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. Магнитоиндукционный демпфер для измерительного устройства содержит электропроводящий короткозамкнутый виток, установленный с возможностью перемещения в рабочем зазоре магнитной системы, образованной двумя магнитопроводами, охватывающими постоянный магнит. Параметры магнитной системы выбраны из условия выполнения соотношения: где z_mах - максимальный размер рабочего зазора в направлении силовых линий магнитного потока, м; х_mах - максимальный размер рабочего зазора в ортогональном направлении к силовым линиям магнитного потока, м; - магнитная жесткость материала постоянного магнита; l _м - длина постоянного магнита в направлении намагниченности, м; В_нм - индукция постоянного магнита в его нейтральном сечении, Тл; _мп - толщина магнитопровода, м; В_мп -индукция насыщения материала магнитопровода, Тл. Выполнение магнитной системы согласно соотношению позволяет существенно уменьшить нелинейность и зависимость силы демпфирования от перемещения ЧЭ, обеспечить необходимую (оптимальную) степень демпфирования ЧЭ измерительной системы в минимально возможных габаритах.

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 RU2217767, 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:

где Z_max - максимальный размер рабочего зазора в направлении силовых линий магнитного потока, м;

х_max - максимальный размер рабочего зазора в ортогональном направлении к силовым линиям магнитного потока, м;

- магнитная жесткость материала постоянного магнита;

l_м - длина постоянного магнита в направлении намагниченности, м;

В_нм - индукция постоянного магнита в его нейтральном сечении, Тл;

_мп - толщина магнитопровода, м;

В_мп - индукция насыщения материала магнитопровода, Тл.

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_Д/V, где k_д - 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.

Устройство содержит постоянный магнит 1 с намагничивающей силой F_нам, имеющий размеры а×b×l_м , с прилегающими к нему магнитопроводами 2 толщиной _мп(выполненными из магнитомягкого материала с индукцией насыщения В_мп). 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_max ) 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_max) - 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.

Принцип работы магнитоиндукционного демпфера основан на законе электромагнитной индукции: при движении проводника (витка 3) сопротивлением r_э в поле с индукцией В в нем наводится эквивалентная э.д.с. Е_э

где l_акт - активная длина проводника, м;

В - индукция магнитного поля в зазоре с проводником;

x- перемещение проводника за время t.

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:

Коэффициент демпфирования не должен зависеть от параметра, определяющего измеряемую величину (в прототипе такой величиной является перемещение x ЧЭ с закрепленным на его свободном конце короткозамкнутым витком). В противном случае нелинейная составляющая демпфирующей силы, зависящая от x, существенно влияет на погрешность измерения самой величины х. Из выражения (3) после подстановки E_э из (2) и преобразования получим:

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_max.

При условии ненасыщения материала ("железа") магнитопроводов из электрической схемы замещения магнитной системы фиг.4 следует:

или, после сокращения Ф,

где Ф - магнитный поток;

R_м - магнитное сопротивление магнита;

R_заз - магнитное сопротивление рабочего зазора.

Согласно определению магнитного сопротивления:

где =µ₀H_c/B_r - магнитная жесткость материала магнита;

H_c - коэрцитивная сила материала магнита, А/м;

B_r - остаточная индукция материала магнита, Тл;

µ₀ - магнитная постоянная, Гн/м;

S_м=a·b - площадь полюса магнита, м²;

S_заз =l_акт·x_max - площадь рабочего зазора в сечении, ортогональном направлению силовых линий магнитного потока, м².

После подстановки (8) в (7) получим соотношение необходимых параметров магнита, обеспечивающих необходимое значение и равномерное распределение индукции в рабочем зазоре:

Из условия ненасыщения материала магнитопровода определим параметры магнитопровода _мп:

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_max и x_mах определяются условиями функционирования измерительного прибора.

На предприятии был изготовлен и испытан макет прибора с заявляемым устройством демпфирования, где изменение индукции на перемещении витка х_mах практически отсутствует. При этом параметры выбраны и удовлетворяют соотношениям (9), (10), (1):

l_акт=3 мм;

a=5.9 мм;

b=1.9 мм;

Z _max=0.6 мм;

_мп=0.65 мм;

l_м=1.6 мм;

x_max=1.5 мм

Н _с=716 кА/м;

В=1.05 Тл;

В _нм=0.8 Тл;

В_мп=2.4 Тл.

Согласно (9), после подстановки получаем 1.3=1.3;

согласно (10) - 0.4=0.4.

При перемещении измерительного щупа (в процессе контроля) на величину x_max индукция в зазоре оставалась неизменной и составляла В_заз=0.5 Тл.

Магнитоиндукционный демпфер для измерительного устройства, содержащий электропроводящий короткозамкнутый виток, установленный с возможностью перемещения в рабочем зазоре магнитной системы, образованной двумя магнитопроводами, охватывающими постоянный магнит, отличающийся тем, что параметры магнитной системы выбраны из условия выполнения соотношения:

,

где z_max - максимальный размер рабочего зазора в направлении силовых линий магнитного потока, м;

x_max - максимальный размер рабочего зазора в ортогональном направлении к силовым линиям магнитного потока, м;

- магнитная жесткость материала постоянного магнита;

l_м - длина постоянного магнита в направлении намагниченности, м;

В_нм - индукция постоянного магнита в его нейтральном сечении, Тл;

_мп - толщина магнитопровода, м;

В _мп - индукция насыщения материала магнитопровода, Тл.