Эдс индукционного преобразователя обратно пропорциональна частоте измеряемого магнитного поля

Индукционные преобразователи

Индукционным преобразователем называется преобразователь, принцип действия которого основан на законе электромагнитной индукции. Преобразователь имеет катушку. При воздействии входной величины на преобразователь изменяется потокосцепление Ψ катушки с внешним по отношению к катушке магнитным полем. При этом в катушке наводится ЭДС

,

где w — число витков катушки; Ф — проходящий через нее поток; Q — площадь, через которую проходит этот>поток; В — индукция магнитного поля.

ЭДС в катушке может наводиться при изменении во времени любой из перечисленных величин w, В, Q,

В качестве примера рассмотрим преобразователь, который представляет собой магнитную систему с постоянным магнитом, в воздушном зазоре которой перемещается катушка (рис. 14.11).

Рис. 14.11. Полюса постоянного магнита с размещенной между ними катушки

При движении катушки с изменением х изменяется площадь катушки, находящейся в магнитном поле, Q = b∙х. Это приводит к изменению потокосцепления Ф = w∙B∙b∙x, и в катушке наводится ЭДС

Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной dx/dt или угловой dα/dt скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Они являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.

Различают ряд типов преобразователей. Рассмотрим их.

Преобразователи скорости вибрации. Индукционные преобразователи генерируют ЭДС только при перемещении катушки в магнитном поле. По этой причине преобразователи этого типа могут служить для преобразования линейной скорости в ЭДС на небольших длинах пути. Обычно они применяются для измерения скорости вибрации, когда ее амплитуда не превышает нескольких сантиметров. Одна из конструктивных схем преобразователя вибрационной скорости показана на рис. 14.12а. Преобразователь имеет кольцевой магнит 1, вставленный в стальное ярмо 2.

Рис. 14.12. Схема индукционного преобразователя скорости вибрации: 1. Постоянный магнит. 2. Стальной сердечник (якорь). 3. Полюсный наконечник. 4. Катушка. е — индуцируемая ЭДС

Магнитный поток от постоянного магнита проходит по центральному цилиндрическому сердечнику через воздушный зазор и кольцевой полюсной наконечник 3. В цилиндрическом воздушном зазоре находится намотанная на каркас катушка 4. Она может перемещаться в воздушном зазоре вдоль оси преобразователя.

Катушку условно можно разделить на три части I, II, III (рис. 14.12а): I — находится вне магнитопровода, и магнитный поток в нее не заходит, II — находится в воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и цилиндрическим сердечником. Магнитный поток, пронизывающий витки этой части катушки, не меняется во времени, число витков также остается постоянным. В этой части катушки ЭДС не наводится. Часть III катушки находится вне воздушного зазора, но внутри магнитной системы. Магнитный поток, проходящий через витки этой катушки, также постоянен, но при вибрации катушки изменяется число витков. Изменение числа витков приводит к изменению потокосцепления и наводит ЭДС. Витки катушки обычно наматываются равномерно. При этом ЭДС преобразователя пропорциональна скорости вибрации.

Индукционные преобразователи могут применяться и для измерения угловой виброскорости. Схема такого преобразователя показана на рис. 14.12б. Он состоит из постоянного магнита 1, полюсных наконечников 2, цилиндрического стального сердечника 3 и катушки 4. Устройство преобразователя аналогично устройству магнитоэлектрического измерительного механизма. При повороте катушки вокруг оси сердечника ее потокосцепление изменяется и в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная угловой скорости.

Тахометрические преобразователи. Преобразователи этого типа представляют собой электромашинные генераторы. В качестве примера рассмотрим синхронный преобразователь с вращающимся постоянным магнитом (рис. 14.13а): он состоит из статора 1, на котором помещена обмотка, и ротора 2 с закрепленным на нем постоянным магнитом. При вращении магнита изменяется поток, проходящий через обмотку, и в ней индуцируется переменная ЭДС. Амплитуда и частота ЭДС пропорциональны частоте вращения ротора. Частота ЭДС определяется соотношением f = n∙р/60, где n — частота вращения, об/мин; р —число пар полюсов.

