Измерительный элемент для магнитострикционного датчика линейных перемещений

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в магнитострикционных датчиках для измерений и контроля линейных перемещений и положения различных механизмов.
Уровень техники
Известны аналоги, предназначенные для измерений перемещений, основанные на магнитострикционном эффекте.
Известен измерительный элемент для магнитострикционного датчика линейных перемещений, описанный в патенте [1], содержащий волновод из магнитострикционного материала с демпферами на концах, опрашивающую и выходную обмотки, размещенные на волноводе, постоянный магнит, связанный с объектом перемещения.
Недостатком устройства [1] является отсутствие указанного материала звуковода, а также его влияния на точность измерений.
Известен измерительный элемент для магнитострикционного датчика [2], содержащий звукопровод из магнитострикционного материала, в качестве которого выбрана проволока со значительным магнитоупругим эффектом - низкоуглеродистая сталь 10 или 20. При этом отсутствует обоснование выбора материала звукопровода и оценка его влияния на точность измерений.
Известны измерительные элементы для магнитострикционных датчиков угловых перемещений, описанные в патентах [3] и [4], которые содержат звуковод в виде проволоки, сечением 1,0 мм, из прецизионных ферромагнитных сплавов 44НХТЮ, 42НХТЮ или им подобным, применение которых в известных устройствах гарантирует заданную точность измерений в известном интервале температур.
Известен магнитострикционный датчик угловых перемещений [5], в котором обосновано использование звуковода из недорогостоящих элинварных ферросплавов, применение которых гарантирует заданную точность измерений в более широком диапазоне температур, по сравнению с ферросплавами 44НХТЮ, 42НХТЮ.
При этом в устройствах [3], [4], [5] также отсутствует исследование влияния материала волновода на точность измерений.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является измерительный элемент для магнитострикционного преобразователя линейных перемещений [8], выполненный в виде катушки возбуждения, намотанной на диэлектрическую трубку, вдоль которой может свободно двигаться магнитный позиционер (один или несколько), имеющий возможность соединения с контролируемым объектом, внутри диэлектрической трубки размещен звукопровод из материала с выраженным магнитострикционным эффектом, а на одном из концов звукопровода закреплен пьезоэлемент, выполненный в виде электроакустического преобразователя. В качестве материала звукопровода в прототипе применяется низкоуглеродистая сталь 10.
Недостатком прототипа, как и устройств [1], [2], [3], [4] и [5] является отсутствие обоснования выбора материала звуковода (волновода) и оценки его влияния на точность измерений. Применяемые в данных устройствах сплавы для волноводов имеют существенные недостатки, связанные с магнитострикционным эффектом, которые ограничивают повышение точностных характеристик магнитострикционных преобразователей перемещений.
В известных работах [6] и [7] исследованы свойства магнитострикционных преобразователей перемещений, которые определяются волноводом (звуководом), как основным преобразующим элементом, связанным с измерением физических параметров движения. Эксплуатационные и метрологические свойства магнитострикционных преобразователей перемещений напрямую зависят от физико-механических, электрических и магнитных характеристик материалов волноводов, которые, в свою очередь, чувствительны к химическому составу материала, наличию примесей и технологии  изготовления.
Известные работы [6] и [7] позволяют рассмотреть задачу увеличения точности измерений линейных перемещений с учетом влияния магнитоупругих свойств материала волновода.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает решение технической проблемы существенного повышения точности измерений линейных перемещений магнитострикционным преобразователем, за счет выбора сплава волновода, сочетающего оптимальные механические, электрические и магнитные характеристики.
Раскрытие сущности полезной модели
Измерительный элемент для магнитострикционного датчика линейных перемещений выполнен в виде катушки возбуждения, намотанной на диэлектрическую трубку, вдоль которой может свободно двигаться магнитный позиционер (один или несколько), обладающий возможностью механической связи с  контролируемым объектом. Внутри диэлектрической трубки размещен волновод из материала с выраженным магнитострикционным эффектом, который появляется при намагничивании волновода магнитным полем катушки возбуждения. На одном из концов волновода закреплена концентрирующая накладка и пьезоэлемент, образующие электроакустический преобразователь, который преобразует ультразвуковой сигнал, вызванный продольным колебанием волновода, в электрический сигнал с целью дальнейшей обработки.
Общий вид измерительного элемента для магнитострикционного датчика линейных перемещений приведен на фиг.1.
