Патент на изобретение №2295118

(54) МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам неразрушающего контроля, и может быть использовано для контроля напряжений в ферромагнитных материалах. Датчик содержит корпус, измерительные обмотки и обмотку возбуждения с магнитопроводами. Сердечники магнитопроводов датчика выполнены из отдельных листовых П-образных элементов, изготовленных из высококачественного вакуумного трансформаторного железа со строго квадратным поперечным сечением. Оба сердечника магнитопроводов размещены в корпусе датчика взаимно перпендикулярно, а возбуждающая обмотка датчика размещена на двух взаимно перпендикулярно совмещенных идентичных полюсах сердечников магнитопровода датчика. При этом частота питающего возбуждающую обмотку напряжения равна 50 Гц, а индукция магнитного поля не менее 100 Тл (тесла). Для создания надежности и постоянства магнитного контакта на рабочие полюса магнитоупругого датчика и место его установки до начала измерений может быть нанесен слой концентрированной магнитной жидкости. Технический результат заключается в увеличении чувствительности, повышении точности, разрешающей способности и надежности измерений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю механических напряжений в ферромагнитных материалах и может найти широкое применение для организации активного мониторинга напряженно-деформированного состояния различных строительных и особенно экологически опасных объектов, таких как атомные энергетические объекты и нефтеналивные резервуары, а также для создания интеллектуально-разумных строительных объектов с управляемой эксплуатационной надежностью.

Известен сканирующий электромагнитный датчик, содержащий П-образный магнитопровод, кинематически связанные с ним опоры качения, возбуждающую обмотку, расположенную на магнитопроводе, индуктивный преобразователь параметра поля электромагнита непосредственно в электрический сигнал, который жестко закреплен между полюсами [1]. Недостатком данного устройства является очень низкая точность измерений, обусловленная постоянным изменением средней длины рабочего магнитопровода с одновременным трансформированием и изменением интенсивности магнитного потока.

Известен магнитоупругий датчик, содержащий корпус и установленные в нем стержни, образующие с поверхностью измерения механических напряжений прямой угол, возбуждающую и измерительные обмотки, свободные концы рабочих стержней по диагонали соединены перемычками [2]. Однако точность выполняемых измерений с помощью указанного датчика также крайне низкая из-за наличия искусственного разрыва сплошности в предлагаемом магнитопроводе при соединении отдельных стержней с помощью автономных ферромагнитных диагональных элементов.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному решению является магнитоупругий датчик, содержащий корпус, измерительные обмотки и обмотку возбуждения со стержнями, соединенными по диагоналям прямоугольника перемычками, выполненными в виде дугообразных элементов, концы которых связаны со стержнями [3]. Однако использование магнитопровода из отдельных элементов и невозможность практического обеспечения постоянства площади и надежности магнитного контакта между рабочими стержнями и гибкими диагональными элементами не позволяет достичь высокой чувствительности, необходимой точности и надежности в работе магнитоупругого датчика.

Задача изобретения является повышение чувствительности, точности и надежности выполняемых измерений.

Поставленная задача достигается тем, что в магнитоупругом датчике, содержащем корпус, измерительные обмотки и обмотку возбуждения с магнитопроводами, сердечники магнитопроводов датчика выполнены из отдельных листовых П-образных элементов, изготовленных из высококачественного вакуумного трансформаторного железа со строго квадратным поперечным сечением, причем оба сердечника магнитопроводов размещены в корпусе датчика взаимно перпендикулярно, а возбуждающая обмотка датчика размещена на двух взаимно перпендикулярно совмещенных идентичных полюсах сердечников магнитопровода датчика, при этом частота питающего возбуждающую обмотку напряжения равна 50 Гц, а индукция магнитного поля не менее 100 Тл (тесла). Кроме того, для создания надежности и постоянства магнитного контакта на рабочие полюса магнитоупругого датчика и место его установки до начала измерений может быть нанесен слой концентрированной магнитной жидкости.

На фиг.1 – общий вид магнитоупругого датчика;

на фиг.2 – разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 – разрез Б-Б на фиг.1-1 вариант;

на фиг.4 – разрез Б-Б на фиг.1-2 вариант (магнитоупругий датчик с замкнутыми полюсами 4 и 4, предназначенный для работы в условиях двухосного сжатия).

На фигурах обозначено: 1 – корпус датчика; 2 – сердечник “пассивного” магнитопровода датчика; 2 – сердечник “активного” магнитопровода датчика; 3 – возбуждающая обмотка датчика; 4 и 4 – полюса “пассивного” магнитопровода; 4 и 4 – полюса “активного” магнитопровода; 5 и 5 – измерительные катушки соответственно на полюсах “пассивного” и “активного” датчика; 6 – мост Уитстона; 7 – цифровая измерительная система; 8 – ферромагнитная пластинка с нулевым механическим напряжением.

