Электронно-механический манометр

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Электронно-механический манометр, содержащий корпус, измерительный модуль,индикаторный модуль и модуль преобразования сигнала, причем измерительный модуль снабжен чувствительным узлом в виде трубки Бурдона и датчиком Холла, взаимодействующим с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом, а индикаторный модуль представляет собой шкалу со стрелочным указателем, который механически соединен с подвижным концом трубки Бурдона, при этом на подвижном конце трубки Бурдона закреплен постоянный магнит, напротив которого на корпусе манометра закреплен датчик Холла, соединенный с модулем преобразования сигнала, который включает в себя последовательно соединенные друг с другом усилитель и формирователь выходного сигнала, отличающийся тем, что указанный постоянный магнит выполнен с плоскими двумя магнитопроводами, расположенными у его полюсов и обращенными в сторону упомянутого датчика Холла, а датчик Холла расположен на среднем выступе З-образного магнитомягкого концентратора магнитного потока, причем указанные датчик Холла, концентратор магнитного потока и магнит с магнитопроводами выполнены окруженными электромагнитным экраном, выполненным с чередующимися тонкопленочными ферромагнитными и немагнитными слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, а длина магнита равна расстоянию между средним и крайним выступами концентратора, при этом ширина магнитопровода вдоль оси перемещения равна ширине выступов указанного концентратора.(56) 1. Патентна полезную модель 51210, МПК 01 7/0060 23/00, 2006. 2. Патентна полезную модель 126829, МПК 01 7/00, 2013 (прототип). 3. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196, 200. Предлагаемая полезная модель относится к приборостроению и предназначена для измерения давления жидких или газообразных текучих сред по двум каналам визуально по стрелке манометра и электронным способом. Известен электронный манометр 1, содержащий измерительный, индикаторный, силовой и процессорный модули, систему управления отключением-включением прибора,подсоединенную к кнопке активации и вышеперечисленным модулям прибора, при этом измерительный модуль подключен к процессорному модулю, снабженному блоком управления дежурным режимом, позволяющим при превышении порогового давления производить запуск узлов измерительного модуля и выдачу значений давления на индикаторный модуль с последующим отключением измерительных и управляющих схем прибора система управления отключением-включением прибора совмещена с индикаторным модулем прибора, причем последний выполнен в виде дисплея с отображающим элементом, в качестве которого использованы два светодиода, а измерительный модуль снабжен датчиком давления с чувствительным узлом в виде трубки Бурдона, соединенной с датчиком Холла, взаимодействующим с магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами, при этом датчик преобразует давление в воздушной магистрали компрессора в электрический сигнал. Недостатком этого манометра является низкая точность, обусловленная низким градиентом магнитного поля, создаваемого одним магнитом. Аналоговый сигнал с преобразователя Холла подвержен сильному влиянию помехонесущих электромагнитных полей,особенно квазистатических. Кроме того, выходной сигнал с преобразователя Холла имеет большую нелинейность, которая зависит от места установки преобразователя Холла относительно постоянного магнита. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является стрелочный электронно-механический манометр 2 (прототип). Стрелочный электронномеханический манометр содержит корпус, измерительный модуль, индикаторный модуль и модуль преобразования сигнала, измерительный модуль снабжен чувствительным узлом в виде трубки Бурдона и датчиком Холла, взаимодействующим с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом, а индикаторный модуль представляет собой шкалу со стрелочным указателем, который механически соединен с подвижным концом трубки Бурдона, причем на подвижном конце трубки Бурдона закреплен постоянный магнит, напротив которого на корпусе манометра закреплен датчик Холла, соединенный с модулем преобразования сигнала, который включает в себя последовательно соединенные друг с другом усилитель, устройство линеаризации и формирователь выходного сигнала. Это техническое решение 2 имеет недостатки, свойственные и 1, а именно низкая точность, обусловленная низким градиентом магнитного поля, создаваемого одним магнитом, закрепленным на глухом конце трубки Бурдона. Аналоговый сигнал с датчика Холла низкого уровня, поэтому он подвержен сильному влиянию помехонесущих электромагнитных полей, особенно квазистатических. Кроме того, выходной сигнал с датчика Холла имеет большую нелинейность, которую необходимо лианезировать. Постоянный магнит, закрепленный на глухом конце трубки Бурдона, неконтролируемым образом меняет жесткость трубки Бурдона, что затрудняет изготовление этих устройств с близкими характеристиками. 