Размещено на http://www.allbest.ru

Принцип действия индукционных преобразователей

Индукционные преобразователи основаны на использовании явления электромагнитной индукции. Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС в контуре определяется формулой

eddt ( 1 )

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 Y и ЭДС в которой может индуктироваться как в результате изменения во времени внешнего магнитного поля, так и в результате изменения во времени параметра Y преобразователя . Если преобразователь находится в однородном магнитном поле с индукцией B, то в его обмотке, имеющей витков, наводится ЭДС

e ( 2 )

Обобщенный параметр преобразователя

cos ( 3 )

является функцией четырех частных параметров , S, и N,

где -- угол между магнитной осью преобразователя, совпадающей с нормалью к плоскости обмотки, и вектором магнитной индукции;

S -- площадь поперечного сечения катушки;

-- магнитная проницаемость среды в единицах ;

N--коэффициент размагничивания сердечника, определяемый формой и соотношением размеров сердечника.

Обычно в преобразователе изменяется один из параметров при постоянных значениях остальных, и из уравнения ( 2 ) можно получить пять частных уравнений преобразования индукционных преобразователей.

При Y const

= (4)

при B = const

(5)

(6)

(7)

(8)

Для катушек без сердечников уравнения преобразования существенно упрощаются и для основных видов преобразователей сводятся к следующим:

а) для неподвижной катушки в переменном магнитном поле ( B =Bm*cos t, =0 )

б) для катушки, вращающейся с частотой в постоянном магнитном поле с индукцией

;

в) для контура, отдельные участки которого линейно перемещаются в магнитном поле, изменяя площадь потока сцепления с контуром,

;

г) для отрезка длиной l, движущегося в однородном магнитном поле со скоростью v так, что направления векторов l, B и v взаимно перпендикулярны,

e = v B l ;

Для измерения магнитной индукции переменного магнитного поля применяются преобразователи со стационарными (неподвижными) обмотками. Функция преобразования преобразователя соответствует уравнению (4). Коэффициент преобразования, связывающий действующее значение индуктируемой ЭДС с амплитудным значением индукции периодически симметрично меняющегося магнитного поля, определяется выражением

 ( 9 )

где -- коэффициент формы кривой;

-- частота переменного магнитного поля.

При искаженной форме кривой обычно измеряют среднее значение индуктируемой ЭДС .

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

; ( 10 )

где -- полное сопротивление измерительной цепи с учетом сопротивления преобразователя;

Q - количество электричества.

В качестве интеграторов используются баллистический гальванометр (при интегрировании тока) или магнитоэлектрические, фотогальванометрические 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.

a)б)

в)

Для измерения напряженности магнитного поля при испытании ферромагнитных материалов используются плоские измерительные катушки (рис. 1, а), помещаемые на поверхности испытуемого образца; при этом измеренная в воздухе напряженность поля

Рис. 1

принимается равной напряженности поля на поверхности образца.

Для измерения магнитной индукции и напряженности неоднородных магнитных полей целесообразно использовать шаровые индукционные преобразователи (рис.1, б). Магнитный поток, сцепляющийся с такой катушкой, равен

, ( 11 )

где В₀ -- индукция в центре преобразователя;

r -- 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 равнoмерной обмотки на гибком изоляционном каркасе. Обмотка выполняется с четным числом слоев так, чтобы выводы находились в середине обмотки (рис. 1, в). Магнитный потенциалометр 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

( 12 )

Порог чувствительности средств измерений со стационарными индукционными преобразователями определяется главным образом механическими помехами (вибрации, сейсмические и акустические воздействия), которые приводят к колебаниям преобразователя и наведению дополнительной ЭДС, а также дрейфом интегрирующего выходного преобразователя. Наиболее чувствительные магнитоэлектрические веберметры имеют цену деления 5*10 Вб, а фотогальванометрические веберметры -- 4*10 Вб.

Индукционные преобразователи с вращающимися или вибрирующими чувствительными элементами имеют функции преобразования, которым соответствуют уравнения ( 5 - 7 ).

На (рис. 2, а ) показана схема -преобразователя (так называемого измерительного генератора), который состоит из рамки 1 с числом витков и вращается при помощи двигателя 2 c угловой частотой

; ( 13 )

где -- угол между магнитной осью преобразователя и поперечной компонентой вектора магнитной индукции , где -- угол между осью вращения преобразователя и вектором .

