книги из ГПНТБ / Барсуков Ф.И. Элементы и устройства радиотелеметрических систем

Рис. 2-10. Индуктивные преобразователи.

50

площадь поперечного сечения магнитного сердечника; б, Sa—длина и площадь воздушного зазора; р3, (хс — магнитные проницаемости воздуха и материала сердеч­ ника.

При большом зазоре б, когда его магнитное сопро­ тивление значительно больше магнитного сопротивления сердечника, т. е. 26/р3Д)>>Д/цс5с, выражение для опре­ деления индуктивности принимает следующий вид:

Приведенные выражения для индуктивных преобра­ зователей с большим и малым зазором справедливы и в том случае, если изменяется не величина зазора, а его площадь (рис. 2-10,6).

Индуктивные преобразователи с изменяющимся за­ зором применяются для измерения сравнительно малых перемещений (не более 5—8 мм). Применение их огра­ ничивается тем, что они не позволяют фиксировать сто­ рону перемещения (однотактные преобразователи). Кроме того, при значительном измерительном токе через индуктивность на якорь преобразователя действует зна­ чительная сила притяжения.

Для устойчивости работы преобразователя и умень­ шения его обратного влияния на измеряемое воздейст­ вие стремятся, чтобы электромеханическая сила была хотя бы на порядок меньше усилия, вызывающего изме­ ряемое перемещение.

Применяются индуктивные преобразователи с ра­ зомкнутой магнитной цепью (рис. 2-10,в). В этом случае индуктивность преобразователя изменяется при введе­ нии в катушку ферромагнитного сердечника. Подобные преобразователи применяются для измерения значитель­ ных перемещений (до 50 мм). В отличие от однотактных преобразователей применяются более совершенные двух­ тактные индуктивные преобразователи, которые реги­ стрируют изменения знакопеременных перемещений, имеют более широкий линейный участок градуировочной характеристики, а также меньшую погрешность.

Находят широкое применение так называемые транс­ форматорные преобразователи, в которых используется изменение взаимной индуктивности обмоток преобразо­

тактного трансформаторного преобразователя. Одна из обмоток преобразователя питается от источника пере­ менного тока. Вторая обмотка является измерительной (сигнальной). При изменении воздушного зазора под действием измеряемого перемещения изменяется взаимо­

преобразователи (рис. 2-10,д), предназначенные для из­ мерения знакопеременных перемещений и имеющие больший размах линейного участка градуированной ха­ рактеристики преобразователя.

Трансформаторные преобразователи позволяют по­ лучать более мощный выходной сигнал в сравнении с другими типами преобразователей. Несколько преоб­ разователей молено питать от одного источника, при этом их выходы оказываются электрически не связанны­ ми, что в ряде случаев оказывается очень важным.

Достоинствами индуктивных преобразователей, кро­ ме отмеченных, являются: отсутствие скользящих кон­ тактов, прочность конструкции, большие чувствитель­ ность и разрешающая способность. Индуктивные преоб­ разователи обладают более высоким к. п. д., чем потен­ циометрические.

Недостатками индуктивных преобразователей явля­ ются: трудность регулировки и получения нулевого зна­ чения напряжения на выходе двухтактных преобразова­ телей, возможность работы только на переменном токе.

Погрешности индуктивных преобразователей вызы­ ваются в основном колебаниями амплитуды и частоты питающих напряжений, а также изменениями темпера­ туры окружающей среды. Применение дифференциаль­ ных индуктивных преобразователей значительно умень­ шает внешние влияния на точность преобразования. Чем симметричнее обе половины дифференциального преоб­ разователя, тем меньше погрешность от внешних воз­ действий.

Динамические свойства индуктивных преобразовате­ лей практически зависят от инерционности подвижных частей.

Емкостные преобразователи. В емкостных преобра­ зователях измеряемая неэлектрическая величина преоб­ разуется в изменение емкости электрического конденса­

<52

53

щейся диэлектрической проницаемостью широко исполь­ зуются для измерения состава физических смесей, уров­ ня жидкостей, давления и ряда других величин.

Погрешность емкостных преобразователей определя­ ется в основном влиянием температуры на геометриче­ ские размеры и диэлектрическую проницаемость диэлек­ трика, а также влажностью окружающей среды. Для уменьшения температурных погрешностей емкостных преобразователейщх детали изготовляют из материалов с малым температурным коэффициентом расширения (инвар), а также применяют термокомпенсацию в из­ мерительных схемах. Чтобы в преобразователи не по­ падали пыль, влага, масло и прочие посторонние веще­ ства, их часто герметизируют.

