Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 6 pageсин дополняется датчиком грубого отсчета угла, который также может быть выполнен с применением печатных обмоток. Технологически представляется достаточно сложным выполнить печатную обмотку так, как показано на рис. 8-34, е, поскольку в ней шаг между проводниками неравномерный, Для того чтобы избежать этих технологических трудностей, обе обмотки ротора и статора выполняются с равномерным шагом, но с разным числом витков. Причем эта разность подбирается таким образом, чтобы на части ротора, занимаемой одной секцией обмотки первой фазы, набегало угловое смещение между обмотками ротора и статора, равное я/(2р). Тогда ЭДС следующей секции, которая принадлежит второй фазе, будет сдвинута, относительно ЭДС первой секции на электрический угол я/2, ЭДС третьей секции, включаемая встречно с ЭДС первой, будет сдвинута относительно первой секции на угол л и т. д. Таким образом, осуществляются те же сдвиги, что и в обмотках, показанных на рис. 8-34, в. Вследствие веерного разнесения векторов ЭДС, индуктируемых в радиальных проводниках каждой секции, в пределах угла л/2 их суммарная ЭДС падает на 10%. Полюсный шаг в существующих индуктосинах составляет 0,5— 1,5.мм, сопротивление обмоток небольшое (0,5—5 Ом), ток питания статорной обмотки 0,1—0,5 А, выходная ЭДС 5—10 мВ. Основными источниками погрешностей индуктосинов являются неточность выполнения обмоток по углу, неплоскостность токопрово- дящих слоев ротора и статора и радиальные эксцентриситеты обмоток, вызванные несовпадением геометрических осей вращения обмоток с реальной осью вращения. Суммарная погрешность измерения углов с помощью индуктосинов составляет 3—10".
Подробно вопросы расчета и конструкции индуктосинов, а также анализ их погрешностей рассматриваются в работе [6]. 8-8. ВИХРЕТОКОВЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Принцип действия вихретокового преобразователя основан на изменении индуктивности и взаимоиндуктивности катушек при при- определяется формулой 20,05= K2/(co,uy). На низких частотах (50 Гц) для меди и алюминия значение 2а.оо составляет около 10 мм, на высоких частотах (500 кГц) глубина проникновения уменьшается до 0,1 мм. На рис. 8-35 показано, как искажается магнитное поле катушки при приближении проводящей пластины. Присутствие вблизи витка с переменным током проводящей среды приводит к изменению его первоначального поля и электрических параметров витка, т. е. его активного и реактивного сопротивления: активное сопротивление витка увеличивается за счет роста потерь в проводящей среде, а индуктивное сопротивление уменьшается. Значение вносимых сопротивлений RBH и Хвк зависит при постоянной частоте питания и геометрических размерах обмотки от расстояния 6 от обмотки до пластины, электрической проводимости и толщины пластины, пока толщина не превышает величины d = 2Z0>05. В качестве примера на рис. 8-36 приведены зависимости относительного изменения активного и индуктивного сопротивлений витка радиусом находящегося над проводящим полупространством, от а = 2SIR и Р —V2R/zq9qS. Вихретоковые преобразователи находят самое широкое применение в области бесконтактного контроля линейных размеров тонких пластин и толщины покрытий (индукционная тол- щинометрия) и обнаружения дефектов — поверхностных царапин и трещин. Для этих целей используются накладные (рис. 8-37, а), экранные (рис. 8-37, б) и щелевые (рис. 8-37, в) датчики. Применять вихретоковые датчики для измерения перемещения, очевидно, имеет смысл только в тех случаях, когда датчик не должен
иметь ферромагнитных включений, так как чувствительность вихрето- кового преобразователя к перемещению в 5—20 раз меньше чувствительности такого же по габаритам индуктивного преобразователя с ка-
