателя, вал которого через редуктор механически связан с движком патекцнометра отработки, введены амплитудный детектор, два датчика рассогласования, два сумматора и формирователь опорного напряжения, при этом вход амплитудного де. тектара соединен с выходом усилительного устройства, а выход - с суммирующим выхо. дом первого датчика рассогласования и с вычитаюшим входом второго датчика рассогласоваши, вычитающий вход первого датчика рассогласования и суммирующий вход второго датчика рассогласования соединены с выходам формирователя опорного напряжения, вход которого подключен к тороидальной обмотке возбуждения, а выход первого датчика рассогласования подключен к одной из входов первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока автоматической регулировки усиления, а выход - с управляЮ. щпм входам усилительного устройства, выход второго датчика рассогласования соединен с одним из входов второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления; а выход - к управляющему входу балансного модулятора.Указанная совокупность признаков, изменяю щая способ формирования управляющих воздействий, позволяет снизить нелинейность возбуждения и повысить точность измерений за счет тога, что при увеличении продольного)ЕЯГИИГЦОС ПОЛЕ ГО (,Ц)2)СН)Ц)С (, О" Ц)На и РГЕ БИС НИ С М; СС( Г (И ) ) 2 С Г(1 Г; ) ) "л Ц);,:)ЖЕЕИЕЕ +), 1 О 4)".:)( (Ц))б(ЬГИ)1, рц 3 Г (Т" ;: ) Г ) л) )(Г,;:)РСЗУЛЬТ 1)ТО:ЦЕГО Ц 11. Ц ЦЯИ)ДС)(1:. Л;и):(ВЦДЕЯЦРЯЖ)ИИ 3)КЯИ)Г, :. 1 У,;,; , и,Одеочас готцЙ е;т Г.о.с:)ац)6 .:1).;):бОЛЕ)И(Й 21)циит 3 ГГ)(Е КО: О )Н)Г. О;ц." лт"- ХОБИГОСТЬ ПОЛОЛИ ГС 1)110 )Оцагл(ГГКП Сц(ЯО:;,ЧТО П)ИВОТ 1 К;ОЛиС 3 ИО 1(Ц 10)ст; Г 3 ЦСРЕ)1(Ц,Иогрегццст)3 И)ЗВ:1 Ясгс): 3 (.Н),ц 21, тя);т 0)лИТ ГИГ:."(3(ИЕЦТЯЛЬЦЬ.Ц ХЯОЦ(Г) СР ) . . "ЕТСЯ КЯСС 1130) ИЗГто 313.И) 3:СЯ)е 1;ОВ 1; (31Г)ОР(ИООЙЯЦЦГ )ЯГ)Я Я Ц(И; В) );1(с:. )ГО АВСТРО)С (1)1.Маги)тос)ццН)(мН 1( тр)О)я)1). ,")с )Г(с 1,КОНСОЛ)ЦО )(ССГ.О 32);1)Ц:(Сн Н:); О)2.Я СВОГОГ0 0)Ц( С)С)К 1)1О(;)1 :)СуииЕЬ 3 ч);региСИ:Г(Л;,)3, и)(ПОЛ(,иОНС)РДЛЯ ИЗ ЯС Ге) И Я Ц)О 1 С(Г 1,) ) ) ) Н)СКИДКИХ "РС, 3 3 ИЛ" 1 и;Ц)РЯ.; 1);)Ц 1(а КОЯКСЯЛПОР, ОХ2 Г),Ц):):1)с С; С) ;",1;ИОДНН)Ч(цЯ К В)ХО)Г С.1 И31)Бя . ),бСТ)(2 ВОЗ31,(СН:.:, " 1:)Г)Гл, 0)- И)атиЕОЙ) И)ОХС;НиС ВВОЗЯ С)СГ)Л;СЦЦС 11. -ОГОРОИ ЦОС),,:,ик 10 стяОН)ли.)Про я.:ц(Гс .)Я ГО(:) О) ) )1.ОТСИИИОЕИСТ) . ) ОТР 2501;Ц ;) 1. -;К");:ре.Ис.Ор 1., (ОИСЛО)Сц)12) И:(; (Г,)ВателЯ 13 Ооцного 2)(цнжс -;.,;,20 ного напряжения балансного модулятора 22,подаваемого на статорную обмотку управлениядвигателя 24, является линейной функцией мо.дуля постоянного напряжения на выходе сумматора7. Фазовращатель 25 создает постоянный фазовый сдвиг на статорных обмоткахравный 7/2, необходимый для полученияв двигателе 24 вращающегося магнитногополя. Вал двигателя 24 через редуктор 26 изменяет положение движка потенциометра 11 10отработки, увеличивая постоянное круговоемагнитное поле. Так как постоянная времениконтура управления током коаксиальной обмотки 7 возбуждения (контур содержит толькоэлектрические элементы) значительно меньшепостоянной времени контура управления токомтороидальной обмотки 9 возбуждения (контурсодержит электрические и электромеханическиеэлементы), то на выходе датчиков 19 и 20рассогласования образуются сигналы разнойполярности. Выходной сигнал датчика 19 рассогласования, суммируясь с выходным сигналомблока 15 автоматической регулйровки усиленияв сумматоре 16, еще больше увеличивает коэффициент усиления усилительного устройства 8, 25увеличивая продольное магнитное поле в стерж.не 1, Одновременно выходной сигнал датчика20 рассогласования уменьшает напряжение навыходе сумматора 17, уменьшая тем самымвеличину кругового магнитного поля. Измене.ние величин кругового и продольного магнит.ных полей происходит до тех пор, пока сучетом размагничивающего продольного магнитного поля амплитуда колебаний стержня 1с зондом 4 не достигнет прежнего заданногозначения, при этом за счет выбора весовыхкоэффициентов сумматоров 16 и 17 величинакругового постоянного магнитного поля встержне 1 уменьшается, а величина продольногопеременного магнитного поля увеличивается наполовину величины размагничивающего поля.В необходимых случаях при больших значе.ниях вязкости жидкости для уменьшения влия.ния вязкости на точность измерения плотностив усилительном устройстве может быть предусмотрен фазовый сдвиг выходного сигнала,физически осуществляющий разворот векторакрутящего момента. В этом случае горизонтальная составляющая вектора крутящего момента копменсирует действие активных сил,обусловленных влиянием вязкости среды.Возможная нестабильность фазового сдвигав кольце самовозбуждения колебаний легкоможет быть устранена автоматическим регулированием величины сдвига фазы выходного сиг.нала датчика колебательной скорости относи.тельно входного (например, на концах коакси.альной обмотки 7 возбуждения),Испытания предложенного способа и устройства на макетном образце показало, что использование изобретения по сравнению с базовымобеспечивает снижение нелинейности возбужде.ния колебаний и за счет этого повышает точность измерения плотности тяжелых углеводоподобных топлив в диапазоне 700 в 9 кг/м3от 0,6 до 0,4.