RU2772568C2

RU2772568C2 - Magnetohydrodynamic angular velocity sensor with liquid ferromagnetic rotor

Info

Publication number: RU2772568C2
Application number: RU2019116872A
Authority: RU
Inventors: Денис Сергеевич Кукушкин; Артем Олегович Кузнецов; Александр Сергеевич Яковишин
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2022-05-23

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to gyroscopic angular velocity converters; it can be used to measure motion parameters. A magnetohydrodynamic angular velocity sensor with a liquid ferromagnetic rotor consists of a sensor case, in which a case is rigidly fixed, made of material with a high coefficient of magnetic permeability, in which working liquid is located. At the same time, the case has a circular cross-section, and polyglycol-based ferromagnetic liquid is used as working liquid, while the design provides a bellows connected to a toroidal cavity of the case to compensate for the pressure difference with the environment, electromagnetic pump windings, excitation windings of magnetic angle sensor, Hall sensors, a temperature sensor, the first, the second and the third power amplifiers, a generator of a reference signal frequency, and a microcontroller. At the same time, two pairs of electromagnetic pump windings connected in parallel are connected to two outputs of the first power amplifier, the other two pairs of electromagnetic pump windings connected in parallel are connected to two outputs of the second power amplifier. Excitation windings of the magnetic angle sensor are connected in parallel to an output of the third power amplifier, inputs of the first and the second power amplifiers are connected to outputs of a pulse width modulation of the microcontroller, an output of the generator of the reference signal frequency is connected to an input of the third power amplifier and an input of an ADC of the microcontroller, outputs of four Hall sensors are connected to corresponding inputs of the ADC of the microcontroller, an output of the temperature sensor is connected to an input of the microcontroller.

EFFECT: increase in the accuracy of angular velocity measurement, extension of the range of angular velocity measurement, extension of the operating temperature range, as well as simplification of the device design.

1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к гироскопическим преобразователям угловой скорости и может быть использовано для измерения параметров движения, а именно при разработке бесплатформенных инерциальных навигационных систем и систем управления движением подвижных объектов различного назначения, например для угловой стабилизации вращающихся объектов, таких как: буры установок для глубокого вращательного бурения, системы ориентации и навигации различных космических аппаратов и разгонных блоков, авиационной техники, беспилотных летательных аппаратов, а также в любых отраслях науки и техники, в которых требуется получение информации об угловых скоростях подвижного объекта.The invention relates to gyroscopic angular velocity transducers and can be used to measure motion parameters, namely in the development of strapdown inertial navigation systems and motion control systems for moving objects for various purposes, for example, for angular stabilization of rotating objects, such as: drills for deep rotary drilling, orientation and navigation systems for various space vehicles and upper stages, aviation equipment, unmanned aerial vehicles, as well as in any branches of science and technology that require obtaining information about the angular velocities of a moving object.

Известен гидродинамический гироскоп [RU 2410645 Гидродинамический гироскоп], содержащий корпус, приводимый в движение внешним электродвигателем, ротор со сферической полостью, частично заполненной жидкостью и размещенный в ней сферический поплавок с установленным в его экваториальной плоскости постоянным магнитом кольцевой формы, цилиндрический магнитопровод с закрепленным внутри него полым цилиндрическим каркасом с кольцевой проточкой на наружной поверхности, котором выполнены два кольцевых выступа, расположенных симметрично относительно кольцевой проточки. Полость заполнена фторорганической жидкостью - хладоном 114 В2 с содержанием в нем массовой доли воды не более 0,002%.Known hydrodynamic gyroscope [RU 2410645 Hydrodynamic gyroscope], containing a housing driven by an external electric motor, a rotor with a spherical cavity partially filled with liquid and placed in it a spherical float with a ring-shaped permanent magnet installed in its equatorial plane, a cylindrical magnetic circuit with a fixed inside it a hollow cylindrical frame with an annular groove on the outer surface, which has two annular protrusions arranged symmetrically with respect to the annular groove. The cavity is filled with an organofluorine liquid - freon 114 B2 with a water content of not more than 0.002%.

Недостатками данного гидродинамического гироскопа являются: возникновение фазовой ошибки вследствие проскальзывания поплавка в слое жидкости, а также наличие колебаний и трения в подвесе (в подшипнике скольжения), что снижает точность измерения угловой скорости.The disadvantages of this hydrodynamic gyroscope are: the occurrence of a phase error due to slippage of the float in the liquid layer, as well as the presence of oscillations and friction in the suspension (in the bearing), which reduces the accuracy of measuring the angular velocity.

Известен гидродинамический гироскоп [RU 2433375 Гидродинамический гироскоп], содержащий корпус, ротор со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, электрический двигатель, соединенный посредством муфты с осью ротора, сферический поплавок со сквозным аксиальным отверстием, устройство аксиального центрирования поплавка, жестко закрепленное в центре поплавка и двух осевых опор, установленных в сферической полости вдоль ее оси вращения. Двигатель содержит спиральную ленточную пружину.Known hydrodynamic gyroscope [RU 2433375 Hydrodynamic gyroscope], containing a housing, a rotor with a spherical cavity partially filled with liquid, an electric motor connected by a coupling to the axis of the rotor, a spherical float with a through axial hole, an axial float centering device rigidly fixed in the center of the float and two axial supports installed in a spherical cavity along its axis of rotation. The motor contains a helical band spring.

Недостатком гидродинамического гироскопа являются: трение в подвесе ротора и его разбалансировка, приводящие к снижению точности измерений и уходу гироскопа.The disadvantage of the hydrodynamic gyroscope is: friction in the rotor suspension and its unbalance, leading to a decrease in the measurement accuracy and care of the gyroscope.

Известен гидродинамический гироскоп [SU 263178 А1 Гидродинамический гироскоп], содержащий кожух, сферическая полость которого заполнена жидкостью, поплавок, приводной двигатель и датчик угла, карданный подвес, выполненный в виде крестовины, одна перекладина которой жестко связана со втулкой, укрепленной через шарикоподшипники в поплавке, а другая перекладина соединена через шарикоподшипники с вилкой, которая посредством торсиона связана с кожухом.Known hydrodynamic gyroscope [SU 263178 A1 Hydrodynamic gyroscope], containing a casing, a spherical cavity of which is filled with liquid, a float, a drive motor and an angle sensor, a gimbal made in the form of a cross, one crossbar of which is rigidly connected to a sleeve, reinforced through ball bearings in the float, and the other crossbar is connected through ball bearings to the fork, which is connected to the casing by means of a torsion bar.

Недостатком гидродинамического гироскопа являются трение в подвесе, а также разбалансировка ротора в связи с ростом величины угловой скорости и, как следствие, увеличение порога чувствительности из-за упругой деформации торсионов и отсутствующей обратной связи.The disadvantage of the hydrodynamic gyroscope is the friction in the suspension, as well as the imbalance of the rotor due to the increase in the angular velocity and, as a result, the increase in the sensitivity threshold due to the elastic deformation of the torsion bars and the lack of feedback.

Известен насос высокого давления для жидкого металла [US 2716943 Liquid metal high pressure pump], состоящий из источника питания, нескольких катушек, последовательно соединенных друг с другом, параллельными к ним сопротивлениями, эквивалентные сопротивлению якоря жидкого металла, два намагничиваемых сердечника в осевом направлении, с зазором между ними в центральной части насоса формируют полюсы для радиального магнитного поля. Таким образом, ток, который поступает в насос через проводник развивает магнитодвижущую силу, и, как следствие, течение жидкого металла в насосе.Known high-pressure pump for liquid metal [US 2716943 Liquid metal high pressure pump], consisting of a power source, several coils connected in series with each other, parallel resistances, equivalent to the resistance of the liquid metal armature, two magnetizable cores in the axial direction, with the gap between them in the central part of the pump form the poles for the radial magnetic field. Thus, the current that enters the pump through the conductor develops a magnetomotive force, and, as a result, the flow of liquid metal in the pump.

Недостатками насоса высокого давления для жидкого металла является нагрев жидкого металла при прохождении через него электрического тока, и, следовательно, высокой рассеиваемой мощности, при этом ток проходящий через жидкий метал его ионизирует, что влияет на работу устройства контроля течения жидкости (возникновению зарядов на электродах) и следовательно низкой точности контроля скорости течения.The disadvantages of a high-pressure pump for liquid metal is the heating of the liquid metal when an electric current passes through it, and, consequently, a high power dissipation, while the current passing through the liquid metal ionizes it, which affects the operation of the liquid flow control device (the appearance of charges on the electrodes) and hence the low accuracy of flow velocity control.

Известен магнитогидродинамический гироскоп [US 3026731 Magnetohydrodynamic gyroscope], содержащий узел электромагнитного статора, имеющий концентрические удлиненные элементы магнитного сердечника, разделенные тонким радиальным зазором, в котором вращающееся радиальное магнитное поле, при перемещении вмещающего узла вокруг чувствительной оси определенные вспомогательные вторичные потоки жидкости снижают трение.Known magnetohydrodynamic gyroscope [US 3026731 Magnetohydrodynamic gyroscope], containing an electromagnetic stator assembly having concentric elongated magnetic core elements separated by a thin radial gap in which a rotating radial magnetic field, when the enclosing assembly moves around the sensitive axis, certain auxiliary secondary fluid flows reduce friction.

Одним из существенных недостатков рассматриваемого датчика является изменение характеристик жидкости, обусловленных отсутствием сильфона, что приводит к повышенной температурной зависимости выходного сигнала, так же не производится компенсация изменения сопротивления обмоток выходного сигнала что так же влияет на величину выходного напряжения пропорционального измеряемой угловой скорости.One of the significant disadvantages of the sensor under consideration is the change in the characteristics of the liquid due to the absence of a bellows, which leads to an increased temperature dependence of the output signal, as well as the change in the resistance of the output signal windings is not compensated, which also affects the magnitude of the output voltage proportional to the measured angular velocity.

Известен магнитогидродинамический измеритель угловой скорости [SU 521518 Магнитогидродинамический измеритель угловой скорости], содержащий вращающийся жидкий ротор, соединенный отверстиями с камерой индукционного датчика, помещенной в магнитное поле, который имеет первую пару электродов, связанных с входом усилителя. Вторая пара электродов обратной связи связана через двигатель напряжения с выходом усилителя. При возникновении угловой скорости, вектор которой совпадает с продольной осью камеры, между отверстиями образуется перепад давлений, пропорциональный этой скорости, причем жидкость начинает перетекать в камере, помещенной в магнитное поле, а на электродах образуется напряжение пропорциональное измеряемой скорости.Known magnetohydrodynamic angular velocity meter [SU 521518 Magnetohydrodynamic angular velocity meter], containing a rotating liquid rotor, connected through holes with an induction sensor chamber placed in a magnetic field, which has a first pair of electrodes connected to the input of the amplifier. The second pair of feedback electrodes is connected via a voltage motor to the output of the amplifier. When an angular velocity occurs, the vector of which coincides with the longitudinal axis of the chamber, a pressure difference is formed between the holes proportional to this velocity, and the liquid begins to flow in the chamber placed in a magnetic field, and a voltage proportional to the measured velocity is formed on the electrodes.

Недостатком магнитогидродинамического измерителя угловой скорости является ограниченный диапазон измеряемых угловых скоростей, обусловленный возникновением нелинейности масштабного коэффициента и непостоянством величины кинетического момента, вызванной нарушением ламинарного потока жидкости из-за прямоугольной формы сечения измерительного канала.The disadvantage of the magnetohydrodynamic angular velocity meter is the limited range of measured angular velocities due to the appearance of the scale factor nonlinearity and the variability of the angular momentum value caused by the violation of the laminar fluid flow due to the rectangular shape of the measuring channel section.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявленному изобретению является магнитогидродинамический датчик угловой скорости [Никитин Е.А., Балашова А.А. Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров, М.: Машиностроение, 1960. - 217 с.], состоящий из цилиндрического корпуса, выполненного из материала с высоким коэффициентом магнитной проницаемости, сносно с цилиндрическим корпусом располагается цилиндрический статор с обмотками, создающими вращающееся магнитное поле в кольцевом зазоре между корпусом и статором. С торцов кольцевой зазор замкнут двумя медными втулками, которые выполняют функцию токосборных колец асинхронного двигателя. В кольцевой зазор заливают ртуть, которая увлекается вращающимся магнитным полем статора и выполняющая роль ротора гироскопа. В каждом из торцов кольцевого зазора с ртутью имеется пара отверстий, сообщающихся с дифференциальным датчиком давления 6 образующих вместе датчик угла.The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed invention is a magnetohydrodynamic angular velocity sensor [Nikitin E.A., Balashova A.A. Design of differentiating and integrating gyroscopes and accelerometers, M.: Mashinostroenie, 1960. - 217 p.], consisting of a cylindrical body made of a material with a high magnetic permeability coefficient, a cylindrical stator with windings that create a rotating magnetic field is tolerably located with a cylindrical body an annular gap between the housing and the stator. From the ends, the annular gap is closed by two copper bushings, which act as slip rings of an induction motor. Mercury is poured into the annular gap, which is carried away by the rotating magnetic field of the stator and acts as a gyroscope rotor. Each of the ends of the annular gap with mercury has a pair of holes communicating with the differential pressure sensor 6 forming together the angle sensor.

Одним из существенных недостатков рассматриваемого датчика является низкий порог чувствительности, обусловленный отсутствием сильфона - постоянной составляющей давления девствующего на упругую мембрану датчика давления (отсутствие отрицательной обратной связи). Так же из недостатков можно выделить высокое энергопотребление, так как ртуть является диамагнетиком то, следовательно, для ее разгона в кольцевом зазоре требуется получить достаточно мощное вращающееся низкочастотное электромагнитное поле. При изготовлении такого датчика так же имеются трудности технологического характера из-за высокой степени токсичности ртути, так же применение ртути в конструкции ограничивает области применения датчика.One of the significant drawbacks of the sensor under consideration is the low sensitivity threshold due to the absence of a bellows - a constant component of the pressure acting on the elastic membrane of the pressure sensor (the absence of negative feedback). Also, high energy consumption can be distinguished from the disadvantages, since mercury is a diamagnet, therefore, in order to accelerate it in the annular gap, it is required to obtain a sufficiently powerful rotating low-frequency electromagnetic field. In the manufacture of such a sensor, there are also technological difficulties due to the high degree of mercury toxicity, and the use of mercury in the design limits the scope of the sensor.

Технической проблемой настоящего изобретения является необходимость повышения точности измерения угловой скорости, расширение диапазона измерения угловых скоростей, расширение диапазона рабочих температур и упрощение конструкции прибора.The technical problem of the present invention is the need to improve the accuracy of measuring the angular velocity, expanding the range of measuring the angular velocity, expanding the operating temperature range and simplifying the design of the device.

Техническим результатом является разработанный магнитогидродинамический датчик угловых скоростей, конструкция которого упрощена по сравнению с аналогами, за счет применения ферромагнитной жидкости. Применение несущей жидкости на полигликолевой основе, сохраняющей свои механические характеристики (вязкость) в широком диапазоне температур (от -60 до +300°C), обеспечивает стабильные характеристики чувствительного элемента (движение жидкости в замкнутом контуре ламинарное) и расширяет диапазон рабочих температур. За счет использования круглого сечения замкнутого контура, полностью исключены конвекционные вихри при смещении линий тока ферромагнитной жидкости, как это было в случае с квадратным или прямоугольным сечением [Никитин Е.А., Балашова А.А. Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров, М.: Машиностроение, 1960. - 217 с.] замкнутого контура, таким образом получено расширение диапазона измеряемых угловых скоростей. Так как ферромагнитная жидкость обладает магнитными свойствами по сравнению с диамагнитной ртутью, следовательно, для разгона ферромагнитной жидкости в замкнутом контуре требуется меньше энергии по сравнению с ртутью, за счет чего происходить улучшение энергоэффективности изобретения.The technical result is the developed magnetohydrodynamic angular velocity sensor, the design of which is simplified in comparison with analogues, due to the use of a ferromagnetic fluid. The use of a carrier liquid based on polyglycol, which retains its mechanical characteristics (viscosity) over a wide temperature range (from -60 to +300°C), ensures stable characteristics of the sensing element (liquid flow in a closed circuit is laminar) and extends the operating temperature range. Due to the use of a circular section of a closed loop, convection vortices are completely excluded when the streamlines of a ferromagnetic fluid are displaced, as was the case with a square or rectangular section [Nikitin E.A., Balashova A.A. Design of differentiating and integrating gyroscopes and accelerometers, M.: Mashinostroenie, 1960. - 217 p.] of a closed loop, thus expanding the range of measured angular velocities. Since the ferrofluid has magnetic properties compared to diamagnetic mercury, therefore, less energy is required to accelerate the ferrofluid in a closed circuit compared to mercury, thereby improving the energy efficiency of the invention.

Поставленная задача решается тем, что в магнитогидродинамическом датчике угловой скорости, конструкция не содержит вращающихся механических частей, а носителем кинетического момента в конструкции выступает ферромагнитная жидкость, в качестве датчика угла используется бесконтактный индукционный метод контроля смещения линий тока жидкости в замкнутом контуре круглого сечения; с целью расширения диапазона измерения угловых скоростей использован замкнутый контур круглого сечения; с целью расширения диапазона рабочих температур в качестве несущей жидкости использован раствор на полигликолевой основе получивший широкое распространение в промышленности в качестве тормозной жидкости автотранспортных средств; с целью упрощения конструкции ртуть заменена на ферромагнитную жидкость. Применение несущей жидкости на полигликолевой основе, сохраняющей свои механические характеристики (вязкость) в широком диапазоне температур (от -60 до +300°C), обеспечивает стабильные характеристики чувствительного элемента (движение жидкости в замкнутом контуре ламинарное) и расширяет диапазон рабочих температур.The problem is solved by the fact that in the magnetohydrodynamic angular velocity sensor, the structure does not contain rotating mechanical parts, and the ferromagnetic fluid acts as the carrier of the kinetic moment in the structure; in order to expand the range of measurement of angular velocities, a closed loop of a circular cross section was used; in order to expand the operating temperature range, a polyglycol-based solution, which is widely used in industry as a brake fluid for vehicles, was used as a carrier fluid; in order to simplify the design, mercury was replaced by a ferrofluid. The use of a carrier liquid based on polyglycol, which retains its mechanical characteristics (viscosity) over a wide temperature range (from -60 to +300°C), ensures stable characteristics of the sensing element (liquid flow in a closed circuit is laminar) and extends the operating temperature range.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами, где на фиг. 1 приведена электрокинематическая схема магнитогидродинамического датчика угловой скорости с жидким ферромагнитным ротором; на фиг. 2 показана структурная схема устройства; на фиг. 3 представлен замкнутый жидкостной контур, на котором показано сечение канала; на фиг. 4 приводится пояснение к определению радиуса окружности; на фиг. 5 приводится пояснение к выводу уравнения движения жидкости.The essence of the invention is illustrated by the following drawings, where in Fig. 1 shows an electrokinematic diagram of a magnetohydrodynamic angular velocity sensor with a liquid ferromagnetic rotor; in fig. 2 shows a block diagram of the device; in fig. 3 is a closed fluid circuit showing a cross section of a channel; in fig. 4 provides an explanation for determining the radius of a circle; in fig. 5 provides an explanation for the derivation of the equation of fluid motion.

Магнитогидродинамический датчик угловой скорости с жидким ферромагнитным ротором (фиг. 1 и 2) содержит корпус с тороидальной полостью 1; ферромагнитную жидкость 2; сильфон 3; обмотки электромагнитного насоса 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11; обмотки возбуждения магнитного датчика угла 12, 13, 14, 15; датчики Холла 16, 17, 18, 19; датчик температуры 20; усилитель мощности 21, 22, 23; генератор частоты опорного сигнала 24; микроконтроллер 25, корпус прибора 26.Magnetohydrodynamic angular velocity sensor with a liquid ferromagnetic rotor (Fig. 1 and 2) contains a housing with a toroidal cavity 1; ferrofluid 2; bellows 3; windings of the electromagnetic pump 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11; excitation windings of the magnetic angle sensor 12, 13, 14, 15; Hall sensors 16, 17, 18, 19; temperature sensor 20; power amplifier 21, 22, 23; reference signal frequency generator 24; microcontroller 25, instrument case 26.

Корпус с тороидальной полостью 1 жестко закреплен в корпусе прибора 26 и заполнен ферромагнитной жидкостью 2, сильфон 3 соединен с внутренней полостью корпуса с тороидальной полостью 1 и компенсирует разность давления с окружающей средой. На корпусе с тороидальной полостью 1 (попарно на осях ОY и OX) жестко закреплены обмотки возбуждения магнитного датчика угла 12, 13, 14, 15 и датчики Холла 16, 17, 18, 19. Датчик температуры 20 расположен внутри корпуса 26. Обмотки электромагнитного насоса 4 и 8, соединены параллельно и подключены входом "а" к выходу "а" усилителя мощности 21. Аналогичным образом, обмотки электромагнитного насоса 5 и 9, соединены параллельно и подключены входом "b" к выходу "b" усилителя мощности 21. Обмотки электромагнитного насоса 6 и 10, соединены параллельно и подключены входом "e" к выходу "e" усилителя мощности 22. Обмотки электромагнитного насоса 7 и 11, соединены параллельно и подключены входом "f" к выходу "f" усилителя мощности 22. Обмотки возбуждения магнитного датчика угла 12, 13, 14, 15 соединены параллельно и подключены входом "d" к выходу "d" усилителя мощности 23. Входы усилителей мощности 21 и 22 подключены к выходам широтно-импульсной модуляции (ШИМ) микроконтроллера 25. Выход генератора частоты опорного сигнала 24 соединен со входом усилителя мощности 23, а так же входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера 25. Выходы датчиков Холла 16, 17, 18, 19 соединены с соответствующими входами АЦП микроконтроллера 25. К входу микроконтроллера 25 подключен выход датчика температуры 20.The housing with the toroidal cavity 1 is rigidly fixed in the body of the device 26 and filled with ferrofluid 2, the bellows 3 is connected to the internal cavity of the housing with the toroidal cavity 1 and compensates for the pressure difference with the environment. The excitation windings of the magnetic angle sensor 12, 13, 14, 15 and the Hall sensors 16, 17, 18, 19 are rigidly fixed on the body with a toroidal cavity 1 (in pairs on the OY and OX axes). The temperature sensor 20 is located inside the body 26. The windings of the electromagnetic pump 4 and 8 are connected in parallel and connected by input "a" to the output "a" of the power amplifier 21. Similarly, the windings of the electromagnetic pump 5 and 9 are connected in parallel and connected by the input "b" to the output "b" of the power amplifier 21. The windings of the electromagnetic pumps 6 and 10 are connected in parallel and connected by input "e" to the output "e" of the power amplifier 22. The windings of the electromagnetic pump 7 and 11 are connected in parallel and connected by the input "f" to the output "f" of the power amplifier 22. The excitation windings of the magnetic sensor corners 12, 13, 14, 15 are connected in parallel and connected by the input "d" to the output "d" of the power amplifier 23. The inputs of the power amplifiers 21 and 22 are connected to the outputs of the pulse-width modulation (PWM) of the microcontroller 25. The generator output The reference signal frequency ora 24 is connected to the input of the power amplifier 23, as well as to the input of the analog-to-digital converter (ADC) of the microcontroller 25. The outputs of the Hall sensors 16, 17, 18, 19 are connected to the corresponding inputs of the ADC of the microcontroller 25. An output is connected to the input of the microcontroller 25 temperature sensor 20.

Работа магнитогидродинамического датчика угловой скорости с жидким ферромагнитным ротором осуществляется следующим образом. После подачи питания происходит загрузка программно-математического обеспечения записанного в память микроконтроллера 25, после чего микроконтроллер 25 поочередно задает напряжения U₁ и U₂ на выходах ШИМ, которые поступают на входы усилителей мощности 21 и 22 соответственно. При подаче напряжения U₁ на усилитель мощности 21, в обмотках электромагнитного насоса 4, 8 и 5, 9 протекает ток, причем напряжение на выходе "а", усилителя мощности 21, сдвинуто по фазе относительно напряжения на выходе "b" на угол 30…80 градусов. При этом ферромагнитная жидкость 2 находящаяся в канале корпуса с тороидальной полостью 1 поляризуется не одновременно, а с некоторым запаздыванием, что приводит к ее движению вдоль канала и разгону. Аналогичным образом при подаче напряжения U₂ на усилитель мощности 22, в обмотках электромагнитного насоса 6, 10 и 7, 11 течет ток, причем напряжение на выходе "e", усилителя мощности 22, сдвинуто по фазе относительно напряжения на выходе "f" на угол 60…90 градусов, что так же приводит к поляризации ферромагнитной жидкости с некоторым запаздыванием и ее движению вдоль канала с последующим разгоном. Применение двух усилителей мощности 21 и 22 позволяет повысить скорость и плавность (равномерное распределение скорости) движения ферромагнитной жидкости 2 в канале корпуса с тороидальной полостью 1, а также позволяет реализовать алгоритмы управления позволяющие производить сглаживание переходных процессов при повышенных перегрузках вибрационного и ударного характера.The operation of a magnetohydrodynamic angular velocity sensor with a liquid ferromagnetic rotor is carried out as follows. After power is applied, the software and software stored in the memory of the microcontroller 25 is loaded, after which the microcontroller 25 alternately sets the voltages U ₁ and U ₂ at the PWM outputs, which are fed to the inputs of the power amplifiers 21 and 22, respectively. When voltage U ₁ is applied to the power amplifier 21, current flows in the windings of the electromagnetic pump 4, 8 and 5, 9, and the voltage at the output "a" of the power amplifier 21 is phase-shifted relative to the voltage at the output "b" by an angle of 30 ... 80 degrees. In this case, the ferromagnetic fluid 2 located in the channel of the housing with the toroidal cavity 1 is not polarized simultaneously, but with some delay, which leads to its movement along the channel and acceleration. Similarly, when voltage U ₂ is applied to power amplifier 22, a current flows in the windings of the electromagnetic pump 6, 10 and 7, 11, and the voltage at the output "e", of the power amplifier 22, is phase shifted relative to the voltage at the output "f" by an angle 60 ... 90 degrees, which also leads to the polarization of the ferromagnetic fluid with some delay and its movement along the channel with subsequent acceleration. The use of two power amplifiers 21 and 22 makes it possible to increase the speed and smoothness (uniform distribution of speed) of the movement of the ferrofluid 2 in the channel of the body with the toroidal cavity 1, and also makes it possible to implement control algorithms that make it possible to smooth out transients at increased overloads of a vibrational and shock nature.

Выходное напряжение U_возб генератора частоты опорного сигнала 24, имеет гармонический характер, и поступает на вход усилителя мощности 23, а после чего на обмотки возбуждения магнитного датчика угла 12, 13, 14, 15, которые соединены параллельно и подключены выходу усилителя мощности 23. Выходное напряжение U_возб генератора частоты опорного сигнала 24 так же поступает на вход АЦП микроконтроллера 25 и предназначено для синхронизации измерений. Ферромагнитная жидкость 2, находящаяся корпусе с тороидальной полостью 1, поляризуется вблизи расположения обмоток возбуждения магнитного датчика угла 12, 13, 14, 15. При движении ферромагнитной жидкости 2 в канале корпуса с тороидальной полостью 1 поляризованные (намагниченные) области ферромагнитной жидкости перемещаются вдоль канала корпуса с тороидальной полостью 1. Под действием сил, составляющих гироскопический момент поляризованные области ферромагнитной жидкости 2 перемещаются не только вдоль канала корпуса с тороидальной полостью 1, но и смещаются в поперечном направлении канала корпуса с тороидальной полостью 1 на величину пропорциональную измеряемой угловой скорости. Поперечные перемещения поляризованных областей ферромагнитной жидкости 2 измеряются при помощи датчиков Холла 16, 17, 18, 19, выходной сигнал которых, пропорциональный измеряемой угловой скорости, поступает на соответствующие входы АЦП микроконтроллера 25. Изменение температуры внутри корпуса прибора производится при помощи датчика температуры 20, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой температуре внутри корпуса прибора и поступает на соответствующий вход АЦП микроконтроллера 25.The output voltage U _excitation of the reference signal frequency generator 24 has a harmonic character, and is fed to the input of the power amplifier 23, and then to the excitation windings of the magnetic angle sensor 12, 13, 14, 15, which are connected in parallel and connected to the output of the power amplifier 23. Output the voltage U _exc of the frequency generator of the reference signal 24 is also fed to the input of the ADC of the microcontroller 25 and is intended for synchronization of measurements. The ferrofluid 2, located in the housing with the toroidal cavity 1, is polarized near the location of the excitation windings of the magnetic angle sensor 12, 13, 14, 15. When the ferrofluid 2 moves in the channel of the housing with the toroidal cavity 1, the polarized (magnetized) regions of the ferromagnetic fluid move along the housing channel with a toroidal cavity 1. Under the action of forces constituting the gyroscopic moment, the polarized regions of the ferromagnetic fluid 2 move not only along the body channel with a toroidal cavity 1, but also shift in the transverse direction of the body channel with a toroidal cavity 1 by an amount proportional to the measured angular velocity. The transverse displacements of the polarized regions of the ferromagnetic fluid 2 are measured using Hall sensors 16, 17, 18, 19, the output signal of which, proportional to the measured angular velocity, is fed to the corresponding inputs of the ADC of the microcontroller 25. The temperature inside the device case is changed using the temperature sensor 20, the output the signal of which is proportional to the measured temperature inside the device case and is fed to the corresponding input of the ADC of the microcontroller 25.

Характер движения потока ферромагнитной жидкости 2 может быть ламинарным или турбулентным. В случае ламинарного движения траектория движения частиц ферромагнитной жидкости параллельна оси канала и образует линии тока, повторяющие форму канала и параллельные его оси симметрии. При этом - число Рейнольдса составляет не более 2⋅10³ и определяется формулой:The nature of the flow of ferrofluid 2 can be laminar or turbulent. In the case of laminar motion, the trajectory of ferrofluid particles is parallel to the channel axis and forms streamlines that repeat the shape of the channel and are parallel to its symmetry axis. In this case, the Reynolds number is no more than 2⋅10 ³ and is determined by the formula:

(1)

(one)

где

- средняя скорость потока, определяемая по расходу жидкости; d - диаметр канала;

- кинематическая вязкость.where

- the average flow rate, determined by the flow rate of the liquid; d - channel diameter;

- kinematic viscosity.

Для вывода уравнения движения ферромагнитной жидкости, выделим в ламинарном потоке элементарный объем dV и обозначены системы координат (фиг. 3):To derive the equation of motion of a ferromagnetic fluid, we single out an elementary volume dV in a laminar flow and denote the coordinate systems (Fig. 3):

O_XYZ - система координат, связанная с точкой центра масс тора, заполненного жидкостью;O _XYZ - coordinate system associated with the point of the center of mass of the torus filled with liquid;

O₁xyz - система координат, точка О₁ которой лежит на оси симметрии канала O₁x.O ₁ xyz - coordinate system, point O ₁ which lies on the axis of symmetry of the channel O ₁ x.

Элементарный объем жидкости при этом записывается как:The elementary volume of the liquid is written as:

(2)

Пусть выделенный элементарный объем dV имеет некоторое смещение относительно оси симметрии канала О₁х. На выделенный элементарный объем dV, согласно второму закону Ньютона, действуют силы, которые уравновешиваются движущей силой.Let the allocated elementary volume dV have some displacement relative to the axis of symmetry of the channel O ₁ x. The selected elementary volume dV, according to Newton's second law, is affected by forces that are balanced by the driving force.

(3)

На выделенный элементарный объем ферромагнитной жидкости действуют следующие силы: 1. Сила тяжести. Согласно второму закону Ньютона, сила зависящая от массы "m" и ускорения силы тяжести "g":The selected elementary volume of a ferromagnetic fluid is affected by the following forces: 1. Gravity. According to Newton's second law, the force depending on the mass "m" and the acceleration of gravity "g":

(4)

(four)

Для выделенного объема сила тяжести будет равна:For the selected volume, the force of gravity will be equal to:

(5)

где

- плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести.where

is the density of the liquid; g is the acceleration due to gravity.

При горизонтальном расположении канала сила

направлена перпендикулярно к оси симметрии канала О₁х, вдоль которой движется поток ферромагнитной жидкости 2.With a horizontal channel, the force

is directed perpendicular to the axis of symmetry of the channel O ₁ x, along which the flow of ferromagnetic fluid 2 moves.

2. Центростремительное ускорение. При движении по окружности с радиусом R на точку центра масс "m" (фиг. 4) выделенного элементарного объема dV будет действовать центростремительное ускорение, направленное к оси вращения (фиг. 5) величина которого выражается формулой:2. Centripetal acceleration. When moving along a circle with radius R, centripetal acceleration directed to the axis of rotation (Fig. 5) will act on the center of mass point "m" (Fig. 4) of the selected elementary volume dV, the value of which is expressed by the formula:

(6)

где R - радиус окружности.where R is the radius of the circle.

Так как выделенный объем dV имеет смещение вдоль оси О₁z, то расстояние до оси вращения определим по фиг. 4:Since the selected volume dV has an offset along the O ₁ z axis, the distance to the axis of rotation will be determined from Fig. four:

(7)

3. Составляющая гироскопического момента. Известно, что при вращающении, любое тело приобретает гироскопические свойства, а именно - кинетический момент

. Движение элементарного объема dV по окружности радиуса R приводит к тому, что жидкостной контур приобретает кинетический момент

, вектор которого совпадает с осью симметрии корпуса с тороидальной полостью 1 O_Z (фиг. 4). При воздействии измеряемой угловой скорости

или

(фиг. 1) приложенной к корпусу с тороидальной полостью 1, при этом на элементарный объем dV будет действовать одна из пары сил составляющих гироскопический момент:3. Component of the gyroscopic moment. It is known that during rotation, any body acquires gyroscopic properties, namely, the kinetic moment

. The movement of an elementary volume dV along a circle of radius R leads to the fact that the liquid circuit acquires a kinetic moment

, the vector of which coincides with the axis of symmetry of the body with a toroidal cavity 1 O _Z (Fig. 4). When exposed to the measured angular velocity

or

(Fig. 1) applied to the body with a toroidal cavity 1, while the elementary volume dV will be affected by one of the pair of forces that make up the gyroscopic moment:

(8)

(eight)

где

- гироскопический момент;

- измеряемая угловая скорость действующая вокруг оси OZ;

- кинетический момент.where

- gyroscopic moment;

- measured angular velocity acting around the OZ axis;

- kinetic moment.

Кинетический момент при этом равен:The momentum is equal to:

(9)

где

- осевой момент инерции элементарного объема dV;

- угловая скорость вращения элементарного объема dV.where

- axial moment of inertia of the elementary volume dV;

- angular speed of rotation of the elementary volume dV.

Осевой момент инерции элементарного объема dV массы "m" движущегося на расстоянии R от точки О (фиг. 4) определяется из соотношения:The axial moment of inertia of the elementary volume dV of the mass "m" moving at a distance R from the point O (Fig. 4) is determined from the relation:

(10)

(ten)

Угловая скорость вращения элементарного объема dV связана со средней скоростью потока следующим соотношением:The angular velocity of rotation of an elementary volume dV is related to the average flow velocity by the following relationship:

(11)

(eleven)

Принимая выделенный объем dV как материальную точку массой "m" согласно фиг. 4 записывается гироскопический момент как:Taking the allocated volume dV as a material point of mass "m" according to FIG. 4, the gyroscopic moment is written as:

(12)

Так как гироскопический момент обусловлен парой сил, то следовательно,получено:Since the gyroscopic moment is due to a pair of forces, therefore, it is obtained:

(12*)

илиor

(12**)

Плечо

приложения пары сил F₁ и F₂ составляющих гироскопический момент

определяется из известного соотношения, как гипотенуза при известном значении двух катетов:Shoulder

application of a pair of forces F ₁ and F ₂ constituting the gyroscopic moment

is determined from a known ratio, as a hypotenuse with a known value of two legs:

(13)

Откуда сила действующая на элементарный объем определяется следующим соотношением:Whence the force acting on the elementary volume is determined by the following relation:

(14)

(fourteen)

Учитывая, что сила F₁ приложена под углом к нормали, определяется угол наклона вектора и проекцию этой силы:Given that the force F ₁ is applied at an angle to the normal, the angle of inclination of the vector and the projection of this force are determined:

(14*)

(fourteen*)

4. Равнодействующая силы давления зависит от разницы давления текущей жидкости на переднюю и заднюю грани выделенного объема в направлении движения жидкости. Предполагается, что если на заднюю грань выделенного объема будет действовать давление "p", то на переднюю будет действовать избыточное, определяемое как приращение равное частной производной длины выделенного объема по координате оси движения (фиг. 5). При движении жидкости вдоль оси О₁х будет иметь вид:4. The resultant pressure force depends on the difference in the pressure of the flowing fluid on the front and back faces of the selected volume in the direction of fluid movement. It is assumed that if pressure "p" acts on the rear face of the selected volume, then the excess pressure, defined as an increment equal to the partial derivative of the length of the selected volume along the coordinate of the axis of motion, will act on the front face (Fig. 5). When the fluid moves along the O axis, ₁ x will look like:

(15)

(fifteen)

Равнодейcтвующая силы двления в этом случае определяется как:The resultant force of pressure in this case is defined as:

(16)

При этом равнодейcтвующая силы двления направлена в сторону противоположную движению жидкости.In this case, the resultant force of pressure is directed in the direction opposite to the movement of the liquid.

5. Сила трения, как правило, направлена в противоположную сторону относительно вынуждающей силы и противодействует движению. В данном случае возникает на боковых (левой и правой) гранях выделенного элементарного объема. Согласно закону жидкостного трения Ньютона, между слоями жидкости в любой точке потока возникает касательное напряжение определяемое как произведение поперечного градиента скорости и динамического коэфициента вязкости:5. The force of friction, as a rule, is directed in the opposite direction relative to the driving force and counteracts the movement. In this case, it occurs on the side (left and right) faces of the selected elementary volume. According to Newton's law of fluid friction, shear stress arises between fluid layers at any point in the flow, which is defined as the product of the transverse velocity gradient and the dynamic viscosity coefficient:

(17)

где

- динамический коэффициент вязкости;

- поперечный градиент скорости.where

- dynamic coefficient of viscosity;

is the transverse velocity gradient.

Грань, у которой скорость движения жидкости выше, действует избыточная сила тения, определим для выделенного объема ранодействующую этой силы трения:The face, in which the velocity of the fluid is higher, is affected by an excess force of friction, we determine for the selected volume the early force of this friction force:

(18)

(eighteen)

Согласно закону трения Ньютона, принимается:According to Newton's law of friction, it is accepted:

(19)

и получено:and received:

(20)

(twenty)

Равнодействующая всех сил, действующих осносительно направления движения жидкости:The resultant of all forces acting relative to the direction of fluid movement:

(21)

Однако, согласно закону Ньютона записывается:However, according to Newton's law it is written:

(22)

записывается уравнение (21) с учетом (22):equation (21) is written taking into account (22):

(23*)

уравнение (23*) - в результате сокращения dV - примет вид:equation (23*) - as a result of the reduction dV - will take the form:

(23)

В левой части полученного уравнения записана

- полная производная от скорости по времени, которую можно записать в частных производных:On the left side of the resulting equation is written

- the total derivative of the speed with respect to time, which can be written in partial derivatives:

(24)

В результате - получено развернутое уравнение движения жидкости в горизонтальном канале.As a result, an expanded equation of fluid motion in a horizontal channel has been obtained.

(23**)

Так как, течение жидкости ламинарное, то для канала ограниченного сечения составляющие:Since the fluid flow is laminar, then for a channel of limited cross section the components are:

(*)

Учитывая (*), а также (14) и (14*), переписывается уравнение (23**):Taking into account (*), as well as (14) and (14*), equation (23**) is rewritten:

(25)

где

(**) - кинематическая вязкость.where

(**) - kinematic viscosity.

Полученное уравнение (25) описывает движение жидкости в горизонтальном канале с учетом гироскопических сил, действующих при угловом движении канала.The resulting equation (25) describes the motion of a fluid in a horizontal channel, taking into account the gyroscopic forces acting during the angular motion of the channel.

В случае наклонного расположения канала появляется составляющая силы тяжести

, направленная против направления движенияIn the case of an inclined arrangement of the channel, a component of the gravity force appears

, directed against the direction of movement

жидкости. Учитывая это, уравнение (21):liquids. Given this, equation (21):

Для наклонного расположения канала уравнение (25) примет следующий вид:For an inclined arrangement of the channel, equation (25) takes the following form:

Однако, при замкнутом жидкостном канале тороидальной формы составляющая силы тяжести всегда будет компенсироваться такой же составляющей противоположной по знаку, вследствие чего уравнение (25) для замкнутого тороидального канала не зависит от его углового положения.However, with a closed toroidal liquid channel, the gravity component will always be compensated by the same component of the opposite sign, as a result of which equation (25) for a closed toroidal channel does not depend on its angular position.

Практической реализацией с численными параметрами, подтверждающей достижение заявленного результата, является математическая модель (фиг. 6), созданная в САПР Matlab, которая содержит жидкостной контур состоящий из угловых сегментов 4 сегментов образующих замкнутый жидкостной контур тороидальной формы, при этом между сегментами включены идеальные циркуляционные насосы, обеспечивающие непрерывную циркуляцию жидкости внутри контура. В качестве типа жидкости указана тормозная жидкость "Brake fluid DOT 3/4/5", для каждого из типов был произведен отдельный замер и сопоставлены данные. В результате - были получены графики, представленные на фиг. 7.A practical implementation with numerical parameters, confirming the achievement of the claimed result, is a mathematical model (Fig. 6) created in Matlab CAD, which contains a liquid circuit consisting of 4 angular segments forming a closed toroidal liquid circuit, while ideal circulation pumps are included between the segments , providing continuous circulation of fluid inside the circuit. Brake fluid DOT 3/4/5 is indicated as the type of fluid, and a separate measurement was made for each type and data was compared. As a result, the graphs shown in Fig. 7.

Технико-экономическая эффективность практического использования предлагаемого устройства заключается в следующем:The technical and economic efficiency of the practical use of the proposed device is as follows:

1. Использование ферромагнитной жидкости по сравнению с ртутью и другими веществами, используемыми в качестве ротора, позволяет снизить энергопотребление устройства, тем самым сделав его более экономичным и менее требовательным к электрическому питанию.1. The use of ferrofluid, compared to mercury and other substances used as a rotor, can reduce the power consumption of the device, thereby making it more economical and less demanding on electrical power.

2. За счет применения магнитного датчика угла достигается повышение точности измерений и упрощение конструкции прибора.2. Due to the use of a magnetic angle sensor, an increase in the accuracy of measurements and a simplification of the design of the device are achieved.

3. Тороидальная форма внутренней полости позволяет расширить диапазон измеряемых угловых скоростей.3. The toroidal shape of the inner cavity allows expanding the range of measured angular velocities.

4. Температурная компенсация позволяет расширить диапазон рабочих температур без удорожания стоимости устройства и применения новых материалов.4. Temperature compensation allows you to expand the operating temperature range without increasing the cost of the device and the use of new materials.

Claims

Magnetohydrodynamic angular velocity sensor with a liquid ferromagnetic rotor, consisting of a sensor body in which a body is rigidly fixed, made of a material with a high magnetic permeability, in which there is a working fluid, characterized in that the body has a round cross section, and the working fluid is used ferromagnetic fluid based on polyglycol, while the design provides for a bellows connected to the toroidal cavity of the housing to compensate for the pressure difference with the environment, the windings of the electromagnetic pump, the excitation windings of the magnetic angle sensor, Hall sensors, temperature sensor, the first, second and third power amplifiers, a reference signal frequency generator and a microcontroller, while two pairs of parallel-connected windings of an electromagnetic pump are connected to two outputs of the first power amplifier, two other pairs of parallel-connected windings of an electromagnetic pump are connected to two outputs of the second power amplifier. nitrous pump, and the excitation windings of the magnetic angle sensor are connected in parallel to the output of the third power amplifier, the inputs of the first and second power amplifiers are connected to the outputs of the pulse-width modulation of the microcontroller, the output of the reference signal frequency generator is connected to the input of the third power amplifier and the input of the ADC of the microcontroller, the outputs of four Hall sensors are connected to the corresponding inputs of the ADC of the microcontroller, the output of the temperature sensor is connected to the input of the microcontroller.