Рис.2.

При ' = 1 из уравнения ( 5 ) получаем

 ; ( 14 )

Учитывая, что имеем

; ( 15 )

Коэффициент преобразования преобразователя

( 16 )

где Е_т -- 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. 2, 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 короткозамкнутом кольце при его вращении во внешнем поле с индукцией В₀, 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 В, будет изменяться пропорционально . Суммарный поток, пронизывающий неподвижную катушку (активным сопротивлением кольца пренебрегаем), равен

; ( 17 )

и ЭДС, наводимая в неподвижной обмотке,

; ( 18 )

Разнесение частот напряжения питания и полезного сигнала позволяет отфильтровать наводки и создать на рассмотренном принципе индукционные преобразователи с порогом чувствительности Тл.

На ( рис.2, в) показан S-преобразователь с радиальными колебаниями, возбуждаемыми электрострикционным вибратором. Вибратором является тонкостенный цилиндр 1 из сегнетокерамики PbZrO₃ с металлизированными внутренней 2 и внешней 3 поверхностями, куда подводится переменное управляющее напряжение U_f. Внутренний электрод имеет продольный разрез 4, а внешний представляет собой короткозамкнутый виток, на котором находится вторичная многовитковая обмотка 5. Вследствие радиальных электрострикционных колебаний периодически изменяется площадь поперечного сечения короткозамкнутого 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 .Частота электрострикционных колебаний и выходной ЭДС равна удвоенной частоте управляющего напряжения.

Индукционные преобразователи для измерения частоты вращения

Для измерения частоты вращения используются - и N-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. 3, а) показано принципиальное устройство тахогенератора, выходная ЭДС которого

; ( 19 )

где -- частота вращения катушки.

a)

Рис. 3

Для измерения частоты вращения используются также N-преобразователи с неподвижной обмоткой. Принцип действия такого преобразователя показан на (рис. 3, б). В этом преобразователе постоянный магнит и катушка, содержащая две полуобмотки с числом витков , неподвижны. При вращении ротора происходит перераспределение магнитного потока постоянного магнита: увеличивается поток через полюс магнитопровода, под которым проходит зубец ротора, и уменьшается поток через полюс, под которым проходит паз ротора. Поток постоянного магнита остается при этом неизменным, так как полное магнитное сопротивление для суммарного потока остается почти постоянным. Таким образом, в части магнитопровода, образованной полюсами 1 и 2 к ротором, за счет изменения размагничивания полюсов при вращении ротора появляется переменная составляющая магнитного потока, и в катушке индуктируется ЭДС, частота которой определяется частотой вращения и числом n зубцов ротора:

, ( 20 )

а амплитуда

, ( 21 )

где -- амплитуда переменной составляющей потока. В подобных преобразователях в качестве выходной величины чаще используется не ЭДС, а частота.

Индукционные преобразователи параметров вибрации

Принцип действия преобразователя виброскорости поясняется ( рис. 4, а.) В катушке, колеблющейся в зазоре, индуктируется ЭДС

индукционный преобразователь обмотка магнитный

( 22 )

где -- скорость катушки, совершающей колебания ;

B_N -- индукция в зазоре;

w и -- число витков и средняя длина витка.

Если индукция в зазоре преобразователя составляет = 0,5 Тл, диаметр обмотки d = 20 мм, площадь окна, заполняемого проводом, S_OKH = (1 X 5) мм, то, выбрав провод диаметром 0,05 мм (w' -- 180 витков/мм²), можно получить коэффициент преобразования k_v = 10 В/(м/с), и амплитуда выходного напряжения преобразователя, подвижная часть которого совершает колебания с амплитудой Х_т = 1 мм и частотой f = 10 Гц, составляет 0,630 В.

Рис.4

Чтобы получить значение виброперемещения или виброускорения, выходной сигнал подается соответственно на интегрирующий или дифференцирующий усилитель. Во избежание нелинейных искажений выходного электрического сигнала, повторяющего по форме входной механический сигнал, усредненное по всем виткам значение индукции при колебаниях катушки должно оставаться постоянным. Для этих целей длина катушки выбирается или меньше ширины зазора так, чтобы при колебаниях катушка не доходила до его краев, или больше ширины зазора так, чтобы края катушки были всегда за пределами зазора. Обычно индукционные преобразователи применяются для измерения параметров вибраций в диапазоне частот 1--50 Гц при амплитуде вибраций не более 1--5 мм. Чувствительность индукционных преобразователей сейсмоприемников достигает 140 В/(м/с) (например, для СК-1П).

Устройство датчика виброметра показано на (рис. 4, б). По измерительной оси хх расположена подвижная часть, представляющая собой магнит 1 и полюсные наконечники 2. Подвижная часть крепится в подшипниках 8, ограничивающих ее перемещения по осям, перпендикулярным измерительной, и поджимается пружинами 3. Измерительная обмотка, состоящая из двух половин, намотана на медный каркас 4 и укреплена в стальной обойме 5, которая одновременно служит корпусом. Датчик закрывается крышками 6 и при помощи фланца 7 крепится к объекту измерения. Магнитные поля в рабочих зазорах, в которых расположены измерительные полуобмотки, направлены встречно; благодаря этому уменьшается погрешность от влияния внешнего магнитного поля. Медный каркас за счет наводимых в нем при движении магнита токов служит для увеличения коэффициента успокоения.

Погрешность индукционных преобразователей

ЭДС индукционных преобразователей пропорциональна скорости перемещения катушки лишь при условии, что индукция В постоянна на протяжении всего пути ее перемещения. Непостоянство индукции вызывает возникновение погрешности.

Погрешность индукционных преобразователей также во многом зависит от тока, который потребляет вторичный преобразователь. Проходя по измерительной обмотке индукционного преобразователя, этот ток создает магнитное поле, которое согласно правилу Ленца направлено встречно направлению основного поля и производит размагничивающее действие. Вследствие этого суммарная индукция уменьшается, уменьшается и ЭДС преобразователя. Это явление, имеющее место в электрических машинах и, в частности, в тахометрических преобразователях называется реакцией якоря. Вследствие реакции якоря уменьшается чувствительность тахометрического преобразователя и его функция преобразования становится нелинейной, что приводит к погрешности. Для уменьшения погрешности следует уменьшить ток преобразователя. Имеются также конструктивные методы уменьшения этой погрешности.

Описанный вид погрешности присущ тахометрическим преобразователям, поскольку их вторичными приборами служат электромеханические приборы с большим потреблением мощности.

Влияние тока нагрузки на функцию преобразования преобразователей вибрации меньше, чем на функцию преобразования тахометрических преобразователей. Нагрузкой преобразователей вибрации обычно являются электронные усилители. Они имеют большое входное сопротивление, которое ограничивает ток преобразователя и тем самым уменьшает погрешность.

Если нагрузка индукционного преобразователя потребляет значительный ток, то может возникнуть погрешность вследствие изменения внутреннего сопротивления преобразователя, поскольку изменяется падение напряжения на его внутреннем сопротивлении. Изменение внутреннего сопротивления может быть обусловлено температурными изменениями сопротивления измерительной обмотки и сопротивления линии связи со вторичным прибором. Внутреннее сопротивление тахометрического преобразователя постоянного тока нестабильно также вследствие изменения сопротивления коллектора.

При изменении частоты вращения синхронного тахометрического преобразователя изменяется как ЭДС, так и ее частота. При изменении частоты меняются его входное сопротивление и входное сопротивление его нагрузки. Изменения сопротивлений могут привести к нелинейной функции преобразования прибора в целом, даже если ЭДС тахометрического преобразователя линейно зависит от измеряемой скорости.

Выходной величиной синхронных тахометрических преобразователей является либо значение генерируемой ЭДС, либо ее частота. В последнем случае в качестве вторичного преобразователя используется частотомер. Применяемые стрелочные частотомеры не должны изменять свои показания при изменении напряжения.

Меньшие погрешности имеют место в режиме холостого хода, когда ток в измерительной катушке практически отсутствует. При работе в таком режиме требуется более сложная и дорогая аппаратура, должны использоваться измерительные механизмы повышенной чувствительности или усилительные устройства.

При измерении частоты вращения вала наименьшую погрешность можно получить, если в качестве выходной величины тахометрического преобразователя используется частота изменения ЭДС, а в качестве вторичного преобразователя -- цифровой частотомер. При этом исключается влияние нестабильности величины выходного напряжения преобразователя и используется высокая точность цифрового частотомера. Однако в этом случае требуется наиболее сложная и дорогая аппаратура.

Размещено на Allbest.ru