МАГНИТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК УДАРНЫХ ВОЛН
MAGNETIC INDUCTION SHOCK WAVE SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля времени прохождения ударных или детонационных волн во взрывных устройствах при их срабатывании, в частности, для измерения моментов прихода давлений ударных или детонационных волн, в том числе в условиях высоких температур и сильных электромагнитных наводок.
Особенностью измерения давления ударных или детонационных волн, особенно в местах их столкновений, является высокая вероятность преждевременного вывода чувствительного элемента датчика из строя (разрушение чувствительного элемента или его закорачивание). Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание датчика, работающего на принципе размагничивания сильного ферромагнетика, обеспечивающего возможность проведения измерений в условиях, указанных выше, а также через конструктивные элементы из пара- и диамагнитных материалов.
Известен ряд способов и, соответственно, реализующих их устройств, для измерения моментов прихода давлений ударных или детонационных волн. Например, датчик ударной волны по патенту RU 2658080 (опублик. 19.06.2018). Датчик сдержит предварительно намагниченный измерительный стержень, на котором расположена обмотка для намагничивания, с возможностью временного подключения се концов к источнику постоянного напряжения. Для обеспечения линейного перемещения по стержню обмотка размешена на катушке, внутренний диаметр которой равен диаметру измерительного стержня. Измерительный стержень помещен в защитный кожух. Для защиты от воздействий ударной волны и продуктов взрыва нагружаемого торца измерительного стержня перед ними размещена плотно прилегающая экранирующая прокладка из тонкой фольги. Данный датчик базируется на эффекте Виллари или магнитоупругом эффекте, заключающемся в изменении намагниченности магнетика под действием механических деформации. При импульсном нагружении его с торца ударной волной в стержне генерируется волна напряжений, вызывающая при прохождении вдоль его оси локальные упругие деформации. В зоне упругих деформаций происходит некоторая переориентация магнитных доменов, вследствие чего здесь изменяются магнитные характеристики и соответственно - магнитный поток, проходящий через сечение стержня и витки расположенной на нем обмотки.
Недостатками известного устройства являются низкая эффективность и точность измерения, зависящая от возникающих электромагнитных помех в широком диапазоне давлений из-за взаимного положения частей магнитной цепи, а их изменение вносит дополнительные погрешности в измерения.
Наиболее близким аналогичным решением является датчик ударных волн по патенту RU 2472553 (опублик. 20.01.2013). Датчик ударных волн содержит кожух, скрепленный с пластиной, силовой спусковой элемент, шток, выполненный с возможностью перемещения под воздействием силового спускового элемента, и оснащенного фиксатором его исходного положения, средство, чувствительное к импульсному давлению, создаваемому источником ударных волн, выполненное в виде магнита, который закреплен на штоке, и соединенную с электрическими выводами катушку индуктивности, с возможностью наведения ЭДС при взаимодействии с магнитом при его перемещении. При восприятии пластиной ударной волны, возникающей в контролируемом пространстве, она передает контактное усилие на концевой участок фиксатора, в результате чего освобожденный шток под воздействием своей пружины движется в направлении катушки индуктивности. Закрепленный на штоке магнит проходит через катушку индуктивности и вырабатывает в ней импульс.
Недостаток ближайшего аналога связан с инерционностью в работе, много передающих элементов, задействованных в передаче импульса, отсутствием надежной электрической связи с измерительным прибором, в конструкцию входят перемещаемые элементы, что накладывает ограничения на область применения датчика.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей средства измерения: возможность проводить измерения в местах столкновений давления ударных или детонационных волн, где высока вероятность преждевременного выхода чувствительного элемента датчика из строя, а также возможность осуществлять измерения при установке датчика через «прозрачные» для электромагнитного поля преграды.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в конструкции магнитного датчика ударных волн, содержащею средство, чувствительное к импульсному давлению, создаваемому источником ударных волн, выполненное в виде магнита, и соединенную с электрическими выводами катушку индуктивности, с возможностью наведения в ней ЭДС при воздействии на магнит импульсным давлением, новым является то. что в конструкцию датчика дополнительно введен магнитопровод, выполненный из ферромагнетика в виде стержня, на одном из конечных участков которого размещена обмотка катушки индуктивности, со стороны другого конца стержня, непосредственно в золе воздействия импульсного давления, расположен магнит, находящийся во взаимодействии с магнитопроводом.
