Сильфонный датчик температуры

(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. Сильфонный датчик температуры, содержащий мягкий гофрированный сильфон,наполненный жидкостью с большим температурным коэффициентом объемного расширения, укрепленный неподвижно одним концом к основанию корпуса или крепежной плиты,с закрепленным на другом конце сильфона с его внешней стороны источником магнитного поля, выполненным в виде постоянного магнита, магниточувствительный элемент,установленный неподвижно относительно указанного основания корпуса или крепежной плиты и находящийся в магнитной связи с указанным источником магнитного поля, отличающийся тем, что в источник магнитного поля введен другой постоянный магнит,намагниченный противоположно, по форме идентичный указанному, но установленный с постоянным зазором, в котором размещен магниточувствительный элемент, выполненный в виде проволоки Виганда или аналогичного бистабильного аморфного микропровода, Фиг. 1 90532013.02.28 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, кроме того, источник магнитного поля совместно с магниточувствительным элементом и указанными катушками окружен 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, причем магнитный каркас механически жестко связан с подвижным концом сильфона. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены в виде цилиндрических колец, внутренний радиус которых превышает внешний радиус перемагничивающей катушки.(56) 1. Патент 981481, МПК 01 5/42, 1976. 2. Харазов К.И. Устройства автоматики с магнитоуправляемыми контактами. - М. Энергоатомиздат, 1990. - С. 212 (прототип). 3. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 224 с. 4. Каримова Г.В. Бистабильный литой аморфный микропровод из -, сплавов в стеклянной оболочке и его применение в магнитометрии Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. - Ижевск, 2006. - 21 с. 5. 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 среднеинтегрального по времени значения температуры с помощью магниточувствительного преобразователя перемещений, связанного с сильфоном. Известен сильфонный датчик температуры 1, содержащий жесткий гофрированный сильфон, наполненный жидкостью или газом с большим температурным коэффициентом объемного расширения, к которому присоединена капиллярная трубка, на конце которой прикреплена трубка Бурдона (в первом варианте), находящаяся в механическом зацеплении с механизмом указателя положения стрелки, выполненной с возможностью поворота по шкале, проградуированной по температуре. В процессе работы измеряется температура окружающей среды, которая передается жидкости внутри сильфона за счет процессов теплопроводности (среднеинтегральное по времени значение), при этом сильфон обеспечивает большую площадь теплообмена. Если температура увеличивается, то увеличивается давление внутри сильфона (изменением объема можно пренебречь вследствие жесткости сильфона), которое через капиллярную трубку передается на трубку Бурдона,которая распрямляется и приводит в движение указатель положения стрелки, а значение температуры считывается оператором визуально. Описанный датчик является механическим устройством, следовательно, требует участия оператора, не может непосредственно использоваться в режиме автоматизированных измерений и обладает низкой точностью измерений из-за дискретности шкалы, как и любой механический манометр. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик температуры 2 (прототип), содержащий мягкий гофрированный сильфон, наполненный жидкостью с большим температурным коэффициентом объемного расширения,2 90532013.02.28 укрепленный одним концом к основанию корпуса или крепежной плиты неподвижно, а на другом конце сильфона с его внешней стороны закреплен источник магнитного поля, выполненный в виде постоянного магнита, который в исходном состоянии удален от магниточувствительного элемента (геркона), установленного неподвижно относительно основания. При нагреве жидкость значительно увеличивает свой объем и сильфон растягивается. Постоянный магнит приближается к магниточувствительному элементу (перемещается), вызывая срабатывание последнего. Описанный датчик температуры (прототип) является дискретным (настроен только на одну температуру срабатывания) и обладает низкой точностью измерений из-за повышенного магнитного гистерезиса, характерного всем герконам. К тому же датчик содержит открытый источник магнитного поля, т.е. выполнен непомехозащищенным от влияния внешних электромагнитных полей. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение точности измерений и помехоустойчивости. Сильфонный датчик температуры содержит мягкий гофрированный сильфон, наполненный жидкостью с большим температурным коэффициентом объемного расширения,укрепленный неподвижно одним концом к основанию корпуса или крепежной плиты, с закрепленным на другом конце сильфона с его внешней стороны источником магнитного поля, выполненным в виде постоянного магнита, магниточувствительный элемент, установленный неподвижно относительно указанного основания корпуса или крепежной плиты и находящийся в магнитной связи с указанным источником магнитного поля. Он отличается тем, что в источник магнитного поля введен другой постоянный магнит, намагниченный противоположно, по форме идентичный указанному, но установленный с постоянным зазором, в котором размещен магниточувствительный элемент, выполненный 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, кроме того, источник магнитного поля совместно с магниточувствительным элементом и указанными катушками окружен 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, причем магнитный каркас механически жестко связан с подвижным концом сильфона. Датчик отличается также тем, что постоянные магниты выполнены в виде цилиндрических колец, внутренний радиус которых превышает внешний радиус перемагничивающей катушки. 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, создаваемого постоянными магнитами в месте расположения бистабильного магниточувствительного элемента, т.е. линейное перемещение сильфона, а следовательно, и пары постоянных магнитов вследствие теплового расширения жидкости в сильфоне преобразуется в изменение временного интервала между импульсами выходного сигнала. Таким образом, вследствие линейной зависимости между перемещением и индукцией магнитного поля в зазоре между противоположно намагниченными постоянными магнитами, измеряемая величина - температура - прямо пропорциональна изменению промежутка времени между положительным и отрицательным импульсами ЭДС, генерируемыми в измерительной катушке при перемагничивании магниточувствительного элемента большими скачками Баркгаузена. 3 90532013.02.28 В процессе работы измеряется среднеинтегральное по времени значение температуры окружающей среды, при этом температура передается жидкости внутри сильфона за счет процессов теплопроводности, а сильфон обеспечивает большую площадь теплообмена,что снижает время интегрирования до нескольких десятков секунд и увеличивает чувствительность датчика к изменению температуры окружающей среды. Кроме того, высокая помехозащищенность датчика обеспечивается применением многослойного пленочного экрана. Известно 3, 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 температуры 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 литературных 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 точности и помехоустойчивости измерений температуры. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 схематично изображен датчик температуры. 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 поляв месте расположения магниточувствительного элемента во временной интервал (. 4 90532013.02.28 На фиг. 4 приведена генерируемая ЭДС в измерительной катушке как функция времени . Сильфонный датчик температуры содержит мягкий немагнитный гофрированный сильфон 1 (например, из берилловой бронзы), наполненный жидкостью с большим температурным коэффициентом объемного расширения, укрепленный неподвижно одним концом к основанию 2 (или крепежной плите) корпуса 3, выполненного с вентиляционными отверстиями 4 для улучшения теплопередачи окружающей среды, температуру которой необходимо контролировать. На другом конце сильфона 1 закреплен с его внешней стороны источник магнитного поля, выполненный в виде пары постоянных магнитов 5 и 6,намагниченных противоположно и установленных с постоянным зазором, в котором неподвижно размещен магниточувствительный элемент, выполненный в виде проволоки Виганда 7 или аналогичного бистабильного аморфного микропровода, расположенный в миниатюрной цилиндрической измерительной катушке 8 (рекомендованное число витков 2000-3000), поверх которой намотана перемагничивающая катушка 9 с электрическими выводами, подключенными к генератору периодического пилообразного сигнала 10. Проволока Виганда 7 или аналогичный (по магнитным свойствам) бистабильный аморфный микропровод состоят из магнитомягкой сердцевины 11 с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткой оболочки 12 с большей коэрцитивной силой. Генератор периодического пилообразного сигнала 10 создает напряженность перемагничивающего поля амплитудойи расположен 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 150-180 А/м). Пара магнитов 5 и 6 жестко скреплена с подвижным концом сильфона 1 и совместно с проволокой Виганда 7 и катушками 8 и 9 окружена подвижным магнитным каркасом 14 с отверстиями под электрические выводы катушек 8, 9 и неподвижный держатель 15, установленный на электронной плате 13. Электронная плата 13 размещена на держателе платы 16, жестко скрепленном с корпусом 3 с помощью крышки 17. В крышке 17 размещен винт 18 с резьбой для юстировки начального положения измерительной катушки 8 в зазоре магнитов 5 и 6 (например, установки значения комнатной температуры). Выводы электрических проводов измерительной катушки 8 подключены к измерителю временных интервалов 19, например стандартному частотометру или другому прибору.) Магнитный каркас 14 жестко связан с подвижным концом сильфона 1 и может перемещаться в области упругости вследствие расширения жидкости в сильфоне 1. 