2.3 Генераторные преобразователи

Индукционные преобразователи. Индукционный тахометр (рисунок 49) представляет собой миниатюрный генератор, якорь которого вращается между полюсами постоянного магнита и, следовательно, э.д.с. пропорциональна скорости вращения якоря. Этот якорь механически связан с валом, машины, частота вращения которой измеряется, поэтому показание вольтметра, соединенного с зажимами якоря, пропорционально измеряемой частоте вращения.

При вращении якоря тахогенератора с частотой ,с его щеток снимается э.д.с. значение которой:

(2.41)

где – коэффициент, зависящий от конструкции и схемы якоря;

– число пар полюсов;

– число витков обмотки якоря;

– число параллельных ветвей обмотки якоря;

– магнитный поток.

Рисунок 49 – Схема индукционного тахометра

Для данного типа тахогенератора магнитный поток является величиной постоянной, так как он создается постоянными магнитами. Поэтому э.д.с. зависит от частоты вращения якоря тахогенератора

Рисунок 50 – Выходные характеристики тахогенератора

Выходные характеристики тахогенератора для различных значений нагрузок различны (рисунок 50). С увеличением частоты вращения тахогенератора до определенного момента его выходное напряжение . растет пропорционально и только при большой частоте линейность характеристики нарушается, причем чем больше сопротивление нагрузки , тем больше крутизна характеристики и тем больше ее линейность.

Индукционный тахометр с вращающимся магнитом (рисунок 51) состоит из постоянного магнита , механически связанного с валом машины, частота вращения которой измеряется, и алюминиевого диска 1, расположенного перед полюсами магнита. Диск укреплен на одной оси с указательной стрелкой 2.

При вращении постоянного магнита в диске индуктируются э.д.с. – и вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с полем магнита создает вращающий момент, вызывающий поворот диска на угол, при котором этот момент уравновешивается моментом пружины 3. Каждой частоте вращения соответствует определенный угол поворота подвижной части тахометра.

Рисунок 51 – Индукционный тахометр с вращающим магнитом

В автоматике применяются тахогенераторы постоянного тока с независимым электромагнитным возбуждением – рисунок 52.

Рисунок 52 – Тахогенератор постоянного тока с независимым

Электромагнитным возбуждением

В них магнитный поток возбуждения создается специальной обмоткой возбуждения ОВ, которая располагается на полюсах статора. В этом случае магнитный поток равен:

,

(2.42)

где – коэффициент пропорциональности;

– ток в обмотке возбуждения

Э.Д.С. тахогенератора определяют из выражения:

.

(2.43)

Из формулы следует, что э.д.с. тахогенератора зависит не только от частоты вращения якоря , но и от магнитного потока обмотки возбуждения , т.е. тока в обмотке возбуждения . При изменении направления вращения якоря меняется полярность выходного сигнала.

Приведенные формулы для определения э.д.с. справедливы только при работе его на холостом ходу.

При работе тахогенератора с нагрузкой его выходное напряжение равно:

(2.44)

где – ток нагрузки;

– сопротивление цепи якоря, которое состоит из сопротивления самой якорной обмотки и сопротивления переходного контакта между коллектором и щетками.

Выходная характеристика тахогенератора с независимым электромагнитным возбуждением аналогична выходной характеристики тахогенератора постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструкции тахогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов проще, чем конструкции тахогенераторов с независимым электромагнитным возбуждением, потому что отсутствует дополнительный источник питания.

Главное требование, предъявляемое к тахогенераторам, – это точность преобразования механического вращения в электрическое напряжение.

Основные причины погрешностей тахогенераторов постоянного тока:

– в тахогенераторах с возбуждением от постоянных магнитов – изменение потока магнита за счет старения или вследствии влияния температуры;

– в тахогенераторах с независимым электромагнитным возбуждением сопротивления обмотки возбуждения (тока возбуждения) изменяется при изменении температуры. Для уменьшения влияния температуры в цепь обмотки возбуждения включается дополнительное сопротивление , не зависящее от температуры;

– в тахогенераторах обоих типов – зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки R_н или тока нагрузки I_н, как вследствии падения напряжения в обмотке его якоря и щеточных контактов, так и вследствии реакции якоря реакция якоря – это явление, заключающееся в том, что ток нагрузки I_н, протекая по обмотке якоря, создает вращающийся магнитный поток, который наводит противо–э.д.с. в обмотке возбуждения ОВ.

Вследствии этого ток возбуждения уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока возбуждения тахогенератора, в результате чего напряжение также уменьшается).

Основным недостатком тахогенераторов постоянного тока является наличие коллектора и щеток, имеющих нестабильное переходное контактное сопротивление. Это приводит к нестабильности выходного напряжения тахогенераторов и к появлению нечувствительности при частотах вращения якоря, близких к нулю.