Магнит может быть непосредственно примагничен к магнитопроводу, при этом пустоты, образованные при контакте торнов стержня и магнита друг с другом, заполнены эпоксидным компаундом с добавлением ферромагнитного наполнителя.
Магнит может быть размещен по отношению к магнитопроводу с зазором.
Наличие в конструкции датчика магнитопровода, передающего магнитное поле от магнита к катушке, позволяет защитить ее от преждевременного разрушения продуктами взрыва, что обеспечивает работоспособность датчика повышает эффективность измерений.
Наличие магнита - чувствительного элемента на торце датчика непосредственно в зоне воздействия измеряемых величин устраняет временную инерционность в работе датчика и позволяем устанавливать датчик как на проводящую, так и на диэлектрическую поверхности.
Использование чувствительного элемента, связанного собственным магнитным полем с магнитопроводом, позволяет создавать как монолитную, так и разнесенную конструкцию датчика, способную работать в широком диапазоне температур, в том числе при наличии зазора между магнитом и магнитопроводом, заполненного пара- и диамагнитными материалами.
На фиг. 1, 2 изображен внешний вид заявляемого датчика (фиг. 1 - монолитное исполнение, фиг. 2 - разнесенное исполнение), где: 1 - магнит, 2 - соленоид, 3 - магнитопровод, 4 - электрические выводы, 5 - зазор.
2
14
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства служит магнитный датчик измерения импульсных быстропеременных давлений, предназначенный для измерения моментов прихода ударных или детонационных волн при проведении исследований быстропротекающих процессов. Магнитный датчик содержит: чувствительный элемент - магнит на основе сплава неодим-железо-бор (NdFeB), магнитопровод в виде стержня из с nun и соленоид, расположенный на магнитопроводе. Соленоид находится вне зоны разрушения. Магнит расположен непосредственно в зоне воздействия импульсного давления и взаимосвязан с магнитопроводом. Магнит может быть непосредственно примагничен к магнитопроводу, при этом пустоты, образованные при контакте торцов стержня и магнита друг с другом, заполнены эпоксидным компаундом, с добавлением ферромагнитного наполнителя. Магнит может быть размешен по отношению к магнитопроводу с зазором, заполненным парамагнитным (алюминий, платина, натрий и др.) или диамагнитным материалом (воздух, полимеры, медь, вода и др.).
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.
При воздействии на датчик импульсного давления, создаваемого источником ударных волн, происходит размагничивание постоянного магнита 1 и появления тока в соленоиде 2, т.е. преобразование энергии магнитного поля в электрическую энергию. При этом магнит 1 может быть как примагничен к магнитопроводу, также размешен и через зазор. Импульсы через электрические выводы 4 передают на устройство регистрации (измерительную систему).
Н
Опишем подробнее процессы, происходящие в датчике при воздействии импульсного давления. Известно, что у ферромагнетиков ниже определенной критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов пли ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Начальный магнитный поток Ф в таком преобразователе сцеплен с соленоидом 2, обмотки которого установлены на магнитопроводе 3. При прохождении ударной волны порядок атомов нарушается, происходит размагничивание материала магнита 1 и изменение величины магнитного потока, сцепленного с соленоидом 2, на величину dФ. В результате этого согласно закону электромагнитной индукции Фарадея в контуре соленоида 2 с числом витков N генерируется электродвижущая сила :
Магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, равен:
где - электродвижущая сада,. N - число витков, - магнитный поток через один виток, S - площадь витка
2
14
Из этого уравнения следует, что эффективность работы устройства возрастает при использовании магнитов с сильными магнитными свойствами, например таких, как магниты на основе сплава неодим-железо-бор (NdFeB). Это позволяет при размагничивании такого магнита получить наибольшее изменение магнитного потока ΔФ и, следовательно, наибольшую выходную энергию, что позволяет проводить измерения, в том числе, в местах столкновений давления ударных или детонационных волн, где высока вероятность преждевременного вывода чувствительного элемента датчика из строя (разрушение чувствительного элемента или его закорачивание), а также позволяет устанавливать чувствительный элемент датчика через «прозрачные» для электромагнитного поля преграды.
Проведенные испытания датчика показали его работоспособность.