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. Магниточувствительный элемент целесообразно изготавливать в виде проволоки Виганда или аналогичного аморфного микропровода (Бисер-3, разработка Ижевского государственного технического университета РФ) 4 или из аморфной проволоки сплава 77,57,515с 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, 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 температуры работает следующим образом. В процессе работы измеряется среднеинтегральное по времени значение температуры окружающей среды. Под воздействием изменения температуры окружающей среды(для определенности, но без ограничения общности будем считать, что температура увеличилась на величину ) новое значение температуры устанавливается в жидкости внутри сильфона за счет про 5 90532013.02.28 цессов теплопроводности, при этом сильфон 1 обеспечивает большую площадь теплообмена, что снижает время интегрирования (установления равновесного значения температуры) до нескольких секунд и увеличивает чувствительность датчика к изменению температуры окружающей среды. Поскольку жидкость обладает большим температурным коэффициентом объемного расширения, сильфон 1 растягивается, что приводит к перемещению пары магнитов 5 и 6 вдоль оси . Напряженность внешнего магнитного поля, направленного по оси , в месте расположения проволоки Виганда линейно зависит от координаты , поскольку данная пара магнитов характеризуется постоянным градиентом магнитного поляпри небольших смещениях относительно проволоки Виганда 7,следовательно, выполняется условие. Перемагничивающая катушка 9 подключена к генератору периодического пилообразного сигнала 10, 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 пары магнитов при калибровке с помощью винта 18),скачки перемагничивания происходят при одном и том же значении напряженности перемагничивающего поля, равной полю старта , что изображено на фиг. 3. Время между моментами положительного и отрицательных скачков имеет определенную фиксированную величину. При наложении магнитного поля магнитной системыв зависимости от его направления по оси(параллельно либо антипараллельно) скачки перемагничивания будут происходить чуть раньше или позже и 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 о знаке . В этом случае положительномубудет соответствовать отрицательное (-), а отрицательному - положительное. Формула взаимосвязей в соответствии с 4 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 1 под воздействием изменения температурыобуславливается появлением избыточного давленияв сильфоне 1,поскольку жидкость в сильфоне практически несжимаема. Смещение координатывычисляется по следующей формуле/, где- число гофров в сильфоне,- жесткость одного гофра сильфона к воздействию давления 5. Следовательно,/(4)/. Подбором числа гофрови жесткостиможно регулировать диапазон растяжения сильфона 1, следовательно, и проектировать устройство на требуемый диапазон измерения температуры . Посколькужж/ф, где ж - объем жидкости (вместимость сильфона) в м 3, ж - температурный коэффициент объемного расширения жидкости, измеряемый в 1/ С, ф - средняя площадь поперечного сечения сильфона, тожж/ф является линейной функцией изменения температуры(отклонения от калибровочного начального, например комнатного, значения температуры , соответствующего периоду перемагничивающего поля ). На фиг. 4 приведен выходной сигнал, поступающий на прибор 19 от измерительной катушки 8, состоящий из двух разнополярных импульсов амплитудой , вырабатываемых перемагничиванием проволоки Виганда большими скачками намагниченности Баркгаузена и ЭДС наводки от перемагничивающей катушки 9 (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 6 90532013.02.28 линейной функцией величины напряженности (индукции) магнитного поля, создаваемой парой постоянных магнитов в месте расположения проволоки Виганда (бистабильного магниточувствительного элемента), т.е. линейное перемещение сильфона вследствие температурного расширения жидкости в сильфоне преобразуется в пропорциональную величину изменения временного интервала между импульсами, которая, как известно, может быть измерена с высокой точностью. В процессе работы измеряется среднеинтегральное по времени значение температуры окружающей среды, при этом температура передается жидкости внутри сильфона за счет процессов теплопроводности, а сильфон обеспечивает большую площадь теплообмена, что снижает время интегрирования до нескольких десятков секунд и увеличивает чувствительность датчика к изменению температуры окружающей среды. 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 температуры соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7