Тахогенераторы переменного тока можно разделить на два вида: синхронные и асинхронные. Основным преимуществом тахогенераторов переменного тока по сравнению с тахогенераторами постоянного тока являются:

– отсутствие коллектора и щеток;

– синусоидальная форма выходной э.д.с.

Тахогенератор синхронного типа состоит из неподвижного статора, в пазах которого размещены обмотка ротора в виде постоянного магнита с несколькими полюсами. При вращении ротора в обмотке статора наводится переменная э.д.с., имеющая синусоидальную форму, причем амплитуда и частота э.д.с. пропорциональна частоте вращения ротора.

Схема включения синхронного тахогенератора показана на рисунке 53.

Рисунок 53 – Схема включения синхронного тахогенератора

Для получения постоянной полярности выходного напряжения нагрузка R_н в схеме включена в диагональ выпрямителя.

Синхронный тахогенератор на практике применяется редко, т. к. при изменении частоты вращения ротора частота напряжения U_вых. изменяется, что затрудняет использование его в схемах переменного тока. Синхронные тахогенераторы используются в качестве индикаторных тахометров, которые служат для непосредственного измерения частоты вращения различных механизмов (нагрузкой тахогенератора является вольтметр, шкала которого отградуирована в числах оборотов в мин.).

Действующее значение э.д.с. генератора определяется по формуле:

,

(2.45)

где – обмоточный коэффициент статорной обмотки;

– частота напряжения источника питания;

– число витков статорной обмотки;

– магнитный поток.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта. Сущность его заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении появляются заряды. В качестве материалов для датчиков применяются кварц, титанит бария. Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в том, что под влиянием механических напряжений на гранях кристаллов появляются электрические заряды. При снятии усилий кристалл возвращается в не наэлектризованное состояние.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при внесении пьезокристалла в электрическое поле происходит изменение геометрических размеров кристалла (сжатие или растяжение).

Прямой пьезоэлектрический эффект используется для измерений быстропротекающих динамических процессов. Большое применение получили манометры, вибраторы, измерители ускорений и др.

Обратный пьезоэлектрический эффект нашел применение в ультразвуковых генераторах. Количественно пьезоэлектрический эффект оценивается зависимостью:

,

(2.46)

где – пьезоэлектрическая постоянная (пьезоэлектрический модуль);

– приложенная сила.

Пьезоэлектрические датчики для статических измерений не используются, так как заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под действием усилий, имеет очень малую величину, что создает опасность разряда его через утечку изоляции, т. е. заряд на гранях пластин может сохраняться сколь угодно долго, при условии бесконечно большого входного сопротивления измерительной цепи, а это практически невыполнимо. Поскольку утечка зарядов при динамических процессах имеет малое значение (под действием переменных сил количество электричества все время восполняется), то пьезодатчики в основном применяются для измерения динамических величин.

Пьезоэлектрические датчики конструктивно (для увеличения чувствительности) представляют собой набор малых шайб, дисков, пластин, которые механически соединяются последовательно, а электрически – параллельно рисунок 54. При этом заряды одноименно заряжающихся плоскостей складываются.

Рисунок 54 – Пьезоэлектрический преобразователь

(кварцевый) для измерения давления газа

Простейший пьезоэлектрический датчик состоит из пластинок 1 и станолиновых прокладок 3. Изоляционная прокладка 2 служит для уменьшения утечки зарядов.

Чувствительность пьезоэлектрического датчика при параллельном соединении пластинок:

,

(2.47)

где – пьезоэлектрическая постоянная (пьезомодуль);

– число параллельно соединенных пластин;

– емкость измерительной цепи (емкость проводов, соединительного кабеля и т. д.).

Емкость датчика определяется как емкость плоскопараллельного конденсатора:

,

(2.48)

где – диэлектрическая постоянная материала пластинки, ;

– площадь грани, перпендикулярной оси , см²;

– толщина пластинки в направлении оси , мм.

При использовании пьезоэлектрических датчиков обычно измеряют не заряд, а напряжение на емкости, образуемой обкладками шайбы, диска или пластины:

,

(2.49)

где – собственная емкость пьезоэлектрического датчика.

Для пьезоэлектрических датчиков, кроме природных материалов кварца и турмалина, применяются также искусственные кристаллы: сегнетовая соль, дигидрофосфат калия, дигидрофосфат аммония. Пластины из искусственных кристаллов вырезаются под некоторым углом к полярным осям.

Сегнетовая соль имеет высокий пьезоэлектрический модуль, который в 70 раз больше пьезоэлектрического модуля кварца, но она имеет очень низкую механическую прочность, а также большую зависимость характеристик от температуры и влажности.

Основным достоинством всех пьезоэлектрических датчиков является их безинерционность, а основным недостатком – малая выходная мощность. Для усиления выходной мощности пьезоэлектрических датчиков применяются усилители.

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения быстропротекающих процессов (давления в двигателях внутреннего сгорания, регистрация ударов метеорных частиц).

Термоэлектрические преобразователи. Если два разнородных по материалу проводника (или полупроводника) соединить концами и поместить их в среды с разными температурами и , то в контуре этих проводников возникает термоэлектродвижущая сила (термо-эдс). Эта термо–э.д.с. в определенном интервале температуры будет пропорциональна разности температур двух концов электрической цепи и зависит от материала проводников.

С точки зрения теории электронного строения материалов физическая сущность возникновения термо–э.д.с. объясняется следующим образом.

В разных металлах свободные электроны обладают различными энергией и скоростью движения (при t = 273^оК). Вследствие различной плотности, при соединении двух разнородных металлов (электродов), свободные электроны одного металла проникают в другой, при этом металл с большей активностью приобретает положительный потенциал, а металл с меньшей активностью свободных электронов, получает отрицательный потенциал.

Таким образом, один металл заряжается положительно, а другой отрицательно. Возникает контактная разность потенциалов, которая будет тем больше, чем выше температура термоэлектродов. Если спаять между собой два разнородных проводника обоими концами, то в образованном замкнутом контуре при одинаковой температуре t₁ обоев спаев, сумма э.д.с. равна нулю и ток в цепи не возникает.

Цепь, составленная из двух разнородных металлов, называется термопарой. Термопары являются датчиками генераторного типа, т.к. преобразуют тепловую энергию в э.д.с. Проводники А и В, составляющие термопару, называются термоэлектродами, а места их стыка – спаями. Спай, температура которого поддерживается постоянной, называется холодным или свободным концом, а спай, непосредственно соприкасающийся с измеряемой средой – горячим.

Термопары применяются в САК и САР при изменении температур до 2000 К. Для измерения термо–э.д.с. в цепь термопары включают измерительный прибор – рисунок 55.

Рисунок 55 – Схема подключения термопары к измерительному прибору

Термо–э.д.с. термопары не изменяется от введения в ее цепь третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Т.е. способ изготовления спая на величину термо–э.д.с. не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинакова.

Таблица 1

Тип термоэлектрического термометра	Термоэлектродные провода				Термо э.д.с. в паре между жилами при t=100˚С tx=0˚С, мВ	Допустимое отклонение термоэ.д.с., мВ
	Положительный		Отрицательный
	Материал	Цвет оплетки	Материал	Цвет оплетки
ТХК	Хромель	Фиолетовый	Копель	Желтый	6,95	± 0,20
ТХА	Медь	Красный	Константан	Коричневый	4,10	± 0,15
ТПП	Медь	Красный	Сплав 99,4% Cu2+0,6N% Ni	Зеленый	0,64	± 0,03

Термопары используют для измерения разности температур. Если нагреть один из спаев (рабочий) до температуры t₁, то контактная разность потенциалов в нагретом спае увеличится, а в не нагретом (холодном) спае темпера

тура остается без изменений. В результате в контуре возникает термо–э.д.с., величина которой зависит от разности температур нагрева спаев.

Таким образом, по величине термо–э.д.с. можно судить о разности температур t₁ – t₂.

Полярность термо–э.д.с. показывает в какой из контролируемых точек температура выше и в какой ниже.

Для измерения малых разностей температур в целях получения большей термо–э.д.с. применяют термобатареи. При последовательном соединении нескольких термопар их термо–э.д.с. суммируются.

Термоэлектрическая цепь характеризуется следующими свойствами:

– величина термо–э.д.с. зависит только от материала термоэлектродов и температуры каждого спая;

– термо-э.д.с. не зависит от размеров термоэлектродов и от распределения температуры вдоль термоэлектродов(если температура спаев неизменна).

– в термоэлектрическую цепь можно включить измерительный прибор, так как в этом случае величина термо–э.д.с. не изменяется.

Рисунок 56 – Схема включения нескольких термопар

В зависимости от назначения термопары изготовляют из благородных и неблагородных металлов, а также из полупроводниковых материалов. К термопарам из благородных металлов относятся платинородиевые сплавы

Термопары из неблагородных металлов

– хромель–алюмель и хромель–копель

– вольфрам молибден ;

– низкотемпературные – медь константан.

Термопары обладают следующими достоинствами:

– простота устройства;

– небольшие габариты;

– возможность измерения больших температур.

К недостаткам термопар можно отнести тепловую инерционность (постоянная времени колеблется от нескольких минут до десятых долей секунды).

Термопары из полупроводниковых материалов обладают более высокой чувствительностью. К недостаткам – малая механическая прочность и небольшой температурный диапазон измерения. На основе полупроводниковых термопар разработаны преобразователи солнечной энергии в электрическую. Мощность таких термогенераторов достигает несколько десятков ватт, а КПД примерно равен 4% (теллур+сурьма) – (висмут+сурьма).