Способ возбуждения крутильных колебаний и устройство для его осуществления

 

Союз Советских

Соцкалмстических

Республик

ОП ИСАНЙ Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

820

1з

Ф

-Ф (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 18.07.78 (21) 2647843/18-10 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

R 15/00

N 9/10

Государственный комитет

СССР до делам изооретеиий и открытий

Опубликовано 05.03.80. Бюллетень № 9

534.232

8) Дата опубликования описания 15.03.80 (72) Автор изобретения

В. В. Зайцев (71) Заявитель (54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ КРУТИЛЬНЫХ

КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технической акустике и может найти применение в области измерительной техники для возбуждения крутильных колебаний магнитострикционного стержня в вибрационно-частотных измерительных приборах.

Известен способ возбуждения крутильных колебаний магнитострикционного стержня (1) путем намагничивания его переменным геликоидальным магнитным потоком, заключающийся в скручивании магнитоупругого стержня, по которому течет постоянный электрический ток при наличии внешнего, направленного вдоль оси стержня продольного магнитного поля. При сложении продольного магнитного поля и кругового магнитного пбля, создаваемого током в стержне, получается результирующее поле в форме круговой спирали — геликоиды, которая вследствие наличия у стержня магнитострикционных свойств создает упругие силы, вызывающие закручивание стержня. При модуляции одного из магнитных полей резуль- 20 тирующий геликоидально-направленный в пространстве и периодически изменяющийся во времени магнитный поток вызывает крутильные колебания стержня. Таким образом, стержень периодически закручивается по линиям намагниченности. Направление закручивания определяется знаком линейной магнитострикции материала, Простой сдвиг, осуществляемый касательными напряЖениями при магнитострикционном закручивании стержня, эквивалентен главным напряжениям растяжения н сжатия.

При этом главные напряжения в стержне пропорциональны расстоянию до его оси и направлены по винтовым поверхностям-ге- ликоидам, составляющим угол (зт/4) с любым осевым и поперечным сечением стержня в зависимости от направления скручивания.

Максимальное закручивание стержня осуществляется при совпадении угла наклона результирующего геликоидального магнитного поля с направлением действия напряжений в стержне. Однако этот способ требует значительных величин токов для получения необходимых величин магнитных потоков.

Известны устройства для осуществления известного способа, в которых возбуждение крутильных колебаний магнитоупругого стержня осуществляется намагничиванием его

720820 переменным геликоидальным магнитным по(1. током 2j.

Однако эти устройства сложны и неэкономичны.- .-.. - -.-- =-Наибол е близким по технической сущности к изобретению является способ (3), основанный на намагничивании магнитострикционного стержня круговым и продоль"йьпй магнитными потоками, один"йз которых изменяют во времени синусоидально;

Известно устройство для его реализа.— ции, содержащее консольно закрепленный магнитострикционный трубчатый стержень, охваченный взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения — тороидальной, навитой на трубчатый стержень, и аксиальной, проходящей внутри и снаружи его, частотомер, подключенный к одной из обмоток возбуждения и к выходу усилителя, вход которого подключен к противоположным торцам трубчатого стержня.

ФЗ спектральный состав которых способствует возбуждению колебаний стержня" на частотах высших порядков. Ослаблейие частот высших гармоник колебаний может быть достигнуто применением автоматической регулировки усиления (АРУ) или усилителей с амплитудными ограничителями и последующей фильтрацией, что в конечном итоге снижает точность воспроизведеййя колебаний. Наличие составляюшей результирующего геликоидального магнитного потока, направленного в сторону, противоположную действию переменного потока и несинусоидальность составляющих результирующего геличоидального магнитного потока приводят к несинусоидальным колебаниям стержня с малой амплитудой, для возбуждения которых необходима значительная мощность. Увеличение амйлитуды колебаний стержня- сопровождается увеличеso

55 нием подводимой мощности;"что приводит к проявлению нелинейных свойств"в вмде завиОднако, этот способ и реализующее его 2о устройство не дают высокой точйости воспро- изведения крутильных колебаний и требуют значительной мощности на их возбуждение.