2 101382014.06.30 Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение точности измерения и линейности выходной характеристики с магниточувствительного датчика Холла, а также увеличение помехоустойчивости к электромагнитным полям. Электронно-механический манометр содержит корпус, измерительный модуль, индикаторный модуль и модуль преобразования сигнала, причем измерительный модуль снабжен чувствительным узлом в виде трубки Бурдона и датчиком Холла, взаимодействующим с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом, а индикаторный модуль представляет собой шкалу со стрелочным указателем, который механически соединен с подвижным концом трубки Бурдона, при этом на подвижном конце трубки Бурдона закреплен постоянный магнит, напротив которого на корпусе манометра закреплен датчик Холла, соединенный с модулем преобразования сигнала, который включает в себя последовательно соединенные друг с другом усилитель и формирователь выходного сигнала. Он отличается тем, что указанный постоянный магнит выполнен с плоскими двумя магнитопроводами, расположенными у его полюсов и обращенными в сторону упомянутого датчика Холла, а датчик Холла расположен на среднем выступе З-образного магнитомягкого концентратора магнитного потока, причем указанные датчик Холла,концентратор магнитного потока и магнит с магнитопроводами выполнены окруженными электромагнитным экраном, выполненным с чередующимися тонкопленочными ферромагнитными и немагнитными слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, а длина магнита равна расстоянию между средним и крайним выступами концентратора, при этом ширина магнитопровода вдоль оси перемещения равна ширине выступов указанного концентратора. 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 электронного манометра 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, электронно-механический манометр содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной комплексной задачи по сравнению с прототипом и выявленными аналогами. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 схематично изображен общий вид электронно-механического манометра. На фиг. 2 представлено расположение датчика Холла, концентратора магнитного потока и магнита с магнитопроводами внутри электромагнитного экрана. На фиг. 3 приведена зависимость индукции магнитного поля 0 в области размещения датчика Холла от величины перемещения конца трубки Бурдона по оси . Электронно-механический манометр содержит корпус 1, измерительный модуль, индикаторный модуль и модуль преобразования сигнала, причем измерительный модуль снабжен чувствительным узлом в виде трубки Бурдона 2 и датчиком Холла 3, взаимодействующим с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом 4 (предпочтительно из 5), выполненным с двумя плоскими магнитопроводами 5 (из армко-железа), рас 3 101382014.06.30 положенными у его полюсов и обращенными в сторону датчика Холла 3. Датчик Холла 3 расположен на среднем выступе З-образного магнитомягкого концентратора магнитного потока 6, закрепленного на неподвижной планке 7, связанной с корпусом 1. Индикаторный модуль представляет собой шкалу 8 со стрелочным указателем 9, который механически соединен с подвижным концом трубки Бурдона 2, при этом на подвижном конце трубки Бурдона 2 закреплен постоянный магнит 4, напротив которого на корпусе манометра закреплен датчик Холла 3, соединенный с модулем преобразования сигнала, который включает в себя последовательно соединенные друг с другом усилитель и формирователь выходного сигнала, как в прототипе (на фиг. 1-3 не изображены). Трубка Бурдона 2 соединена со штуцером 10 для подачи измеряемого давления . Магнит 4 с магнитопроводами 5 крепятся с помощью легкого штока 11 к подвижному концу трубки Бурдона 2. Датчик Холла 3, концентратор магнитного потока 6 и магнит 4 с магнитопроводами 5 окружены электромагнитным экраном 12 (каркасом), выполненным с чередующимися тонкопленочными ферромагнитными и немагнитными слоями 13, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью. Длинамагнита 4 равна расстоянию между средним и крайним выступами З-образного концентратора 6, при этом ширина магнитопроводавдоль оси перемещенияравна ширине выступов концентратора 6. Число тонкопленочных слоев 13 должно быть не менее двадцати единиц и может ограничиваться только технологией нанесения. Чередующиеся тонкопленочные слои легко изготавливаются известной технологией электролитического осаждения, например, изи пермаллоя соответственно. Выбор материалов чередующихся слоев немагнитный - магнитный может быть и другим, но он ограничивается только требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью (сцеплением). Особенно перспективно осаждение большого числа нанотолщинных слоев (нанослоев), обеспечивающих значительно большие коэффициенты экранирования электромагнитного поля и практически не влияющих на массу электронно-механического манометра в целом. Электронно-механический манометр работает следующим образом. Измеряемая среда, например воздух, подается в манометр через штуцер 10 и далее поступает в трубку Бурдона 2. Под действием силы давлениятрубка Бурдона 2 старается распрямиться. При этом подвижный конец трубки Бурдона 2 перемещается по кривой в радиальном и тангенциальном направлениях одновременно, но при малых перемещениях,когда выполняется закон Гука, можно считать, что она перемещается вдоль осипо прямой, а величина этого перемещения пропорциональна величине давления . Так как постоянный магнит 4 закреплен на подвижном конце трубки Бурдона 2, он также перемещается. Поскольку подвижный конец трубки Бурдона 2 механически соединен со стрелочным указателем 9, он приводит его в движение, и стрелка показывает на шкале 8 прибора величину давления (шкала электронно-механического манометра на фиг. 1 не оцифрована). При этом на выходе датчика Холла 3 формируется выходной электрический сигнал постоянного тока, который обычно усиливается дифференциальным операционным усилителем (не изображен). Далее через формирователь выходного сигнала (не показан) поступает на выход стрелочного электронно-механического манометра. Следует отметить, что выполнение электромагнитного экрана с чередующимися тонкопленочными слоями немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитными слоями с высокой магнитной проницаемостью соответственно обеспечивает значительное повышение помехоустойчивости манометра к электромагнитным полям, в том числе к квазистатическим магнитным. Этот вывод следует из литературных источников. Известно, например, что многослойный пленочный экран, состоящий всего лишь из 10-20 тонкопленочных слоев по 0,1 мкм, обеспечивает 101382014.06.30 коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м не менее 8-10 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-100000 Гц не менее 30-40. Чередующиеся слои обладают разными волновыми сопротивлениями, что приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в их поперечном сечении. В экране устройства 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 3. Использование нанослоев многослойных покрытий обеспечивает возможность многократного увеличения экранирования электромагнитных полей практически без наращивания массы экрана датчика, что является кардинальным решением по обеспечению помехоустойчивости за счет электромагнитного экранирования или сверхэффектом. Следовательно, заявляемая полезная модель относится к приборостроению и предназначена для измерения давления жидких или газообразных текучих сред по двум каналам визуально по стрелке манометра и электронным способом. Таким образом, решение поставленной комплексной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве используется концентратор магнитного потока, выполненный З-образным, который обеспечивает высокий градиент магнитного поля в области расположения датчика Холла при перемещении глухого конца трубки Бурдона, т.е. высокий уровень сигнала и линейность выходной характеристики (по сравнению с прототипом не нужен блок линеаризации), а наличие электромагнитного экрана, выполненного с чередующимися тонкопленочными ферромагнитными и немагнитными слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, значительно повышает помехозащищенность электронно-механического манометра. Дополнительно использование заявляемой полезной модели обеспечивает расширение технологических и функциональных возможностей механических манометров, создавая возможность их подключения в электронные системы управления промышленными объектами. Одновременно заявляемая полезная модель сохраняет возможность снимать показания путем визуального осмотра манометра. Полезная модель может быть изготовлена на стандартном оборудовании с использованием известных технологических процессов. 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 электронно-механический манометр соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6