Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений - файл n1.doc

приобрести
Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений
скачать (328.3 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3997kb.13.12.2001 21:29скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8

Применение ЕИП с изменяющимся расстоянием между электродами целесообразно в том случае, когда диапазон изменения входной величины мал. Как правило, ЕИП применяются при измерении перемещений меньше 1 мм (10-6 - 10-3 м) и максимальное перемещение при этом (0,1 - 0,2).h0.


Увеличение чувствительности преобразователя достигается уменьшением расстояния между электродами, предельное значение которого определяется технологическими соображениями и приложенным напряжением. При малых h возможен пробой.

Преобразователи с изменяющейся площадью используются для измерения относительно больших перемещений: линейных - более 1 мм и угловых до 2700. Конструкция с поворотным конденсатором применяется также в качестве выходного преобразователя для измерения электрических напряжений (емкостной вольтметр) [14].





а)


б) в)



в)

г) д)







е)

ж) з)
Рис. 7.1
Е


ИП, основанные на изменении диэлектрической проницаемости, применяются для измерения уровня. На рис. 7.2 схематически изображены конструкции емкостных преобразователей для измерения уровня электропроводной (рис. 7.2 а) и неэлектропроводной (рис. 7.2 б) жидкостей.

а) б)

Рис. 7.2 Рис. 7.3

Уравнение преобразования ИП, изображенного на рис. 7.2б имеет вид

С = С0 + С1 = 2[Х Ж + (L - Х) Х 0]/ln(D/d). (7.6)

В преобразователе уровня электропроводящей жидкости один из электродов 1 может представлять собой цилиндрический электрод, покрытый слоем электроизоляционного материала. Вместо специального электрода может быть использован кусок провода, покрытого изоляцией [10]. Вторым электродом 2 является сама проводящая жидкость. Для соединения этого электрода с измерительной цепью используется электрод 3. При выполнении электрода 1 цилиндрическим уравнение преобразования может быть представлено в виде

С = 2 Ж0 Х/ln(D/d), (7.7)

где D и d - внешний и внутренний диаметры покрытия электрода 1.

ЕИП применяются также для измерения толщины диэлектрической ленты (рис. 7.3). Лента 1 протягивается с ,помощью роликов 2 между обкладками конденсатора 3. Уравнение преобразования записывается как

С = Q/[(h - х)/0 + х)/Л], (7.8)

где Q - площадь обкладок; h - зазор между обкладками; Л - диэлектрическая проницаемость материала ленты.

Как отмечалось ранее, ЕИП могут использоваться при измерении давления, деформации, температуры, концентрации растворов и смесей и других величин.

При воздействии гидростатического давления на диэлектрик емкостного ИП изменяется  диэлектрика преобразователя и соответственно его емкость

С = Н (1 + ,Р Р), (7.9)

где  - коэффициент, учитывающий размеры ЕИП; Р - изменение давления; Н - диэлектрическая проницаемость при атмосферном давлении; ,Р - механический (барический) коэффициент .

В качестве диэлектрика подобных ЕИП используются твердые, жидкие, газообразные диэлектрики. Для жидких: ,Р  5.10-6 Па-1; для газообразных ,Р  5.10-4 Па-1; Твердые - сегнетоэлектрики (турмалин, титанат бария) используются для измерения средних и больших давлений (до тысяч атмосфер).

При изменении температуры изменяется диэлектрическая проницае-мость, что приводит к изменению емкости конденсатора

С = Н (1 + ,Т Т), (7.10)

где Н - диэлектрическая проницаемость при начальной температуре; ,Т - температурный коэффициент .

Для построения ЕИП, работающих в диапазоне от -100 до +100 0С, находят применение диэлектрики из титановых соединений (тиконд и др.), которые имеют ,Т  - (10 - 15).10-4 %/0C. Значительно большей чувствительностью к температуре обладают сегнетоэлектрики. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости для сегнетоэлектриков составляет величину 8,5-30 % / 0C.

Диэлектрическая проницаемость также зависит от концентрации и состава смесей.

К достоинствам ЕИП можно отнести:

1) принципиальное отсутствие шумов, в отличие от резистивных и индуктивных ИП;

2) отсутствие самонагрева;

3) простоту конструкции, малую массу и габариты;

4) возможность соответствующим выбором формы подвижного и неподвижного электродов получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным линейным или угловым перемещением (в преобразователях с переменной площадью перекрытия электродов);

5) малую силу притяжения электродов;

6) возможность применения как для статических, так и для динамических измерений.

Недостатками емкостных преобразователей являются:

  1. малая емкость и высокое выходное сопротивление преобразователя;

2) зависимость результата измерения от изменения емкости кабеля.

7.3. Погрешности ЕИП

1) Погрешности, обусловленные зависимостью емкости преобразователя от внешних условий.

Изменение температуры приводит к изменению  диэлектрика. Разные конструктивные элементы преобразователя имеют различные температурные коэффициенты линейного расширения (у металлов l = (15 - 30).10-4 К-1; кварц имеет l = 0,5.10-6 К-1, органические диэлектрики l = (50 - 100)10-4 К-1), что приводит к изменению площади электродов и расстояния между ними при изменении температуры.

Площадь Q для большинства ЕИП определяется линейными размерами 10-100 мм, и изменение этих размеров дает пренебрежимо малую погрешность.

Расстояние между электродами обычно составляет 10 мкм-1 мм и его изменение под действием температуры может привести к большой погрешности. Эта погрешность может быть уменьшена применением дифференциальных преобразователей [10].

2) Погрешность, обусловленная паразитными токами утечки.

Номинальная емкость ЕИП обычно составляет единицы - сотни пикофарад. На низких частотах сопротивление преобразователя достигает больших значений, что приводит к возникновению погрешности, обусловленной паразитными токами утечки. Для уменьшения этой погрешности увеличивают частоту напряжения питания до нескольких килогерц, и даже мегагерц.

Погрешность, обусловленная влиянием паразитных емкостей между электродами и заземленными деталями конструкции, между жилой соединительного кабеля и его заземленным экраном. Причем параметры кабеля могут изменяться. Для уменьшения этой погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи преобразователя.

7.4. Измерительные цепи ЕИП

Существует множество различных измерительных цепей ЕИП. При построении измерительной цепи необходимо учитывать линейность зависимости выходного параметра цепи от измеряемой величины. Одной из трудностей построения измерительных цепей является их защита от наводок и исключение влияния паразитных емкостей. Кроме того, так как выходные мощности емкостных преобразователей малы, в измерительных цепях необходимо применять усилители. Наиболее распространенными являются измерительные цепи: в виде делителя напряжения, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, контурные цепи.

1) Цепь в виде делителя напряжения представлена на рис. 7.4. Одинарный емкостный ИП может быть включен в качестве С1 или С2. В случае дифференциального ИП его емкости образуют оба плеча делителя. При равенстве произведений R1C1 = R2C2, где R1 и R2 - сопротивления изоляции преобразова-теля, напряжение на выходе делителя в широком частотном диапазоне питающего напряжения определяется выражением

UВЫХ = U~C1 / (C1 + C2). (7.11)

Погрешность такой цепи зависит от погрешностей ЕИП, погрешностей из-за нестабильности напряжения питания и погрешности указателя.

На рис. 7.5 показана схема с использованием операционного усилителя (ОУ), построенная по принципу делителя напряжения. Выходное напряжение UВЫХ = U~C1 /C2. Емкостный преобразователь может быть включен вместо C1 или C2 в зависимости от того, на каком принципе построен ЕИП, и какую функцию преобразования измерительной цепи необходимо реализовать. В данной схеме паразитные емкости СП1 - СП2 практически не влияют на работу измерительного устройства. Емкости СП1 и СП3 шунтируются низкими выходными сопротивлениями источника напряжения U~ и усилителя. Емкость СП2 включена между входами ОУ и напряжение на ней близко к нулю.



Рис. 7.4 Рис. 7.5

Мостовые измерительные цепи используются преимущественно с дифференциальными преобразователями. На рис. 7.6 показаны некоторые варианты выполнения мостовых цепей. ЕИП включается в соседние плечи моста, в другие плечи моста включаются низкоомные резисторы (рис.7.6 а), взаимосвязанные индуктивности (рис. 7.6 б), полуобмотки питающего трансформатора (рис. 7.6 в).




а) б) в)

Рис. 7.6

Две паразитные емкости между жилами и экранами кабелей шунтируются малыми сопротивлениями (низкоомными резисторами, сопротивлениями индуктивностей, сопротивлениями обмоток трансформатора) нерабочих плеч моста и практически не влияют на работу мостовой схемы. Третья включается параллельно выходной диагонали моста. Обычно выходной сигнал цепи подается на усилитель и для уменьшения влияния емкости экранированного провода, соединяющего ЕИП с усилителем, применяется схема эквипотенциальной защиты. Для этой цели используются провода с двойным экраном.

При подсоединении выхода моста к инвертирующему входу ОУ (рис. 7.7) необходимость в двух экранах отпадает. Выходное напряжение



Uвых = U~1 - С2 )/С3 . (7.12)

Рис. 7.7 Рис. 7.8

Недостатком рассмотренных схем является то, что они могут использоваться для ЕИП, у которых все пластины изолированы от корпуса. При заземлении одной из пластин (обычно общей подвижной пластины) желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком. При работе дифференциального преобразователя с заземленной пластиной может использоваться емкостно-диодная измерительная цепь, показанная на рис. 7.8 [10]. Если пренебречь падением напряжения на диодах, то

Uвых  U~1 - С2 )/(С12+2С1С23). (7.13)

Если не предъявляется высоких требований к линейности характеристики преобразования, то в качестве измерительных цепей ЕИП могут быть использованы цепи резонансного L - C контура (рис. 7.9), питаемого от генератора со стабильной частотой. При изменении емкости преобразователя сопротивление

контура изменяется, при этом изменяется выходное напряжение, которое достигает максимума при частоте 0 = LC.



При измерении физических величин с помощью емкостных ИП широко используются измерительные цепи с преобразованием емкости в частотно-временные сигналы. На рис. 7.10 показана одна из подобных цепей с использованием ОУ. Функция преобразования схемы, представленной на рис. 7.10, имеет следующий вид [16]: fX = R3/(4R1R2C1).

Рис. 7.9 Рис. 7.10

Для линейного преобразования емкости С1 в качестве выходной величины необходимо принять период ТХ.

Влияние паразитных емкостей СП1 и СП2 в этой схеме мало.

8. Электромагнитные ИП.

Электромагнитные ИП состоят из одной или нескольких катушек. На практике наиболее широко применяются индуктивные, трансформаторные, индукционные и магнитоупругие ИП.

8.1. Индуктивные ИП

8.1.1. Принцип действия, конструкции, достоинства и недостатки

Принцип действия индуктивных ИП основан изменении собственной индуктивности катушки.

В общем случае индуктивный преобразователь состоит из катушки индуктивности, магнитопровода и подвижного ферромагнитного сердечника (якоря). Входная величина Х изменяет взаимное расположение катушки и якоря, или отдельных частей магнитопровода. При этом изменяется индуктивность катушки и ее полное сопротивление.

На рис. 8.1 представлены различные варианты конструктивного исполнения индуктивных ИП: с переменной длиной воздушного зазора (рис. 8.1 а); с переменной площадью воздушного зазора (рис. 8.1 б); соленоидальный (рис. 8.1 в); с распределенными параметрами (рис. 8.1 г).

В преобразователях с переменной длиной или площадью воздушного зазора (рис. 8.1 а, б) входная величина вызывает перемещение Х якоря 2. В результате этого изменяется магнитное сопротивление системы, что приводит к изменению индуктивности катушки 1, размещенной на магнитопроводе 3.

Соленоидальные индуктивные ИП представляют собой преобразователи с разомкнутой магнитной цепью (рис. 8.1 в) и работают на принципе изменения магнитного сопротивления участков рассеяния магнитного потока при перемещении якоря 2.

В
преобразователях с распределенными параметрами (рис. 8.1 в) изменение магнитного сопротивления происходит вследствие размагничивающего действия вторичных токов. В таких индуктивных ИП вместо ферромагнитного якоря перемещается короткозамкнутый виток 2 (рис. 8.1 г). При этом в витке индуцируются токи, которые создают потери, что приводит к появлению дополнительного реактивного сопротивления магнитной цепи. Вместо витка в зазор магнитопровода можно вводить электропроводный элемент (например, диск из меди или алюминия), в котором наводятся вторичные токи.

а) б) в) г)

Рис. 8.1

Наиболее распространенными являются преобразователи с переменной длиной воздушного зазора. Рассмотрим их работу.

Входная неэлектрическая величина Х изменяет взаимное расположение катушки 1, намотанной на магнитопровод 3 и подвижного якоря 2. При этом изменяется длина воздушного зазора  и магнитное сопротивление системы, что при-водит к изменению индуктивности катушки 1, которая определяется по формуле

L = n2/RМ, (8.1)

где n - число витков катушки; RМ - магнитное сопротивление ИП.

Пренебрегая рассеянием магнитного поля и нелинейностью кривой намагничивания материала магнитопровода и якоря, получим выражение для магнитного сопротивления в виде

RМ = RСТ + RЗ = lСТ/(r0 QСТ) + 2/(0 Q), (8.2)

где RСТ – магнитное сопротивление участков магнитопровода и ферромагнитного сердечника; RЗ – магнитное сопротивление воздушных зазоров; lСТ - длина средней силовой линии по магнитопроводу и якорю; QСТ - поперечное сечение магнитопровода и якоря (магнитопровод и якорь имеют одинаковую площадь поперечного сечения); r – магнитная проницаемость материала магнитопровода и якоря; 0 - магнитная постоянная;  - длина воздушного зазора; Q – сечение воздушного зазора.

Выполнив условие QСТ = Q, получим

L = 0 Q n2/(lСТ/r + 2). (8.3)

Переходя к сопротивлению катушки индуктивности и пренебрегая активным сопротивлением катушки, получим

Z() = iL = i0 Q n2/(lСТ/r + 2). (8.4)

Учитывая, что 2 >> lСТ/r (так как r - велико), получим

L  0 Q n2/(2); Z  i0 Q n2/2. (8.5)

К достоинствам индуктивных ИП можно отнести:

1) большой диапазон измеряемых линейных и угловых перемещений;

2) большую мощность выходного сигнала (до 5 Вт), что позволяет обойтись без дополнительного усиления;

3) высокую чувствительность;

4) надежность;

5) возможность питания от сети (для многих случаев).

Недостатками индуктивных ИП являются:

1) большая инерционность;

2) наличие электромагнитных сил притяжения.

8.1.2. Основные характеристики и области применения

Из 8.5. видно, что функция преобразования индуктивного ИП с изменяющимся зазором нелинейная. Зависимость сопротивления Z от длины воздушного зазора  близка к гиперболической. В подобных ИП при начальном зазоре 0 практически линейный участок составляет (0,1  0,15) 0 . А относительное изменение сопротивления Z/Z из-за наличия активного сопротивления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления якоря в 2-5 раз меньше относительного изменения зазора /0 [10].