Указанные недостатки обусловлены тем, что при постоянном поперечном (продольном)

2Si

"- - -магнитном потоке и переменном синусоидальном продольном (поперечном) магнитном потоке результирующий геликоидальный магнитный поток может ать "представл .н двумя взаимно 1терйендииулярными составляющими с углом подъема л/4 к про- щ дольной оси стержня.. Обе- составляющие имеют ярко выраженный несинусоидальный характер в виде пульсирующих потоков на фоне постоянной составляющей. Вследствие этого в стрежне возникают магнитострикционные напряжения, совпадающие с направлением двух взаимно перпендикулярных составляющих результирующего геликоидального магнитного потока, сложный

4 симостн частоты крутильных колебаний стержнй от амплитуды его колебаний.

Целью изобретения является повышение точности измерений воспроизведения крутильных колебаний и снижение мощности, затрачиваемой на их возбуждение.

Поставленная цель в способе достигается благодаря тому, что другой магнитный поток применяют по закону модуля синусоиды той же частоты с нулевым начальным фазовым сдвигом относительно первого магнитного потока.

В устройстве поставленная цель достигается за счет того, что в него введены последовательно соединенные между собой фазовращатель и двухполупериодный выпрямитель; — выход которого подключен к другой обмотке возбуждения, а вход фазовращателя соединен с выходом усилителя.

Указанная совокупность признаков способствует установлению одночастотного режима колебаний магнитоупругого стержня за счет того, что эпюра интенсивности возбуждающих сил повторяет форму механических колебаний стержня. В предлагаемом способе возбуждения результирующая геликоидальная намагниченность в течение всего периода действия возбуждающих потоков направления под углом л/4 к продольным и осевым сечениям стержня, совпадая с направлением действия механических напря- жений, возникающих при кручении стержня. Амплитуда же колебаний стержня соответствует велич не результирующего геликоидального магнитного потока в каждый момент времени. Использование при возбуждении крутильных колебаний магнитострикционной силы, изменяющейся по гармоническому закону, приводит к снижению мощности, затрачиваемой на возбуждение этих колебаний.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема, устройства. Магнитострииционный трубчатый стержень 1 консольно жестко закреплен в основании 2.

Стержень 1 охвачен взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения: коаксиальной обмоткой возбуждения 3, установленной соосно с трубчатым стержнем 1, и тороидальной обмоткой возбуждения 4, проходящей через стержень 1. К концам труб чатого стержня 1 подключен вход усилителя 5, выход которого подсоединен к коаксиальной обмотке возбуждения 3, частотомеру

6 и к входу фазовращателя 7, последовательно соединенного с входом двухпалупериодного выпрямителя 8. Выход двухполупериодного выйрямителя,8 подключен к тороидальной обмотке возбуждения 4.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.

При включении напряжения питания коаксиальная обмотка возб ждения 3 создает продольный синусоидальный магнит720820

5 ный поток Ф<, Помимо магнитного потока Ф р,, ь стержне 1 действует круговой пульсирующий магнитный поток Ф, создаваемый током тороидальной обмотки возбуждения 4. Пульсирующий круговой магнитный поток Фг изменяется по закону модуля синусоиды и имеет вид полуволны синусоиды с двойной частотой синоусидального продольного магнитного потока. В результате взаимодействия кругового и продольного магнитных потоков в стержне 1 создается результирующий геликоидальный магнитный поток и, как следствие, появляются крутильные механические колебания, совпадающие по форме с интенсивностью возбуждающих сил.

10

При скручивании стержня 1, помещенного в переменное магнитное продольное поле, на его концах возникает периодический электрический сигнал в виде электродвижущей силы (ЭДС) Видемана, полярность которой зависит от направления скручивания стержня, а величина определяется углом его закручивания, Периодический электрический сигнал усиливается усилителем 5. Усиленный электрический сигнал в виде синусоиды с выхода усилит ел я 5 подаетс я на коа ксиальную обмотку возбуждения 3 и частотомер 6. С выхода усилителя 5, который может быть выполнен трансформаторным, синусоидальный сигнал, находящийся в фазе с сигналом, подаваемым на коаксиальную обмотку возбуждения 3, сдвигается по фазе в фазовращателе 7 и после выпрямления в выпрямителе 8, в виде пульсирующих полуволн тока синусоиды одного знака с двойной частотой синусоидального продольного магнитного потока подается в тороидальную обмотку возбуждения 4. Фазовращатель 7 ss необходим, чтобы обеспечить нулевой начальный фазовый сдвиг между круговым магнитным потоком и продольным магнитньгм потоком при неравных между собой индуктивностях тороидальной и коаксиальной обмо-

40 ток возбуждения. Таким образом, в стержне поддерживаются незатухающие механические колебания на частоте его собственных колебаний, фиксируемой частотомером

6. Аналогичная картина будет происходить, если тороидальную обмотку возбуждения 4 4s запитать синусоидальным током, а коаксиальную обмотку возбуждения 3 — пульсирующим током в виде полуволн синусоиды одного знака с двойной частотой тока тороидальной обмотки возбуждения 4 и с нулевым начальным фазовым сдвигом относительно последнего. В этом случае тороидальную обмотку возбуждения 4 необходимо подключить непосредственно к выходу усилителя 5, а. коаксиальную обмотку возбуждения 3 — через последовательно соединенные фазовращатель 7 и выпрямитель 8.

При этом в течение полупериода одновременного действия с нулевым ф азовым ь сдвигом волны модуля синусоиды кругового (продольного) магнитного потока и положительной полуволны продольного (кругового) магниТного потока стержень намагничивается по круговой спирали-геликоиде с углом подъема л/4, совпадающей по направлению с механическими напряжениями в стержне. В соответствии с величиной синусоидально изменяющегося во времени результирующего магнитного потОка происходит магнитострикционное механическое закручивание стержня. В следующий полупериод, когда полярность водны модуля синусоиды кругового (продольного) магнитного потока и полуволны продольного (кругового) магнитного потока противоположны, стержень намагничивается по круговой спирали-геликоиде с углом подъема м/4, но в направлении перпендикулярном намагниченности в течение первого полупериода.

При этом стержень в соответствии с величиной синусоидально изменяющегося результирующего магнитного потока закручивается в другую сторону. Таким образом, механические напряжения совпадают по направлению с результирующей намагниченностью в течение всего периода действия возбуждающих сил . Амплитуда же механических колебаний соответствует величине результирующего геликоидального магнитного потока.

Формула изобретения

1. Способ возбуждения крутильных колебаний, основанный на намагничивании магнитострикционного стержня круговым и продольным магнитными потоками, один из которых применяют во времени синусоидально, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроиведения колебаний и снижения мощности, затрачиваемой на их возбуждение, второй магнитный поток изменяют по закону модуля синусоиды той же частоты. с нулевым начальным фазовым сдвигом относительно первого магнитного потока.

2. УЧтройство для осуществления способа IIO и. 1, содержащее консольно закрепленный магнитострикционный трубчатый стержень, охваченный взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения — тороидальной, навитой на трубчатый стержень и аксиальной, проходящей внутри и снаружи его, частотомер, подключенный к одной из обмоток возбуждения и к выходу усилителя, вход которого подключен к противоположным концам трубчатого стержня, отличающееся тем, что в устройство введены последовательно соединенные между собой фазовращатель и двухполупериодный выпрямитель, выход которого подключен к другой обмотке возбуждения, а вход фазовращателя соединен с выходом усилителя.

720820

Составитель В. Пирогов

Редактор Л. Бибер Техред K. Шуфрич Корректор Е. Папи

Заказ 10247/50 Тираж 729 Поднвсное

ЦЯЙИПИ Государственного комитета СССР йо делам изобретений и открытий

I 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП <Патент», г. Ужгоро)1, ул. Проектная, 4

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Большая Советская энциклопедия, т . 5, изд. третье, М., «Сов. энциклопедия», 1971, с. 30.

2. Авторское свидетельство, СССР № 480293, кл. G 01 N 9/12, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР № 365520, кл . G 0 1 N 9/О, 1 969.