Рис. 14.13. Тахометрический преобразователь с постоянным магнитом: 1. Статор. 2. Якорь (ротор). 3. Токосъемный коллектор

На рис. 14.13б приведена схема тахометрического преобразователя постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита, расположенного на статоре 1.

Измерительная обмотка расположена на роторе 2, и при его вращении в ней образуется переменная ЭДС, которая снимается с вращающегося ротора и подается на статор с помощью коллектора 3 и скользящих по нему щеток. При этом переменная ЭДС выпрямляется.

Источник

Индукционные преобразователи.

Преобразователи, в которых скорость изменения измеряе­мой величины преобразуется в индуктированную э.д.с., назы­ваются индукционными и являются разновидностью электро­магнитных преобразователей.

В данных преобразователях естественной входной величи­ной является скорость механического перемещения (и поэтому непосредственно они могут применяться только для измерения: скорости линейных и угловых перемещений), а выходной ве­личиной является индуктированная э.д.с.

По принципу действия индукционные преобразователи можно разделить на 2 группы. В преобразователях первой группы индуктированная э.д.с. наводится в катушке благода­ря линейным или угловым колебаниям катушки в зазоре маг­нита (рис. 3.10, 3.11).

Рис. 3.10. Преобразователь с линейным перемещением катушки

Рис. 3.11. Преобразователь с угловым перемещение катушки

При своем перемещении витки катушки пересекают под прямым углом линии магнитного поля и в них индуктируется э. д. с. Если линейное перемещение Dl является некоторой функцией времени Dl = f (t), мгновенное значение э.д.с. равно

(3.4)

где w – число витков катушки; 1_a – активная длина витка, В – индукция в зазоре.

В преобразователях второй группы индуктированная э.д.с. наводится путем изменения магнитного потока вследст­вие колебаний полного магнитного сопротивления магнитной цепи, создаваемых чаще всего изменением воздушного зазора в этой цепи (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Датчик с индукционным преобразователем

На рис. 3.12 изображена схема устройства датчика с индук­ционным преоб­разователем для измерения скорости враще­ния. На валу укреплен стальной зуб, который при вращении вала проходит мимо зазора неподвижно установленной маг­нитной системы с постоянным магнитом, уменьшая магнитное сопротивление зазора этой системы согласно кривой R_м. В ка­тушке, надетой на магнит, наво­дятся импульсы, э. д. с., при­мерная форма которых представлена кривой е Неза­висимо от качества выполнения магнитной системы, старения магнита, расстоя­ния между валом и магнитом, частота выходных импульсов в герцах всегда будет равна числу оборотов вала в се­кунду. В ка­честве индукционных преобразователей для изме­рения скорости удобно приме­нять синхронные генераторы с ротором в виде постоянного магнита. Если число пар полюсов ротора равно p, то частота выходного сигнала f равна

(3.5)

где w – круговая скорость вращения в радианах в секунду; n – число оборо­тов в минуту. Частота таких датчиков не превышает несколько сотен герц.

Для получения более высоких частот, при которых стано­вится оправдан­ным использование цифровых частотомеров, целесообразно строить датчик в виде реактивного генератора с зубчатым ротором. На рис. 3.13 представлен датчик в виде реактивного генератора. Магнитная цепь выполнена так, что когда под од­ной катушкой статора находится зубец ротора, происходит перераспределение магнитного потока постоянно­го магнита с частотой, определяемой скоростью вращения и числом зубцов: поток постоянного магнита остается неизмен­ным и потери в нем отсутствуют.

Рис. 3.13. Датчик в виде реактивного генератора с зубчатым ротором

Еще более высокочастотные индукционные преобразовате­ли можно по­строить, используя технику магнитной записи. Барабан с ферромагнитным по­крытием, на который с по­мощью магнитной головки записано синусоидальное колеба­ние, эквивалентен ротору с числом зубцов, равным числу пе­риодов запи­санного колебания на окружности барабана.

