Раздел 2. 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. 4.66, а и б).

а) б)

Рис. 4.66. Преобразователь с линейным (а) и с угловым (б) перемещением катушки.

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

(4.35)

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. 4.67).

а) б)

Рис. 4.67. Датчик с индукционным преобразователем (а) и датчик в виде реактивного генератора с зубчатым ротором (б)

На рис. 4.67, а 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

(4.36)

где w - круговая скорость вращения в радианах в секунду; п - 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. 8.15 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.

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).

Основы расчета индукционных преобразователей

В преобразователях первой группы магнитный поток не из­меняется и расчет магнитной цепи и э.д.с. преобразователя производится обычными приемами расчета постоянных маг­нитов.

В преобразователях второй группы расчет производится по величине изменения магнитного потока во времени.

Для повышения чувствительности преобразователя выгод­но применять катушки с большим количеством витков, так как индуктированная э.д.с. прямо пропорциональна числу витков.

Но сопротивление катушки R_К, а, следовательно, число витков должны на­ходиться в соответствующем отношении с сопротив­лением измерителя R_И. Усло­вием наибольшей мощности по­лучаемой измерителем от преобразователя, кото­рый в данном случае является генератором э.д,с., является равенство со­противле­ний катушки преобразователя и измерителя R_K = R_И .

(4.37)

где D_CP - средний диаметр катушки; r - удельное сопротивление провода, k_у - коэффициент заполнения; S - заданная площадь окна катушки; с - постоянный коэффициент c = .

Откуда cw² = R_Н ,

(4.38)

Таким образом, зная сопротивление измерителя, можно опре­делить опти­мальное число витков для заданных геометриче­ских размеров катушки. При рас­чете катушки необходимо учи­тывать как поле постоянного магнита, так и поле, обусловлен­ное током, индуктированном в катушке.

Погрешности индукционного преобразователя вызываются изменением его геометрических размеров, индукции постоян­ного магнита и удельного сопро­тивления цепи измерителя. Важное значение при расчете индукционных преобра­зователей имеет вопрос о компенсации температурной погрешности, так как чаще всего эти преобразователи используются на различ­ных средствах транспорта в диапазоне температур от —60 до 50^оС. Применительно к преобразователям (см рис. 4.68, а, б) ток в измерителе равен

(4.39)

В данном выражении как числитель, так и знаменатель из­меняются при изменении температуры с разными знаками.Индуктированная э.д.с. Е с увеличе­нием температуры уменьшается, так как индукция постоянных магнитов с ростом тем­пературы падает примерно на 0,002…0,003% на 1^оС.

Катушка преобразователя наматывается из медной прово­локи, сопротив­ление катушки Рк имеет положительный тем­пературный коэффициент.

Сопротивление R_И имеет, как правило, также положи­тельный температур­ный коэффициент, величина которого за­висит от соотношения между сопротив­лением рамки (из меди) и добавочным сопротивлением (из манганина).

Значение тока I^’ в измерителе при повышении температу­ры на q градусов (относительно температуры при градуиров­ке) можно подсчитать по формуле

где d - отрицательный температурный коэффициент индук­ции магнита;

a - положительный температурный коэффициент соп­ротивления меди;

a₁ - положительный температурный коэффициент соп­ротивления изме­рителя, равный:

(4.40)

где R_P - сопротивление рамки измерителя,

R_ДОБ - добавочное сопротивление измерителя (манга­нин).

Данная формула справедлива лишь для простейшей схемы измерителя. В более сложных внутренних схемах измерителя усложняется и формула для под­счета a₁. Погрешность, обус­ловленная изменением температуры, отрицательна и равна

(4.41)

Значение g тем меньше, чем меньше R_К относительно R_И и чем меньше температурная погрешность самого измерителя.

Одним из наиболее радикальных средств компенсации тем­пературной по­грешности является применение термомагнитно­го шунта к магниту преобразова­теля (если его конструкция позволяет это). Термомагнитный шунт прикрепляется таким образом, что он шунтирует магнитный поток в воздушном за­зоре.

Термомагнитные шунты выполняются из специальных сплавов никеля и меди или никеля и железа. У данных сплавов в диапазоне температур от —80 до +80^оС обладают весь­ма круто па­дающей кривой
В = f (t). Таким образом, с уве­личением температуры магнитный поток, ответвляющийся в термомагнитный шунт, уменьшается, за счет чего уве­личится часть общего потока магнита, ответвляющегося в зазор. Вслед­ствие этого увеличится значение Е, а следовательно, и I.

При наличии в индукционном преобразователе диска или полого стакан­чика — материал для этих деталей следует брать с малым температурным коэф­фициентом — для компенсации температурной погрешности.

При проектировании индукционного преобразователя боль­шое внимание следует уделять получению линейной зависимо­сти, индуктированной э. д. с. от амплитуды перемещения ка­тушки. Линейность преобразования для преобразова­телей пер­вой группы зависит от размеров катушки и от ее расположе­ния относи­тельно полюсных наконечников. При рациональ­ном выборе конфигурации маг­нитной цепи, размеров и поло­жения катушки эта погрешность не превышает 0,5—1%.
У преобразователей второй группы линейность преобразования зависит от магнитных характеристик ферромагнитных мате­риалов, из которых выполнена магнитная цепь, и так как эти характеристики нелинейны, то преобразователи второй груп­пы имеют большую погрешность от нелинейности. Нелиней­ность преобразователей второй группы можно уменьшить ра­циональным выбором ра­бочего зазора. Если погрешность остается большой, то измеритель градуируется вместе с преоб­разователем.

Применение. 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. 4.68 приведена Структурная схема про­мышленного универсального виброизмерительного устройства, позволяющая измерить перемещения, скорости и ускорения.

Рис.4.68. 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 О м.

Рис. 4.69. Прибор виброизмерительный АГАТ-М

Современный двухканальный анализатор параметров вибрации.
Отличительной особенностью прибора является наличие функции
экспресс-диагностики подшипников качения, которая по однократному замеру позволяет определить дефекты монтажа, зарождающиеся дефекты подшипников, а так же степень их износа.

Технические характеристики: вес – 880/6400 г; габаритные размеры – 220х110х38 мм; частотный диапазон – 2 … 10000 Гц.

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.4.70.

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 Г ц, степень успокоения b = 0,3, массу — 300 г, диа­метр 50 мм и длину 60 мм,

Рис. 4.70. Прибор для измерения виброперемещений и виброуско­рений.

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. 4.71 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. 4.71. Устройство прибора для измерения постоянного ускорения и скорости.

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. 4.72 показан принцип конструкции тахометра с ин­дукционным преобразователем.

Рис. 4.72. Тахометр с ин­дукционным преобразователем.

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. 4.73 пред­ставлена схема устройства турбинного крыльча­того тахометрического датчика. Он представляет собой отрезок трубы, в кото­ром установлена небольшая осевая турбинка.

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%.

Рис. 4.73. Устройство турбинного крыльча­того тахометрического датчика.

В индукционном расходомере (рис. 4.74) используется эффект возникновения электррического тока в проводнике, перемещающемся в магнитном поле.

Рис. 4.74. 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.

Рис. 4.75. Экономичный индукционный pасходомеp SIMA FC 2.1

Расходомер SIMA FC 2.1 (рис. 4.75) предназначен для общих пpомышленных измеpений расхода жидкостей с пpедпочтительным пpименением в водном хозяйстве.