Автономный датчик вибрации

(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) 1. Автономный датчик вибрации, содержащий корпус, установленную в нем уравновешенную инертную сейсмическую массу, размещенную на плоском держателе, постоянный магнит, установленный на конце указанного плоского держателя, неподвижный магниточувствительный преобразователь, содержащий катушку с витками для регистрации виброперемещений инерционной массы, пружину с механизмом контролируемого растяжения, одним концом прикрепленную к указанному плоскому держателю, а другим - к корпусу и установленную под углом 30-45 к горизонтальному плоскому держателю, магнитный демпфер, отличающийся тем, что напротив указанного постоянного магнита размещен в корпусе другой постоянный магнит с функцией демпфирования колебаний, ориентированный магнитной осью сонаправлено оси указанного магнита, а на плоском держателе установлена в вертикальной плоскости немагнитная плоская вставка, содержащая ферромагнитные участки, выполненные в виде отрезков проволоки Виганда, разнесенных друг от друга на расстояние не менее диаметра катушки, содержащих магнитомягкую сердцевину с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткую оболочку с большей коэрцитивной силой, ориентированные своими осями вдоль радиуса колебаний, кроме этого, введены еще два постоянных магнита, Фиг. 1 88732012.12.30 намагниченные противоположно, скрепленные с корпусом и расположенные симметрично по обе стороны от указанной катушки с витками, находящимися в магнитной связи с указанными ферромагнитными участками, причем корпус охвачен многослойным пленочным электромагнитным экраном с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, а внешний слой экрана заземлен. 2. Автономный датчик вибрации по п. 1, отличающийся тем, что ферромагнитные участки выполнены с двумя характеристическими длинами относительно горизонтальной пластины, равнымии 0,7 соответственно, причем 7 мм.(56) 1. Кобус А., Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы Пер. с польского В.И. Тихонова и К.Б. Македонской / Под ред. П.К. Хомерики. - М. Энергия, 1971. С. 269- 270. 2.2167558, -05-29, МПК 01 1/1808 13/00, 1986 (прототип). 3. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - С. 88-89. 4. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 224. Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в средствах регистрации вертикальных колебаний любого технологического оборудования, включая атомные реакторы, а также колебаний, генерируемых сейсмическими волнами от естественных источников, таких как землетрясения, извержения вулканов и др. Из уровня техники известно устройство для измерения вибрации 1, а именно сейсмограф, функционирующий на эффекте Холла, который имеет чувствительность в 100 раз большую, чем в известных электродинамических сейсмографах. Устройство состоит из инертной сейсмической массы, подвешенной на горизонтальном упругом стержне, а преобразователь Холла (магниточувствительный преобразователь) расположен на свободном конце стержня и выполнен с возможностью виброперемещений совместно с концом указанного стержня в стационарно закрепленной магнитной системе, выполненной с большим градиентом напряженности магнитного поля вдоль оси виброперемещений. В 1 описано по крайней мере две конструкции магнитной системы на основе постоянных магнитов. Выходной сигнал с магниточувствительного преобразователя подается на регистрирующий прибор. Недостатком этого устройства является низкая надежность измерения колебаний, поскольку провода преобразователя Холла колеблются совместно с ним, следовательно,подвержены изгибным деформациям и возможности поломки. В устройстве не предусмотрены элементы защиты от помехонесущих электромагнитных полей. Устройство содержит источник питания, следовательно, оно не может работать автономно. Выходной сигнал - аналоговый, поэтому регистрирующий прибор должен находиться в непосредственной близости от этого устройства. Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому решению является устройство, приведенное в 2 (прототип). Сейсмограф 2 для измерения преимущественно вертикальных колебаний с частотой, превышающей 1 Гц, содержит корпус, установленную в нем уравновешенную инертную сейсмическую массу (куб из алюминия),размещенную на горизонтальном плоском держателе, постоянный магнит, установленный на конце указанного плоского держателя, неподвижный магниточувствительный преобразователь Холла для регистрации виброперемещений постоянного магнита, а следователь 2 88732012.12.30 но, и инерционной массы, неподвижную катушку с витками (демпфер) для электромагнитного демпфирования колебаний магнита, пружину, с механизмом контролируемого растяжения, установленную под углом 30-45 к горизонтальному плоскому держателю и одним концом прикрепленную к нему, электронный блок, включающий фильтр цепи, усилители и др. электронные компоненты. Недостатком этого устройства является низкая точность и надежность измерения вертикальных колебаний, особенно в области низких частот (ограничение связано со спектром собственных частот устройства), причем известно, что порог низкочастотных колебаний земной поверхности превышает 310-4 Гц. Аналоговый сигнал с магниточувствительного элемента является низкоамплитудным, что требует использования усилительной аппаратуры или его преобразования в частотный (цифровой) код. Устройство не может функционировать автономно без стационарных источников питания, например аккумуляторов и др. гальванических элементов. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение надежности и обеспечение непрерывной работы устройства для индикации уровня вибрации на основе энергосберегающих технологий, то есть без обслуживания и без внешних источников энергии, таких как стационарная электросеть, гальванические элементы, аккумуляторы и т.п. Для решения поставленной задачи автономный датчик вибрации содержит корпус,установленную в нем уравновешенную инертную сейсмическую массу, размещенную на плоском держателе, постоянный магнит, установленный на конце указанного плоского держателя, неподвижный магниточувствительный преобразователь, содержащий катушку с витками для регистрации виброперемещений инерционной массы, пружину с механизмом контролируемого растяжения, одним концом прикрепленную к указанному плоскому держателю, а другим - к корпусу и установленную под углом 30-45 к горизонтальному плоскому держателю, магнитный демпфер. Он отличается тем, что напротив указанного постоянного магнита размещен в корпусе другой постоянный магнит с функцией демпфирования колебаний, ориентированный магнитной осью сонаправлено оси указанного магнита, а на плоском держателе установлена в вертикальной плоскости немагнитная плоская вставка, содержащая ферромагнитные участки, выполненные в виде отрезков проволоки Виганда, разнесенных друг от друга на расстояние не менее диаметра катушки, содержащих магнитомягкую сердцевину с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткую оболочку с большей коэрцитивной силой, ориентированные своими осями вдоль радиуса колебаний, кроме этого, введены еще два постоянных магнита, намагниченные противоположно, скрепленные с корпусом и расположенные симметрично по обе стороны от указанной катушки с витками, находящимися в магнитной связи с указанными ферромагнитными участками, причем корпус охвачен многослойным пленочным электромагнитным экраном с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, а внешний слой экрана заземлен. Устройство отличается также тем, что ферромагнитные участки выполнены с двумя характеристическими длинами относительно горизонтальной пластины, равнымии 0,7 соответственно, причем 7 мм. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных признаков, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению надежности и функционированию устройства без использования внешних источников питания. Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве магниточувтвительный преобразователь выполнен с использованием проволоки Виганда 3, и имеет высокий уровень амплитуд генерируемых ЭДС разнополярных импульсов частотного выходного сигнала при перемещении отрезков проволоки Виганда относительно введенных двух постоянных магнитов, и не требует энергопотребления, что,3 88732012.12.30 несомненно, повышает надежность устройства для сигнализации. Кроме того, высокая помехозащищенность устройства обеспечивается применением многослойного экрана,что также повышает функцию надежности в целом. Пассивная электромагнитная защита устройства (многослойный экран) крайне необходима вследствие возникновения электромагнитных бурь, которые являются предвестниками активизации сейсмической активности в земной коре, например, при землетрясениях. 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 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. Следует отметить, что форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие функции. Таким образом,применение в устройстве многослойного 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, а следовательно, повышается надежность устройства в целом. Из литературных источников известно, что многослойный пленочный экран обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м - не менее 8-10 раз 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. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства 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 заявляемом устройстве, а само устройство содержит новые элементы, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности новизна. Заявляемая полезная модель поясняется чертежами фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен автономный датчик вибрации. На фиг. 2 приведена схема магниточувствительного преобразователя. На фиг. 3 представлена схема перемагничивания проволоки Виганда и генерирования выходного сигнала в катушке как функция времени . Автономный датчик вибрации содержит корпус 1, охваченный многослойным пленочным электромагнитным экраном с чередующимися немагнитными 2 и ферромагнитными 3 слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, причем внешний слой экрана заземлен. В корпусе 1 установлена уравновешенная инертная сейсмическая масса 4 из цветного металла, размещенная на плоском держателе 5, выполненном, например, из бериллиевой бронзы. Посто 4 88732012.12.30 янный магнит 6 установлен на конце плоского держателя 5. Другой постоянный магнит 7 размещен внутри корпуса 1 и вместе с магнитом 6 образует магнитный демпфер. Магнит 7 ориентирован магнитной осью сонаправлено оси магнита 6. Инертная сейсмическая масса 4 уравновешена пружиной 8, установленной под углом 30-45 к горизонтальному плоскому держателю 5. К пружине 8 прикреплена металлическая нить 9, переброшенная через блок 10 и другим концом прикрепленная к механизму контролируемого растяжения 11. Блок 10 закреплен в корпусе 1. На немагнитном Г-образном креплении 12 установлена миниатюрная регистрирующая катушка 13 с витками из медной проволоки. Два постоянных магнита 14, намагниченных противоположно, скреплены с корпусом 1 посредствам крепления 12 и расположены симметрично по обе стороны от катушки 13 с витками. На плоском держателе 5 установлена в вертикальной плоскости немагнитная плоская вставка 15, содержащая ферромагнитные участки 16, выполненные в виде отрезков проволоки Виганда, разнесенных друг от друга на расстояние не менее диаметра катушки 13, содержащих магнитомягкую сердцевину 17 с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткую оболочку 18 с большей коэрцитивной силой, ориентированные своими осями вдоль радиуса колебаний. Корпус 1 автономного датчика вибрации содержит элементы крепления 19 для установки устройства на объект контроля (почву, станину технологического оборудования и т.д.), могут иметь различные варианты исполнения, исходя из условий размещения. Направление вектора силы тяжестиизображено на фиг. 1, 2. Миниатюрную катушку 13 целесообразно выполнять из медной проволоки диаметром 0,05-0,1 мм с числом витков обычно 1000-3000 3, а в качестве материалов магнитожесткой оболочки 18 обычно используют сплав 523810. Магнитомягкая сердцевина 17 изготавливается обычно из сплавов 7228, 5248, 70426. Также, например, в качестве проволоки Виганда 16 может быть использован аморфный микропровод Бисер-3 (разработка и выпуск Ижевского Государственного технического университета РФ) или аморфная проволока 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 проволоки 16, т.е. для ее перемагничивания большими скачками Баркгаузена. При длине менее 5 мм вследствие большого размагничивающего фактора в некоторых образцах проволоки исчезает эффект Виганда. Для перемагничивания проволоки 16 необходимо создание напряженности магнитного поля над намагниченной областью величиной, где- поле старта (для наиболее часто встречаемых проволок Виганда величинанаходится в диапазоне 150-180 А/м), поэтому магниты 14 могут быть изготовлены из широкого спектра современных магнитотвердых материалов, в том числе из ферритов или магнитопластов, но размещаться как можно ближе к вставке 15, например, с зазором в 1,5-2,0 мм. На корпус 1 нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными 2 и ферромагнитным 3 слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. На фиг. 1 изображено только три слоя 2 и два слоя 3, хотя их число должно быть значительно большим и ограничиваться только технологией нанесения. Корпус 1 является каркасом экрана, поэтому его целесообразно изготавливать из медной фольги или тонкой пластины. Остальные чередующиеся слои легко изготавливаются электролитическим осаждением, например, из пермаллоя состава 80-20(слои 3) и электролитической меди- слои 2. Толщина каждого слоя - не менее 0,1 мм. Выбор материалов чередующихся слоев магнитныйнемагнитный может быть и другим, но он ограничивается требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью. Внешний слой экрана заземлен. Автономный датчик вибрации работает следующим образом. Он устанавливается в контрольное положение, т.е. закрепляется на объекте контроля. При вертикальных толчках (ускорениях) сейсмического характера и др. происходит виброперемещение корпуса 1 5 88732012.12.30 относительно инертной сейсмической массы 4, что эквивалентно перемещению магнитов 14 относительно отрезков проволоки 16. В катушке 13 генерируются импульсы ЭДС Виганда длительностьюоколо (1040) мкс и высокой амплитудой (3-7) В вследствие перемагничивания 16 большими скачками Баркгаузена по схеме, приведенной на фиг. 3. Как правило, маленькие импульсы не используются, поскольку они имеют амплитуду на полтора порядка меньше. Перемагничивание происходит следующим образом. Проволока обладает бистабильными магнитными свойствами и характеризуется двумя скачками намагниченности за один цикл перемагничивания. Более подробно этот процесс можно представить так магниты 14, намагниченные противоположно, перемещаются относительно проволоки Виганда 16. Сначала насыщающее магнитное поле первого магнита одной полярности ориентирует полярность сердцевины 17 и оболочки 18 в одном направлении (этап А). В ходе перемещения к области магнита с противоположной полярностью изменяется полярность приложенного к проволоке магнитного поля. При приближении ко второму магниту (отсчет условный относительно положения равновесия плоского держателя 5) напряженность вновь приложенного магнитного поля увеличивается. Это приводит к тому, что сначала переключается полярность сердцевины 17 (этап Б) и в катушке 13 генерируется импульс напряжения, длительность которого . Затем, при дальнейшем увеличении напряженности поля (по мере приближения ко второму магниту),переключается полярность оболочки 18 (этап В), при этом генерируется импульс гораздо меньшей амплитуды за счет большего времени переключения. В итоге магнитное поле второго магнита полностью насыщает проволоку Виганда (этап Г). На этапе Д происходит сначала переключение полярности сердцевины 17 и в катушке 13 генерируется импульс напряжения противоположной полярности большой амплитуды, а затем на следующем этапе -генерируется импульс с малой амплитудой (на фиг. 3 этот этап не изображен). Интервал временимежду разнополярными импульсами является функцией геометрических размеров магнитов 14 и расстояний между ними вдоль вертикальной оси, а также параметров виброперемещений, определяемый экспериментально в процессе калибровки. Амплитуда виброперемещений зависит от сейсмической активности объекта контроля. Поэтому по количеству импульсов в катушке 13 можно судить дискретно об амплитуде виброперемещений, или ее проградуировать, например, по шкале магнитуд землетрясений. Выходной сигнал вых с катушки 13 может передаваться непосредственно по двухпроводной линии без усиления, поскольку он является частотным с амплитудой 3-7 В (а не мВ с элемента Холла, как в прототипе), а следовательно, и помехозащищенным. Для корректного определения прохождения виброперемещения через горизонтальную линию(условно через ноль) можно использовать сигналы с двумя величинами амплитуд, отличающимися, например, на 30 . Для этого необходимо использовать отрезки проволок Виганда двух длин. Так, например, если ферромагнитные участки 16 выполнены с двумя характеристическими длинами относительно горизонтальной пластины, равнымии 0,7 соответственно, причем 7 мм, то амплитуды выходного сигнала устройства будут отличаться приближенно на 30 , что позволяет фиксировать прохождение виброперемещения через линию горизонта, т.е. линию расположения равновесия плоского держателя 5. Таким образом, в предложенном устройстве магниточувтвительный преобразователь выполнен в виде датчика Виганда, имеет высокий уровень амплитуд генерируемых ЭДС разнополярных импульсов частотного выходного сигнала при перемещении постоянных магнитов относительно отрезков проволоки Виганда и не требует энергопотребления, обслуживания, что повышает надежность устройства. Кроме того, высокая помехозащищенность автономного датчика вибрации, а значит, и надежность, обеспечивается применением многослойного пленочного экрана, что является дополнительным преимуществом предложенного устройства в условиях возникновения электромагнитных бурь,которые являются предвестниками активизации сейсмической активности в земной коре,например, при землетрясениях. 6 88732012.12.30 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 заявляемое устройство для сигнализации соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7