Индукционный преобразователь данного типа состоит из магнитного ба­рабана с нанесенной записью и считывающей магнитной головки. Магнитная за­пись в зависимости от зазо­ра между барабаном и головкой позволяет разместить на каждом сантиметре поверхности барабана 50…250 импульсов при частоте считывания 100…200 кГц (соответствующей ско­рости вращения барабана 50–100 об/с), т.е. заменяет зуб­чатый диск с 5…25 зубцами на мм. К недостаткам преобразо­вателя этого типа относятся технологические трудности, свя­занные с необходимостью выдерживать малый зазор между барабаном и считывающей го­ловкой (до 30…50 мкН).

Выходное напряжение индукционного преобразователя пропорционально скорости перемещения подвижной части и это свойство широко используется для построения универсаль­ных виброизмерительных устройств, в измерительной цепи ко­торых значение виброперемещений и виброускорений получа­ются путем интегрирования или дифференцирования выходно­го сигнала датчика. На рис. 3.14 приведена структурная схема про­мышленного универсального виброизмерительного устройства, позволяющая измерить перемещения, скорости и ускорения.

Рис. 3.14. Структурная схема универсального виброизмерительного устройства

Сигнал сейсмического вибродатчика с индукционным преобра­зователем поступает через интегрирующую ИЦ или дифферен­цирующую ДЦ цепь, или непосредственно в усилитель УС, на выход которого подключен вибратор осциллографа. Выбор из­меряемого параметра осуществляется при помощи переклю­чателя П. Прибор имеет три канала, обеспечивающих работу в диапазоне частот 10…500 Гц при ко­эффициенте преобразования 70 мА/В no сигналу, 24×10 -3 мА/В по интегралу вход­ного сигнала и 175×10 -3 мА с/В – по производной вход­ного сигнала при нагрузке на указа­тель с сопротивлением 1 Ом.

Другим направлением построения широкодиапазонных виброизмеритель­ных приборов является использование кор­ректирующих цепей, позволяющих ис­пользовать один и тот же датчик для измерения виброперемещений и виброускорений. Примером может служить широкодиапазонный прибор, кон­струкция которого приведена на рис. 3.15.

Рис. 3.15 . Прибор для измерения виброперемещений и виброуско­рений.

1 – дюралюминиевый каркас; 2 – полюсный наконечник; 3 и 7 – соответственно рабочая и корректирующая катушки; 4 – П-образные пружины; 5 и 6 – винты; 8 – внешний магнитопровод

В зазоре между полюсным наконечником 1, напрессованным на постоянный маг­нит, и внешним магнитопроводом 2, помещена рабочая катуш­ка 3 индукционного пре­образователя, намотанная на дюр­алюминиевый каркас 4. В качестве упругих эле­ментов используются плоские П-образные пружины 5. Винтами 6 и 7 пру­жины прикреп­лены одним концом к рабочей катушке, а дру­гим – к корректирующей катушке 8. Последняя служит для коррекции погрешностей, обусловленных внешними маг­нитны­ми полями и включается встречно с рабочей катушкой. Успо­коение сис­темы электромагнитное и осуществляется за счет взаимодействия токов, индук­тированных в каркасе и рабочей катушке, с полем постоянного магнита. Датчик имеет чувстви­тельность около 50 мВ/мм собственную резонансную ча­стоту 18 Гц, степень успокоения b = 0,3, массу – 300 г, диа­метр 50 мм и длину 60 мм,

Рабочий диапазон прибора по ускорению 0,03…10 g и по смещению 0,03…10 мм. Погрешность измерения не более 10%.

Индукционные преобразователи могут быть использованы для измерения

постоянного ускорения и скорости.

На рис. 3.16 показано принципиальное устройство предло­женного М.М.Фетисовым прибора с индукционным обрат­ным преобразователем. Позже появи­лось сообщение о том, что на таком же принципе основан акселерометр, уста­новлен­ный в системе американской ракеты «Минитмен».

Рис. 3.16. Устройство прибора для измерения постоянного ускорения и скорости.

1 – двигатель; 2 – диск; 3 – постоянный магнит; 4 – преобразователь недокомпенсации; 5 –ось

Под действием ускорения Х маятник, образованный по­стоянным магнитом 1, подвешенным на оси 2, отклоняется. Емкостный преобразователь недокомпен­сации 3 выходит из равновесия, выходной сигнал усиливается усилителем и по­сту­пает на обмотку двигателя 4. Двигатель вращает диск 5, рас­положенный ме­жду полюсами постоянного магнита. Возни­кающий момент уравновешивает мо­мент маятника. Скорость вращения диска, т.е. частота w пропорциональна уско­рению и является выходной величиной прибора.

