1.Принцип действия и область применения электромагнитных преобразователей.

Электромагнитный преобразователь представляет собой один или несколько контуров находящихся в магнитном поле, которое может быть создано как токами, так и внешним источником.

Одноконтурный электромагнитный преобразователь характеризуется током i через контур, потокосцеплением Ψ = L·i , противоэдс

,

энергией электромагнитного поля

,

индуктивностью L .

Выходной величиной одноконтурного электромагнитного преобразователя может быть индуктивность L , электромагнитная сила F_эм и индуктируемая в контуре ЭДС е_инд.

Индуктивность L определяется

 - число витков контура,

Re Z_M - действительная часть

Z_M - модуль полного магнитного сопротивления пути , по которому замыкается поток.

Z_M =

S_M - поперечное сечение потока,

 - магнитная проницаемость среды, по которой замыкается поток.

Индуктивность преобразователя увеличивается, если в магнитное поле контура вводится ферромагнитный материал. Электромагнитный преобразователь с ферромагнитным сердечником показан на рис. а, изменение его индуктивности происходит при изменении положения сердечника.

Рис.а)

Таким образом, входной величиной преобразователя является перемещение, а выходной индуктивность такой преобразователь называется индуктивным. Изменение индуктивности происходит также при изменении магнитной проницаемости сердечника. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от значения напряженности магнитного поля в материале соответственно индуктивность L зависит от тока текущего через преобразователь и создающего собственное магнитное поле и от параметров внешнего магнитного поля. Преобразователи, принцип действия, которых основан на использовании зависимости , называются магнитомодуляционными. При деформации ферромагнетика также изменяется их магнитная проницаемость этот эффект называется магнитоупругим и используется в преобразователях для измерения сил и давлений. Принцип действия магнитоупругого преобразователя показан на рис. б

Рис.б)

Электромагнитная сила действует на контур с током находящийся во внешнем магнитном поле, стремясь сместить или развернуть его так, чтобы суммарная индукция магнитного поля была максимальной.

Эта сила пропорциональна току i и индукции B. Если ток через контур поддерживать постоянным i= const, то по значению электромагнитной силы можно определить индукцию магнитного поля B.

Такие преобразователи иногда применяются для измерения магнитной индукции. Если, используя постоянный магнит создать магнитное поле с постоянной индукцией B=const , то преобразователь может быть применен для преобразования тока в силу и измерения тока рис.в

Рис.в)

Такие преобразователи называются магнитоэлектрическими и широко используются в измерительных механизмах электромеханических приборов.

Ферромагнитный сердечник втягивается в контур с током так, чтобы индуктивность контура была максимальной рис.г

Рис.г)

В этом случае электромагнитная сила пропорциональна квадрату тока, подобные преобразователи используются в электромагнитных измерительных механизмах электромеханических приборов.

Индуктивная ЭДС е_инд возникает в контуре находящимся во внешнем магнитном поле при изменениях потокосцепления. Для преобразователя, взаимосвязь которого с внешним магнитным полем характеризуется некоторым обобщенным параметром K при однородном внешнем магнитном поле с индукцией B, потокосцеплением Ψ = K·B и индуктируемым в контуре ЭДC

При неподвижном контуре (когда ) ЭДС будет индуктироваться только в переменном поле. Для контура без сердечника и при ЭДС изменяющейся по закону

w- число витков

s- площадь контура

Преобразователь представляющий собой неподвижную катушку рис.д может быть использован для измерения переменной магнитной индукции.

Рис.д)

В постоянном магнитном поле ЭДС индуктируется только в движущемся контуре и для измерения индукции B контура задают принудительное движение, например вращение с постоянной скоростью рис.е.

Рис.е)

Можно использовать преобразователь и для решения обратной задачи, определение по значению выходной ЭДС скорости движения контура в поле с известной B.

Преобразователи выходной величиной, которых являются ЭДС индукции, называются индукционными.

Электромагнитные преобразователи строятся таким образом, чтобы выделить зависимость между входной величиной и одной из перечисленных выходных величин. Однако учитывать в большинстве преобразователей приходится проявлений всех взаимосвязей. Так на сердечник преобразователя рис. а действует электромагнитная сила, которая может вызывать дополнительное перемещение сердечника, т.е. помеху, искажающую выходную величину. На контур в котором наводится ЭДС рис д если он замкнут на конечное сопротивление и по нему протекает ток действует сила стремящаяся определенным образом ориентировать контур относительно поля. Поворот контура под действием этой силы вызовет изменение индуктируемой ЭДС.

Область применения электромагнитных преобразователей.

В соответствии с принципом действия и исходными уравнениями электромагнитные преобразователи могут быть разделены на следующие большие группы:

1) преобразователи масштаба тока и напряжения (измерительные трансформаторы тока и напряжения и индуктивные делители напряжения).

2) электромеханические преобразователи электрического тока в электромагнитную силу. Эти преобразователи используются в электромеханических приборах амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, частотомерах, фазометрах и в качестве обратных преобразователей датчиков уравновешивающего преобразования.

3) индукционные преобразователи, основанные на законе электромагнитной индукции

И используемые для измерения индукции постоянного и переменного магнитных полей, а также скорости.

4) индуктивные и взаимоиндуктивные преобразователи (выходная величина индуктивность) для измерения неэлектрических величин влияющих на изменение положения отдельных частей преобразователя.

5) магнитоупругие преобразователи, в которых используется зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от механических напряжений в материале. Применяются для измерения сил и давлений.

6) магнитомодуляционные преобразователи, в которых используются нелинейные свойства магнитной цепи.

7) Преобразователи, использующие эффект Баркгауззена выходной величиной этих преобразователей является ЭДС магнитного шума.

2.Эквивалентная схема одноконтурного электромагнитного преобразователя.

Преобразователь с контуром в виде обмотки содержащей w витков показан на рис а.

Рис.а)

Основной поток Ф₁ контура пронизывает всю обмотку и сцепляется со всеми витками однако некоторая часть потока Ф₂ называемая потоком рассеяния замыкается не пронизывая ряд витков соответственно полная индуктивность контура имеет 2 составляющие основную индуктивность

и индуктивность рассеяния

, где

Z_м , Z’_м – магнитные сопротивления основного потока и потока рассеяния.

Если в обмотку преобразователя введен ферромагнитный сердечник, в котором концентрируется магнитный поток, то доля потоков рассеяния в общем потоке уменьшается и отношение увеличивается. Наименьшую индуктивность рассеяния имеет обмотка, выполненная на торроидальном сердечнике. Однако при введении ферромагнетика появляются зависящие от частоты потери мощности на перемагничивание магнитопровода эти потери учитываются сопротивлением R_пот включенным параллельно индуктивности L, кроме того, в эквивалентной схеме должны быть учтены также межвитковые емкости. В области частот до 10³- 10⁴ Гц они учитываются в виде сосредоточенной емкости.

Эквивалентная схема преобразователя в которой учтены сопротивление обмотки постоянному току R_o , основная индуктивность L , индуктивность рассеяния L_рас , емкость C и сопротивление потерь R_пот , приведена на рис.б

Рис.б)

В ней учтены также источники ЭДС: e_инд и Ū_ш которые характерны для электромагнитных преобразователей. ЭДС e_инд индуктируется в контуре находящемся во внешнем магнитном поле это ЭДС может быть информативной как в индукционном преобразователе, но может являться и помехой. Для того чтобы уменьшить ту составляющую которая является помехой обозначим e^’_инд преобразователи экранируются от внешнего магнитного поля , соединительные провода подводятся таким образом чтобы не образовывать дополнительных контуров. Преобразователи, находящиеся в магнитных полях защищаются от механических помех (вибрации, акустических воздействий) вызывающие колебания частей преобразователя и наведения ЭДС. Уменьшить составляющую помехи e^’_инд можно применив в преобразователях симметричные магнитные цепи и симметричные магнитные обмотки, в качестве примера на рис. в показана магнитная цепь в виде торроидального сердечника, при равномерной обмотки для каждого витка есть симметрично расположенный по отношению к магнитному потоку пронизывающему торроид парный виток (например витки б и в или а и г).

Рис.в)

ЭДС наводимые в парных витках компенсируют друг друга и суммарная ЭДС e^’_инд при идеальной симметрии равна 0.

В высокочувствительных электромагнитных преобразователях с ферромагнитным сердечником иногда приходится считаться с напряжением шума, обусловленным в области средних частот главным образом эффектом Баркгауззена. То есть импульсами ЭДС, вызываемыми скачкообразным смещением доменных границ при перемагничивании ферромагнетика. Эффект Баркгауззена используется при построении ряда преобразователей.

Известно, что ферромагнетики состоят из большого числа элементарных областей (доменов) объем которых для разных типов ферромагнетиков составляет 10 ^-3- 10 ^-6 мм³. Векторы намагниченности доменов ориентированы таким образом, что при отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность образца в целом равна 0. При приложении внешнего магнитного поля элементарные области перемагничиваются. Переориентация доменов может происходить скачками, при этом в витках обмотки индуктируются импульсы ЭДС.

∆ Ф – приращение магнитного потока вызванное скачком Баркгауззена,

 - длительность скачка.

Длительность скачков Баркгауззена для разных материалов 10 ^-3- 10 ^-7 с. На рис.г показан гистерезисный цикл со скачками Баркгауззена (масштаб скачков сильно увеличен) и они характеризуют процесс лишь с качественной стороны.

Рис.г)

На рис.д изображена кривая магнитного потока и кривая ЭДС

Ф=f(t), e= φ(t).

Рис.д)

Ступеньки на кривой намагничивания неодинаковы по величине и меняют свое положение от цикла к циклу перемагничивания. Магнитный шум является случайным процессом. Верхняя граница распределения f₂ определяется длительностью скачков Баркгауззена и составляет 10²-10⁵ Гц, в феррито может достигать 10⁷ Гц. Нижняя граница f₁ зависит от частоты перемагничивания f₀ и составляет не менее 3 f₀ . ЭДС вызываемая магнитным шумом включается в эквивалентную схему электромагнитного преобразователя однако как правило ЭДС U_ш оказывается значительно меньше других помех в частности e^’_инд , поэтому с наличием U_ш приходится считаться только в высокочувствительных преобразователях магнитных величин (феррозондах) а также в магнитных и параметрических усилителях.