При расчете емкостных преобразователей, предна­ значенных для точных измерений, необходимо учитывать электростатическую силу притяжения между его обклад­ ками с разными потенциалами. Эта сила (в ныотонах) может быть определена из следующего выражения:

денсатора, в.

Основными достоинствами емкостных преобразовате­ лей являются большая чувствительность, малая мощ­ ность потребления и простота конструкции.

К недостаткам следует отнести сильное влияние па­ разитных емкостей и посторонних электрических полей на точностные характеристики преобразователя, необхо­ димость применения высокочастотного источника пи­ тания.

Магнитоупругие преобразователи. При намагничива­ нии ферромагнитных тел их геометрические размеры изменяются. Если же ферромагнитное тело подвергнуть упругой деформации, то магнитная проницаемость этого тела также изменится. Первое свойство называется магнитострикцией, а второе — магнитоупругим эффектом.

На магнитоупругом эффекте основано действие пре­ образователей, представляющих собой обмотку с замк­ нутым магнитопроводом (рис. 2-12,а), подвергающимся упругой деформации под действием преобразуемой вели­ чины F (усилия).

54

Магннтоупругие свойства материалов, используемые в преобразователях, оцениваются по относительной чув­ ствительности

А(Ѵи —2^ (2-23)

Из выражения (2-23) следует, что. для повышения чувствительности магнитоупругого преобразователя же­ лательно использовать материалы с большим значением

К

Рис. 2-12. Магнитоупругий преобразователь.

а — простейший преобразователь; б — тензометрический преобразова­ тель.

магнитной проницаемости, сильно выраженным магнитострикционным эффектом и малой магнитной индукции насыщения. Поэтому в ма'гнитоупорных преобразовате­ лях часто применяют пермаллой, реже мягкую или кремнистую сталь.

У . магнитоупругих преобразователей сердечники мо­ гут выполняться сплошными или наборными из пластин (для уменьшения потерь). Конструктивно магнитоупру­ гие преобразователи могут иметь различное выполнение в зависимости от назначения и условий применения. Применяются наклеиваемые магнитоупругие тензомет­ рические преобразователи' с сердечником из тонкого листового пермаллоя (рис. 2-12,6).

55

Питание преобразователен этого типа осуществляет­ ся переменным током обычно частотой 50 гц. Магнитоупругие тензометрические преобразователи с целью по­ вышения их чувствительности питают токами .повышен­ ной частоты (до 10 кгц). В случае, если измеряются параметры быстро изменяющегося воздействия, преоб­ разователь может питаться постоянным током. При этом выходное напряжение оказывается пропорциональным скорости изменения усилия, деформирующего сердечник.

Погрешности магннтоупругих преобразователей опре­ деляются гистерезисом (0,5—1,5%) и нестабильностью температуры окружающей среды (1—1,5% на 10°С из­ менения температуры). Кроме того, погрешности в из­ мерении могут появляться из-за колебаний намагничи­ вающего тока, вызываемых нестабильностью источника питания.

Магнит'оупругие преобразователи применяются при измерении больших усилий (массы вагонов, усилий меж­ ду прокатными валами и т. п.) и деформаций в различ­ ных деталях.

Электростатические преобразователи. Между величи­ ной заряда конденсатора q, его емкостью и прилагаемым к обкладкам напряжением Е0 существует известная за­ висимость

<7=С£о. (2-24)

Если при постоянном напряжении Е0 источника пи­ тания изменять емкость конденсатора С, то для сохра­ нения равенства в приведенном соотношении должен изменяться заряд q. Величина зарядного (разрядного) тока при этом может быть определена из следующего выражения:

Величина отношения dCjdt характеризует собой ско­ рость изменения емкости конденсатора. Таким образом, зарядный ток оказывается пропорциональным скорости изменения емкости конденсатора. На этой особенности основано действие электростатических преобразовате­ лей. Схема такого преобразователя представлена на рис. 2-13,а.

В электростатических преобразователях могут при­ меняться особые виды диэлектриков — электреты, имею-

56

щие постоянную поляризацию. В качестве материалов для электретов используются: плек­ сиглас, нейлон, люсннг и др. После специальной обработки эти материалы способны со­ хранять на своих поверхностях электрические заряды в тече­ ние многих лет, так же как постоянные магниты сохраня­ ют намагниченность. -

На рис. 2-13,6 приведена схема электростатического пре­ образователя с электретом. Такой преобразователь не тре­ бует источников питания и его можно поэтому отнести к группе зователей.

Электростатические преобразователи могут приме­ няться для измерения скорости вращения и параметров вибраций.

Погрешности этого вида преобразователей зависят от стабильности питающих напряжений и температуры окружающей среды, которая будет влиять на емкость конденсатора и -заряд электрета.

2-3. ГЕНЕРАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

К генераторным преобразователям можно отне­ сти все известные в настоящее время преобразователи различных видов энергии в электрическую. Наибольшее применение из генераторных преобразователей в радио­ телеметрии, системах автоматического регулирования и контроля находят индукционные, термоэлектрические и пьезоэлектрические преобразователи.

Индукционные преобразователи. В индукционных преобразователях используется явление электромагнит­ ной индукции, заключающееся в том, что во всяком контуре, внутри которого с течением времени меняется величина магнитного потока, наводится (индуктируется) э. д. с.

Наведение э. д. с. происходит независимо от причины изменения интенсивности магнитного потока внутри кон­ тура. Так, например, может двигаться контур (виток

57

или катушка из провода) в магнитном поле или же кон­ тур остается неподвижным, а вращается магнитное поле и, наконец, направление поля по отношению к контуру остается постоянным, а изменяется интенсивность маг­ нитного потока.

Величина наводимой э. д. с. определяется известным соотношением

где е — мгновенное значение э. д. с.; W — число витков контура (катушки); Ф — величина магнитного поля.

Приведенное соотношение указывает, что наводимая з. д. с. зависит не от абсолютного значения величины магнитного потока, а от скорости его изменения (сіф/dt) внутри контура.

Индукционные преобразователи в связи с этим непо­ средственно применяются только для измерения ско­ рости линейных и угловых перемещений (тахогенераторов). Особые конструкции тахогенераторов используют­ ся для измерения ускорений вращающихся валов.

По своей конструкции индукционные преобразовате­ ли могут быть самыми разнообразными. Однако все они могут быть разделены на три группы: преобразователи с катушкой, перемещаемой в постоянном по интенсив-' ности магнитном поле, преобразователи с неподвижной катушкой и перемещаемым магнитным полем и, нако­ нец, преобразователи с перемещаемым прерывателем потока (катушка и магнитное поле неподвижны), изме­ няющим интенсивность магнитного потока.

Для наиболее распространенных индукционных пре­ образователей — тахогенераторов величина мгновенного значения э. д. с. на выходе преобразователя может быть определена из выражения

щения проводника в магнитном поле; р — число пар по­ люсов; п — число оборотов ротора преобразователя.

ходного напряжения как функцию скорости вращения ѵ

56

проводника. Второй сомножитель sin 2яput свидетель­ ствует о том, что выходное напряжение преобразователя меняется по синусоидальному закону с частотой / = /т. В соответствии с приведенным выражением выходной величиной индукционных преобразователей может быть амплитуда или частота .выходного напряжения.

Для измерения скорости вращения или возвратнопоступательного движения применяются импульсные преобразователи, основанные на явлении электромаг­ нитной индукции. Выходной величиной этого типа пре­ образователей является частота следования импульсов. Такие преобразователи представляют собой постоянный

Рис. 2-14. Индукционные преобразователи.

а — импульсный преобразователь; б — преобразователь с по­ сторонним возбуждением; в — вибрационный преобразователь.

магнит и сигнальную катушку, перемещаемые друг относительно друга (рис. 2-14,а). Смещаться может маг­ нит относительно неподвижной катушки или же наобо­ рот катушка относительно неподвижного магнита. В им­ пульсном индукционном преобразователе катушка и постоянный магнит могут быть неподвижными, но тогда применяются подвижные прерыватели магнитного по­ тока из ферромагнитных материалов (диск с отверстием, крыльчатка и пр.).

Для исследования вибраций различных видов при­ меняются индукционные преобразователи с возбужде­ нием и вибрационные преобразователи о постоянным магнитом (рис. 2-14,6, в). Амплитуда выходных сигна­ лов таких преобразователей пропорциональна скорости перемещения подвижных частей преобразователей, а ча­ стота изменения сигнала равна частоте исследуемой вибрации.

59