Электромагнитные преобразователи

 

Электромагнитные преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и, в зависимости от принципа действия, могут быть как параметрическими,так и генераторными. К параметрическим относятся преобразователи, преобразующие изменение входного механического воздействия в изменение параметров магнитной цепи ─ магнитного сопротивления R_M и индуктивности обмотки L.

Для устройства, изображённого на рис.9.15а, пренебрегая утечками магнитного потока, можно записать выражение для индуктивности обмотки W₁ и взаимоиндуктивности обмоток W₁ и W₂ в следующем виде:

L=W₁²/(R_M+ R_δ); M= W1W2/(R_M+ R_δ),

где R_M=l/μ_aS – сопротивление ферромагнитного участка магнитной цепи; R_δ=δ/μ₀S – сопротивление воздушного зазора δ; l – длина ферромагнитного участка магнитной цепи; S – площадь сечения сердечника и зазора; μ_a , μ₀ – магнитная проницаемость феррамагнитного участка магнитной цепи и воздуха в зазоре соответственно.

Значения L и М можно изменять, уменьшая или увеличивая зазор δ, изменяя положение якоря 1, изменяя сечение S магнитного потока, поворачивая якорь 1 относительно неподвижной части магнитной цепи 2, вводя в воздушный зазор пластину 3 из ферромагнитного материала, соответственно уменьшая δ₀ и магнитное сопротивление зазора или, пластину из электропроводящего неферромагнитного материала. В последнем случае изменение L и М обусловлено размагничивающим действием токов индуктированных в пластине основным магнитным потоком, проходящим по магнитной цепи.

Измерительные преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности, называются индуктивными. Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности, принято называть трансформаторными.

В трансформаторных преобразователях изменение взаимоиндуктивности М можно получить не только при изменении магнитного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток вдоль пли поперек магнитной цепи.

Если к замкнутой магнитной цепи преобразователя приложить сжимающие, растягивающие или скручивающие усилия, то под их воздействием изменится магнитная проницаемость m₀ сердечника, что приведет к изменению магнитного сопротивления сердечника R_M»l/m_aS и соответственно к изменению Lили M(рис. 9.15,б). Такие преобразователи, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленного изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называются магнитоупругими. Их широко применяют для измерения сил, давлений, моментов и др.

Если в зазоре постоянного магнита, или электромагнита, через обмотку которого пропускается постоянный ток, перемещать обмотку (рис. 9.15,в), то согласно закону электромагнитной индукции в обмотке появляется ЭДС, равная

e=-w(dФ/dt),

где dФ/dt - скорость изменения магнитного потока, сцепляющегося с витками обмотки w.

Поскольку скорость изменения магнитного потока определяется скоростью перемещения обмотки в воздушном зазоре, то преобразователь имеет естественную входную величину в виде скорости линейных или угловых перемещений, а выходную в виде индуктированной ЭДС. Преобразователи, в которых скорость изменения измеряемой величины преобразуется в индуктированную ЭДС, называются индукционными. Такие преобразователи используют для измерения не только указанных ранее величин, но и расходов жидких и газообразных сред [33].

Индуктивные измерительные преобразователи. Рассмотрим работу однотактного индуктивного преобразователя (рис. 9.16, а) [21]. Выходной сигнал получаем в виде переменного напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки R_Н включенного в цепь помещенной на сердечнике 1 обмотки 2. Питание осуществляется переменным напряжением U_~ c частотой от 50 до нескольких тысяч герц. Под действием входного сигнала перемещается якорь 3 и изменяет зазор d.

Выходное напряжение

U_ВЫХ=IR_H.

Среднее значение тока в рабочей цепи преобразователя

(9.8)

где R - суммарное сопротивление цепи, R=R_H+R₀; R₀ - сопротивление обмотки; w - круговая частота.

Рис. 9.16

Индуктивность обмотки L является функцией размера зазора, магнитное сопротивление которого r_d,

L=W²/r_d=W²/(d/m₀S)=m₀SW²/d (9.9)

Здесь W - число витков обмотки.