На основе проведенных авторами исследований различных сплавов, а также с учетом анализа имеющихся литературных данных, был выбран сплав, который значительно улучшает магнитострикционные свойства волновода по сравнению с прототипом, за счет повышения коэффициента эффективности отклика системы и снижения соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом. Сущность полезной модели заключается в использовании в качестве материала волновода металлического стержня из стали ферритного класса марки 12X17 по ГОСТ 5632-2014, обеспечивающего существенное снижение погрешности измерений линейных перемещений по сравнению с прототипом.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведен общий вид полезной модели - измерительного элемента для магнитострикционного датчика линейных перемещений, где обозначены позиции:
1 – волновод,
2 – пьезоэлемент,
3 – концентрирующая накладка,
4 – катушка возбуждения,
5 – трубка полиэтиленовая,
6 – магнит постоянный кольцевой.
На фиг. 2 представлена схема испытательной установки для испытаний образцов волноводов из различных материалов, где обозначены позиции:
7 –  генератор постоянных импульсов (Г5-63),
8 – осциллограф (Rohde & Schwarz RTC1002),
9 – операционный усилитель с усилением сигнала 40:1.
На фиг. 3 представлена осциллограмма для расчета соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом.
На фиг. 4 изображены осциллограммы выходного импульса сигнала, снятые с прототипа и с заявляемой полезной модели.
Осуществление полезной модели
Полезная модель содержит катушку возбуждения 4, намотанную на диэлектрическую трубку 5, вдоль которой может свободно двигаться постоянный магнит 6 (один или несколько). Внутри диэлектрической трубки 5 размещен волновод 1, выполненный из стали марки 12X17 по ГОСТ 5632-2014. На одном из концов волновода 1 закреплена концентрирующая накладка 3 и пьезоэлемент 2, образующие электроакустический преобразователь.
ЭОС
Н/ПС
Авторами данного технического решения полезной модели проведены исследования большого количества сплавов, подходящих по магнитным и эксплуатационным характеристикам для применения в качестве волновода для измерительного элемента в магнитострикционном датчике линейных перемещений, основанном на принципе продольных колебаний, а также проведен анализ имеющихся литературных данных для выбора химического состава сплава, который значительно улучшает магнитострикционные свойства волновода, за счет повышения коэффициента эффективности отклика системы (К) и уменьшения коэффициента соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом (К).
При подборе материала волновода, кроме электромагнитных характеристик, учитывались следующие дополнительные факторы: доступность материала необходимого сортамента (и его качества) на российском рынке; свойства материала, имеющие отношения к эксплуатационным характеристикам приборам (коррозионная стойкость, прочность и т. д).
Для подбора материала волновода проведены испытания образцов, различающихся по химическому составу. Для проверки образцов была создана испытательная установка. Схема установки приведена на фиг. 2. Волновод (1) диаметром 1 мм и длиной 1000 мм с установленным на него пьезоэлементом (2) поместили в полиэтиленовую трубку (3)  с намотанной на неё, витком к витку, катушкой индуктивности (4).  На катушку установили постоянный кольцевой магнит и несколько раз переместили по всей длине волновода (от края среза волновода до точки крепления пьезоэлемента) для снятия намагниченности, которая может быть в состоянии поставки материала, после чего кольцевой магнит устанавливается примерно на середине измерительного элемента. На катушку с генератора (7)  подается короткий электрический импульс, заданной амплитуды и длительности, а на осциллографе (8) фиксируется амплитуда электрического сигнала, сформированного пьезоэлементом в результате преобразования акустического импульса упругой деформации, возникшего в точке воздействия на волновод (1) постоянного кольцевого магнита (6). Для возможности полноценно фиксировать импульс, сформированный пьезоэлементом, он усиливается с коэффициентом 40:1 операционным усилителем (9).
Измерительный элемент работает следующим образом: на катушку (4) подается импульс возбуждения амплитудой 10 В, который вызывает магнитострикционный эффект в волноводе (1). В момент подачи импульса в катушку внешней схемой управления запускается таймер, который начинает отсчет времени. В точке взаимодействия постоянного кольцевого магнита (6) и волновода (1) возникает акустический импульс, который перемещается по волноводу и, достигая электроакустического преобразователя (2), преобразуется в электрический сигнал, после чего таймер выключается, а измеренное время используется для вычисления расстояния от постоянного кольцевого магнита (6) до электроакустического преобразователя (2). В данной испытательной установке время (T) измеряется осциллографом (8) и пересчитывается в единицы длины (L) вручную, с использованием формулы:
(1)
ЗВ
где V - скорость распространения ультразвуковых колебаний в волноводе.
В прототипе в качестве волновода использовался металлический стержень диаметром 1 мм из стали 10 по ГОСТ 1050 без термической обработки (в состоянии поставки).