Данные преобразователи характеризуются высокой чувствитель-ностью, но сравнительно малым диапазоном измерения. Они используются при малых перемещениях от единиц микрометров до единиц миллиметров (до 10 мм). Погрешность индуктивных ИП достигает 0,1 % [1].
Выходной величиной индуктивного преобразователя может быть изменение индуктивности ИП или изменение его сопротивления. Из уравнений 8.3 и 8.4 можно определить чувствительность SL и SZ преобразователя к изменению длины воздушного зазора

SL = dL/d = -2 0 Q n2/(lСТ/r + 2)2  - 0 Q n2/(22). (8.6)

Часто чувствительность индуктивного ИП определяется как

SZ = (1/Z)(dZ/d) = - 2/(2 + lСТ/r)  -1/. (8.7)

Преобразователи с изменяющейся площадью воздушного зазора обладают линейной функцией преобразования и применяются при измерении перемещений порядка 5–20 мм.

Преобразователи с разомкнутой магнитной цепью (соленоидальные ИП) имеют худшие характеристики, по сравнению с преобразователями с изменяющимися  и Q. Так как магнитный поток в основном замыкается через воздух, их чувствительность ниже. Кроме того, они потребляют относительно большую мощность и, в связи с большим рассеянием магнитного потока, подвержены сильному влиянию внешних магнитных полей. Функция преобразования нелинейна. Подобные преобразователи применяются для измерения больших линейных перемещений (10–100 мм). Известны конструкции таких преобразователей для перемещений до 2 м [16].

Преобразователи с распределенными параметрами используются для измерения больших линейных перемещений. Индуктивные ИП с электроповодным диском используются для измерения угловых перемещений до 180  360 О. Изменяя профиль диска, можно получить любой вид зависимости индуктивности от угла поворота диска.

Кроме измерения линейных и угловых перемещений индуктивные ИП используются для измерения размеров, толщины изделий, уровня и толщины различных покрытий, сил и крутящих моментов, ускорений и параметров вибраций.

8.1.3. Погрешности индуктивных ИП

Среди погрешностей индуктивных ИП можно выделить следующие:

1) температурную погрешность, обусловленную температурным изменением активного сопротивления катушки, магнитной проницаемости материала магнитопровода и якоря и размеров магнитной цепи;

2) погрешность, возникающую из-за действия силы притяжения якоря;

3) погрешность линейности функции преобразования;

4) при работе преобразователей в мостовых схемах возникает погрешность из-за нестабильности напряжения и частоты питания моста, а также формы кривой питающего напряжения.

Для улучшения свойств индуктивных ИП используются дифференциальные преобразователи. Они состоят из двух одинарных преобразователей, имеющих общий подвижный элемент. На рис. 8.2. показаны конструкции дифференциальных ИП с изменяющейся длиной воздушного зазора (рис. 8.2 а), с

и
зменяющейся площадью воздушного зазора (рис. 8.2 б), с разомкнутой магнитной цепью (рис. 8.2 в).

а) б) в)

Рис. 8.2.

В дифференциальных преобразователях при перемещении подвижного якоря под действием входной величины индуктивность одной катушки, например L1, возрастает, а второй L2 уменьшается. При включении в измерительную цепь выходной сигнал пропорционален разности выходных сигналов каждого преобразователя.

Дифференциальные преобразователи позволяют существенно уменьшить погрешности, повысить чувствительность и увеличить линейный участок характеристики. Линейный участок  составляет (0,3 – 0,4)о.

На практике индуктивные измерительные преобразователи всегда выполняются дифференциальными.

8.1.4. Измерительные цепи индуктивных ИП


Основными измерительными цепями индуктивных ИП являются мостовые цепи (рис. 8.3 а, б, в). Иногда индуктивный преобразователь включается в делитель напряжения (рис. 8.3 г) или колебательный L – C контур генератора. Наиболее распространенной является мостовая измерительная цепь, работающая в неравновесном режиме, при этом ток в нагрузке сдвинут по фазе относительно напряжения питания. Уравновешивание моста в начальном положении производится по двум составляющим.

а) б) в) г)

Рис. 8.3
8.2. Трансформаторные ИП

8.2.1. Принцип действия, конструкции, достоинства и недостатки

Принцип действия трансформаторных (взаимоиндуктивных) ИП основан на изменении взаимной индуктивности между двумя обмотками под действием входного сигнала. Одна из обмоток является намагничивающей, а с другой снимается напряжение.

Конструкции магнитной цепи трансформаторных и индуктивных ИП одинаковы, отличаются они числом обмоток. Трансформаторные ИП с изменяющимся воздушным зазором (рис. 8.4 а) и переменной площадью воздушного зазора (рис. 8.4 б) состоят из магнитопровода 1, на который намотаны две обмотки 2 (обмотка возбуждения) и 3 (вторичная обмотка), и подвижного якоря 4 из ферромагнитного материала. При перемещении подвижного якоря изменяется магнитное сопротивление RМ и взаимная индуктивность М между обмотками. Если ток I1, протекающий по обмотке 2, остается постоянным, то ЭДС индуктированная во вторичной обмотке 3, будет определяться как

Е2 = j w1 w2 I1/ RМ, (8.8)

где w1 и w2 - число витков обмотки возбуждения и вторичной обмотки;  - частота.

Подставив в (8.8) выражение для магнитного сопротивления (8.2), получим уравнение преобразования трансформаторного преобразователя с переменным воздушным зазором (рис. 8.4 а)




Е2 = j0 Q  w1 w2 I1/ (2 + lСТ/r)  j0 Q  w1 w2 I1/ 2. (8.9)



а) б) в)

г) д)

Рис. 8.4

В преобразователе (рис. 8.4 в) обмотка 3 выполнена в виде рамки, которая может поворачиваться в кольцевом зазоре полюсных наконечников 4. При включении обмотки 2 в цепь переменного тока в обмотке 3 наводится ЭДС Е2. При повороте рамки 3 значение ЭДС Е2 изменяется. Функция преобразования трансформаторного ИП с подвижной обмоткой может быть записана в виде [9]

Е2 = 2  w2 U~/ (w1), (8.10)

где  – угол поворота рамки относительно горизонтального положения О.

В крайних положениях рамки (1 и 2) индуктированная в ней Е2 имеет максимальное значение. В горизонтальном положении (О ) рамки 3 ЭДС Е2 равна нулю, причем при переходе рамки через горизонтальное положение ЭДС меняет фазу на 180О. Для сдвига характеристики преобразования последовательно с обмоткой 3 включают дополнительную обмотку 5. В данных преобразователях могут быть использованы ферродинамические измерительные механизмы и сами преобразователи иногда называют ферродинамическими [10].

В преобразователе с распределенными параметрами (рис. 8.4 г) при перемещении подвижной обмотки в воздушном зазоре изменяется полный поток, сцепляющийся с витками подвижной обмотки. Если магнитное сопротивление участка магнитопровода 1, по которому перемещается подвижная обмотка 3, мало по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора, то зависимость индуктированной ЭДС Е2 практически линейно зависит от перемещения обмотки 3. Изменяя профиль магнитопровода, можно получить заданную функцию преобразования трансформаторного ИП.

К достоинствам трансформаторных ИП можно отнести: 1) отсутствие гальванической связи между цепями питания и выхода; 2) возможность их использования без измерительных схем.

К недостаткам относятся влияние перемещения подвижного якоря на ток в первичной цепи.

Область применения трансформаторных ИП аналогична области применения индуктивных ИП.

8.2.2. Погрешности трансформаторных ИП

Погрешности трансформаторных ИП обусловлены теми же причинами, что и в индуктивных ИП. Кроме этих погрешностей трансформаторные преобразователи имеют погрешности: 1) обусловленные протеканием тока во вторичной обмотке и изменением ее сопротивления; 2) изменением тока в первичной цепи при перемещении якоря.

Для уменьшения погрешности, вызванной изменением тока в первичной цепи, необходимо включить в цепь высокоомный добавочный резистор. Уменьшение погрешности из-за тока во вторичной цепи достигается использованием измерительного прибора или вторичного преобразователя с больших входным сопротивлением.

Для улучшения характеристик трансформаторных ИП используются дифференциальные преобразователи. На рис. 8.4д показан преобразователь с подвижным сердечником. Первичные обмотки включены между собой последовательно, а вторичные включены встречно. Последовательное соединение первичных обмоток позволяет существенно уменьшить погрешность, обусловленную изменением тока в первичной цепи. При таком включении сопротивление одной первичной обмотки возрастает, а второй уменьшается примерно на ту же величину, и в целом сопротивление остается неизменным, т. е. ток в первичной цепи остается постоянным.

В дифференциальных ИП суммарная ЭДС на выходе [9]

Е2 = Е12 – Е22 = w2O /(2 w1) [1/(O -  ) – 1/(O +  ) ]U~ , (8.11)

где  – смещение якоря относительно его среднего положения.

При 2O  2 функция преобразования практически линейна.

Е  w2  U~ /(O w1). (8.12)

Чувствительность преобразователя

S = w2 U~ /(O w1). (8.13)

Свойства дифференциальных трансформаторных ИП аналогичны свойствам дифференциальных индуктивных ИП.

8.3. Магнитоупругие ИП

8.3.1. Принцип действия, конструкции магнитоупругих ИП

Принцип действия магнитоупругих ИП основан на магнитоупругом эффекте и заключается в изменении магнитной проницаемости ферромагнитного материала под действием упругих деформаций.

Магнитоупругие ИП являются разновидностью индуктивных ИП с замкнутым магнитопроводом. При наличии второй обмотки он может работать как трансформаторный преобразователь [17].




Различные варианты выполнения магнитоупругих ИП показаны на рис. 8.5. При воздействии механической силы F в чувствительном элементе 1 возникают механические напряжения , которые обусловливают изменение магнитной проницаемости  чувствительного элемента и магнитного сопротив-ление RM преобразователя. При этом изменяется индуктивность L обмотки 2 (рис. 8.5 а) или взаимная индуктивность М между обмотками 2 и 3 (рис. 8.5 б, в).

а) б) в)

Рис. 8.5

В магнитоупругих преобразователях возможно использование изменения магнитной проницаемости в одном направлении (рис.8.5 а, б) и использование изменения магнитной проницаемости вследствие анизотропии магнитных свойств ферромагнитных тел при их деформации, в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Обмотки преобразователя 2 и 3 (рис. 8.5 в), основанного на анизотропии свойств, располагаются под углом 900 друг к другу. В ненагруженном состоянии магнитные силовые линии первичной обмотки 2 не пересекают витки вторичной обмотки 3. При приложении усилия магнитные силовые линии первичной обмотки искажаются и пересекают витки обмотки 3, при этом в ней индуктируется ЭДС.

Достоинствами магнитоупругих ИП являются: 1) большая выходная мощность, так как в них все тело чувствительного элемента, воспринимающего измеряемое усилие, является активным; 2) малый прогиб под действием нагрузки; 3) малое электрическое сопротивление.

8.3.2. Характеристики и области применения

Основной характеристикой магнитоупругого преобразователя является чувствительность, которая определяется магнитоупругой чувствительностью S материала преобразователя. Относительная магнитоупругая чувствительность материала представляет собой отношение относительного изменения магнитной проницаемости  = / на единицу механического напряжения 

S =  /. (8.13)

Магнитоупругий эффект проявляется в таких материалах, как пермалой, электротехническая сталь, сплавы железо-никель, ферриты и др. Изменение магнитной проницаемости / для различных материалов составляет (0,5 – 3) % при изменении  на 1 МПа [10].

Чувствительный элемент преобразователей может выполняться как из сплошного материала, так и набранным из листов. В преобразователях, работающих на сжатие, магнитопровод обычно выполняется из сплошного материала. В преобразователях, работающих на растяжение, стабильнее работает магнитопровод, набранный из листов.

Данные ИП применяются для измерения крутящих моментов, больших сил и давлений. Диапазон измерения силы достигает 10 МН [18], давления до десятков МПа. Магнитоупругие преобразователи позволяют измерять как статичес-ские, так и динамические величины.

8.3.3. Погрешности магнитоупругих ИП
1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации