4.12. Магнітоіндукційні перетворювачі

Устрій перетворювача показаний на рис. 4.55. Постійний магніт 2, закріплений на валу 1, приводиться в обертання з кутовою швидкістю w. Магнітний потік постійного магніта замикається через стакан 3 з провідного матеріалу і магнітопровід 4. При обертанні постійного магніта в стакані наводиться ЕРС обертання, пропорційна частоті обертання. Під дією ЕРС в стакані виникають струми, взаємодія яких з магнітним потоком магніта призводить

д о появи обертаючого моменту.

Обертаючий момент зраджується пропорційно частоті обертання:

де k₁ — коефіцієнт пропорційності.

Обертаючому моменту протидіє момент спіральної пружини 6

де k₂ — жорсткість пружини; φ — кут повороту валу 5.

У сталому режимі моменти рівні один одному. З виразів (4.47), (4.48) одержимо

Отже, кут повороту валу 5 зраджується пропорційно частоті обертання. Для дистанційної передачі кута φ застосовуються перетворювачі кутових переміщень.

4.13. Частотні перетворювачі частоти обертання

У частотних перетворювачах вимірюється не розмір вихідної напруги, а його частота, яка зраджується пропорційно частоті обертання. На судах знайшли застосування індукційні, трансформаторні і фотоелектричні перетворювачі частоти обертання.

Індукційні частотні перетворювачі. На мал. 4.56 показаний індукційний перетворювач, який має двополюсну магнітну систему 1 з двома обмотками і диск 2. На обмотку збудження w_В подається напруга U від мережі постійного струму, і вона служить для створення постійного магнітного потоку. З вимірювальної обмотки wИ знімається вихідна напруга Uвых.

Двополюсна магнітна система встановлена поряд з диском із феромагнітного матеріалу, який закріплений на обертаючому валу. Між диском і полюсами є повітряний зазор. По периметру диска рівномірно розташовані зубці. Висота кожного зубця рівна відстані між полюсами. При обертанні диска відбувається періодична зміна магнітного опору, який призводить до зміни постійного магнітного потоку. При зміні магнітного потоку в обмотці наводиться ЕРС, рівна

(4.49)

У загальному випадку крива ЕРС має довільну форму. Частота ЕРС перетворювача змінюється прямо пропорційно частоті обертання валу:

(4.50)

де n — частота обертання, об/мин; z — число зубців диска.

З виразу (4.50) видно, що частота ЕРС перетворювача не залежить від зовнішніх умов, тому точність вимірювання частоти обертання залежить лише від точності вимірювання частоти ЕРС. Сам перетворювач не вносить погрішності в процес вимірювання. Відповідно до виразів (4.49), (4.50) разом з частотою ЕРС при зміні частоти обертання відбувається зміна значення ЕРС. При малій частоті обертання ЕРС має невелике значення, тому при вимірюванні її частоти виникають великі погрішності.

Часто в індукційних перетворювачах як джерело постійного магнітного потоку замість обмотки застосовуються постійні магніти, а замість зубчатого диска — металева стрічка з отворами, закріплена на валу, що обертається, або виступаючі деталі обертаємих частин машин (мал. 4.57).

На судах індукційні перетворювачі знайшли застосування для вимірювання частоти обертання дизелів і гребних валів. Недоліком індукційних перетворювачів є нестабільна робота при малій частоті обертання.

Трансформаторні перетворювачі. Трансформаторний перетворювач має зубчатий диск 2 із феромагнітного матеріалу і магнітопровід із Ш-образного трансформаторного заліза 1 з трьома обмотками (рис. 4.58). Між диском і магнітопроводом є повітряний зазор. Обмотка w_B, розташована на середньому стержні, харчується від мережі змінного струму і служить для створення змінного магнітного потоку.

Обмотки w_И, розташовані на крайніх стержнях, з'єднуються послідовно зустрічно і мають однакове число витків. При обертанні диска відбувається періодична зміна магнітних опорів між середнім і крайнім стержнями. Якщо середній і правий стержні перекриті зубцем диска, то магнітний опір між ними буде значно менше магнітного опору між середнім і лівим стержнями. За відсутності перекриття магнітні опори між стержнями рівні.

Магнітні потоки крайніх стержнів залежать від співвідношення між магнітними опорами, унаслідок чого при обертанні диска відбуватиметься періодична зміна магнітних потоків. При цьому магнітний потік правого стержня періодично зростає, а магнітний потік лівого стержня періодично зменшується. Зміна магнітних потоків призводить до зміни відповідних ЕРС, що наводяться в котушках крайніх стержнів. Вихідна напруга перетворювача рівна різниці ЕРС Епр правої обмотки і Ел лівої обмотки:

Одночасне періодичне збільшення однієї ЕРС і зменшення іншої приведе до амплітудної модуляції вихідної напруги. Несуча частота вихідної напруги рівна частоті напруги живлення, а частота модуляції є частотою перетворювача f_п яка змінюється відповідно до виразу (4.50).

При амплітудній модуляції несуча частота / повинна бути у декілька разів більше частоти модуляції. Для трансформаторних перетворювачів співвідношення між частотами задається виразом

Звідси можна набути значення максимальної частоти обертання. При

Т аким чином, трансформаторні перетворювачі мають граничне значення вимірюваної частоти обертання, яке залежить від частоти мережі і числа зубців диска.

Фотоелектричні перетворювачі.

Фотоелектричні перетворювачі складаються з диска 3, джерела світлового потоку 1, фоточутливого пристрою 2 (мал. 4.59).

Диск виконується з непрозорого матеріалу. По колу диска рівномірно розташовані циліндрові отвори або щілини. Для формування світлового променя в перетворювачі є оптичний Устрій. При обертанні диска відбувається періодичне перекриття світлового променя, що призводить до періодичної зміни стану фоточутливого пристрою, який перетвориться за допомогою схеми в прямокутні імпульси напруги. Частота імпульсів зраджується пропорційно вимірюваній частоті обертання n:

де z — число отворів або щілин.

Фотоелектричні перетворювачі в суднових установках не мають обмежень при вимірюванні як малих, так і великих частот обертання. Як джерела світлового потоку застосовуються світлодіоди, а як фоточутливі пристрої — фотодіоди. Недоліком фотоелектричних перетворювачів є наявність оптичного пристрою, який в суднових умовах забруднюється масляними парами і пилом.

Реверсивні перетворювачі. Реверсивні частотні перетворювачі складаються з двох простих, зміщених відносно один одного на певний кут по колу валу. Після попередньої обробки з виходу кожного частотного перетворювача можна одержати безперервну послідовність прямокутних імпульсів U1 і U2. Залежно від напряму обертання валу одна з послідовностей випереджає іншу. Реверс валу призводить до зміни чергування послідовностей. Схема, показана на мал. 4.60, дозволяє вимірювати частоту обертання валу і визначати його напрям обертання.

Схема складається з логічного елементу НЕ, двох логічних елементів И і двох чекаючих мультивібраторів DD1, DD2. При випередженні послідовності U₂ по фазі на π/2 послідовності U₁ на виході елементу И1 з'являються прямокутні імпульси з постійною амплітудою. Реверс валу спричинить випередження послідовності U₁, що приведе до появи прямокутних імпульсів на виході елементу И2. Поява прямокутних імпульсів на виході логічних елементів І супроводжується світловою сигналізацією.