Электромагнитные измерительные преобразователи

 

В электромагнитных преобразователях измеряемая неэлектри­ческая величина преобразуется в пропорциональную электриче­скую за счет изменения магнитных свойств материалов. Из чис­ла электромагнитных преобразователей наибольшее распростра­нение получили индукционные, индуктивные и магнитоупругие преобразователи.

Индукционные преобразователи. В индукционных преобра­зователях (рис. 6.4) линейная или угловая скорость (частота вра­щения) исследуемого объекта преобразуется в пропорциональную ЭДС. Принцип действия индукционных преобразователей осно­ван на явлении электромагнит-ной индукции. Входной величиной в таких преобразователях является линейная или угловая скорость перемещения (вращения) исследуемого объекта. По конструктив­ному исполнению индукционные преобразователи бывают с под­вижной катушкой и неподвижным магнитом (рис. 6.4, о, б) или с неподвижной катушкой и неподвижным постоянным магнитом (рис. 6.4, в).

Как видно из рис. 6.4, индукционные преобразователи в ос­новном представляют собой электрические машины постоянно­го или переменного тока, называемые тахогенераторами.

Выходное напряжения тахогенератора постоянного тока зависит _Х от скорости вращения якоря.

Эта зависимость справедлива для идеального тахогенератора постоянного тока. В реальном преобразователе на значение вы­ходного напряжения оказывают влияние реакция якоря, ослабля­ющая основной магнитный поток машины, и падение напряже­ния на переходном сопротивлении щеточного контакта.

Погрешности преобразования скорости при помощи тахогене- раторов постоянного тока возникают вследствие нагрева его об­моток, асимметрии выходного напряжения и нестабильности пе­реходного сопротивления щеточного контакта.

Основное достоинство тахогенераторов постоянного тока — это отсутствие влияния характера нагрузки на качество преобра­зования скорости. Поэтому у таких преобразователей фазовая погрешность отсутствует. Однако наличие в тахогенераторе под­вижного электрического контакта (щетка-коллектор) и вследствие этого низкочастотных пульсаций выходного напряжения, а так­же сложность конструкции ограничивают их применение по срав­нению с тахогенераторами переменного тока.

Из числа тахогенераторов переменного тока наибольшее рас­пространение получили трехфазные синхронные машины. Час­тота ЭДС, вырабатываемой такими преобразователями, зависит от частоты вращения его ротора.

Поскольку параметры тахогенератора и в большинстве случа­ев измерительной цепи являются частотно-зависимыми, характе­ристика преобразователя нелинейна. Применение таких преоб­разователей в сочетании с выпрямителем позволяет получить высокую частоту пульсаций ЭДС на выходе. Кроме того, такие преобразователи не имеют подвижного электрического контакта и обладают высокой надежностью. Эти особенности позволяют использовать тахогенераторы переменного тока для преобразова­ния угловых скоростей и ускорений в большом диапазоне.

Для преобразования осевых (линейных) перемещений враща­ющихся объектов применяют индукционные преобразователи. Сигнал на выходе такого преобразователя изменяется во време­ни по закону изменения положения его подвижной катушки. Так, если измеряемая величина х изменяется по закону х = x_msin(ω t), то мгновенное значение ЭДС на выходе преобразователя

где х_m — амплитуда измеряемого перемещения, м; В — индукция в зазоре преобразователя, Тл; w — число витков катушки преобра­зователя; l_ср — средняя длина витка катушки преобразователя, м.

Основной недостаток индукционных преобразователей — не­линейность их характеристики. Рациональным выбором геомет­рии магнитопровода и размещением катушки достигают мини­мальных погрешностей. Кроме того, на погрешности преобразо­вателей влияют изменения магнитного потока с течением време­ни и температуры.

Выпускаемые промышленностью тахогенераторы переменно­го тока имеют погрешности 0, 2...0, 5 %.

Индуктивные преобразователи. Принцип действия индук­тивных преобразователей основан на преобразовании входной величины в соответствующее изменение индуктивности за счет изменения параметров магнитной цепи. Измерительные цепи с индуктивными преобразователями должны содержать источник питания.

Конструкции наиболее распространенных индуктивных пре­образователей показаны на рис. 6.5. В преобразователе, показан­ном на рис. 6.5, а, малый воздушный зазор 5₃ изменяется вслед­ствие перемещения части магнитопровода под воздействием из­меряемой величины. В реальных преобразователях такого типа перемещение подвижной части обычно не превышает 10 мм. В преобразователе с разомкнутым магнитопроводом, представля­ющим собой катушку со стальным сердечником (рис. 6.5, б), ра­бочее перемещение может достигать 100 мм. В преобразователе, показанном на рис. 6.5, в. индуктивность зависит от магнитного сопротивления воздушного зазора, изменяемого подвижным не­магнитным сердечником. Выбирая форму сердечника, можно получить любую зависимость индуктивности от перемещения сердечника. Такие преобразователи применяют для измерения углов до 180°.