Wv
Рис. 8-37 тушкой, помещенной в магнитопровод с перемещающимся сердечником. Кроме того, вихретоковые преобразователи имеют большие погрешности, обусловленные главным образом температурными изменениями электрической проводимости проводящего тела. 8-9. МАГНИТОУПРУГИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости [л ферромагнитных тел в зави Типы магнитоупругих преобразователей можно разбить на две основные группы. К первой группе относятся преобразователи, в которых используются изменения магнитной проницаемости чувствительного элемента в одном направлении; магнитный поток в них направлен в большей части магнитной цепи вдоль линии действия уси-
•I I ТШШЪ, у///////////, ч
РФО
ли я. В преобразователях этой группы под действием измеряемой силы изменяется индуктивность обмотки (рис. 8-38, а) или индуктивность между обмотками (рис. 8-38, б). В первом случае реализуется цепь преобразований Р а ->- \i ZM ->- L Z, во втором —Р а ->■ \х ->- ZM М -> Е2. Ко второй группе относятся преобразователи, в которых используется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях или, иначе говоря, магнитная анизотропия материала чувствительного элемента. В этих преобразователях магнитный поток направлен под углом 45° к линии действия измеряемого усилия (рис. 8-38, в). В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки (рис. 8-38, г) располагаются симметрично и не сцепляются со вторичной обмоткой, в результате этого ЭДС вторичной обмотки равна нулю. После приложения усилия вследствие изменения магнитной проницаемости материала магнитные силовые линии (рис. 8-38, д) «вытягиваются» в направлении большей проницаемости, «сокращаются» в направлении Магиитоанизотропные свойства проявляются и при скручивании ферромагнитных тел. Этот эффект, называемый эффектом Видемана, заключается в том, что при прохождении тока через стержень, на который воздействует крутящий момент, в стержне, кроме кругового магнитного потока, возникает продольный магнитный поток, наводящий в обмотке, намотанной на стержень (рис. 8-39, а)), ЭДС, пропорциональную крутящему моменту. При скручивании ферромагнитного стержня, находящегося в продольном магнитном поле (рис. 8-ЗУ, 6), в стержне появляется винтовая составляющая потока, которую можно считать результатом суперпозиции продольного и кругового потоков. Круговой поток наводит в контуре, образованном стержнем и подключенным к нему милливольтметром, ЭДС, пропорциональную потоку и зависящую от крутящего момента. Датчики, основанные на эффекте Видемана, подробно исследованы Е. Ф. Фурмаковым. Приводятся следующие экспериментальные данные: при диаметре скручиваемой проволоки из стали марки «Э» 1,5 мм и длине активного участка 30 мм поле возбуждения частотой 1000 Гц и напряженностью И = 500 А/м наводит ЭДС е = 20 мВ при крутящем моменте Мко = =Ч0"2 Н-м. ■ 1 Основы расчета магнитоупругих датчиков. Характеристики маг- нитоупругого датчика определяются в первую очередь магнитоупру- гой чувствительностью Su. материала, из которого изготовлена магнитная цепь датчика. Величина — зависит от типа материала,
характера его термической обработки, характера напряжений (растяжение или сжатие), режима работы магнитной цепи (режим заданной индукции В или режим заданной напряженности Я), значения индукции В. Информация о магнитоупругих свойствах ферромагнитных материалов пока весьма ограниченна. Кроме того, имеющиеся данные, приводимые разными исследователями, трудно сопоставимы, так как зависят от слишком многих факторов, ие всегда оговориваемых авторами. Эти обстоятельства существенно затрудняют расчет. Наиболее Ориентировочные значения магнитоупругой чувствительности в процентах на мегапаскаль для некоторых сталей приведены ниже: Растяжение Сжатие 120 +2,5 —1,8 50Н +2,8 —2,8 Ст. 3 +0,6 —1,1 Допустимые механические напряжения в рабочей части магнитной цепи определяются погрешностью линейности и гистерезиса. Максимальные напряжения не должны превышать 0,2—0,1 предела упругости данного материала. Таким образом, полное изменение магннтной проницаемости может составлять 20—40%. Расчет сопротивления магнитному потоку в сердечнике и полного электрического сопротивления катушки преобразователя выполняется, как это было изложено выше в § 8-2. При слабом проявлении поверхностного эффекта относительное изменение магнитного сопротивления участка, подвергающегося деформации, AZM/ZM — A|i/|i. При резко выраженном поверхностном эффекте магнитное сопротивление пропорционально ]/|i и вследствие этого относительное изменение магнитного сопротивления AZM/ZM = 0,5.A|i/|i. Если учесть, что в магнитопроводе преобразователей не все участки подвергаются деформации (см. рис. 8-38) и, следовательно, изменяют сопротивление, а также то, что полное сопротивление преобразователя определяется не только изменяющейся индуктивной составляющей, но и активным сопротивлением обмотки, относительное изменение сопротивления может составлять AZ/Z ^ 0,5 Suo при отсутствии поверхностного эффекта и AZ/Z ~ 0,25 5ца при резко выраженном поверхностном эффекте. При выборе напряжения питания датчика руководствуются соображениями о допустимом нагреве, как это было рассмотрено в § 8-2, и обеспечении в магнитной цепи режима, соответствующего максимуму магнитоупругой чувствительности. Для большинства материалов максимуму 5Ц соответствуют примерно те же диапазоны В и Я, что и максимуму fx. В магнитоанизотропных датчиках в рабочей части диагонального сечения рекомендуется выбирать индукцию В = 1,5 Тл. В конструкции магнитной цепи датчика чрезвычайно нежелательны стыки отдельных частей, так как магнитное сопротивление стыков изменяется при механической нагрузке магнитной цепи и это изменение может внести существенную погрешность. Поэтому, несмотря на технологические трудности, магнитные цепи датчиков желательно выполнять так, как показано на рис. 8-38, а и б. Погрешности магнитоупругих преобразователей. Магнитоупругая погрешность выражает невоспроизводимость магнитного состояния сердечника преобразователя при нагрузке и разгрузке. По своему значению погрешность обычно превышает остальные составляющие и равна 1—4%. Для получения возможно меньшей погрешности магнитная цепь датчика, работающая как упругий элемент, должна Существенной может оказаться также погрешность линейности, определяемая как преобразованием р,, так и дальнейшим преобразованием Д}х ->■ AZM AZ UyK или Aju, ->• AZM ->■ М е. Выбором индукции В в материале преобразователя, созданием предварительно напряженного состояния его, а также 1 взаимной коррекцией нелинейностей f „ удается снизить суммарную погрешность \ линейности до 1—2%. [ В процессе старения материала про- | исходит изменение его магнитной про- { ницаемости и внутренних напряжений | в нем. Это приводит к нестабильности |: магнитоупругой чувствительности, чсо- U ставляющей после искусственного ■ ста- | рения (термообработка, нагружение — примерно 104 циклов) не более0,5% для преобразователей из сплошного материала и не более 2% для преобразователей из листового материала. При изменении напряжения питания меняется как начальное значение магнитной проницаемости, так и магнитоупругая чувствительность, поэтому стабилизация напряжения питания необходима для всех типов преобразователей. Уменьшение погрешности достигается также применением дифференциальных преобразователей.'