Подавая на катушку сигнал амплитудой Uвх = 10 В, получили амплитуду выходного сигнала на пьезоэлементе (усиленную) Uвых = 2 В.
ЭОС
Значение коэффициента эффективности отклика системы (К) для прототипа, при этом:
(2)
Н/ПС
ПС
Н
Для расчета соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом (К), на осциллограмме измеренный уровень полезного сигнала (U) соотнесли с измеренным уровнем остаточной намагниченности (U) (фиг.3) .
Н
При полученном выходном сигнале Uвых = 2 В, измеренная амплитуда уровня намагниченности для прототипа составляет U = 0,3 В. Коэффициент соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом, составляет:
(3)
Задачей заявляемой полезной модели является увеличение точности измерений в магнитострикционных датчиках линейных перемещений, в работе которых реализован принцип продольных колебаний, за счет значительного улучшения магнитных свойств волновода измерительного элемента по сравнению с прототипом.
Н/ПС
ЭОС
Технический результат достигается путем подбора сплава, имеющего минимальное значение К, при максимальном значении К.
На первом этапе исследования были проведены испытания измерительных элементов с волноводами из материалов со специальными магнитными свойствами, широко применяемых в магнитострикционных устройствах. Характеристики испытанных сталей приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики сталей со специальными магнитными свойствами
Марка сплава
Коэрцитивная сила,Нс (А/м)
Остаточная намагниченность,Вс (Тл)
65К
100
2,20
НП2
80
1,60
44НХТЮ
0,28
47,75
42НХТЮ
0,18
47,75
Результаты испытаний и расчета по формулам (2) и (3) для сталей из таблицы 1 приведены в таблице 2. Для удобства анализа в таблицу 2 занесены и данные стали 10, используемой в прототипе.
ЭОС
Н/ПС
Таблица 2 - Результаты испытаний и расчета К и К для сталей со специальными магнитными свойствами
Марка сплава
Ампли-туда входного сигнала, Uвх, В
Ампли-туда выход-ного сигнала, Uвых, В
Амплиту-да сигна-ла, сформи-рованного остаточ-ной намагни-чен-ностью,Uш, В
Коэффи-циент эффек-тивности отклика системы, К<sub>ЭОС</sub>
Соотношение амплитуды сигнала, сформирован-ного остаточной намагни-ченностью, к амплитуде выходного сиг-нала, К<sub>Н/ПС</sub>
10 (прототип)
10
2,0
0,3
0,20
0,15
65К
10
3,2
0,5
0,32
0,16
НП2
10
5,0
3,0
0,50
0,60
44НХТЮ
10
4,4
2,1
0,44
0,48
42НХТЮ
10
4,8
2,0
0,48
0,43
ЭОС
Н/ПС
ЭОС
Н/ПС
Н/ПС
Полученные данные по коэффициентам К и К для специальных сплавов не позволяют выбрать один из них в качестве материала волновода, так как несмотря на более высокий коэффициент К, коэффициент К также увеличен, по сравнению с данными по прототипу, что не позволит существенно улучшить выходной сигнал. По ключевому показателю К материал прототипа оказался значительно лучше специальных марок стали, предназначенных для магнитострикционных устройств.
На втором этапе исследования были выбраны и испытаны марки конструкционной стали, доступные на российском рынке, с наименьшим значением остаточной намагниченности по [6]. Выбранные марки стали и их характеристики приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Магнитные характеристики конструкционных сталей
Сталь
Коэрцитивная сила,Нс (А/м)
Остаточная намагниченность,Вс (Тл)
10 (прототип)
240
0,8
20
320
1,17
08Х17Т
400
0,41
12Х17
230
0,3
20Х13
1110
0,58
ЭОС
Н/ПС
В соответствии с таблицей 3 наименьшей остаточной намагниченностью обладает сталь марки 12X17. В таблице 4 приведены данные испытаний, а также рассчитанные значения К и К.
