МАГНИТОИНДУКЦИОННЫЙ ДЕМПФЕР ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

Полезная модель относится к области измерения механических параметров, например, ускорений, и может быть использована для демпфирования колебаний чувствительных элементов измерительных устройств.
Известен магнитоиндукционный демпфер для датчика резонаторного (см. патент RU№2217767, МПК7 G01P 15/10 от 01.04.2002 г., опубликован 27.11.2003 г.), содержащий короткозамкнутый виток, установленный на свободном конце чувствительного элемента (ЧЭ) с возможностью взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитной системой.
Указанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленному и выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является нелинейный и неопределенный характер силы демпфирования (торможения) в виду явно выраженной функциональной зависимости индукции магнитного поля в области расположения короткозамкнутого витка от перемещений витка и вектора взаимозависимых конструктивных параметров магнитопроводов и магнита магнитной системы, и, как следствие, влияние демпфера на точность измерения перемещения ЧЭ.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении точности измерения перемещения ЧЭ.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является обеспечение линейного характера зависимости силы демпфирования от скорости перемещения короткозамкнутого витка и достижение максимального значения коэффициента индукционного демпфирования (торможения) в минимально необходимых габаритах магнитной системы.
Это достигается тем, что в магнитоиндукционном демпфере для измерительного устройства, содержащем электропроводящий короткозамкнутый виток, установленный с возможностью перемещения в рабочем зазоре магнитной системы, образованной двумя магнитопроводами, охватывающими постоянный магнит, новым является то, что параметры магнитной системы выбраны из условия выполнения соотношения:
max
где Z - максимальный размер рабочего зазора в направлении силовых линий магнитного потока, м;
max
х - максимальный размер рабочего зазора в ортогональном направлении к силовым линиям магнитного потока, м;
θ - магнитная жесткость материала постоянного магнита;
м
l - длина постоянного магнита в направлении намагниченности, м;
нм
В - индукция постоянного магнита в его нейтральном сечении, Тл;
мп
Δ - толщина магнитопровода, м;
мп
В - индукция насыщения материала магнитопровода, Тл.
Д
д
Выполнение конструкции магнитной системы магнитоиндукционного демпфера, удовлетворяющей соотношению (1), позволяет создать равномерное неизменное магнитное поле в рабочем зазоре на всем пути перемещения активной части короткозамкнутого витка. При этом строгое выполнение равенства (1) обеспечивает создание демпфера с максимальной удельной характеристикой k/V, где k - коэффициент демпфирования, V - объем магнита и магнитопроводов.
На фиг.1 изображен заявляемый магнитоиндукционный демпфер; на фиг.2 - магнит постоянный, на фиг.3 - электрическая схема замещения магнитной системы.
нам
м
мп
мп
max
max
а
Устройство содержит постоянный магнит 1 с намагничивающей силой F, имеющий размеры ×b×l, с прилегающими к нему магнитопроводами 2 толщиной Δ(выполненными из магнитомягкого материала с индукцией насыщения В). Магнитопроводы 2 образуют рабочий зазор, в котором размещен с возможностью перемещения короткозамкнутый виток 3 из электропроводящего материала, связанный с ЧЭ измерительного устройства (на фиг. не показано). На фиг.1 показана активная часть витка 3. Максимальная величина рабочего зазора в направлении силовых линий магнитного поля (z) определяется размерами поперечного сечения витка 3, а максимальная величина рабочего зазора в ортогональном направлении к силовым линиям магнитного поля определяется максимальным перемещением витка 3 (x) - заданный параметр измерительного устройства, связанный с максимальным значением изменения измеряемой величины. Параметры магнитной системы выбраны из условия соотношения (1).
Магнитоиндукционный демпфер работает следующим образом.
При действии измеряемого параметра (ускорения) происходит перемещение ЧЭ и связанного с ним короткозамкнутого витка 3.
э
э
Принцип работы магнитоиндукционного демпфера основан на законе электромагнитной индукции: при движении проводника (витка 3) сопротивлением r в поле с индукцией В в нем наводится эквивалентная э.д.с. Е
акт
где l - активная длина проводника, м;
В - индукция магнитного поля в зазоре с проводником;
Δx- перемещение проводника за время Δt.
По закону сохранения энергии механическая мощность торможения (для линейного перемещения - ) переходит в электрическую мощность вихревых токов в электропроводящем материале короткозамкнутого витка:
где F - тормозящая сила демпфера.
При условии линейной зависимости силы демпфирования от скорости перемещения короткозамкнутого витка справедливо соотношение:
э
Коэффициент демпфирования не должен зависеть от параметра, определяющего измеряемую величину (в прототипе такой величиной является перемещение Δx ЧЭ с закрепленным на его свободном конце короткозамкнутым витком). В противном случае нелинейная составляющая демпфирующей силы, зависящая от Δx, существенно влияет на погрешность измерения самой величины Δх. Из выражения (3) после подстановки E из (2) и преобразования получим:
max
Основной задачей при создании демпферов в измерительных системах наряду с успокоением линейных и угловых колебаний чувствительного элемента является обеспечение постоянства коэффициента демпфирования, т.е. величина индукции В в (5) не должна изменяться и зависеть от перемещения активной части проводника в пределах величины х.
При условии ненасыщения материала ("железа") магнитопроводов из электрической схемы замещения магнитной системы фиг.4 следует:
или, после сокращения Ф,
где Ф - магнитный поток;
м
R - магнитное сопротивление магнита;
заз
R - магнитное сопротивление рабочего зазора.
Согласно определению магнитного сопротивления:
0
c
r
где θ=µH/B - магнитная жесткость материала магнита;
c
H - коэрцитивная сила материала магнита, А/м;
r
B - остаточная индукция материала магнита, Тл;
0
µ- магнитная постоянная, Гн/м;
м
2
S=a·b - площадь полюса магнита, м;
заз
акт
max
2
S=l·x - площадь рабочего зазора в сечении, ортогональном направлению силовых линий магнитного потока, м.
После подстановки (8) в (7) получим соотношение необходимых параметров магнита, обеспечивающих необходимое значение и равномерное распределение индукции в рабочем зазоре:
мп
Из условия ненасыщения материала магнитопровода определим параметры магнитопровода Δ:
max
mах
После подстановки выражения (а·b) из (10) в (9) получим соотношение (1), исходя из которого выбираются параметры магнитной системы. При этом параметры рабочего зазора z и x определяются условиями функционирования измерительного прибора.
mах
На предприятии был изготовлен и испытан макет прибора с заявляемым устройством демпфирования, где изменение индукции на перемещении витка х практически отсутствует. При этом параметры выбраны и удовлетворяют соотношениям (9), (10), (1):
акт
l=3 мм;
a
=5.9 мм;
b=1.9 мм;
max
Z=0.6 мм;
мп
Δ=0.65 мм;
м
l=1.6 мм;
max
x=1.5 мм
с
Н=716 кА/м;
В=1.05 Тл;
нм
В=0.8 Тл;
мп
В=2.4 Тл.
Согласно (9), после подстановки получаем 1.3=1.3;
согласно (10) - 0.4=0.4.
max
заз
При перемещении измерительного щупа (в процессе контроля) на величину x индукция в зазоре оставалась неизменной и составляла В=0.5 Тл.