В корпусе 1 из немагнитного материала размещены взаимно перпендикулярно два сердечника “пассивного” 2 и “активного” 2 магнитопроводов датчика, которые выполнены из отдельных листовых П-образных элементов, изготовленных из высококачественного вакуумного трансформаторного железа с квадратным поперечным сечением (фиг.1 и фиг.2). Оба сердечника 2 и 2 обоих магнитопроводов размещены в корпусе 1 датчика взаимно перпендикулярно. При этом возбуждающая обмотка 3 датчика размещена сразу на двух взаимно перпендикулярных совмещенных полюсах 4 и 4 сердечников “пассивного” 2 и “активного” 2 магнитопроводов. Для максимального повышения чувствительности, точности и разрешающей способности датчика частоту питающего возбуждающую обмотку напряжения следует принять равной 50 Гц с одновременным обеспечением индукции магнитного поля не менее 100 Тл.

Электрические сигналы, полученные с обмоток измерительных катушек 5 и 5, поступают на мосты Уитстона 6 для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение, которое включено от каждого из мостов Уитстона навстречу друг другу для определения разности полученных сигналов с измерительных обмоток 5 и 5 за счет использования специальной цифровой измерительной системы 7.

До начала контроля механических напряжений и организации активного мониторинга напряженно-деформируемого состояния ферромагнитных материалов необходимо сначала протарировать сам датчик совместно со всем измерительным трактом для определения цены деления всей измерительной системы в МПа, разместив рассматриваемый датчик на тарировочном элементе полюсами 4, 4 и 4 соответственно строго в направлении одноосного растяжения тарировочного элемента.

Для повышения точности и создания надежности и постоянства магнитного контакта в месте установки магнитоупругого датчика и на его рабочие полюса 4, 4, 4 и 4 можно нанести максимально концентрированную магнитную жидкость как в ходе тарировки, так и в ходе рабочих измерений на объекте.

Практическое применение предлагаемого магнитоупругого датчика позволяет выполнять измерения как в условиях одноосного (фиг.3), так и в условиях двухосного напряженного состояния (фиг.4). При этом для жесткого разделения процесса измерения механических напряжений в условиях двухосного сжатия необходимо полюса 4 и 4 замкнуть ферромагнитной пластиной 8, имеющей нулевое механическое напряжение и выполненной из того же ферромагнитного материала, что и тарировочная балка, и материал рабочего объекта измерения. При этом весь П-образный сердечник 2 смещается относительно сердечника 2 на толщину указанной пластинки 8 (фиг.4), что позволит поэтапно выполнить измерения механических напряжений, сначала в одном, а затем в другом главном направлении без какого-либо негативного влияния в ходе измерений указанных напряжений друг на друга.

Использование предлагаемого магнитоупругого датчика позволяет снизить все ожидаемые температурные погрешности практически до нуля из-за абсолютной идентичности используемых сердечников и обоих измерительных обмоток датчика, расширить метрологические возможности датчика в условиях сложнонапряженного состояния и одновременно на порядок увеличить чувствительность датчика по сравнению с прототипом, что позволит практически полностью отказаться от необходимости использования в предлагаемой системе специальных электронных усилителей, что в свою очередь снизит все ожидаемые погрешности и значительно увеличит точность, разрешающую способность и надежность выполняемых измерений.

Источники информации

1. А.с. СССР №357516, кл. G 01 N 27/86. Опубл. 11.03.70.

2. Патент Франции №2288927, кл. G 01 L 1/12, 1976.

3. А.с. СССР. №881544, кл. G 01 L 1/12, 1981, БИ №42.

Формула изобретения

1. Магнитоупругий датчик, содержащий корпус, измерительные обмотки и обмотку возбуждения с магнитопроводами, отличающийся тем, что сердечники магнитопроводов датчика выполнены из отдельных листовых П-образных элементов, изготовленных из высококачественного вакуумного трансформаторного железа со строго квадратным поперечным сечением, при этом оба сердечника магнитопроводов размещены в корпусе датчика взаимно перпендикулярно, а возбуждающая обмотка датчика размещена на двух взаимно перпендикулярно совмещенных идентичных полюсах сердечников магнитопровода датчика, причем частота питающего возбуждающую обмотку напряжения равна 50 Гц, а индукция магнитного поля не менее 100 Тл.

2. Магнитоупругий датчик по п.1, отличающийся тем, что для создания надежности и постоянства магнитного контакта на рабочие полюса датчика и место его установки до начала измерений нанесен слой концентрированной магнитной жидкости.

РИСУНКИ