Учитывая, что на практике для индуктивных преобразователей выполняется условие R<<X_L и подставляя выражение (9.8) в (9.7), получаем

Коэффициент преобразования К = U_~R_Н/wm₀SW² ─ величина постоянная, поэтому статическая характеристика U_ВЫХ=f(d) должна представлять собой прямую, проходящую через начало координат под углом a=arctgK оси абсцисс (рис. 9.16,б, штриховая линия). Реальная характеристика преобразователя показана на рисунке сплошной линией. Как видно, она значительно отличается от идеальной. Это объясняется тем, что при малых значениях d допущение r_M<<r_d становится неверным, так как магнитное сопротивление ферромагнитного участка магнитной цепи r_M становится соизмеримым с магнитным сопротивлением зазора r_d; при больших значениях d падает индуктивность обмотки и реактивное сопротивление X_L становится соизмеримым с активным сопротивлением магнитной цепи, т. е. R»X_L. Это несоблюдение принятых в начале рассмотрения допущений и приводит к искажению статической характеристики.

Рис 9.17

Анализ принципа действия и рассмотрение статической характеристики однотактного измерительного индуктивного преобразователя позволяет выявить его следующие недостатки: фаза выходного сигнала не зависит от направления перемещения якоря; для измерения перемещения в обоих направлениях необходим начальный зазор d₀, что приводит к наличию остаточного (начального значения) напряжения U_ВЫХ.0 (рис. 9.16,б); на якорь постоянно действует электромагнитная сила, стремящаяся притянуть его к ярму. При большой мощности сигнала выходной цепи она может принимать существенные значения, что требует введения компенсирующих сил, создаваемых противодействующими пружинами, а это значительно усложняет устройство.

Из-за указанных недостатков однотактные измерительные преобразователи используют только в качестве вспомогательных элементов.

Непосредственно для измерительных целей применяют двухтактные измерительные преобразователи, которые могут включаться по дифференциальной или мостовой схемам.

Дифференциальная схема включения индуктивного измерительного преобразователя требует использования трансформатора со средней точкой (рис. 9.17). Оба сердечника идентичны по своим конструктивным и магнитным характеристикам. Расположенные на них обмотки w₁ и w₂ имеют также одинаковые параметры и включены последовательно - встречно. Сопротивление нагрузки включается между средней точкой трансформатора и средней точкой обмоток преобразователя. В такой схеме ток, протекающий по сопротивлению нагрузки, равен разности токов правой и левой половин схемы

,

а выходное напряжение

При отсутствии входного сигнала зазоры между якорем и ярмом одинаковы d₁=d₂=d₀. Равны и индуктивности L₁ и L₂обеих половин датчика, определяемые размерами зазоров. Следовательно, выходное напряжение преобразователя равно нулю (рис. 9.18,а).

При перемещении якоря на расстояние Х зазоры d₁ и d₂ становятся неравными

d₁=d₀+X; d₂=d₀-X.

Изменение зазоров приводит к изменению индуктивностей: увеличение d₁ ведет к уменьшению L₁, а уменьшение d₂—к увеличению L₂. Изменение индуктивностей плечей датчика приводит к дисбалансу токов , в результате чего через сопротивление нагрузки потечет ток I_H и

Рис 9.18

появится выходное напряжение (рис. 9.11, б).

Если изменяется направление перемещения якоря, фаза выходного напряжения сдвигается на 180° относительно напряжения питания, являющегося опорным (рис. 9.18, в).

Принцип действия мостовой схемы индуктивного преобразователя (рис. 9.19) аналогичен принципу действия дифференциальной схемы. Выходное напряжение мостовой схемы

(9.10)

В исходном состоянии при d₁=d₂=d₀ , L₁= L₂= L₀ , =0, так как . Перемещение якоря вправо на расстояние X приводит к изменению зазоров d₁=d₀+X; d₂=d₀-X и индуктивностей плечей моста

L₁=L₀ – DL ; L₂=L₀+DL. (9.11)

Считая, что активное сопротивление обмоток мало по сравнению с их индуктивным сопротивлением, можно записать

тогда разность токов

(9.12)

На основании выражения (9.11) L₂-L₁=2DL ; L₁+L₂=2L₀; L₁L₂=L₀²-DL²» L₀². При малых изменениях зазора d функция L=f(x)

Рис. 9.19Рис. 9.20

практически линейна и для нее справедливо отношение DL=(L₀/d₀)X; соответственно выражение (9.12) приводится к виду

Умножив и разделив последнее выражение на (R+jwL₀)² и выделив действительную и мнимую части, получим модуль разности токов в виде

и выходное напряжение

(9.13)

Так как все параметры, за исключением X, являются постоянными, то выражение (9.13) можно привести к виду

где K=2UwL₀R/[d₀(R²+w² L₀²)]- коэффициент преобразования индуктивного датчика.

Таким образом, статическая характеристика двухтактного индуктивного преобразователя представляетсобой функцию вида U_вых=КX₁, что соответствует прямой, проходящей через начало координат под углом a=arctgK (рис. 9.20).

Как видно из рис.9.19, при изменении направления перемещения входной величины Х фаза выходного сигнала изменяется на 180эл.град. Кроме того, с увеличением входного сигнала наблюдается отклонение выходной характеристики от линейной, что объясняется уменьшением индуктивного сопротивления wL и приближением его к сопротивлению нагрузки. В связи с этим значение DХ для реверсивных индуктивных датчиков не должно превышать (0,3¸0,4) d_о. В этом случае выходную характеристику можно считать линейной.

Рис.9.21

Чувствительность измерительного преобразователя зависит от напряжения и частоты источника питания, сопротивления нагрузки, индуктивности обмотки и начального зазора между якорем и ярмом. Анализ выражения (9.13) показывает, что максимальная чувствительность двухтактного индуктивного преобразователя наблюдается при прочих равных условиях, если индуктивное сопротивление катушки равно активному сопротивлению нагрузки. В этом случае К=U/d_о.

Следует отметить, что мостовая схема по сравнению с дифференциальной имеет примерно в 2,8 раза меньшую относительную чувствительность при согласованной нагрузке.

Повышение питающего напряжения приводит к повышению чувствительности датчика, но при этом увеличиваются его размеры и масса.

Повышение частоты питающего напряжения повышает чувствительность, уменьшает размеры датчика, но при больших значениях частоты начинает сказываться влияние межвитковых емкостей, что затрудняет балансировку датчика в нейтральном положении.

Двухтактные измерительные преобразователи с плоскопараллельным воздушным зазором используют при измерении малых перемещений от сотых долей микрометра до 3-5 мм.

Трансформаторные измерительные преобразователи. Схема трансформаторного измерительного преобразователя приведена на рис. 9.21. Обмотки цепи питания w₁ и w₂ одинаковы и включены таким образом, что, когда по ним протекает рабочий ток, создаваемые ими магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ направлены встречно в центральном стержне, на котором расположена выходная обмотка W₀. В этом случае выходное напряжение

U_ВЫХ= 4,44fW₀(Ф₁-Ф₂),

где f — частота питающего напряжения.

Если считать ток I в цепи питания постоянным, что достигается включением в цепь питания дополнительного дросселя для однотактных датчиков или соответствующим включением обмоток питания двухтактных датчиков, то потоки пропорциональны индуктивностям обмоток W₁ и W₂:

Ф₁ == IL₁/W₁; Ф₂ == IL₂/W₂.

Так как в рассматриваемой конструкции преобразователя зазор остается постоянным, а якорь перемещается вдоль зазора, то значение индуктивности зависит от сечения магнитного сердечника, определяемого площадью перекрытияS, которая изменяется при перемещении якоря.

В нейтральном положении при Х=0 площади перекрытия равны S₁=S₂= S₀, что приводит к равенству потоков Ф₁-Ф₂ и, следовательно, U_ВЫХ=0.

При перемещении якоря влево на расстояние Х площадь перекрытия Wправого крайнего стержня изменится на DS, и для потоков в крайних стержнях можно записать

Выходное напряжение датчика опишется линейной зависимостью U_ВЫХ=КDS=К₁Х, так как площади перекрытия пропорциональны перемещению якоря X. Коэффициент преобразования К на основании приведенных выше выражений

K=4,44fW₀ W₁m₀I/d₀ (9.14)

 

Как видно из сравнения формул (9.13) и (9.14), все приведенные ранее соображения о влиянии конструктивных параметров на характеристики индуктивного датчика относятся и к трансформаторным датчикам.

Погрешность индуктивных трансформаторных преобразователей определяется точностью исполнения геометрических размеров сердечника, качеством материала, колебаниями напряжения и частоты питающего напряжения, изменениями температуры.

Учитывая, что обычно механические перемещения, являющиеся входными сигналами датчиков, имеют более низкую частоту по сравнению с частотой питания, рассмотренные преобразователи можно считать безинерционными звеньями с передаточной функцией

W(p)=U(p)/X(p)=K.

Для их описания можно применять все динамические характеристики усилительного звена.

К достоинствам рассмотренных индуктивных трансформаторных датчиков следует отнести достаточно высокую выходную мощность, позволяющую во многих случаях обойтись без усилительных устройств; высокие чувствительность и разрешающую способность; сравнительную простоту конструкции; высокую надежность; малые массу и размеры при расчете на напряжение повышенной частоты; невысокую стоимость.

Недостатками рассмотренных измерительных преобразователей являются трудность регулировки и компенсации начального напряжения на выходе преобразователя; необходимость экранирования, чтобы уменьшить уровень помех, что увеличивает размеры и массу; возможность работы только на переменном токе; ограниченность диапазона линейной статической характеристики.

Магнитоупругие преобразователи. Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости m. (или индукции В) ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений δ, обусловленных воздействием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие). Существует и обратное явление—магнитострикция, когда внешнее магнитное поле вызывает механические деформации ферромагнитного тела. Под численным значением магнитострикции понимают относительное изменение Dl/l=e₁ длины l стержня, обусловленное воздействием внешнего магнитного поля.

В общем случае магнитоупругий эффект имеет нелинейный характер, зависит от значения напряженности приложенного поля Н. Однако, выбирая соответствующие режимы работы, можно получить линейные участки зависимости m=f(s) или m=f(P). Происходящее под действием механической нагрузки одновременное изменение магнитной проницаемости и линейных размеров сердечников можно использовать для измерения давления, усилий, моментов деформаций. Относительную чувствительность магнитоупругого материала можно характеризовать (подобно тензорезисторам) коэффициентом тензочувствительности

.

На рис. 9.22,а приведен примерный график изменения относительной магнитной проницаемости e_m в функции изменения механического напряжения s и соответствующей ему относительной линейной деформации e₁=Dl/l. На начальном участке (s<50 Н/мм²)

 

Рис.9.22

коэффициент тензочувствительности достигает значения Kт=300, а в среднем для всей кривой Kт ==220.

Относительной магнитоупругой чувствительностью материала называют отношение относительного изменения магнитной проницаемости к механическому напряжению K_Sm=(Dm/m)/s. Для кривой на рис. 9.22,а эта величина составляет 0,11 % на 1 Н/мм². Максимальное значение относительной чувствительности для пермаллоя составляет 0,94 % на 1 Н/мм² (при напряженности магнитного поля H=0,02 А/мм), для трансформаторной стали - 0,8% на 1 Н/мм² (при Н =0,2 А/мм). При этом значения напряженности примерно соответствуют максимуму магнитной проницаемости. В действительности значение K_S значительно меньше, так как Н выбирают исходя из линейности статической характеристики преобразователя.

При всем многообразии конструктивных решений магнитоупругих преобразователей по принципу действия их можно разбить на две группы: преобразователи дроссельного (рис.9.22,б,в) и трансформаторного (рис.9.22г,д) типов.

В преобразователях первого типа изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению полного электрического сопротивления Z дросселя. Для этого случая чувствительность преобразователя можно выразить в виде:

K_S=(DZ/Z)/s.

Питание преобразователя при измерении статических или медленно изменяющихся нагрузок осуществляется обычно от сети переменного тока частотой 50 Гц. Иногда, чтобы повысить чувствительность, преобразователи питают током повышенной частоты (до 10 кГц).

В магнитоупругих преобразователях трансформаторного типа в качестве переменной величины, являющейся функцией приложенной силы, используется взаимная индуктивность, поэтому преобразователи трансформаторного типа являются по существу трансформаторами с переменным коэффициентом трансформации. Чувствительность трансформаторного преобразователя в предположении, что относительное изменение ЭДС вторичной обмотки равно относительному изменению проницаемости, можно выразить соотношением

K_S=(DU/U)/s.

Чувствительность датчиков подобного типа достигает нескольких милливольт на ньютон (мВ/Н).

Первичная обмотка преобразователей питается от источника переменного тока, частоту которого выбирают из условий применения преобразователя: при измерении статических и медленно изменяющихся процессов используют промышленную частоту, при измерении динамических процессов частота питающего тока должна быть в 5-10 раз выше частоты измеряемого процесса.

Погрешности магнитоупругих преобразователей возникают за счет конструктивных погрешностей, колебания напряжения, температурной нестабильности, достигающей 2% на 10 °С. Погрешность возникает за счет гистерезиса и, как показали исследования, достигает 4 % при статических и 1 % динамических нагрузках. Для того чтобы уменьшить эту погрешность, необходимо выбирать материал для изготовления сердечника с узкой петлей гистерезиса и высоким пределом упругости.

В процессе старения материала изменяются магнитная проницаемость и внутренние напряжения в нем, что приводит к нестабильности чувствительности. Искусственное старение (термообработка и многократное нагружение) позволяет снизить эту нестабильность до 0,5% для преобразователей из сплошного материала и до 2% из листового. Для уменьшения погрешностей применяются дифференциальные схемы включения однотактных датчиков или дифференциальные конструкции датчиков.

Достоинства магнитоупругих датчиков - простая конструкция, низкая стоимость, возможность измерения больших усилий. К недостаткам можно отнести необходимость стабилизации питающего напряжения, высокую температурную нестабильность, питание от источника переменного тока.

Индукционные преобразователи. Они относятся к генераторным преобразователям. Для преобразования механического перемещения в электрический сигнал в таких преобразователях используется явление электромагнитной индукции - наведение ЭДС в электрическом контуре, связанном с изменяющимся магнитным потоком. Наведение ЭДС происходит независимо от причины изменения магнитного потока: перемещается ли обмотка в постоянном магнитном поле, изменяется магнитное поле при неподвижной обмотке.

В катушке индуктируется ЭДС, равная

е=-W(dФ/dt), (9.15)

где е - мгновенное значение ЭДС; W - число витков катушки.

Индукционные преобразователи можно разделить на две группы. В преобразователях первой группы магнитное сопротивление на пути постоянного магнита остается неизменным, а индуктированная ЭДС наводится благодаря линейным (рис. 9.23, а) или угловым (рис. 9.23,б) перемещениям катушки в зазоре. В преобразователях второй группы постоянный магнит и катушка неподвижны, а индуктированная ЭДС наводится магнитным потоком за счет изменения размера воздушного зазора подобно конструкции, изображенной на рис. 9.15,а.

Как следует из выражения (9.15), чтобы повысить чувствительность преобразователя, необходимо увеличивать число витков катушки, однако при этом необходимо учитывать, что при постоянном зазоре увеличение витков катушки приводит к росту ее сопротивления. Увеличение зазора вызывает падение значения индукции В. Поэтому при конструировании датчиков выбирают оптимальные параметры преобразователя с учетом сопротивления нагрузки.

Линейная зависимость индуктированной ЭДС от перемещения катушки в зазоре сохраняется до тех пор, пока она перемещается в области равномерного магнитного потока.

Индукционные преобразователи, представляющие собой небольшие генераторы постоянного тока, используют в приборах для измерения скорости вращения валов, линейных и угловых вибраций. Так как выходное напряжение индукционных преобразователей пропорционально скорости вибраций подвижной части, то для получения напряжения, пропорционального амплитуде вибраций или ускорению,

 

Рис.9.23

выходное напряжение необходимо подвергнуть интегрированию или дифференцированию.