Однако при их конструировании встречается ряд трудностей, обусловленных необходимостью такой передачи измеряемой силы на преобразователи, чтобы один из них испытывал деформацию сжатия, а другой — растяжения. На рис. 8-41 показана в качестве примера конструкция дифференциального трансформаторного датчика, в котором измеряемая сила через подпятник 1 сжимает наружный цилиндр 2 верхнего преобразователя. Усилие через цилиндр 2 передается на опору 8, и нижний цилиндр 4 остается ненагруженным. Внутренние части магнитопро- водов 5 и 8 набраны из пакетов листовой стали, армированных цилиндрическими сердечниками 6 и 7 из сплошной стали. Внутренние части магнитопроводов короче внешних цилиндров 2 и 4Э благодаря чему пакеты листовой стали не подвергаются деформации. На каждом из магнитопроводов размещаются по две обмотки: намагничивающая (о>1 700 витков) и измерительная (щ = 1000 витков). Как указы выходное напряжение датчика (Увых = = 6,5 В при (/ш)1 = 28 А. Весьма перспективной представляется конструкция дифференциального трансформаторного датчика, работающего на изгиб. Схематическое изображение датчика показано на рис. 8-42. Отверстия по нейтральной линии балки позволяют намотать измерительные обмотки так, чтобы они охватывали части магнитопровода, в которых магнитные проницаемости изменяются с разными знаками. При нагрузке балки через верхнюю часть магнитопровода, испытывающую растяжение, пойдёт большая часть намагничивающего потока, создаваемого обмоткой Wly чем через нижнюю, испытывающую сжатие, и на выходе появится ЭДС е = = ех — е2. Идентичность двух половин датчика в этой конструкции безусловно выше, чем в конструкции на рис. 8-41; поэтому можно предположить, что погрешность будет меньше. Наименьшими погрешностями обладают магнитоанизотропные преобразователи, в которых используется как бы дифференциальный эффект и самого материала и, следовательно, обеспечивается наиболее полная идентичность внешних условий и собственных свойств. Область применения магнитоупругих преобразователей- Магнитоупругие датчики применяются для измерения сил, давлений,- крутящих моментов. Мощность, развиваемая датчиком, как правило, достаточна для непосредственного включения указателя без предварительного усиления. Датчик обладает высокой надежностью, так как не имеет подвижной части, перемещающейся под
действием входной величины. Датчик представляет собой жесткий элемент, имеющий собственную частоту колебаний в диапазоне 1— 10 кГц и позволяющий измерять как статические, так и высокочастотные динамические величины. Механическое напряжение в материале датчика составляет 10—50 МПа. Учитывая, что рабочее сечение магнитопровода обычно не менее 25 мм2, можно оценить минимальный диапазон измерения датчика по силе значением 250 Н, по давлению — примерно 107 Па. 8-10. ИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Индукционные преобразователи основаны на использовании явления электромагнитной индукции. Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС в контуре определяется формулой е = —d}¥/dtt где ^ — потокосцепление с контуром. Таким образом, выходной величиной индукционного преобразователя является ЭДС, а входной — скорость изменения потокосцепления. В общем случае индукционный преобразователь представляет собой катушку с сердечником, которая характеризуется некоторым обобщенным параметром У и ЭДС в которой может индуктироваться как в результате изменения во времени внешнего магнитного поля, так и в результате изменения во времени параметра У преобразователя. Если преобразователь находится в однородном магнитном поле с индукцией В, то в его обмотке, имеющей w витков, наводится ЭДС dx¥ d® /v дБ, DdY\ /с.. Обобщенный параметр преобразователя У = у ^ д^, —- ^ cos а является функцией четырех частных параметров а, 5, fx' и N, где а — угол между магнитной осью преобразователя, совпадающей с нормалью к плоскости обмотки, и вектором магнитной индукции; 5 — площадь поперечного сечения катушки; р/ — магнитная