УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В СОСУДЕ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в устройствах для бесконтактного измерении давления в сосудах, например, давления внутри тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.
7
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к полезной модели является устройство для измерения давления в сосуде, содержащее резонансный чувствительный элемент из магнитопроводящего материала, выполненный в виде пластины, жестко соединенной со стержнем, и электромагнитный источник возбуждения и регистрации колебаний (патент РФ №30981, МПК  G 01 L 9/00, опубл. 2003 г.),
Недостатком известного устройства является зависимость точности измерений от положения чувствительного элемента относительно источника возбуждения и регистрации колебаний, который выполнен в виде двух подковообразных электромагнитов, плоскости симметрии которых должны совпадать о плоскостями колебаний чувствительного элемента. Даже при незначительных отклонениях чувствительного
элемента от источника результаты измерений будут иметь большие погрешности, поскольку в рабочих зазорах магнитный поток будет неодинаков из-за разницы размеров зазоров. Кроме этого, поскольку регистрация колебаний производится двумя независимыми электромагнитами, то к ним предъявляются жесткие требования идентичности характеристик, в противном случае результаты будут неточны.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для бесконтактного измерения давления в сосуде, в котором точность измерений не зависит от положения чувствительного элемента относительно источника возбуждения и регистрации колебаний.
Техническим результатом настоящей полезной модели является концентрация магнитного потока в одном рабочем зазоре за счет направленного движения магнитного потока в зону его модуляции, не зависящего от возможных ошибок позиционирования, и регистрация параметров колебаний одновременно в двух плоскостях одним электромагнитом, что позволяет повысить точность измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство для измерения давления в сосуде, содержащее резонансный чувствительный элемент из магнитопроводящего материала, выполненный в виде пластины, жестко соединенной со стержнем, и электромагнитный источник возбуждения и регистрации колебаний,
снабжено двумя расположенными по оси стержня концентраторами магнитного потока, выполненными в виде тел вращения, при этом один из концентраторов установлен со стороны пластины с образованием зазора со стержнем, а другой установлен на противоположном конце стержня и жестко соединен о ним, причем электромагнитный источник возбуждения и регистрации колебаний выполнен в виде соленоида.
Кроме этого, зазор между концентратором и стержнем выполнен кольцевым или торцевым.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показано устройство для измерения давления в сосуде с торцевым зазором (продольный разрез), на фиг.2 изображено поперечное сечение А-А по пластине чувствительного элемента, а на фиг.3 представлено устройство для измерения давления в сосуде о кольцевым зазором (продольный разрез), на фиг.4 изображено поперечное сечение Б-Б по концентратору о кольцевым зазором, на фиг.5 представлена траектория колебаний чувствительного элемента в плоскости. перпендикулярной его оси.
Устройство содержит установленные в сосуде 1 резонансный чувствительный элемент, выполненный в виде пластины 2, жестко закрепленной на стержне 3, и два концентратора 4, 5 магнитного потока. Пластина 2, стержень 3 и концентраторы 4, 5 выполнены из магнитопроводящего материала, например, ферритной или ферромартенситной
стали. Снаружи сосуда 1 установлен электромагнитный источник возбуждения и регистрации колебаний, выполненный в виде соленоида, который содержит обмотку 6, заключенную между полюсными наконечниками 7, 8 цилиндрического магнитопровода 9. Концентраторы 4, 5 имеют форму тела вращения, например, цилиндрическую форму и расположены по оси стержня 3 напротив полюсных наконечников 8, 9. Магнитопровод 9 и полюсные наконечники 7, 8 выполнены из магнитомягкой стали, например, конструкционной стали. Концентратор 4 установлен со стороны пластины 2 и может быть выполнен в виде сплошного цилиндра или в виде втулки. В случае выполнения концентратора 4 в виде цилиндра последний установлен с образованием торцевого зазора 10 со стержнем 3, а в случае выполнения концентратора 4 в виде втулки последняя установлена о образованием кольцевого зазора 11 со стержнем 3. Концентратор 5 установлен на противоположном конце стержня 3 и жестко соединен о ним. Наружные диаметры концентраторов 4, 5 выбраны из условия обеспечения минимального или нулевого зазора о внутренней поверхностью сосуда 1.
Устройство работает следующим образом.
Для измерения давления в сосуде 1, например, в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, возбуждают механические колебания чувствительного элемента на частоте его механического резонанса, например, путем подачи
импульсного или переменного электрического тока от генератора (на чертеже не показан). Созданный при пропускании тока через обмотку 6 магнитный поток проходит через магнитопровод 9, полюсный наконечник 8, концентратор 5, стержень 3, торцевой зазор 10 (кольцевой зазор 11), концентратор 4 и полюсный наконечник 7. Поскольку идеальная соосность стержня 3 и отверстия концентратора 4 в виде втулки невозможна, то кольцевой зазор 11 будет в каком-то месте иметь минимальное значение. В этом направлении стержень отклонится к поверхности втулки под действием магнитной силы, и колебания стержня 3 начнутся именно в этом направлении, то есть в плоскости, проходящей через ось стержня 3 и место минимального зазора. За счет изменения зазора 11, а следовательно, и его магнитного сопротивления, при колебаниях стержня 3 будет изменяться магнитный поток. При выполнении концентратора 4 в виде цилиндра, его торец, обращенный в сторону стержня 3 имеет диаметр, равный диаметру стержня 3. Магнитное сопротивление зазора 10 зависит от совмещенной площади сечений стержня 3 и концентратора 4. При отклонении стержня 3 от оси эта площадь будет уменьшаться, что также приведет к изменению магнитного потока. Изменения магнитного потока будут наводить в обмотке 6 ЭДС, пропорциональную скорости изменения зазора 11. ЭДС может быть выделена измерительной схемой (на чертеже не показана) и измерена. Если плоскость колебаний стержня 3 совпадает с плоскостью
х
Y
х
х
Y
х
Y
Y
пластины 2, то резонансная частота f колебаний зависит только от геометрических размеров и массы стержня 3 и пластины 2, а также от жесткости стержня 3 (модуля упругости материала). Если плоскость колебаний стержня 3 перпендикулярна плоскости пластины 2, то резонансная частота колебаний f зависит, кроме того, от давления (плотности) газа, находящегося в сосуде 1. При колебаниях стержня 3 пластина 2, перемещаясь в газе, вовлекает в движение близлежащие массы газа, что делает эффективную массу пластины 2 большей. Следовательно, резонансная частота будет ниже f на величину Δf, зависящую от давления газа в сосуде 1, Реальные колебания стержня 3 будут представлять суперпозицию двух колебательных процессов - в плоскости Х с частотой f и в плоскости ϒ с частотой f с примерно равными амплитудами. Поскольку частоты колебаний отличаются, фаза колебаний f будет постоянно опережать фазу f колебаний f. В момент, когда фазы колебаний совпадают, т.е. сдвиг фаз равен 0°, 180°, 360°..., траектория конца стержня 3 (а также любой другой точки его сечения) в плоскости, перпендикулярной его оси, будет представлять собой линию, расположенную под углом 45° к оси Х (амплитуды колебаний равны). При такой траектории изменения зазора 11 за период колебаний будут максимальны (минимальный зазор - при крайних положениях и максимальный зазор - при прохождении стержнем 3 центральной точки). Если фазы колебаний отличаются на 90°,
X
Y
X
Y
270°, ..., траектория конца стержня 3 будет представлять собой окружность с центром в нейтральном положении стержня 3. При таких колебаниях изменения зазора 11 будут равны нулю, т. к. стержень 3, двигаясь по окружности, будет всегда равноудален от поверхности втулки 4. При любых других значениях разности фаз траектории будут представлять собой эллипсы, вписанные в квадрат, стороны которого равны амплитудам колебаний в плоскости Х и Y и параллельны этим координатным осям. Амплитуда колебаний ЭДС, наводимой в обмотке и пропорциональной скорости изменения зазора 11, будет максимальной при сдвигах фаз кратных 0° и минимальной при сдвигах фаз кратных 90°. Изменения амплитуды колебаний ЭДС будут происходить по синусоидальному закону. Огибающая колебаний ЭДС будет иметь частоту F-F=Δf. Изменение механических свойств материала стержня 3 (под воздействием облучения), его геометрических размеров (вследствие температурных удлинений или радиационного распухания), изменение массы пластины 2 и стержня 3 (вследствие налипания или конденсации продуктов деления или, наоборот, вследствие коррозии) -- приведут к одновременному, причем равному, изменению резонансных частот f и f, однако при этом разность Δf, обусловленная влиянием газа, будет зависеть только от давления (плотности) газа в сосуде 1. Увеличение давления газа в сосуде 1 приведет к увеличению разности частот. Обмотка 6 с магнитопроводом 9 и полюсными
наконечниками 7, 8 может устанавливаться на сосуд 1 на время проведения измерений.