Широкое распространение для измерения скорости полу­чили различного рода тахометры. Тахометры с амплитудной модуляцией обычно выполняются с индукционным преобразо­вателем (генератором постоянного или переменного тока), вы­ходной величиной которых является э.д.с. Для измерения скорости также используются частотные тахо­метры (с частот­ной модуляцией), которые являются наиболее простыми и точными. В качестве образцового отрезка пути в этих датчиках используется полный оборот 360 o . Измерите­лем в данном тахометре может служить герцметр. Индукционные преобразователи чаще всего используют­ся в частотных датчиках тахометров. Они просты, надежны, дают большую выходную мощность. К недостаткам их отно­сятся: необходимость непосредственного доступа к валу; зави­симость амплитуды выходного сигнала от измеряемой скоро­сти вращения, что затрудняет измерение малых скоростей, а также создаваемый им тормозной момент.

На рис. 3.17 показан принцип конструкции тахометра с ин­дукционным преобразователем.

Рис. 3.17. Тахометр с ин­дукционным преобразователем.

1 – металлический диск; 2 – стрелка; 3 – вал; 4 – пружинка

Магнит гибким валом связан с испытуемым объектом. В поле магнита, вращающегося со скоростью w, расположен металлический диск 1, ук­реплен­ный на

валу 2. На этом же валу укреплены один конец пру­жинки 3 из фос­фористой бронзы и стрелка 4, угол a поворота которой является выходной вели­чиной прибора. При враще­нии магнит увлекает за собой диск. Под действием вращаю­щего момента пружина, имеющая удельный противодействую­щий мо­мент W, закручивается на угол, прямо пропорциональ­ный измеряемой скорости.

Индукционные преобразователи используются также и для измерения объемного расхода жидкости или газа, протекаю­щего по трубопроводу в еди­ницу времени. На рис. 3.18 пред­ставлена схема устройства турбинного крыльча­того тахометрического датчика. Он представляет собой отрезок трубы, в кото­ром установлена небольшая осевая турбинка.

Рис. 3.18. Устройство турбинного крыльча­того тахометрического датчика.

Под действием потока жидкости в трубе ротор турбинки вращается со ско­ростью, доходящей до 250 об/сек. Скорость вращения турбинки преобразуется в частоту электрических ко­лебаний любым из описанных выше индукционным преобразо­вателем. Погрешность датчиков такого типа можно довести до 0,35%. Погрешность целиком определяется погрешностью преобразования расхода в скорость вращения турбинки и за­висит от сил сопротивления вращению ротора, возникающих от трения в подшипниках, вязкости жидкости и тормозного мо­мента индукционного преобразователя.

Частотные датчики расходомеров могут работать как с аналоговым изме­рительным устройством типа конденсаторно­го частотомера, так и с цифровым частотомером. Результирующая погрешность в первом случае составляет 1…2%, во втором – может быть менее 0,5%.

В индукционном расходомере (рис. 3.19) используется эффект возникновения электрического тока в проводнике, перемещающемся в магнитном поле.

Рис. 3.19. Устройство индукционного расходомера

Протекающая жидкость отождествляется с проводником, т.е. она должна обладать определенной минимальной проводимостью. Согласно закону Фарадея, в обладающей электрической проводимостью жидкости Q, протекающей через магнитное поле, возникает электрическое поле. Контролируемый поток протекает по армированной изолятором трубе, в стенах которой перпендикулярно направлению магнитного поля и потока среды установлены два диаметрально расположенных электрода В, с которых снимается напряжение, пропорциональное средней скорости потока среды. Этот образованный высокоомным источником сигнал, величина которого имеет порядок нескольких милливольт, с помощью кабеля проводится к измерительному преобразователю, усиливающему его и осуществляющему дальнейшую обработку.

Индукционные преобразователи могут быть также исполь­зованы для измерения крутящего момента – фазовые датчи­ки торсиометров.

Дата добавления: 2016-01-03 ; просмотров: 5396 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник