Таблица 8-2

Разно­видность ИМ	Род тока и частота	Уравнение преобразования	Макси­мальная чувст­витель­ность, рад/А	Мини­маль­ный предел измере­ния, А	Выс­ший класс точ­ности	Область применения
Электро­магнит­ный	Постоянный, переменный 40 Гц—8 кГц	I dL 2W да. '	0.15 • 10»	10-2	0,2	Амперметры, вольтметры
Электро­динами­ческий	То же 40 Гц—20 кГц	1 дМ12 , , а= и/ 0а /1/г Cos*	0,15 • 10»	Ю-2	0,1	Амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры
Ферроди- н амн че­ски й	ц> То же 40 Гц—1.5 кГц	1 , , а= W <?а	0.3 - 10®	0,5 • 10-2	0,5	Самопишущие и щитовые амперметры, вольтметры, ваттметрм
Магнито­электри­ческий	Постоянный	1	1,5 . 10'	10-'	0.1	Амперметры, вольтметры, гальвано­метры
Индук­ционный	Переменный 50 Гц	ff -^r fill2 sin t|)	-	-	0,5	Счетчики

Примечание. В формулах для переменного тока / —действующий ток, я))— угол сдвига между токами h и /2.

нужного значения (5—20 мкН-м) достигается увеличением тока и числа витков, т. е. потребляемой мощности. Электромагнитные ИМ применяются главным образом в щитовых амперметрах.

Электродинамический ИМ вообще не содержит ферромагнитных элементов. Благодаря этому его момент М_вр = IJ^dM^lda опреде­ляется чисто геометрическими параметрами катушек и преобразование тока в момент осуществляется с очень высокой точностью. Но момент, создаваемый электродинамическим ИМ, очень мал по значению, по­этому существенно сказываются на точности преобразования все «паразитные» моменты (рис. 8-27, а). Для того чтобы их свести к мини­муму, все детали ИМ выполняют из неферромагнитных материалов, а детали крепления катушек — даже из непроводящих материалов, чтобы исключить их влияние на взаимоиндуктивность. Подвижная часть крепится, как правило, на растяжках. Для защиты от внешних магнитных полей ЭД механизм закрывается экраном, который должен быть достаточно удален от катушек, чтобы не влиять на их взаимо­индуктивность. Приборы с ЭД механизмами имеют большие габариты и потребляют большую мощность. ЭД механизмы применяются в лабо­раторных высокочастотных приборах переменного тока.

Ферродинамические ИМ, не отличаясь по принципу действия от электродинамических, имеют совершенно другое конструктивное вы­

полнение, так как в них магнитная цепь выполняется из ферромагнит­ного материала. Введение ферромагнетиков увеличивает погрешность преобразования токов в момент, но позволяет существенно увеличить при том же потреблении мощности сам момент и тем самым снизить погрешности от «паразитных» моментов. Ферродинамические ИМ при­меняются в щитовых и самопишущих приборах, где моменты трения в опорах особенно велики.

ЭД и ФД механизмы являются множительными преобразовате­лями и могут в зависимости от схемы включения их обмоток измерять ряд электрических величин: ток, напряжение, мощность, частоту, угол сдвига между двумя напряжениями.

I ' ' I

Миллиамперметр \

^ПвР ¹ да Яш+Rn

_ ₂ дИ₁₂- р-¹ ~ШГ

ГВольтметр f

I '

да R_A+R_P

Рис. 8-28

Некоторые схемы включения и формулы, связывающие вращаю­щий момент с измеряемой величиной, приведены на рис. 8-28.

Магнитоэлектрический ИМ обладает рядом преимуществ по срав­нению с другими ИМ, а именно: сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, и, следовательно, относительно большие вра­щающие моменты, малое потребление и инвариантность к внешним магнитным полям, отсутствие успокоителя в виде специального кон­структивного элемента и, следовательно, при световом отсчете почти симметричная подвижная часть, линейная зависимость между углом поворота и током и, наконец, высокая точность.

j Ваттметр

В развитии современного приборостроения намечается тенденция к унификации электромеханических измерительных приборов путем использования во всех приборах одного типа механизма — магнито­электрического с дополнением его соответствующим электронным пре­образователем измеряемой величины в постоянный ток.

8-6. ИНДУКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Типы индуктивных преобразователей. На рис. 8-29, а изображен наиболее распространенный преобразователь с малым воздушным зазо­ром 6, который изменяется под действием измеряемой величины Р. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором со­ставляет 0,01—10 мм. В этих преобразователях могут быть использо­ваны ферритовые элементы 2 (рис. 8-29, б), выпускаемые промышлен­ностью; для изготовления подвижного сердечника 1 используется основание такого же элемента 2, стенки которого сошлифовываются. На рис. 8-29, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 7, внутри которой помещен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется для измерения значительных перемещений сердечника (10—100 мм).

s) 1

Рис. 8-29

Одним из основных достоинств индуктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1—5 В-А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувст­вительным указателем на выходе измерительной цепи и регистриро­вать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления. Лишь при малогаба­ритных преобразователях приходится прибегать к включению уси­лителя.

Электрическое сопротивление индуктивного преобразователя (рис. 8-29, а), если считать, что все сопротивление утечки R_n вклю­чено параллельно зазору, выразится формулой

ЖЕ

7 - Р Mi о I ; ^юзу2

и

Mo s

ш +

V(Ru+Rd\RyT? + Xi

Из этой формулы видно, что Z связано с длиной 6 воздушного за­зора зависимостью, близкой к гиперболической. С увеличением за­зора и, следовательно, сопротивления R₀ полное электрическое со­противление уменьшается так, как показано на рис. 8-30, а: от Z_max = — \Ro + i<ow²I(R_M + jXj[ при бесконечно малом зазоре до Z_miB =

£ — /<0-ь/ р ; v 1 djd — ko-w -

^f Ям-НХм+ЯбЧЯут"

= | Ro + faw²/(R_m 4- jX_w + R_yT) | при бесконечно большом зазоре. Линейный участок характеристики преобразователя с начальным за­зором 6₀ ограничен значением Д6, равным (0,1 -г- 0,15) 6₀. Относи­тельное изменение сопротивления AZ/Z из-за наличия активного со­противления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления маг­нитопровода в 2—5 раз меньше относительного изменения зазора ее = Д6/6₀. Кроме того, следует обратить внимание на то, что при изме­нении сопротивления зазора R_б изменяется не только реактивная X = сош² (R_M + Я5 || RyJ/Z^ но и активная R = R₀ + оw²XJZl составляющая сопротивления Z, и вектор сопротивления изменяется так, как показано на рис. 8-30, б.

Расширения линейного участка характеристики можно добиться, если выбрать в качестве выходной величины преобразователя не со­противление Z, а проводимость У, которая (если пренебречь сопро­тивлением R) связана с изменением зазора как

^{Y 5=5} Z ^{e я} (^м + + ((^ут)-

Изменение проводимости при относительном изменении зазора = = М/6₀ составит

^{А =} С+ЧI к_уг)[>+('-и₆)(Лв.|л_ут)]

и будет почти линейно связано с изменением зазора, в особенности при R_yT Уравнение можно представить как

СОW² ! СОW² ' сош² *

и очевидно, что в векторной диаграмме (рис. 8-30, е) приращению про­водимости ДЬ в комплексной плоскости соответствует вектор, парал­лельный мнимой оси и сохраняющий свое направление независимо ни от размера рабочего зазора 6, ни от частоты питающего напряжения (при изменении со одинаково изменяются обе составляющие проводи­мости).

