 |
Вращающиеся и вибрирующие катушки
|
|
|
|
Как и в пассивных ИК, принцип работы рассматриваемых здесь преобразователей основан на законе электромагнитной индукции Фарадея (разд. 1.3), т.е. ЭДС, наводимая в ИК, равна 
. Но изменение потокосцепления здесь происходит не за счет изменяющегося переменного МП, а за счет вращения или вибрирования ИК.
|
| Рис. 20. Вращающаяся катушка |
Пример преобразователя с вращающейся ИК представлен на рис. 20 [8]. Он представляет собой ИК 6, укрепленную на валу 5синхронного двигателя 1, который питается от генератора напряжения стабильной частоты. Индуцированная в катушке ЭДС выпрямляется посредством коллектора 3, снимается щетками 4и измеряется милливольтметром 2.
Для того чтобы поля рассеяния синхронного двигателя 1 не искажали измеряемое поле, его экранируют и вал 5 делают достаточно длинным, причем выполняют его обычно либо из прочной пластмассы, либо из латуни.
ИК может иметь произвольную форму; в изображенной на рис. 20 конструкции она прямоугольная. Для повышения чувствительности датчика ИК выполняют с сердечником из ферромагнитного материала.
Рассчитаем ЭДС, наводимую в ИК 6 (рис. 20). Потокосцепление находим, применяя формулу (13): 
, где 
— поток через каждый 
-й виток датчика. Из-за вращения катушки с угловой скоростью 
меняется угол между осью ИК и направлением МП, а значит, и меняется активная площадь рамки по закону 
. Тогда, используя (11), получаем 
и 
. Подставляя последнее выражение в (15), окончательно получаем мгновенное значение ЭДС, наводимой в ИК:
. (34)
В качестве милливольтметра 2 обычно используют прибор магнитоэлектрической системы, показания которого пропорциональны средневыпрямленному значению. Для гармонического сигнала отношение его амплитудного значения к средневыпрямленному значению равно 
. Тогда, используя (34), можно определить показания милливольтметра магнитоэлектрической системы
|
|
|
. (35)
Основным недостатком датчиков с вращающимися ИК является зависимость результатов измерения от стабильности угловой скорости вращения [см. (34) и (35)]. Уменьшение этой составляющей погрешности достигается применением компенсационного метода измерения. Две измерительные катушки, включенные встречно-последовательно, вращаются от одного двигателя. Одна из катушек находится в измеряемом поле 
, другая — в образцовом 
. Изменяя величину 
, добиваются полной компенсации ЭДС с выхода катушек. Тогда индукция измеряемого МП определяется по формуле
,
где 
и 
— витки и площади соответствующих катушек.
|
| Рис. 21. Вращающийся трансформатор |
Основным недостатком описанных выше индукционных тесламетров является наличие скользящих контактов. Этого недостатка лишены приборы, в которых использован воздушный трансформатор кольцевой формы. На рис. 21 представлена схема такого датчика. Первичная обмотка трансформатора 
вращается вместе с измерительной катушкой, а вторичная обмотка неподвижна. Оси вращения первичной и вторичной обмоток совпадают, благодаря чему вращение не вызывает изменения потокосцепления 
. Поэтому индуктируемая во вторичной обмотке трансформатора ЭДС зависит только от тока 
в первичной обмотке, вызванного индуктируемой ЭДС 
в ИК.
Найдем ЭДС на выходе трансформатора 
. Известно, что 
, и если пренебречь реактивными сопротивлениями ИК и первичной обмотки трансформатора , то 
. Тогда, учитывая формулы (34) и (35), получаем 
и для средневыпрямленного значения 
.
Погрешности, вызванные помехами приводных электродвигателей, затрудняют создание датчиков с вращающейся ИК высокой чувствительности.
Кроме преобразователей с вращающимися катушками, иногда применяют приборы с катушками, совершающими вибрирующие колебания. В этом случае ИК крепится на устройстве, совершающем вибрирующие колебания. В качестве такого устройства часто используют пьезокристалл, который подключают к генератору синусоидальных колебаний. Частота вибрирования таких датчиков может быть очень высокой (единицы кГц), благодаря чему достигается высокая чувствительность. Недостаток подобных преобразователей заключается в нестабильности амплитуды колебаний ИК, вследствие чего они имеют невысокую точность.
|
|
|
Недостатками рассматриваемых датчиков являются сложность их конструкции (наличие синхронного электродвигателя, строгие требования к точности изготовления отдельных элементов) и невысокая чувствительность. Но они обладают и рядом преимуществ: линейностью шкалы в широком диапазоне измеряемых индукций, температурной стабильностью, достаточно высокой точностью измерений (в случае применения компенсационных схем) и незначительными требованиями к однородности измеряемого МП.
Баллистические
Работа баллистических датчиков основана на законе электромагнитной индукции. Если пробную ИК, имеющую площадь поперечного сечения 
и число витков ,ввести в МП c индукцией 
так, чтобы плоскость ее витков была перпендикулярна к силовым линиям поля, то потокосцепление, пронизывающее катушку, будет определяться выражением
.
При удалении катушки из поля, либо при повороте ее на 180°, либо при уменьшении индукции МП поля до нуля, либо, наконец, при смене направления поля на противоположное в катушке происходит изменение потокосцепления и согласно закону электромагнитной индукции появляется ЭДС 
. Прибор, регистрирующий такой сигнал и обеспечивающий (после интегрирования его по времени) на выходе напряжение, пропорциональное 
, называется веберметром (его устройство дано ниже).
|
| Рис. 22. Баллистический датчик |
Рассмотрим схему, изображенную на рис. 22, состоящую из ИК и подключенного к ней веберметра. На этой схеме 
— индуктивность катушки, 
— суммарное сопротивление катушки и веберметра. Исходя из закона Кирхгофа можно написать
.
Предположим, что при 
потокосцепление стабилизировано, т.е. имеется некоторое постоянное значение (поэтому 
), а при 
пусть потокосцепление 
, и снова всякие изменения его закончены (поэтому вторично ). Тогда, интегрируя последнее выражение, находим
|
|
|
.
Из выражения следует, что магнитный поток пропорционален количеству электричества 
, прошедшего через схему, и не зависит от индуктивности схемы . Можно сказать, что веберметр является прибором, измеряющим величину .
В качестве веберметра часто используется баллистический гальванометр [16]. Его катушка имеет большой момент инерции, и когда по ней проходит импульс тока, стрелка гальванометра отклоняется пропорционально прошедшему через цепь количеству электричества. Подключив к такому прибору измерительную катушку, можно измерить изменение проходящего через нее магнитного потока (потокосцепления).
Коэффициент пропорциональности между показанием стрелки и измеряемым изменением магнитного потока называется чувствительностью баллистического гальванометра по магнитному потоку: 
, где 
— угол отклонения стрелки гальванометра, 
— изменение потокосцепления в ИК. Зафиксировав показания гальванометра , можно рассчитать величину измеряемого магнитного потока 
, где — количество витков ИК.
Для повышения чувствительности рассматриваемых датчиков в качестве веберметров используют не электромеханические баллистические гальванометры, а электронные схемы, измеряющие количество электричества, прошедшего через цепь. Такие схемы обычно строят на основе аналоговых интеграторов с запоминанием.
Описанные выше баллистические веберметры могут служить для непосредственного измерения индукции МП, а не магнитного потока (потокосцепления), так как
, (36)
где 
— сумма площадей всех витков ИК.
Помещая измерительную катушку в поле образцовой меры, можно градуировать шкалу веберметра непосредственно в единицах магнитной индукции или напряженности магнитного поля. Однако это делают редко. Обычно непосредственно измеряют величину потокосцепления и подсчитывают величину магнитной индукции , используя формулу (36).
|
|
|
Несмотря на простоту конструкции баллистических датчиков, они обладают хорошими метрологическими характеристиками. Погрешности этих устройств, прежде всего, связаны с измерением количества электричества веберметром и с неточностью первоначальной установки ИК относительно линий индукции МП.
|
|
|