ЭОС
Н/ПС
Таблица 4 - Результаты испытаний и расчета К и К для сталей
Марка сплава
Ампли-туда входного сигнала, Uвх, В
Ампли-туда выход-ного сигнала, Uвых, В
Ампли-туда сигнала, сформи-рованного остаточ-ной намаг-ничен-ностью,Uш, В
Коэффи-циент эффек-тивности отклика системы, К<sub>ЭОС</sub>
Соотношение амплитуды сигнала, сформирован-ного остаточной намагни-ченностью, к амплитуде выходного сиг-нала, К<sub>Н/ПС</sub>
10
10
2,0
0,30
0,20
0,15
65К
10
3,2
0,50
0,32
0,16
НП2
10
5,0
3,00
0,50
0,60
44НХТЮ
10
4,4
2,1
0,44
0,48
42НХТЮ
10
4,8
2,0
0,48
0,43
12Х17
10
3,0
0,15
0,3
0,05
ЭОС
Н/ПС
В соответствии с результатами испытаний волновод из стали ферритного класса марки 12Х17 по ГОСТ 5632-2014 имеет коэффициент эффективности отклика системы (К) выше, чем у прототипа, а коэффициент соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом (К), существенно ниже, что позволят считать сталь с содержанием 16-18% хрома, остальное железо, с минимальным содержанием других примесей в составе, лучшим материалом волновода (из исследованных) для измерительного элемента в составе магнитострикционного датчика линейных перемещений, в работе которого реализован принцип продольных колебаний, с повышенной точностью измерений.
На фиг. 4 приведена осциллограмма выходного сигнала для испытуемого измерительного элемента с волноводом в виде стержня из стали марки 12Х17 по ГОСТ 5632-2014  (фиг. 4б) и осциллограмма прототипа (фиг. 4а).
Н/ПС
ЭОС
Результатом применения нового материла волновода, отраженным на осциллограммах,  является снижение влияния остаточной намагниченности на формирование полезного сигнала, которое происходит в процессе интерференции (сложения) двух типов акустических волн, образующихся в волноводе во время измерительного цикла. При этом один тип волн возникает единовременно по всей длине волновода в результате остаточной намагниченности последнего, а другой тип возникает в точке взаимодействия волновода с постоянным кольцевым магнитом и является полезным сигналом. Явление интерференции, возникающее при взаимодействии данных типов волн, вызывает искажение фронтов полезного сигнала, используемых в качестве точек отсчета для измерения времени (и как следствие, линейного расстояния). В результате неоднородности импульсов, вызываемых остаточной намагниченностью, как по амплитуде, так и по времени возникновения, компенсировать погрешность методом калибровки и введением поправочных коэффициентов практически невозможно. Таким образом, снижение погрешности реализуется при помощи снижения коэффициента соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом (К), что практически достигается выбором материала волновода с наименьшей остаточной намагниченностью, при наибольшем значении коэффициента эффективности отклика системы (К).
Н/ПС
При оценке влияние коэффициента К на точность измерений линейных перемещений установлено, что в случае использования сплавов из таблицы 1, погрешность измерения составляет от ±0,5 до ±1,0 мм, что подтверждается отсутствием на рынке датчиков линейных перемещений, работающих на основе принципа продольных колебаний, с погрешностью измерений линейных перемещений менее, чем ±1 мм. В случае применения стали 12Х17 по ГОСТ 5632-2014 погрешность уменьшается до значения ±0,1 мм.
Технический результат полезной модели состоит в существенном повышении точности измерений в магнитострикционных датчиках линейных перемещений, работающих на основе принципа продольных колебаний, с использованием заявляемого измерительного элемента, за счет подбора сплава для волновода на основе хромистой стали. При использовании данного сплава в качестве волновода измерительного элемента снижается погрешность измерений линейных перемещений по сравнению с прототипом, что позволяет создавать магнитострикционные датчики линейных перемещений на основе заявляемой полезной модели измерительного элемента с точностью измерений от ±0,1 мм, то есть в 10 раз точнее существующих устройств на основе запатентованных технологий.  При этом используемый в качестве волновода стержень из стали 12Х17 по ГОСТ 5632-2014 сочетает оптимальные механические, электрические, магнитные и эксплуатационные характеристики.
Источники информации
1. Патент RU 2 121 658 C1, кл. G 01 B 17/00, 1998.
2. Патент RU 2 222 786 C1, кл. G 01 F 23/28, 2004.
3. Патент RU 2 343 645 C2, кл. H 04 R 15/00, G 01 B 17/00, 2009.
4. Патент RU 2 452 918 C2, кл. G 01 B 17/00, 2012.
5. Патент RU 2 032 179 C1, кл. G 01 P 3/481, 1995.
6. Материалы для чувствительных элементов магнитострикционных преобразователей параметров движения / Э.А. Артемьев, В.Н. Прошкин // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». – Пенза: 2012 – Т. 2 – С. 258.
7. Артемьев Э.А. Материалы для звукопроводов волноводных трактов магнитострикционных преобразователей перемещений. // Уч. пос. – Астрахань: АГТУ, 1997. – 93 с.
8. Патент RU 134 631 U1, кл. G 01 B 17/00, 2013 - прототип.