проницаемость среды в единицах р,0; N — коэффициент размагничивания сердечника, определяемый формой и соотношением размеров сердечника, Обычно в преобразователе изменяется один из параметров при постоянных значениях остальных, и из уравнения (8-4) можно получить пять частных уравнений преобразования индукционных преобразователей. При У = const е[В (/)] = _ wSj^rz^ cos (8-5) при В = const е 1а (01 = l + NW-l) sin а Ж' (8~6> * W1 = - " cos а §■; (8-7) в [N (i)] = wSB cos а fг (8-8) е [м- (01 = - ™SB cos а irw^iff 1г • (8"9) Для катушек без сердечников уравнения преобразования существенно упрощаются и для основных видов преобразователей сводятся к следующим: а) для неподвижной катушки в переменном магнитном поле (В = = Вт cos со/, а = 0) e^(owSBmsin(ot) б) для катушки, вращающейся с частотой Q в постоянном магнитном поле с индукцией В0 e = QwSB0 sin Qt; в) для контура, отдельные участки которого линейно перемещаются в магнитном поле, изменяя площадь потока сцепления с контуром, e = §[vB] d\; i г) для отрезка длиной I, движущегося в однородном магнитном поле со скоростью v так, что направления векторов!, В и v взаимно перпендикулярны, e=vBL К Индукционные преобразователи широко применяются для измерения параметров магнитных полей, частоты вращения, параметров вибрации и сейсмических колебаний, расхода жидких веществ. Индукционные преобразователи для измерения параметров магнитных полей. Для измерения магнитной индукции переменного магнитного поля применяются преобразователи со стационарными (неподвижными) обмотками. Функция преобразования преобразователя соответствует уравнению (8-5). Коэффициент преобразования, связывающий действующее значение индуктируемой ЭДС с амплитудным значением индукции периодически симметрично меняющегося магнитного поля, определяется выражением Кв = Е/Вт = 4kJwS cos сф//[1 + N Qx' - 1)J, где — коэффициент формы кривой; / — частота переменного магнитного поля.-При искаженной форме кривой обычно измеряют среднее значение индуктируемой ЭДС £ср = Е/кф. Для измерения индукции постоянного магнитного поля могут быть использованы как преобразователи с условно стационарной обмоткой, так и преобразователи с принудительным движением обмотки. В преобразователях со стационарной обмоткой изменение магнитного потока, сцепляющегося с витками обмотки, может происходить в результате изменения самого измеряемого поля, например при измерениях магнитного поля, вызываемого включением какого-то агрегата, или в результате однократного изменения положения самого преобразователя — удаления преобразователя из магнитного поля или поворота в поле на 90 или 180°. Выходным сигналом такого преобразователя является импульс тока или импульс ЭДС, которые возникают при изменении полного магнитного потока. Изменение потока связано с ЭДС и током как и h и и где г — полное сопротивление измерительной цепи с учетом сопротивления преобразователя; Q — количество электричества. В качестве интеграторов используются баллистический- гальванометр (при интегрировании тока) или магнитоэлектрические, фото- гальванометрические и электронные веберметры с операционными усилителями, применяемые для интегрирования ЭДС. Индукционные преобразователи для измерения параметров магнитных полей в воздушном пространстве обычно выполняются в виде измерительных катушек различной формы, начало и конец обмотки которых находятся в одном месте, чтобы не создавались дополнительные контуры за счет подводящих проводов. Для измерения напряженности магнитного поля при испытании ферромагнитных материалов используются плоские измерительные катушки (рис. 8-43, а), помещаемые на поверхности испытуемого образца; при этом измеренная в воздухе напряженность поля принимается равной напряженности поля на поверхности образца.
Рис. 8-43 ч Для измерения магнитной индукции и напряженности неоднородных магнитных полей целесообразно использовать шаровые индукционные преобразователи (рис. 8-43, б). Магнитный поток, сцепляющийся с такой катушкой, равен Ф = 4этг3йуБ0/3, где В0 — индукция в центре преобразователя; г — радиус сферы; w — число витков на единицу длины оси zz\ которая должна совпадать с вектором В0. Для измерения МДС используются индукционные преобразователи, называемые магнитными потенциалометрами, обычно выполняемые в виде равномерной обмотки на гибком изоляционном каркасе. Обмотка выполняется с четным числом слоев так, чтобы выводы находились в середине обмотки (рис. 8-43, е). Магнитный потен ци ал омет р помещается в магнитное поле таким' образом, чтобы его концы находились в точках А и В, между которыми измеряется МДС. Магнитный поток, сцепляющийся с витками потенциалометра, равен XF = в = 5ш}х0 $ Нх dl = <Si&>fA0/v А Порог чувствительности средств измерений со стационарными индукционными преобразователями определяется главным образохм Механическими "помехами (вибрации, сейсмические и акустические воздействия), которые приводят к колебаниям преобразователя и наведению дополнительной ЭДС, а также дрейфом интегрирующего выходного преобразователя. Наиболее чувствительные магнитоэлектриче Индукционные преобразователи с вращающимися или вибрирующими чувствительными элементами имеют функции преобразования, которым соответствуют уравнения (8-6)—(8-8). На рис. 8-44, а показана схема а-преобразователя (так называемого измерительного генератора), который состоит из рамки 1 с числом витков w и вращается при помощи двигателя 2 с угловой частотой Q = dajdt, где а2 — угол между магнитной осью преобразователя и поперечной компонентой вектора магнитной индукции В01 = В0 sin аь где аг — угол между осью вращения преобразователя и вектором В{). При р/ = 1 из уравнения (8-6) получаем е [а (£)] = NSB0 sinax х
Коэффициент преобразования преобразователя kB — Em/BQ = toS, где Em — амплитудное значение генерируемой ЭДС. Преобразователи с вращающейся катушкой отличаются высокой чувствительностью (до 300 В/Тл). Порог чувствительности ограничен уровнем шума коллектора и наводками от электродвигателя и цепи питания. Для снижения порога чувствительности используются бесколлекторные токосъемы, а вращение генератора осуществляется через редуктор, с тем чтобы частота выходного сигнала отличалась от частоты сети и не была кратной частоте вращения двигателя. На рис. 8-44, б изображен четногармонический преобразователь. В качестве вращающегося элемента используется короткозамкнутое кольцо 1, которое вращается двигателем 2 в неподвижной обмотке 3. Магнитное поле, создаваемое током, индуктированным в коротко- замкнутом кольце при его вращении во внешнем поле с индукцией В01 изменяется с одинаковой частотой как по модулю, так и по направлению. Вследствие этого проекция вектора магнитной индукции поля на ось неподвижной обмотки, совпадающей с вектором измеряемой магнитной индукции £0, будет изменяться пропорционально cos2 Qt. Суммарный поток, пронизывающий неподвижную катушку (активным сопротивлением кольца пренебрегаем), равен Ф£ = = SB0 — SB0 cos2 Qt = 0,55Б0 (1—cos 2Q/), и ЭДС, наводимая в неподвижной обмотке, е = QwSB0 sin 2Qt. Разнесение частот напряжения питания и полезного сигнала позволяет отфильтровать наводки и создать на рассмотренном принципе индукционные преобразователи с порогом чувствительности 1(Г10 Тл. На рис. 8-44, в показан 5-преобразователь с радиальными колебаниями, возбуждаемыми электр остр и кци он ным вибратором. Вибратором является тонкостенный цилиндр 1 из сегнетокерамики PbZrOg с металлизированными внутренней 2 и внешней 3 поверхностями, куда подводится переменное управляющее напряжение Uf. Внутренний электрод имеет продольный разрез 4, а внешний представляет собой короткозамкнутый виток, на котором находится вторичная многовит- ковая обмотка 5. Вследствие радиальных электр остр и кци онных коле
баний периодически изменяется площадь поперечного сечения коротко- замкнутого витка, и при наличии постоянного магнитного поля, вектор магнитной индукции которого направлен по оси цилиндра, в наружном короткозамкнутом витке возникает переменный ток, который вызывает во вторичной обмотке ЭДС, пропорциональную индукции В0. Частота электр остр и кци онных колебаний и выходной ЭДС равна удвоенной частоте управляющего напряжения. Индукционные преобразователи для измерения частоты вращения. Для измерения частоты вращения используются а - и ^-преобразователи. Конструктивно они отличаются от преобразователей магнитной индукции тем, что дополняются устройством (обычно постоянный магнит), создающим магнитное поле с заданной индукцией, а вращение подвижных элементов осуществляется объектом, частота вращения которого измеряется. На рис. 8-45, а показано принципиальное устройство тахогенератора, выходная ЭДС которого QBNwS sin Qt, где Q — частота вращения катушки.
|