Процессы, происходящие в индуктивном преобразователе при воздействии измеряемой величины х, могут быть представлены в виде связи: .

Изменение зазора (или положения сердечника) магнитной цепи преобразователя δ ₃ оказывает влияние на магнитное сопротивление R_м, которое связывает значение воздушного зазора (входящего в длину магнитопровода l) и магнитную проницаемость ц зависимостью

.

где ( — магнитная проницаемость воздуха; S — площадь попе­речного сечения магнитопровода.

Индуктивность преобразователя определяется отношением полного потокосцепления к силе тока в катушке:

 

 

или

где w — число витков катушки преобразователя.

Полное сопротивление преобразователя при бесконечно малом воздушном зазоре определяется по формуле

где R — активная составляющая сопротивления катушки; х_M — реактивная составляющая магнитного сопротивления.

Зависимость полного сопротивления преобразователя от воздушного зазора приведена на рис. 6.6, а. Одна из особенностей этой зависимости — большая нелинейность. Практически при использовании таких преобразователей линейный участок харак­теристики ограничен диапазоном

где δ зо — значение начального зазора.

Нелинейность характеристики и температурные влияния на параметры преобразователя — его основные недостатки.

Значительно лучшими свойствами обладают преобразователи, конструкции которых приведены на рис. 6.5, г...е. Характеристи-

Рис. 6.6. Характеристики индуктивных преобразователей: а — зависимость полного сопротивления индуктивного преобразователя от воздушного зазора; 6 — характеристика дифференциального индуктивного преобразователя

 

ка дифференциального преобразователя линейна в большем, чем у обычного, диапазоне изменения воздушного зазора (рис. 6.6, б). Рабочее изменение зазора в таких преобразователях достигает 0, 3...0, 4 начальной величины. На их параметры меньше оказыва­ет влияние изменение температуры.

Индуктивные преобразователи дифференциального типа по­лучили широкое распространение в производстве для измерения линейных и угловых перемещений, уровней жидкостей и др.

Магнитоупругие преобразователи. В магнитоупругих преоб­разователях механическое воздействие на магнитную цепь (маг- нитопровод) приводит к изменению собственной индуктивности. Действие магнитоупругих преобразователей основано на явлении изменения магнитной проницаемости ферромагнитных матери­алов р при возникновении в них механических напряжений а. Процессы, происходящие при этом в преобразователе, можно представить в следующем виде:

Явление магнитоупругого эффекта может быть различно. В некоторых материалах магнитная проницаемость под действи­ем механического напряжения одного и того же направления может возрастать, а в некоторых — уменьшаться. На рис. 6.7 при­ведена зависимость магнитной проницаемости ферромагнитно­го материала от его механической деформации.

Конструкции магнитоупругих преобразователей очень разно­образны. Их можно подразделить на две группы. Одна группа объединяет преобразователи, в которых магнитная проницае­мость материала изменяется в одном направлении (рис. 6.8, а). К другой группе относятся преобразователи с взаимно перпенди­кулярным изменением магнитной проницаемости (рис. 6.8, б).

Рис. 6.7. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнитного ма­териала от его механической деформации

Магнитопровод преобразователя, схема которого показана на рис. 6.8, а, выполнен в виде набора листовой стали. Это необходимо для

 

Рис. 6.8. Виды магнитоупругих преобразователей: а — с изменением магнитной проницаемости в одном направлении; б — с вза­имно-перпендикулярным изменением магнитной проницаемости

 

уменьшения потерь на перемагничивание при питании измерительной цепи переменным током. Для достижения макси­мальной чувствительности преобразователя намагничивающий ток в его катушке должен быть наибольшим.

В магнитоупругих преобразователях с взаимно перпендикуляр­ным расположением двух катушек (они получили название трансформаторных) магнитный поток катушки ω ₁, (рис. 6.8, б) неизменный. Поэтому, сцепляясь с витками катушки ω ₂ магнитный поток не наводит в них ЭДС. При механическом воздействии на преобразователь магнитное поле катушки ω ₁ деформируясь в направлении большей проницаемости, сцепляется с витками второй катушки ω ₂. ЭДС, наводимая во второй катушке, пропорцио­нальна силе механического воздействия, а ее фаза определяется направлением этого воздействия.

Причинами погрешностей магнитоупругих преобразователей являются магнитный гистерезис материала, нелинейность зависимостей µ=f₁(Ϭ ) и Z=f₂(µ), нестабильность (во времени из-за старения) магнитоупругой чувствительности и влияние температуры. В результате суммарного влияния перечисленных факторов погрешность магнитоупругих преобразователей обычно составля­ет не менее 2 %.

Магнитоупругие преобразователи используются в приборах для измерения механических усилий, давлений, вибраций, моментов и др.

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: