Датчик давления

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Датчик давления, содержащий корпус с установленными в нем гофрированной мембраной, отделяющей входной штуцер от внутренней полости в корпусе, выполненной с жестким центром, и магниточувствительным преобразователем перемещений, включающим квадрупольную магнитную систему на основе двух постоянных магнитов, а также неподвижный магниточувствительный элемент, размещенный в зазоре указанной магнитной системы, и электронную плату, отличающийся тем, что гофрированная мембрана выполнена в виде цилиндрической трубки (сильфона), а квадрупольная магнитная система выполнена на основе двух пар постоянных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей, причем магниты расположены с заданным промежутком между парами магнитов и с одинаковым воздушным зазором между каждой парой магнитов, и указанный магниточувствительный элемент выполнен в виде проволоки Виганда или 88812012.12.30 аналогичного бистабильного аморфного микропровода, содержащего магнитомягкую сердцевину с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткую оболочку с большей коэрцитивной силой, расположенный в миниатюрной цилиндрической измерительной катушке, поверх которой намотана перемагничивающая катушка с электрическими выводами, подключенными к генератору периодического пилообразного сигнала, расположенного на указанной электронной плате, кроме того, указанная магнитная система жестко скреплена с центром указанной мембраны и совместно с магниточувствительным элементом и указанными катушками окружена подвижным магнитным каркасом с отверстиями, содержащим с внешней стороны многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью.(56) 1. Патент 2324157. Опубл. 10.05.2008. МПК 01 7/06. Емкостный сильфонный датчик давления. Авторы Королев Иван Александрович , Алексеенко Николай Николаевич , Породнов Борис Трифонович . Патентообладатели Королев Иван Александрович , Алексеенко Николай Николаевич , Породнов Борис Трифонович . 2. Патент на полезную модель 230. Опубл. 2001.03.30. Датчик давления. МПК 01 9/14. Авторы Довгяло Д.А., Бурдин С.М., Рымарев В.А. . Патентообладатель Полоцкий государственный университет . 3. Патент на полезную модель 536. Опубл. 2002.06.30. Датчик давления. МПК 01 9/14. Авторы Довгяло Д.А., Бурдин С.М., Рымарев В.А. . Патентообладатель Полоцкий государственный университет(прототип). 4. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 224 с. 5. Каримова Гульсина Витальевна. Бистабильный литой аморфный микропровод из-, сплавов в стеклянной оболочке и его применение в магнитометрии // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. - Ижевск, 2006. - 21 с. 6. Агейкин Д.И., Костина Е.И., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования Справочные материалы. 2-е издание. - М. Машиностроение, 1965. - С. 627-628. Заявляемая полезная модель относится к приборостроению, а именно к области измерений давления газа или жидкости с помощью магниточувствительного преобразователя перемещений. Известен емкостный сильфонный датчик давления 1, содержащий корпус, в котором размещены соосно сильфон, установленный на его торце подвижный электрод, расположенный с зазором от него дисковый неподвижный электрод и термокомпенсационная втулка, при этом термокомпенсационная втулка механически сопряжена со штоком неподвижного электрода. В узле крепления термокомпенсационной втулки со штоком неподвижного электрода впаяно аксиально с указанным штоком цилиндрическое кольцо с высокой тепло- и температуропроводностью, при этом данное кольцо установлено так,что между втулкой и кольцом, а также между штоком и кольцом образовано по зазору,заполненному слоем припоя, толщина каждого из которых мала по отношению к величине зазора между штоком и втулкой. Под действием измеряемого давления сильфон растягивается и величина зазора между электродами изменяется. Так как указанные электроды включены в колебательный контур -генератора, то в результате движения подвижного электрода происходит изменение частоты генератора. Таким образом, частота -генера 2 88812012.12.30 тора определяется величиной измеряемого давления. Описанный датчик обладает низкой точностью измерений из-за повышенного механического гистерезиса, обусловленного припоем, наносимым сложным способом, и малых величин емкости, образованной электродами. Кроме того, параллельная установка электродов с очень малым зазором предусматривает сложные и неконтролируемые операции, а между электродами существует силовое взаимодействие, влияющее на деформацию сильфона, следовательно, и на измеряемое давление. Из уровня техники известен датчик давления 2, содержащий корпус с установленными в нем гофрированной мембраной с жестким центром и магниточувствительным преобразователем перемещений, состоящим из магнитной системы, микроэлектронного элемента Холла, размещенного в зазоре магнитной системы, и платы, причем магнитная система выполнена дипольной и жестко связана с мембраной, а микроэлектронный элемент Холла неподвижно установлен на плате в корпусе. Дипольная магнитная система выполнена на основе постоянного магнита и двух отрезков магнитопровода, образующих диполь. Давление вызывает перемещение магнитной системы относительно элемента Холла, в котором наводится ЭДС, поступающая в электронную плату для выработки выходного сигнала. Описанный датчик давления обладают низкой точностью измерений из-за повышенного магнитного гистерезиса, обусловленного отрезками магнитопровода, образующими дипольную магнитную систему. К тому же данная магнитная система имеет невысокую линейность преобразования линейность сохраняется лишь на незначительном узком участке перемещений. Магнитная система выполнена не помехозащищенной от влияния сильных внешних электромагнитных полей. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления 3 (прототип), содержащий корпус с установленными в нем гофрированной мембраной, отделяющей входной штуцер от внутренней полости в корпусе, выполненной с жестким центром, и магниточувствительным преобразователем перемещений, состоящим из магнитной системы, микроэлектронного магниточувствительного элемента Холла,размещенного в зазоре указанной магнитной системы, и ограничителя хода мембраны,выполненного в виде втулки из магнитного материала, а так же электронной платы, причем магнитная система выполнена квадрупольной раздвижной так, что одна ее часть жестко связана с мембраной, а микроэлектронный магниточувствительный элемент Холла жестко установлен во второй неподвижной части системы. Квадрупольная магнитная система выполнена на основе двух постоянных магнитов и двух отрезков магнитопровода к каждому из них, образующих квадруполь. Давление вызывает перемещение части магнитной системы относительно элемента Холла, в котором наводится ЭДС (аналоговый сигнал невысокой величины), поступающая в электронную плату для выработки выходного сигнала. Прототип обладает низкой точностью измерений из-за повышенного магнитного гистерезиса, обусловленного отрезками магнитопровода, образующими квадрупольную магнитную систему. Магнитная система выполнена слабо помехозащищенной от влияния сильных внешних электромагнитных полей, поскольку помехозащищенность обуславливается открытой цилиндрической втулкой из магнитного материала. Известно, что аналоговый сигнал является менее помехозащищеным, чем частотный. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение помехоустойчивости и точности измерений. Датчик давления содержит корпус с установленными в нем гофрированной мембраной, отделяющей входной штуцер от внутренней полости в корпусе, выполненной с жестким центром, и магниточувствительным преобразователем перемещений, включающим квадрупольную магнитную систему на основе двух постоянных магнитов, а также непо 3 88812012.12.30 движный магниточуствительный элемент, размещенный в зазоре указанной магнитной системы, и электронную плату. Он отличается тем, что гофрированная мембрана выполнена в виде цилиндрической трубки (сильфона), а квадрупольная магнитная система выполнена на основе двух пар постоянных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей, причем магниты расположены с заданным промежутком между парами магнитов и с одинаковым воздушным зазором между каждой парой магнитов, и указанный магниточуствительный элемент выполнен в виде проволоки Виганда или аналогичного бистабильного аморфного микропровода, содержащего магнитомягкую сердцевину с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткую оболочку с большей коэрцитивной силой, расположенный в миниатюрной цилиндрической измерительной катушке, поверх которой намотана перемагничивающая катушка с электрическими выводами,подключенными к генератору периодического пилообразного сигнала, расположенного на указанной электронной плате, кроме того, указанная магнитная система жестко скреплена с центром указанной мембраны и совместно с магниточувствительным элементом и указанными катушками окружена подвижным магнитным каркасом с отверстиями, содержащим с внешней стороны многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. Решение поставленной комплексной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве вследствие эффекта Виганда в измерительной катушке генерируется выходной периодический электрический сигнал в виде двух разнополярных импульсов высокой амплитуды (5-7) В, временной интервал между которыми является линейной функцией величины напряженности (индукции) магнитного поля, создаваемой магнитной системой в месте расположения бистабильного магниточувствительного элемента, т.е. линейное перемещение сильфона, а следовательно, и магнитной системы преобразуется в изменение временного интервала между импульсами выходного сигнала. Таким образом, вследствие линейной зависимости между перемещением и индукцией магнитного поля в квадрупольной магнитной системе измеряемая величина давления прямо пропорциональна изменению промежутка времени между положительным и отрицательным импульсами ЭДС,генерируемыми в измерительной катушке при перемагничивании магниточувствительного элемента большими скачками Баркгаузена. Кроме того, высокая помехозащищенность датчика обеспечивается применением многослойного пленочного экрана. Известно 4, что при экранировании магнитной напряженности низкочастотных электромагнитных полей применяются многослойные экраны как с целью повышения эффективности экранирования, так и с целью более рационального их конструирования (уменьшения массы и габаритов экрана). Слои из ферромагнитного и немагнитного материалов выполнены чередующимися, поскольку чередование слоев с разными волновыми сопротивлениями приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в поперечном сечении стенок. В экране датчика используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный. Следует отметить, что форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие функции. Таким образом, применение в датчике давления многослойного пленочного экрана, содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению его помехозащищенности от внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля. Из литератур 4 88812012.12.30 ных источников известно, что многослойный пленочный экран обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м не менее 8-10 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-1000000 Гц не менее 30-40. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции датчика давления показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, датчик давления содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению помехоустойчивости и точности измерений величины давления. Следовательно,заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 схематично изображен датчик давления. На фиг. 2 изображена электрическая блок-схема подключения катушек. На фиг. 3 представлена схема формирования импульсов ЭДС Виганда и перемагничивающего поля(амплитудой ) при перемагничивании симметричным способом проволоки Виганда как функция времени(т.е. принцип преобразования магнитного поля Ну квадрупольной магнитной системы во временной интервал . На фиг. 4 приведена генерируемая ЭДС в измерительной катушке как функция времени . Датчик давления содержит корпус 1 с установленными в нем гофрированной мембраной 2 в виде гофрированной цилиндрической трубки (сильфона), выполненной с жестким центром 3 и отделяющей входной штуцер 4 от внутренней полости 5 в корпусе 1, и магниточувствительным преобразователем перемещений, включающим квадрупольную магнитную систему на основе двух пар 6 и 7 постоянных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей, причем магниты расположены с заданным промежутком между парами магнитов и с одинаковым воздушным зазором между каждой парой магнитов, а также неподвижный магниточуствительный элемент, размещенный в зазоре квадрупольной магнитной системы, который выполнен в виде проволоки Виганда или аналогичного бистабильного аморфного микропровода, содержащего магнитомягкую сердцевину 8 с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткую оболочку 9 с большей коэрцитивной силой, расположенный в миниатюрной цилиндрической измерительной катушке 10 (рекомендованное число витков 2000-3000), поверх которой намотана перемагничивающая катушка 11 с электрическими выводами, подключенными к генератору периодического пилообразного сигнала 12, создающего напряженность перемагничивающего поля амплитудойи расположенного на электронной плате 13. Для перемагничивания проволоки Виганда необходимо создание напряженности магнитного поля над ней величиной, где- поле старта (для наиболее часто встречаемых проволок Виганда величинанаходится в диапазоне 150 А/м-180 А/м). Магнитная система (две пары магнитов 6 и 7) жестко скреплена с центральной областью 3 мембраны 2 и совместно с проволокой Виганда и катушками 10 и 11 окружена подвижным магнитным каркасом 14 с отверстиями под электрические выводы катушек 10, 11 и неподвижный держатель 15,5 88812012.12.30 установленный на электронной плате 13. Электронная плата 13 размещена на держателе платы 16, жестко скрепленном с корпусом 1 с помощью крышки 17. В крышке 17 размещен разъем 18 для вывода электрических проводов на измеритель временных интервалов 19 (например, стандартный частотометр или др. прибор) и др. электрических проводов(например, источников питания - не обозначены). Магнитный каркас 14, жестко связанный с гофрированной цилиндрической трубкой 2 посредством 3, может перемещаться в области упругости мембраны под действием избыточного давления . На каркас 14 с внешней стороны нанесен (например, электролитическим методом) многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями 20, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. На фиг. 1 изображено несколько слоев, причем толщина слоя - 3-5 мкм,а их рекомендуемое число не менее 30. Магниточуствительный элемент целесообразно изготавливать в виде проволоки Виганда или аналогичного аморфного микропровода (Бисер-3, разработка Ижевского Государственного технического университета РФ) или из аморфной проволоки сплава 77,57,515 с положительной магнитострикцией, изготавливаемой фирмой(Япония). Проволока должна быть выполнена диаметром менее 0,25 мм и длиной, превышающей 5 мм. Указанные геометрические соотношения необходимы для проявления бистабильных магнитных свойств, т.е. для ее перемагничивания большими скачками Баркгаузена. При длине менее 5 мм вследствие большого размагничивающего фактора в некоторых образцах проволоки исчезает эффект Виганда. Датчик давления работает следующим образом. Под воздействием избыточного давлениясильфон 2 растягивается, что приводит к перемещению двух пар магнитов 6 и 7 вдоль оси . Напряженность внешнего магнитного поля , направленного по оси , в месте расположения проволоки Виганда линейно зависит от координаты , поскольку данная магнитная система характеризуется постоянным градиентом магнитного полямежду указанными парами магнитов, следовательно выполняется условие. Перемагничивающая катушка 11 подключена к генератору периодического пилообразного сигнала 12, т.е. сигнала, линейным образом зависящего от времени . Поэтому проволока Виганда перемагничивается магнитным полем генератора, линейным образом зависящим от времени . В случае, когда 0 (это выполняется в центре симметрии магнитной системы при 0), скачки перемагничивания происходят при одном и том же значении напряженности перемагничивающего поля, равном полю старта, что изображено на фиг. 3. Время между моментами положительного и отрицательных скачков имеет определенную фиксированную величину. При наложении магнитного поля магнитной системы Ну в зависимости от его направления по оси(параллельно либо антипараллельно) скачки перемагничивания будут происходить чуть раньше или позже, т.е. временной интервал между ними соответственно изменится. Поскольку перемагничивание выполняется по линейному закону, то зависимость времениот величины напряженности магнитного полябудет также линейной. Направление изменения времени указывает на знак . В этом случае положительномубудет соответствовать отрицательное , а отрицательному положительное . Формула взаимосвязей в соответствии с 5 будет следующая/(4), где- амплитуда перемагничивающего поля,- период перемагничивающего поля,- измеряемое время. Это уравнение можно записать в виде/(4), где(4)-1, а- известная частота перемагничивающего поля (1/). Временной интервализмеряется прибором 19. Растяжение сильфона 2 при воздействии избыточного давлениявычисляется по следующей формуле/,где- число гофров в сильфоне,- жесткость одного гофра сильфона к воздействию давления 6. Следовательно/(4)/. Подбором числа гофрови жесткостиможно регулировать диапазон растяжения сильфона 2, следовательно, и проектировать устройство на требуемый диапазон измерения давления. 6 88812012.12.30 На фиг. 4 приведен выходной сигнал, поступающий на прибор 19 от измерительной катушки 10, состоящий из двух разнополярных импульсов амплитудой , вырабатываемых перемагничиванием проволоки Виганда большими скачками намагниченности Баркгаузена и ЭДС наводки от перемагничивающей катушки 11 (малой амплитуды по сравнению с ), запитываемой напряжением пер. Таким образом, решение поставленной комплексной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве вследствие эффекта Виганда в измерительной катушке генерируется выходной периодический электрический сигнал в виде двух разнополярных импульсов высокой амплитуды (5-7) В, временной интервал между которыми является линейной функцией величины напряженности (индукции) магнитного поля, создаваемой квадрупольной магнитной системой в месте расположения проволоки Виганда (бистабильного магниточувствительного элемента), т.е. линейное перемещение сильфона, а значити давления преобразуется в пропорциональную величину изменения временного интервала между импульсами, которая, как известно, может быть измерена с высокой точностью. Кроме того, высокая помехозащищенность датчика обеспечивается применением многослойного экрана. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемый датчик давления соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8