 |
Фотоэлектрические преобразователи 5 глава
|
|
|
|
Если магнитодвижущую силу F 1, т.е. ток I 1 поддерживать по- стоянным, то величина потока Ф и индуцированная во вторичной обмотке ЭДС будут функциями длины воздушного зазора, свя- занной с величиной силы Р соотношением:
E = ww Ф = ww
F 1 f (P).
2 2 2 ZМ
В преобразователе на рис. 4.49, б под воздействием измеряе- мой величины перемешается короткозамкнутый виток, с которым
сцепляется определенная часть потока. Поток, сцепляющийся с витком, индуцирует в нем токи, зависящие от положения витка в зазоре, создает активные потери, т.е. вносит дополнительное ре- активное магнитное сопротивление При этом поток сцепления обмоток 1 и 2 изменяется и изменяет ЭДС во вторичной обмотке.
Преобразователь (рис. 4.49, в) предназначен для измерения больших линейных перемещений ∆ l и состоит из магнитопровода 2 с рабочей частью в виде двух параллельных полос, обмотки возбуждения 1 и подвижной обмотки 3. При перемещении об- мотки 3 от положения а до положения b индуцированная в об- мотке 3 ЭДС возрастает.
Преобразователи, изображенные на рис. 4.49, г, можно приме- нять для измерения больших угловых перемещений. Обмотка w 1включается в цепь переменного тока, имеющего частоту ω, и со- здает магнитный поток. Часть его проходит через обмотку 4 и наводит в ней Е2 Обмотка 4 в таком преобразователе выполнена в виде рамки, имеющей возможность поворачиваться в кольцевом зазоре магнитной цепи 2. При крайних положениях рамки (α1 и α2) индуцированная в ней ЭДС E2 имеет максимальное значение. По мере поворота рамки в горизонтальное положение ЭДС Е2 линейно уменьшается до нуля. При переходе рамки через гори- зонтальное положение фаза Е 2изменяется на 180°. Обмотка 3 включается последовательно с обмоткой 4 рамки для получения изменения ЭДС преобразователя от нуля до максимума при по- вороте рамки от α1до α2.
|
|
|
Для расширения линейного участка характеристики Е = f (δ) трансформаторные преобразователи с подвижным сердечником (рис. 4.50, а) и подвижным короткозамкнутым витком (рис. 4.50, б) выполняют в виде дифференциальных трансформаторных преоб- разователей.
Ук
Ук
w2 w2
w1 w1
~
w2 w2
w1
~
Рис. 4.50. Дифференциальные трансформаторные преобразователи: а – с подвижным сердечником; б – с подвижным витком
Расчет индуктивных и взаимно индуктивных преобразовате- лей складывается из определения полного магнитного сопротив- ления R м, т. е. из расчета его магнитной цепи и последующего вычисления электрических параметров (L, М) преобразователя.
Выбор МДС катушки определяется рядом факторов, так как от МДС зависят, по крайней мере, четыре величины, учет которых необходим при проектировании преобразователя:
• значение полной мощности преобразователя, которую в пер- вом приближении можно принять равной его реактивной мощности:
РПр=ωФF,
где Р Пр– полная мощность преобразователя; ω – угловая частота;
Ф – магнитный поток; F – МДС.
Если мощность указателя задана, то мощность преобразовате- ля должна быть в десятки, сотни раз больше мощности указателя:
• габаритные размеры преобразователя, так как ток в прово- локе и число витков катушки определяют габаритные размеры катушки;
• температура нагрева катушки, так как эта температура опреде- ляется удельной потерей активной мощности Р ’ в преобразователе:
P’=P/S,
где P – активная мощность преобразователя; S – поверхность охлаждения катушки.
Так как относительное изменение сопротивления ∆ Z/Z катуш- ки, обусловленное рабочим перемещением якоря, не превосходит практически 10...20%, то изменение сопротивления постоянному току вследствие нагрева должно быть минимальным, поэтому величину Р рекомендуется ограничивать значением 50...100 Вт/м2;
|
|
|
• электромеханическая сила F притяжения якоря к сердечнику:
2 D gd
FЭ = (Iw) D d,
где γδ – магнитная проводимость воздушного зазора,
g = Sm 0.
d d
Отсюда:
F = Sm 0 (Iw) 2.
Э d
Необходимо, чтобы электромеханическая сила была много меньше усилия, вызывающего измеряемое перемещение. В про- тивном случае работе преобразователя будет неустойчивой.
В зависимости от конкретных технических условий значение МДС определяется по одной из перечисленных выше величин. Выбранное значение МДС может быть обеспечено либо малым током при большом числе витков, либо большим током при ма- лом числе витков.
При определении числа витков катушки заданными величи- нами являются МДС и площадь сечения окна катушки. Ни полная мощность, ни относительная чувствительность преобразователя от числа витков не зависят:
P = I 2 Z;k = D Z/ D Z
= e.
D d D d
Решение вопроса о выборе числа витков катушки определяет- ся необходимостью правильного сочетания сопротивлений указа- теля и цепи, элементом которой является преобразователь.
Погрешности индуктивных преобразователей. В основном они обусловлены колебаниями напряжения и частоты источника питания, а также колебаниями температуры преобразователя. Для дифференциальных преобразователей с идеальной симметрией равновесного моста отсутствуют погрешности, вызванные внеш- ними факторами. Однако идеальной симметрии обеих половин преобразователя достигнуть практически невозможно, поэтому те погрешности имеют место и в дифференциальных преобразова- телях.
Зависимость параметров преобразователя от величины и ча- стоты питающего напряжения обусловлена нелинейностью маг- нитного сопротивления стальной части магнитной цепи и резко зависит от величины индукции и режима работы преобразовате- ля. При работе преобразователя в цепи равновесного моста зна- чение индукции в сердечнике целесообразно выбирать соответ- ствующим, так как в этом случае работа измерительной цепи преобразователя практически не зависит от колебания напряже- ния источника питания (±50 %).
При измерении динамических процессов частота источника питания должна быть в восемь-десять раз больше частоты изме- ряемого процесса, чтобы запись измеряемой величины проводи- лась без искажений. При низких частотах измеряемого процесса преобразователи питаются током промышленной частоты.
|
|
|
При использовании сердечника, сделанного из листовой ста- ли, можно увеличить частоту питания до 1...2 кГц, а при исполь- зовании ферритовых сердечников – до 100...300 кГц.
Радикальное средство уменьшения погрешностей от внешних факторов – увеличение относительной чувствительности преоб- разователя к измеряемой величине, так как чувствительность преобразователя к внешним факторам не зависит от измеряемой величины.
Индуктивные преобразователи широко применяют в основном для измерения линейных и угловых перемещений. Рассмотрим принцип использования индуктивных преобразователей для из- мерения различных неэлектрических величин.
Индуктивный микрометр. Предназначен для измерения ли- нейных размеров и для измерения отклонения от заданных раз- меров. Преобразователи индуктивных микрометров можно вы- полнить как с рычажной передачей от измерительного штока к якорю, так и без нее.
Преобразователи безрычажной передачи конструктивно проще, но обладают малой относительной чувствительностью, а следовательно, большими погрешностями, так как здесь пере- мещение якоря равно измеряемому перемещению. В преобразо- вателе с рычажной передачей перемещение якоря в десятки раз больше, чем измеряемое перемещение, что приводит к большим значениям относительной чувствительности и к малым погреш- ностям измерения. Наименьший предел измерения у подобных микрометров достигает 100 мкм, в то время как у безрычажных микрометров наименьший предел измерения составляет 300...400 мкм.
Индуктивный толщиномер. Предназначен для измерения толщины гальванических покрытий. На рис. 4.51 представлена схема прибора для измерения толщины гальванических покрытий в диапазоне 2...60 мкм.
TV3
Ук
TV1
Б TV2
~
1
Рис. 4.51. Схема прибора для измерения толщины гальванических покрытий: 1 – испытуемая деталь
|
|
|
Преобразователь представляет собой трансформатор TV1 с разомкнутой магнитной цепью, магнитный поток которого замы- кается через испытуемую деталь 1. Величина магнитного потока трансформатора при заданной МДС первичной обмотки зависит от толщины ее покрытия, следовательно, индуцированная во вто- ричной обмотке ЭДС будет функцией толщины покрытия. Маг- нитоэлектрический измеритель включен через выпрямительный узел. Реостат позволяет регулировать равновесие цепи. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В через трансформаторы TV2, TV3 и бареттер Б.
Индуктивный манометр. Его применяют для измерения ма- лых давлений воздуха (от 15 Н/м2, т.е. 1,5 мм вод. ст.), изменяю- щихся с частотой до 800 Гц. Устройство индуктивного датчика манометра представлено на рис. 4.52. Измеряемое давление дей- ствует через трубку 1 на тонкую гофрированную мембрану 6, припаянную к корпусу преобразователя 2. Магнитный поток, со- здаваемый катушкой 5, замыкается через сердечник 3, стаканы 4
и мембрану 6.
4
5
3
6
2
1
Рис. 4.52. Устройство индуктивного датчика манометра: 1 – трубка;
2 – корпус преобразователя; 3 – сердечник; 4 – стакан; 5 – катушка;
6 – мембрана
При воздействии измеряемого давления на мембрану с одной стороны мембрана прогибается и магнитное сопротивление для потока одной катушки уменьшается, а для потока другой катуш- ки увеличивается. Катушки преобразователя включаются в со- седние плечи моста, благодаря чему устраняются погрешности, обусловленные влиянием изменения окружающей температуры.
Существуют индуктивные уровнемеры, виброметры, акселе- рометры и др.
4.8. Магнитоупругие преобразователи
Магнитоупругие преобразователи являются разновидностью электромагнитных преобразователей. Они основаны на явлении изменения магнитной проницаемости μ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений, связанных с действием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручиваю- щих). Изменение магнитной проницаемости ферромагнитного
сердечника вызывает изменение магнитного сопротивления сер- дечника RM. Изменение же R мведет к изменению индуктивности катушки L, находящейся на сердечнике. Таким образом, в магни- тоупругом преобразователе мы имеем следующую цепь преобра- зований:
P ® s ® m ® Rм ® L.
(4.13)
Магнитоупругие преобразователи могут иметь две обмотки трансформаторного типа. Под действием силы Р вследствие из- менения магнитной проницаемости μ изменяется взаимная ин- дуктивность между обмотками и наводимая ЭДС вторичной об- мотки Е. Цепь преобразования в этом случае имеет вид
|
|
|
P ® s ® m ® Rм ® M ® E.
(4.14)
Эффект изменения магнитных свойств ферромагнитных мате- риалов под влиянием механических деформаций называют маг- нитоупругим эффектом.
Существует и обратное явление: ферромагнитное тело, вне- сенное в магнитное поле, изменяет свои размеры (иначе говоря, внешнее магнитное поле вызывает механические деформации ферромагнитного тела). Явления, возникающие вследствие вза- имной зависимости между механическими и магнитными состоя- ниями ферромагнитных тел, называются магнитострикционны- ми. Пол численным значением магнитострикции понимают отно- сительное изменение ∆l / l =λ длины l стержня, обусловленное воз- действием внешнего магнитного поля.
Опыт показывает, что магнитострикционные и магнитоупру- гие явления не однозначны. Некоторые ферромагнитные тела имеют положительную магнитострикцию, т. е. увеличивают раз- меры в направлении магнитного поля; у некоторых же она отри- цательная, т.е. тела уменьшают свои размеры в направлении маг- нитного поля. Величина магнитострикции и ее знак зависят от
материала магнитной цепи, его термообработки, температуры и напряженности магнитного поля.
Характер зависимости магнитострикции ∆l / l =λ от напряжен- ности Н намагничивающего поля для различных ферромагнит- ных материалов показан на рис. 4.53, а.
λ·10-6100
Сплав 54% Pl+46%Fe
Сплав 54% Pl+46%Fe B H=2,18
1,02
80
60
40
20
0
-20
-40
0,10
0,05
Co
H
Fe
Ni
0,84
0,66
0,49
0,31
0,21
0,13
|
0,06
|
20 40 60 80
0 20 40 60 P
а б
Рис. 4.53. Зависимости λ = f(H) (а) и В = f(P) (б)
Магнитоупругий эффект тоже неоднозначен. Для одного и то- го же материала под действием механического напряжения маг- нитная проницаемость в слабых полях может возрастать, в то время как в сильных полях она может падать. На рис. 4.53, б при- ведены кривые изменения индукции В в функции механической нагрузки Р при различных значениях напряженности поля Н для проволоки из мягкой стали.
Типы преобразователей. Магнитоупругие преобразователи могут работать как переменные индуктивные сопротивления, ве- личина которых определяется приложенным к сердечнику меха- ническим усилием, и как трансформаторные преобразователи с переменной взаимной индуктивностью между обмотками.
На рис. 4.54 представлены разновидности магнитоупругих преобразователей индуктивного (рис. 4.54, а, б) и трансформа- торного (рис. 4.54, в, г) типов.
P P P P
w1 w2
L=f(P) L=f(P)U1
U2=f(P)
U1
w2 w1
а б в г
Рис. 4.54. Разновидности магнитоупругих преобразователей: индуктивного (а, б ) и трансформаторного (в, г) типов
Магнитная цепь магнитоупругих преобразователей выполня- ется чаще всего из сплошного материала. Сердечник имеет щели для размещения обмотки. В разъемных конструкциях готовую катушку надевают на сердечник. На рис. 4.55, а изображен тен- зометрический магнитоупругий преобразователь индуктивного типа, в котором в качестве катушки 1, сердечника 2 используется проволока из пермаллоя.
На рис. 4.55, б изображена магнитная цепь преобразователя, выполненная из тонкого листа пермаллоя, наклеиваемого на ис- пытуемую деталь.
У магнитоупругих преобразователей на переменном токе ЭДС во вторичной обмотке будет являться функцией изменения вза- имной индуктивности между катушками, обусловленной измене- нием магнитной проницаемости сердечника. Если первичную обмотку магнитоупругого преобразователя трансформаторного типа питать постоянным током, то он превращается в магнито- упругий преобразователь индукционного типа. В этом случае при измерении быстропеременных процессов во вторичной обмотке
будет индуцироваться ЭДС, мгновенное значение которой опре- деляется по формуле
dФ e = - w 2 dt
ds
= - cw 2 dt
, (4.15)
где w2 – число витков вторичной обмотки; с – коэффициент про- порциональности, зависящий от свойств материала и напряжен- ности намагничивающего поля; a – напряжение в материале сер- дечника.
1
2
|
|
а б
Рис. 4.55. Тензометрический магнитоупругий преобразователь индуктивного типа (а) и его магнитная цепь (б):
1 – катушка; 2 – сердечник
Чувствительность магнитоупругих преобразователей можно характеризовать, подобно тензосопротивлениям, коэффициентом тензочувствительности
S = D m / m = em
, (4.16)
e D l / l el
в тех случаях, когда магнитоупругие преобразователи использу- ются для измерения деформации ∆ l других деталей, т.е. когда естественной входной величиной является перемещение. Обычно вследствие массивности магнитной цепи магнитоупругие преоб- разователи в качестве естественной величины воспринимают значение действующей на него силы. В этом случае относитель- ной магнитоупругой чувствительностью материала называют от-
носительное изменение магнитной проницаемости ∆μ/μ, вызыва- емое единицей механического напряжения о, т.е.:
|
s
Теория ферромагнетизма дает теоретические соотношения, позволяющие обоснованно подойти к выбору материала магни- тоупругого преобразователя.
Погрешности магнитоупругих преобразователей
· Погрешность из-за нелинейности функции преобразователя. Функция преобразования магнитоупругих преобразователей, как правило, нелинейна. Имеется ряд методов уменьшения этой нелинейности. Нелинейность уменьшается при сокращении диа- пазона измеряемой силы, при соответствующем выборе магнит- ного режима преобразователя и т.д. Применение соответствую- щих мер позволяет уменьшить погрешность из-за нелинейности
функции преобразования до 1,5...2%.
· Магнитоупругая погрешность. Это погрешность невоспро- изводимости магнитного состояния сердечника преобразователя при нагрузке и разгрузке. Ее возникновение обусловлено магни- тоупругим гистерезисом. Магнитоупругая погрешность γмуменьшается с увеличением напряженности магнитного поля в сердечнике. Для получения возможно меньшей магнитоупругой погрешности сердечник следует изготовлять из ферромагнитных материалов с узкой петлей магнитного гистерезисного цикла и высоким пределом упругости.
· Погрешность от колебания напряжения. При изменении намагничивающего тока меняется как начальное значение маг- нитной проницаемости, так и величина магнитоупругого эффек- та. Поэтому стабилизация напряжения питания необходима всех
типов датчиков. Иначе погрешность от колебания напряжения источника питания будет недопустимо большой.
· Температурная погрешность. Колебания температуры пре- образователя вызывают: изменение сопротивления R катушки постоянному току, изменение начальной магнитной проницаемо- сти и изменение магнитострикции, а следовательно, и магнито- упругого эффекта. Все эти изменения создают температурную погрешность. Но изменение активного сопротивления R мало сказывается на работе преобразователя, так как активное сопро- тивление значительно меньше полного сопротивления преобра- зователя.
Изменение магнитной проницаемости может иметь положи- тельный и отрицательный знак в зависимости от материала пре- образователя и рабочего значения напряженности поля. Таким образом, в зависимости от выбранного материала сердечника и рабочего значения напряженности поля отдельные факторы при колебаниях температуры могут компенсировать друг друга в из- вестных пределах. В случае необходимости температурную по- грешность можно скорректировать при помощи включения в со- седнее плечо моста корректирующего преобразователя, идентич- ного с рабочим и находящегося в тех же температурных услови- ях, но не подвергающегося нагрузке.
Применение магнитоупругих преобразователей
Магнитоупругие преобразователи используются:
• для измерения больших давлений (больше 10 Н/мм2, или 100 кг/см2), так как они непосредственно воспринимают давление и не нуждаются в дополнительных преобразователях;
• измерения силы, так как эти преобразователи деформиру- ются под действием силы очень незначительно. Например, при l = 50 мм, ∆ l <10 мкм они имеют высокую жесткость и собствен-
ную частоту до 20...50 кГц. В этом случае предел измерения при- бора определяется площадью магнитоупругого преобразователя. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобра- зователя не должны превышать 40 Н/мм. Рассмотрим принцип использования магнитоупругих преобразователей для измерения различных неэлектрических величин.
Измерение крутящего момента. В качестве примера исполь- зования магнитоупругих преобразователей на рис. 4.56 приведена конструкция датчика магнитоупругого торсиометра, применяе- мого для измерения крутящего момента на буровом инструменте. Магнитоупругим элементом является участок рабочего вала 2, выполненного из ферромагнитного материала. Этот участок вала охвачен кольцевым статором 1. Статор имеет внутренние ради- ально расположенные выступы (полюсы) 4 из листовой транс- форматорной стали, на которые намотаны намагничивающие ка- тушки 6, питаемые переменным током.
~
1
2
3
4
5
6
Рис. 4.56. Устройство датчика магнитоупругого торсиометра:
1 – статор; 2 – рабочий вал; 3 – измерительные катушки; 4 – полюсы; 5 – сердечник; б – намагничивающие катушки
Катушки соединены последовательно так, чтобы полюса чере- довались. При отсутствии крутящего момента направление маг-
нитного потока между полюсами перпендикулярно образующей вала (линия 2–2 на рис. 4.57).
0,4
0,5
2
0,6
2
µ1>µ
µ2>µ
1 I 1 I
0,4
2
0,5
0,6
0,4
0,5
0,6 2
Рис. 4.57. Картина поля между полюсами 1–1, 2 – 2 намагничивающих катушек
Измерительные катушки 3 преобразователя (см. рис. 4.56) имеют сердечник 5 П-образной формы из трансформаторной ста- ли. Их оси расположены вдоль образующей вала. Катушки со- единены последовательно. При отсутствии крутящего момента концы сердечника 5 расположены на одной и той же относитель- ной магнитной эквипотенциальной линии 0,5 и, следовательно, разности магнитного потенциала между ними нет.
При действии крутящего момента изменится магнитная прони- цаемость μ материала вала, причем в направлениях, в которых вал испытывает деформацию сжатия, μ будет уменьшаться, а в направ- лениях деформации растяжения – увеличиваться.
Вследствие возникшей магнитной анизотропии изменится картина поля между полюсами намагничивающих катушек, т.е. полюса 2–2 сердечника измерительной катушки уже не будут находиться на одной эквипотенциальной линии, и через сердеч- ник пойдет часть магнитного потока. При изменении знака мо- мента картина поля изменится на обратную и на 180º изменится
фаза потока, а следовательно, и фаза выходного напряжения, ин- дуцированного в катушке.
Магнитоупругий динамометр. Этот прибор предназначен для измерения сосредоточенных сил. На рис. 4.58 представлена измерительная цепь магнитоупругого динамометра, где Zx – со- противление рабочего преобразователя, a Z N – сопротивление не- нагруженного (нерабочего) преобразователя. В исходном состоя- нии (Z X = Z N ) измерительная цепь уравновешена и ток, протека- ющий через указатель, равен нулю. При Z x ≠ Z Nчерез указатель протекает ток. Шкала указателя может быть проградуирована в единицах измеряемой силы.
R TV
ZN
Ук
Zx
Рис. 4.58. Измерительная цепь магнитоупругого динамометра
Частота собственных колебаний преобразователя достигает нескольких десятков тысяч герц, что дает возможность при соот- ветствующем выборе частоты источника питания измерять дина- мические силы до частот порядка 10 кГц.
4.9. Генераторные преобразователи
Пьезоэлектрические преобразователи выполняются из мате- риалов, в которых может возникать пьезоэлектрический эффект. Пьезоэффект может быть прямым и обратным.
Прямой пьезоэффект заключается в возникновении электри- ческих зарядов на гранях пьезоэлектрика при воздействии на него
механической силы, вызывающей напряжение в материале. При устранении силы заряды исчезают.
Обратный пьезоэффект проявляется в том, что пьезоэлек- трик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геомет- рические размеры. Чаще всего в качестве пьезоэлектрика приме- няется кварц, на примере которого и рассмотрим принцип дей- ствия пьезоэлектрического преобразователя.
|
|
|