Существенно уменьшить погрешности и увеличить линейный уча­сток характеристики позволяет применение дифференциальных пре­

образователен (см. § 3-2). Поэтому в практике индуктивные преобра­зователи всегда выполняются дифференциальными. На рис. 8-31, а показана схематическая конструкция преобразователя для измерения малых перемещений, на рис. 8-31, б — для измерения больших пере­мещений. В том и другом преобразователе происходит перемещение сердечника 1 и при перемещении в 'направлении стрелки — увеличе­ние сопротивления Z₂ и уменьшение сопротивления Z_x.

Измерительные цепи индуктивных преобразователей. Наиболее распространенной измерительной цепью является неравновесный из­мерительный мост, в два пле- ^б) ча которого включены две по­

ловины дифференциального преобразователя (рис. 8-31). Как было показано выше, с измеряемой величиной линей­но связана проводимость пре­образователя. Поэтому опти­мальным (см. § 3-2) является включение преобразователей параллельно источнику и пи­тание моста от источника на­пряжения. Уравновешивание моста в начальном положе­нии, т. е. при отсутствии входной величины (техноло­гически трудно получить точ­ное равенство сопротивлений двух половин преобразователя), произ­водится по двум составляющим — изменением сопротивления нера­бочего плеча Z₃ или Z₄ и изменением сопротивления г₀, включаемого в плечо, имеющее меньшее активное сопротивление. Частота и напря­жение питания моста выбираются на основании соображений, изло­женных в § 8-2. Если при А6 = 0 цепь была уравновешена, то при Д6 0 через указатель потечет ток, равный 1_ук = UAY, где AY — приращение электрической проводимости преобразователя.

Ток /_ук сдвинут по фазе относительно напряжения питания. Угол сдвига <р = 90°, если R_yK 0, и ф — 0 при R_yK -> оо; при согласо­вании сопротивления указателя с выходным сопротивлением моста ф = 45°. Это обстоятельство необходимо учитывать при наличии в из­мерительной цепи фазочувствительных устройств.

8-7. ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ (ВЗАИМОИНДУКТИВНЫЕ)

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

J1	1 t			Z;	У

Ш

Рис. 8-31

На рис. 8-32, а показан дифференциальный трансформаторный пре­образователь с подвижным сердечником. Как видно из сравнения рис. 8-31, а и 8-32, а, конструкции магнитной цепи индуктивного и взаимоиндуктивного преобразователей одинаковы, отличаются они только числом обмоток. При центральном расположении сердечника ЭДС вторичных обмоток равны между собой и суммарная выходная

ЭДС Е₂ равна нулю, так как обмотки включены встречно. При сме­щении сердечника ЭДС Е₂ определяется по формуле

Е_г = Е_а-Е₆ = /ош> = Jpgh _(Zm6 - Z_MO).

\ ^ЛМЙ б / ^мЛб

Полагая, что Z_M6 = Z_H + AZ_M, a Z_MO = Z_M — AZ_M, можно упро­стить это выражение:

На рис. 8-32, б показан преобразователь угла поворота. Напряже­ние питания подводится к обмотке 1. Обмотка 2 в этом преобразовав теле выполнена в виде рамки, имеющей возможность поворачиваться в кольцевом зазоре магнитной цепи 4. При крайних положениях рамки (а_г и а₂) индуктированная в ней ЭДС £₂ имеет максимальное значение.

По мере поворота рамки в горизонтальное положение ЭДС Е₂ линейно уменьшается до нуля (рис. 8-32, е). При переходе рамки через гори­зонтальное положение фаза ЭДС Е₂ изменяется на 180°. В тех случаях, когда хотят получить изменение ЭДС преобразователя от нуля до максимума при повороте рамки из одного крайнего положения а_г в другое а₂, последовательно с рамкой включают дополнительную обмотку 3. Зависимость ЭДС Е_2у Ез ^и (Еъ + ^з) ^от угла отклонения рамки приведена на рис. 8-32, в. . Преобразователи подобного типа можно применять для измерения больших угловых перемещений, и конструктивно для этих целей можно использовать измерительные механизмы ферродинамических приборов. Поэтому и сами преобразо­ватели иногда называют ферродинамическими.

Преобразователь (рис. 8-33, а) с распределенными магнитными параметрами предназначен для измерения больших линейных пере­мещений и состоит из магнитопровода 4 с рабочей частью в виде двух параллельных полос, обмотки возбуждения 1 и подвижной обмотки 2. При перемещении обмотки 2 от положения 3 до положения 5 индукти­рованная в обмотке 2 ЭДС возрастает, причем зависимость прираще­ния ЭДС от перемещения обмотки 2 оказывается практически линей- нои, если магнитное сопротивление участка 3—5 магиитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора. Преобразо­ватели подобного типа относительно просто выполнить и с требуемой функциональной зависимостью, применив для этого профилирован­ный магнитопровод (рис. 8-33, б). Неподвижные обмотки преобразо­вателя соединены так, чтобы их потоки в магнитопроводе были напра­влены встречно. Тогда в положении 0—О ЭДС подвижной обмотки будет равна нулю. При смещении обмотки вправо или влево от нейт­рали в ней наводится ЭДС, фаза которой отличается на 180°. Под­робно вопросы расчета и конструирования преобразователей с распре­деленными параметрами и функциональных преобразователей рас­смотрены в работах Л. Ф. Куликовского и его учеников.

Рис. 8-33

В трансформаторном преобразователе с подвижным сердечником необходимо обеспечить такой режим питания, чтобы МДС первичной обмотки, а следовательно, и ток первичной цепи не изменялись при перемещении сердечника. Для этого в одинарных преобразователях необходимо включить в первичную цепь высокоомный добавочный резистор, а в дифференциальных преобразователях — последова­тельно соединить первичные обмотки, сопротивления которых изме­няются с обратным знаком.

Индуктосины. Для точного измерения угла поворота применяются круговые индуктосины с печатными обмотками. Принцип действия кругового индуктосина иллюстрируется рис. 8-34. На торцевых по­верхностях, обращенных друг к другу и разделенных малым воздуш- н/э1м зазором (0,1—0,2 мм) (рис. 8-34, а), ротор и статор несут печатные обмотки, имеющие вид радиального растра. Обмотка статора, к кото­рой подводится напряжение питания высокой частоты (около 10 кГц), показана на рис. 8-34, б; обмотка ротора, в которой наводится ЭДС е_Вых> — ^на рис. 8-34, в. На рис. 8-34, г изображено сечение обмо­ток и магнитное поле статора, напряженность которого И_у меняется вдоль оси х. Максимальная ЭДС наводится в обмотке ротора, когда ее витки находятся под витками статора. При смещении обмотки на

угол (p,v — ^п/р> где р — число полюсных шагов статор ной обмотки, угол сдвига индуктированной ЭДС изменяется на 180°. Симметрия ЭДС, наводимых в обмотке ротора в положениях я и б, нарушается из-за того, что электромагнитную связь имеют не только радиалы-ю рас­положенные проводники обмоток, но и их лобовые части, расположен­ные по окружности. ЭДС, индуктируемая в лобовых частях обмоток, не зависит от углового перемещения обмоток и дает постоянное сме­щение. Для того чтобы это смещение исключить, применяется сек­ционная обмотка, отдельные секции которой смещены относительно друг друга на угол nip и включены встречно, как показано на рис. 8-34, в. При таком включении ЭДС радиальных участков обмотки складываются, а ЭДС дуговых участков вычитаются.

Витки статора

Витки ротора в

WVW*

ч)

{///////////////////л

(1*00000000 fi О • О О О О ООО

Рис. 8-34

Для однозначного определения направления поворота подвижного диска в пределах одного периода повторения кривой ЭДС вторичная обмотка выполняется многофазной, в простейшем случае — двухфаз­ной, как показано на рис. 8-34, в. Фазовые обмотки смещаются отно­сительно друг друга на угол (2п + 1) л/(2р). Тогда при смещении ро­тора относительно некоторого положения, в котором ЭДС обмотки 1 считаем условно положительной, ЭДС е_х и е₂ в обмотках 1 и 2 вдоль угла поворота диска будут меняться так, как показано на рис. 8-34, д. Значение е_г определяет угол поворота, а угол сдвига е₂ относительно е₁ определяет направление угла поворота. Выходной величиной индукто- сина может служить как ЭДС, индуктируемая во вторичной обмотке, так и ее фаза. Однако в том и другом случае измеряемое угловое пе­ремещение не должно превышать полюсного деления, т. е. фдг = = ±п/р. Для того чтобы измерять большие углы поворота, индукто-

син дополняется датчиком грубого отсчета угла, который также может быть выполнен с применением печатных обмоток.

Технологически представляется достаточно сложным выполнить печатную обмотку так, как показано на рис. 8-34, е, поскольку в ней шаг между проводниками неравномерный, Для того чтобы избежать этих технологических трудностей, обе обмотки ротора и статора выпол­няются с равномерным шагом, но с разным числом витков. Причем эта разность подбирается таким образом, чтобы на части ротора, занимаемой одной секцией обмотки первой фазы, набегало угловое смещение между обмотками ротора и статора, равное я/(2р). Тогда ЭДС следующей секции, которая принадлежит второй фазе, будет сдвинута, относительно ЭДС первой секции на электрический угол я/2, ЭДС третьей секции, включаемая встречно с ЭДС первой, будет сдви­нута относительно первой секции на угол л и т. д. Таким образом, осуществляются те же сдвиги, что и в обмотках, показанных на рис. 8-34, в. Вследствие веерного разнесения векторов ЭДС, индукти­руемых в радиальных проводниках каждой секции, в пределах угла л/2 их суммарная ЭДС падает на 10%.

Полюсный шаг в существующих индуктосинах составляет 0,5— 1,5.мм, сопротивление обмоток небольшое (0,5—5 Ом), ток питания статорной обмотки 0,1—0,5 А, выходная ЭДС 5—10 мВ.

Основными источниками погрешностей индуктосинов являются неточность выполнения обмоток по углу, неплоскостность токопрово- дящих слоев ротора и статора и радиальные эксцентриситеты обмоток, вызванные несовпадением геометрических осей вращения обмоток с реальной осью вращения. Суммарная погрешность измерения углов с помощью индуктосинов составляет 3—10".

ближении к ним проводя­щего тела. Как было ска­зано выше, глубина про­никновения электромаг­нитной волны в материал

Рис. 8-35

Подробно вопросы расчета и конструкции индуктосинов, а также анализ их погрешностей рассматриваются в работе [6].

8-8. ВИХРЕТОКОВЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Принцип действия вихретокового преобразователя основан на изменении индуктивности и взаимоиндуктивности катушек при при-

определяется формулой 20,05= K2/(co,uy). На низ­ких частотах (50 Гц) для меди и алюминия значение 2а.оо составляет около 10 мм,

на высоких частотах (500 кГц) глубина проникновения уменьшается до 0,1 мм. На рис. 8-35 показано, как искажается магнитное поле ка­тушки при приближении проводящей пластины. Присутствие вблизи витка с переменным током проводящей среды приводит к изменению его первоначального поля и электрических параметров витка, т. е.

его активного и реактивного сопротивления: активное сопротивление витка увеличивается за счет роста потерь в проводящей среде, а индуктивное сопротивление уменьшается.

Значение вносимых сопротивлений R_BH и Х_вк зависит при постоянной частоте питания и гео­метрических размерах обмотки от расстояния 6 от обмотки до пластины, электрической прово­димости и толщины пластины, пока толщина не превышает величины d = 2Z_0>05.

В качестве примера на рис. 8-36 приведены зависимости относительного изменения активно­го и индуктивного сопротивлений витка радиу­сом находящегося над проводящим полупро­странством, от а = 2SIR и Р —V2R/zq₉q_S.

Вихретоковые преобразователи находят са­мое широкое применение в области бесконтакт­ного контроля линейных размеров тонких пла­стин и толщины покрытий (индукционная тол- щинометрия) и обнаружения дефектов — поверх­ностных царапин и трещин. Для этих целей используются накладные (рис. 8-37, а), экранные (рис. 8-37, б) и щелевые (рис. 8-37, в) датчики.

Применять вихретоковые датчики для изме­рения перемещения, очевидно, имеет смысл толь­ко в тех случаях, когда датчик не должен

0,08 R^ wig

Рис. 8-36

иметь ферромагнитных включений, так как чувствительность вихрето- кового преобразователя к перемещению в 5—20 раз меньше чувстви­тельности такого же по габаритам индуктивного преобразователя с ка-

/

Wv

Рис. 8-37

тушкой, помещенной в магнитопровод с перемещающимся сердечни­ком. Кроме того, вихретоковые преобразователи имеют большие по­грешности, обусловленные главным образом температурными изме­нениями электрической проводимости проводящего тела.

8-9. МАГНИТОУПРУГИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости [л ферромагнитных тел в зави­

симости от возникающих в них механических напряжений (магнито- упругий эффект), обусловленных воздействием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающие, сжимающие, изгибающие, скру­чивающие). Изменение магнитной проницаемости Afx/fx для различ­ных материалов составляет 0,5—3% при изменении а на i МПа.

Типы магнитоупругих преобразователей можно разбить на две основные группы. К первой группе относятся преобразователи, в ко­торых используются изменения магнитной проницаемости чувстви­тельного элемента в одном направлении; магнитный поток в них на­правлен в большей части магнитной цепи вдоль линии действия уси-

•I

I

ТШШЪ,

у///////////,

ч

%=f(r)

V=const

Рис. 8-38

РФО

ли я. В преобразователях этой группы под действием измеряемой силы изменяется индуктивность обмотки (рис. 8-38, а) или индуктивность между обмотками (рис. 8-38, б). В первом случае реализуется цепь преобразований Р а ->- \i Z_M ->- L Z, во втором —Р а ->■ \х ->- Z_M М -> Е₂.

Ко второй группе относятся преобразователи, в которых исполь­зуется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях или, иначе говоря, магнит­ная анизотропия материала чувствительного элемента. В этих пре­образователях магнитный поток направлен под углом 45° к линии дей­ствия измеряемого усилия (рис. 8-38, в). В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки (рис. 8-38, г) располагаются симметрично и не сцепляются со вторичной обмоткой, в результате этого ЭДС вторичной обмотки равна нулю. После при­ложения усилия вследствие изменения магнитной проницаемости ма­териала магнитные силовые линии (рис. 8-38, д) «вытягиваются» в на­правлении большей проницаемости, «сокращаются» в направлении

меньшей проницаемости и, сцепляясь со вторичной обмоткой, индук­тируют в ней ЭДС, пропорциональную приложенному к преобразова­телю усилию. При изменении знака нагрузки изменяется и фаза вы­ходной ЭДС. Из-за начальной магнитной анизотропии материала при отсутствии нагрузки уже существует некоторая ЭДС. Для ее умень­шения в датчиках из листового материала чередуют листы с взаимно перпендикулярными направлениями проката, кроме этого, специаль­ным образом располагают отверстия, выбирая угол между обмотками; используют дополнительную обмотку или магнитный шунт.

Магиитоанизотропные свойства проявляются и при скручивании ферромагнитных тел. Этот эффект, называемый эффектом Видемана, заключается в том, что при прохождении тока через стержень, на ко­торый воздействует кру­тящий момент, в стерж­не, кроме кругового магнитного потока, воз­никает продольный маг­нитный поток, наводя­щий в обмотке, намотан­ной на стержень (рис. 8-39, а)), ЭДС, пропор­циональную крутящему моменту. При скручи­вании ферромагнитного стержня, находящегося в продольном магнитном поле (рис. 8-ЗУ, 6), в стержне появляется винтовая составляющая потока, которую можно считать результатом суперпозиции продольного и кругового потоков. Круговой поток наводит в контуре, образованном стержнем и под­ключенным к нему милливольтметром, ЭДС, пропорциональную по­току и зависящую от крутящего момента. Датчики, основанные на эффекте Видемана, подробно исследованы Е. Ф. Фурмаковым. Приво­дятся следующие экспериментальные данные: при диаметре скручи­ваемой проволоки из стали марки «Э» 1,5 мм и длине активного уча­стка 30 мм поле возбуждения частотой 1000 Гц и напряженностью И = 500 А/м наводит ЭДС е = 20 мВ при крутящем моменте М_ко = =Ч0"² Н-м. ■ ¹

Основы расчета магнитоупругих датчиков. Характеристики маг- нитоупругого датчика определяются в первую очередь магнитоупру- гой чувствительностью S_u. материала, из которого изготовлена магнит­ная цепь датчика. Величина — зависит от типа материала,

Рис. 8-3

характера его термической обработки, характера напряжений (растя­жение или сжатие), режима работы магнитной цепи (режим заданной индукции В или режим заданной напряженности Я), значения индук­ции В. Информация о магнитоупругих свойствах ферромагнитных материалов пока весьма ограниченна. Кроме того, имеющиеся данные, приводимые разными исследователями, трудно сопоставимы, так как зависят от слишком многих факторов, ие всегда оговориваемых авто­рами. Эти обстоятельства существенно затрудняют расчет. Наиболее

подробные характеристики магнитоупругих свойств приводятся в ра­ботах П. Б. Гинзбурга, М. И. Столбуна и Г. И. Шевченко.

Ориентировочные значения магнитоупругой чувствительности в процентах на мегапаскаль для некоторых сталей приведены ниже:

Растяжение Сжатие

„ « j/".-i 1, 13

/ уd м У 1) 14

-в) 146

д 166

Vl 1 11 178

Rr _ \f 2 V \Г2 ■ 2,0 245

^ -(0,1 4-1,5) со- 277

Еш-чГ™ hKreOMy, 281

а) 1 xl 307

/ = у J [^sin(— + cpJJ = (12-2) 344

0,8 1,2 1,6 мкм 363

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 378

Для катушек без сердечников уравнения преобразования сущест­венно упрощаются и для основных видов преобразователей сводятся к следующим:

а) для неподвижной катушки в переменном магнитном поле (В = = В_т cos со/ , а = 0)

e^(owSB_msin(ot)

б) для катушки, вращающейся с частотой Q в постоянном магнит­ном поле с индукцией В₀

e = QwSB₀ sin Qt;

в) для контура, отдельные участки которого линейно переме­щаются в магнитном поле, изменяя площадь потока сцепления с кон­туром,

e = §[vB] d\; i

г) для отрезка длиной I, движущегося в однородном магнитном поле со скоростью v так, что направления векторов !, В и v взаимно перпендикулярны,

e=vBL

к

Индукционные преобразователи широко применяются для изме­рения параметров магнитных полей, частоты вращения, параметров вибрации и сейсмических колебаний, расхода жидких веществ.

Индукционные преобразователи для измерения параметров магнит­ных полей. Для измерения магнитной индукции переменного магнит­ного поля применяются преобразователи со стационарными (непо­движными) обмотками. Функция преобразования преобразователя соот­ветствует уравнению (8-5). Коэффициент преобразования, связываю­щий действующее значение индуктируемой ЭДС с амплитудным значением индукции периодически симметрично меняющегося магнит­ного поля, определяется выражением

К_в = Е/В_т = 4kJwS cos сф//[1 + N Qx' - 1)J,

где — коэффициент формы кривой; / — частота переменного маг­нитного поля.-При искаженной форме кривой обычно измеряют сред­нее значение индуктируемой ЭДС £_ср = Е/к_ф.

Для измерения индукции постоянного магнитного поля могут быть использованы как преобразователи с условно стационарной обмоткой, так и преобразователи с принудительным движением обмотки. В пре­образователях со стационарной обмоткой изменение магнитного по­тока, сцепляющегося с витками обмотки, может происходить в ре­зультате изменения самого измеряемого поля, например при измере­ниях магнитного поля, вызываемого включением какого-то агрегата, или в результате однократного изменения положения самого преоб­разователя — удаления преобразователя из магнитного поля или поворота в поле на 90 или 180°.

Выходным сигналом такого преобразователя является импульс тока или импульс ЭДС, которые возникают при изменении полного магнитного потока. Изменение потока связано с ЭДС и током как

и h

и и

где г — полное сопротивление измерительной цепи с учетом сопро­тивления преобразователя; Q — количество электричества.

В качестве интеграторов используются баллистический- гальвано­метр (при интегрировании тока) или магнитоэлектрические, фото- гальванометрические и электронные веберметры с операционными усилителями, применяемые для интегрирования ЭДС.

Индукционные преобразователи для измерения параметров маг­нитных полей в воздушном пространстве обычно выполняются в виде измерительных катушек различной формы, начало и конец обмотки которых находятся в одном месте, чтобы не создавались дополнитель­ные контуры за счет подводящих проводов.

Для измерения напряженности магнитного поля при испытании ферромагнитных материалов используются плоские измерительные катушки (рис. 8-43, а), помещаемые на поверхности испытуемого образца; при этом измеренная в воздухе напряженность поля прини­мается равной напряженности поля на поверхности образца.

Рис. 8-43

ч

Для измерения магнитной индукции и напряженности неоднород­ных магнитных полей целесообразно использовать шаровые индук­ционные преобразователи (рис. 8-43, б). Магнитный поток, сцепляю­щийся с такой катушкой, равен Ф = 4этг³йуБ₀/3, где В₀ — индукция в центре преобразователя; г — радиус сферы; w — число витков на единицу длины оси zz\ которая должна совпадать с вектором В₀.

Для измерения МДС используются индукционные преобразова­тели, называемые магнитными потенциалометрами, обычно выполняе­мые в виде равномерной обмотки на гибком изоляционном каркасе. Обмотка выполняется с четным числом слоев так, чтобы выводы нахо­дились в середине обмотки (рис. 8-43, е). Магнитный потен ци ал омет р помещается в магнитное поле таким' образом, чтобы его концы находи­лись в точках А и В, между которыми измеряется МДС. Магнитный поток, сцепляющийся с витками потенциалометра, равен ^XF = в

= 5ш}х₀ $ Н_х dl = <Si&>fA₀/v

А

Порог чувствительности средств измерений со стационарными индукционными преобразователями определяется главным образохм Механическими "помехами (вибрации, сейсмические и акустические воз­действия), которые приводят к колебаниям преобразователя и наве­дению дополнительной ЭДС, а также дрейфом интегрирующего выход­ного преобразователя. Наиболее чувствительные магнитоэлектриче­

ские веберметры имеют цену деления 5-Ю"⁶ Вб, афотогальванометри- ческие веберметры — 4*10~⁸ Вб.

Индукционные преобразователи с вращающимися или вибрирую­щими чувствительными элементами имеют функции преобразования, которым соответствуют уравнения (8-6)—(8-8).

На рис. 8-44, а показана схема а-преобразователя (так называе­мого измерительного генератора), который состоит из рамки 1 с числом витков w и вращается при помощи двигателя 2 с угловой частотой Q = dajdt, где а₂ — угол между магнитной осью преобразователя и поперечной компонентой вектора магнитной индукции В₀₁ = В₀ sin а_ь где а_г — угол между осью вращения преобразователя и вектором В_{). При р/ = 1 из уравнения (8-6) получаем е [а (£)] = NSB₀ sina_x х

Xsiua₂da₂/dt. Учитывая, чтоа₂=Ш, имеем e[a(t)\=^ QwB₀ sin oti sin Q^,

Рис. 8-44

Коэффициент преобразования преобразователя k_B — E_m/B_Q = toS, где E_m — амплитудное значение генерируемой ЭДС.

Преобразователи с вращающейся катушкой отличаются высокой чувствительностью (до 300 В/Тл). Порог чувствительности ограничен уровнем шума коллектора и наводками от электродвигателя и цепи питания. Для снижения порога чувствительности используются бес­коллекторные токосъемы, а вращение генератора осуществляется через редуктор, с тем чтобы частота выходного сигнала отличалась от часто­ты сети и не была кратной частоте вращения двигателя.

На рис. 8-44, б изображен четногармонический преобразователь. В качестве вращающегося элемента используется короткозамкнутое кольцо 1, которое вращается двигателем 2 в неподвижной обмотке 3. Магнитное поле, создаваемое током, индуктированным в коротко- замкнутом кольце при его вращении во внешнем поле с индукцией В₀₁ изменяется с одинаковой частотой как по модулю, так и по направле­нию. Вследствие этого проекция вектора магнитной индукции поля на ось неподвижной обмотки, совпадающей с вектором измеряемой магнитной индукции £₀, будет изменяться пропорционально cos² Qt. Суммарный поток, пронизывающий неподвижную катушку (активным сопротивлением кольца пренебрегаем), равен Ф_£ = = SB₀ — SB₀ cos² Qt = 0,55Б₀ (1—cos 2Q/), и ЭДС, наводимая в неподвижной обмотке, е = QwSB₀ sin 2Qt.

Разнесение частот напряжения питания и полезного сигнала позво­ляет отфильтровать наводки и создать на рассмотренном принципе индукционные преобразователи с порогом чувствительности 1(Г¹⁰ Тл.

На рис. 8-44, в показан 5-преобразователь с радиальными коле­баниями, возбуждаемыми электр остр и кци он ным вибратором. Вибра­тором является тонкостенный цилиндр 1 из сегнетокерамики PbZrOg с металлизированными внутренней 2 и внешней 3 поверхностями, куда подводится переменное управляющее напряжение Uf. Внутренний электрод имеет продольный разрез 4, а внешний представляет собой короткозамкнутый виток, на котором находится вторичная многовит- ковая обмотка 5. Вследствие радиальных электр остр и кци онных коле­

Рис. 8-45

баний периодически изменяется площадь поперечного сечения коротко- замкнутого витка, и при наличии постоянного магнитного поля, вектор магнитной индукции которого направлен по оси цилиндра, в наруж­ном короткозамкнутом витке возникает переменный ток, который вы­зывает во вторичной обмотке ЭДС, пропорциональную индукции В₀. Частота электр остр и кци онных колебаний и выходной ЭДС равна удво­енной частоте управляющего напряжения.

Индукционные преобразователи для измерения частоты вращения. Для измерения частоты вращения используются а - и ^-преобразо­ватели. Конструктивно они отличаются от преобразователей магнит­ной индукции тем, что дополняются устройством (обычно постоянный магнит), создающим магнитное поле с заданной индукцией, а враще­ние подвижных элементов осуществляется объектом, частота враще­ния которого измеряется. На рис. 8-45, а показано принципиальное ус­тройство тахогенератора, выходная ЭДС которого QB_NwS sin Qt, где Q — частота вращения катушки.

Для измерения частоты вращения используются также ^-преобра­зователи с неподвижной обмоткой. Принцип действия такого преобра­зователя показан на рис. 8-45, б. В этом преобразователе постоянный магнит и катушка, содержащая две полуобмотки с числом витков ш, неподвижны.. При вращении ротора происходит перераспределение

магнитного потока постоянного магнита: увеличивается поток через полюс магнитопровода, под которым проходит зубец ротора, и умень­шается поток через полюс, под которым проходит паз ротора. Поток постоянного магнита остается при этом неизменным, так как полное магнитное сопротивление для суммарного потока остается почти постоянным. Таким образом, в части магнитопровода, образованной по­люсами 1 и 2 и ротором, за счет изменения размагничивания полюсов при вращении ротора появляется переменная составляющая магнит­ного потока, и в катушке индуктируется ЭДС, частота Q которой определяется частотой вращения Q_MX и числом п зубцов ротора: Q = nQ_MX, а амплитуда Е_т = 20ДФ_мш, где ДФ_М — амплитуда пере­менной составляющей потока. В подобных преобразователях в каче­стве выходной величины чаще используется не ЭДС, а частота.

Индукционные преобразователи параметров вибрации. Принцип действия преобразователя виброскорости поясняется рис. 8-46, а. В катушке, колеблющейся в зазоре, индуктируется ЭДС е = = QX_mB_Nwl_cp sin Q/, где QX_m sin Q/ = х' — скорость катушки, со­вершающей колебания х = Х_т cos Qt\ B_N — индукция в зазоре; w и — число витков и средняя длина витка.

Если индукция в зазоре преобразователя составляет В^ ~ 0,5 Тл, диаметр об­мотки d — 20 мм, площадь окна, заполняемого проводом, S_0KH =(1X5) мм, то, выбрав провод диаметром 0,05 мм (w' = 180 витков/мм²), можно получить коэффи­циент преобразования k_v — 10 В/(м/с), н амплитуда выходного напряжения преоб­разователя, подвижная часть которого совершает колебания с амплитудой Х_т = = 1 мм и частотой f ~ 10 Гц, составляет 0,630 В.

Чтобы получить значение виброперемещения или виброускорения, выходной сигнал подается соответственно на интегрирующий или диф­ференцирующий усилитель. Во избежание нелинейных искажений

выходного электрического сигнала, повторяющего по форме входной механический сигнал, усредненное по всем виткам значение индукции при колебаниях катушки должно оставаться постоянным. Для этих целей длина катушки I выбирается или меньше ширины зазора /₀ так, чтобы при колебаниях катушка не доходила до его краев, или больше ширины зазора так, чтобы края катушки были всегда за пре­делами зазора (см. §8-2 и 8-4). Обычно индукционные преобразователи применяются для измерения параметров вибраций в диапазоне частот 1—50 Гц при амплитуде вибраций не более 1—5 мм. Чувствительность индукционных преобразователей сейсмоприемников достигает 140 В/(м/с) (например, для СК-1П).

Устройство датчика виброметра показано на рис. 8-46, б. По изме­рительной оси хх расположена подвижная часть, представляющая

^еВых

Рис. 8-47

собой магнит 1 и полюсные наконечники 2. Подвижная часть крепится в подшипниках 5, ограничивающих ее перемещения по осям, перпен­дикулярным измерительной, и поджимается пружинами 3. Измери­тельная обмотка, состоящая из двух половин, намотана на медный каркас 4 и укреплена в стальной обойме 5, которая одновременно служит корпусом. Датчик закрывается крышками 6 и при помощи фланца 7 крепится к объекту измерения. Магнитные поля в рабочих зазорах, в которых расположены измерительные полуобмотки, направ­лены встречно; благодаря этому уменьшается погрешность от влияния внешнего магнитного поля. Медный каркас за счет наводимых в нем при движении магнита токов служит для увеличения коэффициента успокоения (см. § 8-5).

Индукционные преобразователи расходомеров. Принцип действия индукционного преобразователя расходомера поясняется рис. 8-47, а. В потоке жидкости, движущейся в трубопроводе 1 из немагнитного материала между полюсами магнита, возникает ЭДС, значение которой ■ пропорционально скорости движения потока: е = BDv_f где В — маг­нитная индукция; D — диаметр трубы; v — скорость движения жидко­сти. Эта ЭДС снимается с помощью электродов 2 и 3, изолированных от трубопровода.

Как видно из приведенного уравнения, генерируемая в преобразо­вателе ЭДС не зависит от свойств жидкости, и поэтому индукционные расходомеры принципиально могут быть применены для самого широ­кого класса жидкостей, идиако свойства жидкостей определяют внут­реннее сопротивление преобразователя и возможности дальнейшего точного преобразования и измерения ЭДС, поэтому в технических характеристиках расходомера всегда указывается минимальная элек­трическая проводимость жидкости, для измерения расхода которой он может быть применен.

Индукционные расходомеры используются для измерения скоро­стей жидких металлов (жидкости с электронной проводимостью), вод­ных растворов (жидкости с ионной проводимостью), и, кроме того, делаются попытки применить их для измерения скоростей диэлектри­ческих жидкостей. Индукционные преобразователи расходомеров про­мышленного назначения имеют чувствительность 0,5—-1,5 мВ/(м/с). Диаметр трубопроводов может быть весьма значительным, и поэтому для создания магнитного поля используются обычно не постоянные магниты, а электромагниты. В расходомерах для жидких металлов применяются электромагниты, питаемые постоянным током. В расходо­мерах для воды и электролитов используются электромагниты (рис. 8-47, 6), питаемые для исключения напряжения поляризации только переменным током (частота 10—1000 Гц). В этом случае вы­ходной сигналов = B_mDv sin соt также является переменной ЭДС и из него легко могут быть исключены гальванические и термо-ЭДС. Однако в переменном магнитном поле, кроме ЭДС, обусловленной движением контура, будет индуктироваться ЭДС е_хр = —д*¥Idt = = соB_mS_K cos со£, называемая трансформаторной.

Для того чтобы уменьшить трансформаторную ЭДС, провода вто­ричного контура стремятся расположить так, чтобы площадь S_It сцеп­ления контура с переменным потоком была минимальной. Положение проводников, находящихся в поле, должно быть строго фиксировано, чтобы величина 5_К не изменялась. В контур вводятся специальные компенсационные петли (обмотка W1 на рис. 8-47, б), в которых на­водится ЭДС е'_тр, включаемая встречно с ЭДС е_гр и регулируемая так, чтобы е-гр — e'_rpR/R₀ « 0.

Кроме того, помеха в виде трансформаторной ЭДС и полезная ЭДС, пропорциональная скорости движения, как видно из приведен­ных выражений, сдвинуты по фазе на угол л/2 и могут быть разделены "на выходе фазочувствительным усилителем.

8-11. МАГНИТОМОДУЛЯЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Магнитомодуляционными называются преобразователи, действие которых основано на изменении магнитного состояния ферромагнит­ного материала при одновременном намагничивании в постоянном и переменном полях. Модуляция магнитным потоком возможна за счет нелинейных свойств магнитной цепи (см. § 8-1 и 8-2).

Магнитомодуляционные преобразователи (ММП) широко исполь­зуются в счетно-решающей технике в качестве логических элементов и запоминающих устройств. В измерительной технике ММП приме­няются для измерения напряженности постоянного магнитного поля (феррозонды), для преобразования постоянного тока в переменный с уменьшением абсолютного значения тока (измерительные трансфор­маторы постоянного тока), для преобразования постоянного тока в пе­ременный с увеличением абсолютного значения тока (магнитные уси­лители), для измерения перемещения объекта, с которым связывается подвижная часть преобразователя, несущая постоянный магнит (маг* нитомодуляционные преобразователи перемещения).

На рис. 8-48, а представлена упрощенно в виде ломаной линии 1 основная кривая намагничивания В = f (Н) ферромагнитного мате­риала; там же показана кривая 2 магнитной проницаемости \х (Н) = = В/Н и кривая 3 дифференциальной магнитной проницаемости

|а_д (//) = dBIdH. На этом же рисунке даны кривые 4, 5, и 6 напряжен- ностей переменного магнитного поля Н = Н_т sin со/, наложенного на постоянное с напряженностью //„. При этом напряженность пере­менного поля может быть много меньше напряженности постоянного поля (кривая 4), сравнима с ней по значению (кривая 5) или больше ее (кривая 6), а напряженность постоянного магнитного поля может быть как меньше, так и больше напряженности насыщения Н_ПйС.

Для магнитной цепи ММП характерны три различных режима работы: а) и меньше //_нас; б) //_ ^ #_ШС1 ^ Hj,;

в) > Я_нас, //_ <; В первом режиме, показанном на

рис. 8-48, а, магнитное сопротивление переменному потоку зависит от величины и при < Я. может быть определено дифферен­циальной магнитной проницаемостью [а_д. При сравнимых величинах и #_ для анализа работы магнитной цепи используются харак­теристики двойного намагничивания В_т = f (Н_т, £₌), приводимые ниже на рис. 8-49.

Во втором режиме (рис. 8-48, б) модулирующим является постоян­ное поле, сердечник находится в режиме насыщения и выходит из него лишь в те полупериоды переменного напряжения, когда напряжен­ность Н_ направлена навстречу Н„ и достигает такого значения, что результирующая напряженность оказывается меньше напряженности насыщения. Таким образом, для переменного магнитного поля сер­дечник работает в ключевом режиме, включаясь на отрезке времени аб, когда Н_ + Я^ ^ 0. Всю остальную часть периода магнитная Проницаемость сердечника, показанная на рис. 8-48, б кривой \i (t), мала; обмотка, по которой проходит переменный ток, имеет малую Индуктивность L = w*IZ_K = \mPSU_m и лишь на участке аб магнитная проницаемость и индуктивность резко возрастают.

В третьем режиме модулирующим является переменное поле. Для постоянного магнитного поля сердечник работает в ключевом режиме,

менного поля находится в диапазоне, ограниченном штриховыми прямыми (рис. 8-48, в). Действительно, в ту часть периода, когда Н^ < #_нас, магнитная проницаемость сердечника велика и он явля­ется для постоянного потока нормальным ферромагнетиком с магнит­ной проницаемостью р, = (10³ -г- Ю⁵).р_0т а в ту часть периода, когда Н_ > #_пас, магнитная проницаемость сердечника падает до значе­ния ц, ~ (\0 ~ 1) р,₀ и он как бы отсутствует для постоянного маг­нитного поля. Кривая |Li = / (t) также показана на рис. 8-48, в.

Магнитомодуляционные преобразователи перемещения. Принцип действия преобразователя показан на рис. 8-49, а. Между двумя сердечниками / и 2 из листовой стали расположен постоянный маг­нит 3. Поток, создаваемый магнитом, замыкается через сердечники. При симметричном положении магнита потоки через сердечники равны и, следовательно, в каждом из сердечников действуют одинаковые индукции постоянного подмагничивания, равные В = 0,5аФ^/(25_серд), где Ф„ — поток магнита; сг — коэффициент рассеяния и 5_серд — пло­щадь сечения сердечника. На сердечник 1 намотана обмотка с числом витков w₉ а сердечник 2 служит магнитным шунтом. Обмотка через ре­зистор подключена к источнику переменного тока 50 Гц. При переме­щении магнита влево индукция в сердечнике 1 увеличивается и маг­нитная проницаемость материала падает. Магнитное сопротивление переменному потоку возрастает, индуктивность обмотки падает, ток и падение напряжения на резисторе R_H увеличиваются. Таким образом, входной величиной преобразователя является перемещение магнита, а выходной — падение напряжения на резисторе R_u. Характеристики двойного подмагничивания для листовой стали приведены на рис. 8-49,6.

В том случае, если сердечник 1 находится по переменному потоку в режиме заданной индукции, т. е. R = R_u + R_w — О (R_w — актив­ное сопротивление обмотки) и все напряжение питания уравновеши­вается противо-ЭДС обмотки, напряженность в материале и, следо­вательно, определяющий ее ток характеризуются при изменении Я_ точками пересечения прямой 1 с семейством приведенных характери­стик. Если сердечник 1 находится в режиме заданной напряженности, т. е. R_u oL и ток через обмотку не зависит от изменения ее противо- ЭДС, то переменная индукция в сердечнике и связанная с ней противо- ЭДС определяются точками пересечения прямой 2 с семейством харак­теристик. В реальном случае нагрузочная кривая описывается урав­нением эллипса

(В_т/В'_тГ + (Н_т/Н'_ту= 1,

где В'_т = j/2 (7/(сош5_серд); Н'_т = 1^2 /ш//_серд = j/2 Uw/(l_cepnR); В'_т — амплитудное значение индукции в режиме заданного напряжения; Н'т — амплитудное значение напряженности в режиме заданного тока; U — действующее напряжение питания; w — число витков обмотки; со — частота; 5_серд и /_серд — площадь поперечного сечения сердечника и длина магнитной линии по сердечнику.

В качестве примера построим эллипс нагрузки и рассчитаем изменение тока при изменении индукции в сердечнике от В_ = 0,8 Тл до В_ = 1,2 Тл. Размеры преобразователя: толщина сердечника h = 3 мм, ширина 6=10 мм, периметр 50 мм. Число витков в обмотке w ~ 200, сопротивление R = 25 Ом. Получим

_Rr _ \f 2 V \^Г2 ■ 2,0

^m ~ со^серд ~ 2л - 50 - 200 - 3 - 10 • 10-б~ ^ ^л'

„л V'2Uw ^2 - 200-2,0 ... _л/ = 50-10-3.25 ^^{448 А/М}'

Точки а, б ив эллипса нагрузки соответствуют и апр яже нностям Н_а — 242 А/м,- Н₆ = 288 А/м и Н_е = 325 А/м. Эти напряженности соответствуют токам, определяе­мым формулой I = H_mt_cepjl/(V2 w) и равным

I ₌²²°-j°'¹⁰"³^43 мА; Ь=49 мА и / =58 мА. \Г2 -200 °

Вопросы расчета и проектирования ММП перемещения подробно рассмотрены JI. Ф. Куликовским и В. Г. Жировым.

Измерительные трансформаторы постоянного тока (ИТПТ) приме­няются для измерения больших постоянных токов, а также токов и напряжений в высоковольтных цепях постоянного тока.

ИТПТ (рис. 8-50, а) состоит из двух одинаковых замкнутых ферро­магнитных сердечников из магнитомягкого материала с прямоуголь­ной кривой намагничивания, которые имеют общую первичную обмотку с числом витков Wi = 1, представляющую собой шину, по которой проходит измеряемый постоянный ток, и отдельные вторичные обмотки с числом витков w₂, равномерно намотанные на свои сердечники. Вто­ричные обмотки включаются последовательно-встречно к вспомога­тельному источнику переменного тока, а протекающий по ним ток i₂ обычно выпрямляется и измеряется магнитоэлектрическим ампермет­ром.

Рис. 8-50

Магнитная цепь ИТПТ работает в режиме насыщения по постоян­ному магнитному потоку и выходит из этого режима, только когда

в Ат А А"
hw<	iw
	t

напряженность встречно направленного переменного магнитного поля компенсирует напряженность постоянного магнитного поля (рис.8-48,е).

На рис. 8-50, б изображена идеализированная прямоугольная кри­вая намагничивания сердечников и показаны МДС, действующие в сер­дечниках. Под действием МДС l_xw_x оба сердечника насыщаются. Току 1₁ соответствует начальная рабочая точка А на участке насыщения кривой намагничивания. Если ток увеличивается, точка А смещается вправо (Л"); при уменьшении /_± точка А смещается влево (А'). Ось времени для переменной МДС i₂w₂ совмещена с вертикальной линией, прохо­дящей через точку А.

Рассмотрим полупериод тока, когда в сердечнике / первичная I₁w₁ и вторичная i₂w₂ МДС вычитаются, а в сердечнике 11 •— суммируются. При суммировании МДС индукция в сердечнике остается неизменной, равной индукции насыщения £_нас. При вычитании МДС индукция остается неизменной, лишь пока i₂w₂ < liW_x. При равенстве МДС происходит изменение индукции и в обмотке сердечника I индуктиру­ется ЭДС, встречная приложенному напряжению и уравновешиваю­щая его. Таким образом, во вторичной обмотке ток не может превы­сить значения i₂ = l_xwjw₂. Если допустить, что активные сопротивле­ния полуобмоток, надетых на сердечники / и //, равны нулю, то ток

независимо от значения приложенного напряжения мгновенно воз­растает до значения i₂ = Iiwjw_2y при котором «включается» противо- ЭДС, и кривая вторичного тока, как и показано на рис. 8-50, б, имеет прямоугольную форму. В следующий полу период вследствие встреч­ного включения вторичных обмоток вычитание МДС происходит в сер­дечнике //, в обмотке которого индуктируется ЭДС, уравновешиваю­щая приложенное напряжение.

Как видно из принципа действия ИТПТ, никакой трансформации энергии не происходит, а имеет место уравновешивание МДС. Среднее значение выпрямленного тока /_2ср, протекающего через амперметр, определяется из равенства МДС: /_2ср = I^udJw₂.

Форма вторичного тока не зависит от формы и частоты вспомога­тельного напряжения, а также от его значения, если оно выбрано таким образом, чтобы изменение магнитной индукции ДВ в сердечни­ках было меньше двойного значения индукции насыщения £_нас. Последнее эквивалентно условию В_т <С В_нас, где В_т — амплитуда переменной индукции в сердечниках при /_х = 0, определяемая из выражения = 1^2 ^/₂/(4я/^₂5_серд), где 5_серд — площадь сечения сердечника; U₂ — действующее напряжение вспомогательного источ­ника.

Если ДБ ;> 2£_нас, может произойти повторное насыщение рабо­тающего сердечника в нижней части цикла перемагничивания и оба сердечника окажутся в состоянии насыщения. При этом вторичный ток перестает зависеть от измеряемого первичного тока и ограничивается только сопротивлением вторичных обмоток. Обычно U₂ выбирают из условия В_т = (0,9 -т- 0,75) В_иас.

Погрешности ИТПТ с последовательным соединением вторичных обмоток главным образом обусловлены отличием реальной петли пере­магничивания сердечников от идеальной прямоугольной петли и в мень­шей степени конечным значением сопротивления вторичной цепи ИТПТ.

Для работы в низковольтных-цепях до 1000 В в СССР выпускаются ИТПТ с номинальным первичным током 5; 7,5; 10; 15; 25 и 35 кА, с основной погрешностью 0,5%. Номинальный вторичный ток 5 А. Для измерения постоянных токов в высоковольтных цепях выпуска­ются ИТПТ с номинальным первичным током 1; 2 и 4 кА. Известны также ИТПТ с пределами измерений до 100 кА и разъемным магнито- проводом, что дает возможность производить их монтаж без разрыва цепи измеряемого тока.

Феррозонды. На рис. 8-51 изображена схема дифференциального феррозонда, состоящего из двух ферромагнитных сердечников J и 2 из железоникелевого сплава, на каждом из которых имеется модули­рующая обмотка с числом витков Обмотки питаются от источника переменного тока. Обмотки включены последовательно, но встречно, так что создаваемые ими переменные магнитные потоки сдвинуты на 180°. Оба сердечника с модулирующими обмотками охватывает изме­рительная обмотка с числом витков w₂. При идентичности сердечников вследствие встречного включения модулирующих обмоток в измери­тельной обмотке не будет индуктироваться ЭДС. Напряженность пере­менного магнитного поля Н_ш = (3v 5)#_иас. Таким образом, мате­

риал сердечников работает в режиме, соответствующем рис. 8-48, в. Магнитная проницаемость обоих сердечников изменяется одинаково и, как видно из рис. 8-48, в, два раза за период возрастает до макси­мального значения. ■

Если феррозонд поместить в постоянное магнитное поле с индук­цией B_v, то условно можно считать, что в это поле дважды за период

fi* J

е₂

1

А

* Рис. 8-51

Рис. 8-52

вносится концентратор по-

s)

ля и возникающие импуль­сы индукции наводят ЭДС в измерительной обмотке.

На рис. 8-52 показаны кривые, поясняющие рабо­ту четногармонического феррозонда. Из рисунка видно, что р-д периодически изменяется от максималь­ного (при Н_1т с Я_нас) до минимального (при Н_1т > > Н_тс) значения. Прони­цаемость сердечников ме­няется с удвоенной часто­той, в результате чего в измерительной обмотке возникает ЭДС удвоенной частоты, пропорцио­нальная индукции В_х и скорости изменения При изменении по­лярности В_х выходная ЭДС изменяет фазу на 180°.

Обычно в качестве информативного параметра используется ампли­туда второй гармоники выходной ЭДС.

Наиболее широкое применение получили феррозонды с продоль­ным возбуждением с разомкнутой (рис. 8-51, а) или замкнутой (рис. 8-51, б) магнитной цепью.

На рис. 8-53 показана структурная схема изме­рительной цепи феррозон- дового тесламетра. Ферро­зонд ФЗ питается от ге­нератора переменного тока Г с частотой / = 500 -г- 5000 Гц. Для снижения уровня четных гармоник в токе возбуждения между ге­нератором и феррозондом включен фильтр нижних ча­стот Ф, имеющий наиболь­шее затухание на частоте второй гармоники. Для выделения сигнала вто­рой гармоники используется избирательный усилитель Ус, настроен­ный на частоту 2/, и фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, на выходе которого включен показывающий или регистрирующий прибор. В тесламетрах на низкие пределы измерения (10 нТл) коэффициент

усиления по второй гармонике составляет 10⁵, а ослабление первой и третьей гармоник в избирательном усилителе должно быть не менее 60 дБ. Для расширения диапазона измерений и улучшения метроло­гических характеристик (уменьшение нелинейности и инерционности и др.) в тесламетре используется цепь обратной связи, сигнал с ко­торой подается на обмотку обратной связи феррозонда и создает маг­нитное поле с индукцией Б_к, компенсирующее измеряемое.

Основной проблемой при построении высокочувствительных тесла- метров является снижение наводок и шума. Для этой цели приме­няются хорошо защищенные от наводок измерительные цепи, облада­ющие высокой избира­тельностью, датчики феррозондов специаль­ным образом симметри­руются, чтобы исклю­чить ЭДС взаимоиндук­тивности между первич­ной и вторичной обмот­ками. Источниками шу­мов феррозондов являют- -ся несимметрия петли ги­стерезиса и магнитный шум Баркгаузена (см. § 8-1 и 8-12). Феррозонд представляет собой один из наиболее чувствительных магнитоизмерительных преобразователей. Нижний предел измерения в лучших преобразователях составляет 0,05—0,1 нТл. Верхний предел измерения ограничен нарушением ли­нейности функции преобразования и обычно не превышает 5-10"⁴ Тл. Для измерений более сильных полей применяется метод уравновеши­вания, при котором феррозонд используется в качестве преобразова­теля неравновесия.

Феррозонды применяются для измерения магнитной индукции сла­бых постоянных и медленно изменяющихся (с частотой не более 100 Гц) магнитных полей, для измерения углов между какими-либо осями -объекта и вектором магнитной индукции, для обнаружения ферромагнитных объектов, для измерения магнитной восприимчиво­сти и магнитного момента слабомагнитных веществ. Благодаря высо­кой чувствительности, простоте конструкции, малым габаритам и вы­сокой надежности феррозондовые преобразователи широко исполь­зуются в качестве портативных авиационных и ракетных тесламетров, градиентометров и угломеров при исследовании магнитного поля Земли, космического пространства, в магнитных системах навигации и ориентации, в магнитной дефектоскопии и при поиске полезных ископаемых.

8-12. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА БАРКГАУЗЕНА

Неоднородность структуры ферромагнитного образца обусловлена, немагнит­ными включениями или локальными механическими включениями и вызывает скачки намагниченности при изменении внешнего магнитного поля или наличии меха­

нических воздействий. Схематическое изображение доменных границ и некоторого вилючения показано на рис. 8-54, а. Граница между двумя доменами с противополож­ным направлением векторов намагниченности под воздействием внешнего магнит­ного поля сначала обратимо изменяет свое положение (рис. 8-54, б), а затем скачком переходит в новое положение (рис. 8-54, в). Заштрихованная часть представляет собой область, скачком изменившую свою намагниченность.

Рис. 8-55

Экспериментальные исследования скачков Баркгаузена (СБ) показали, что в железном образце средний объем перемагничивающейся области лежит в диапазоне 2* 10~² — 2* 10"⁷ мм³.

Рис. 8-54

Ф

Вклад СБ в общее изменение намагниченности по данным различных авторов составляет 30—50%. Длительность СБ лежит в диапазоне 0,1—1 мс. При скачках Баркгаузена в измерительной катушке возникают импульсы ЭДС. Таким образом, перем-агничивание образца сопровождается появлением в измерительной обмотке сигнала, имеющего характер случайного процесса.

Очень важной дли проектирования преобразователей на основе эффекта Барк­гаузена является зависимость этого эффекта от скорости перемагничивания. С уве­личением скорости перемагничивания от 0,01 до 0,24 А/(м«с) число скачков падает примерно на 45%. Этот факт указывает на возможность слияния нескольких скач­ков, что приводит к зависимости характеристик преобразования от скорости или

частоты перемагничивания.

В зависимости от скоро­сти перемагничивания изме­рительные преобразователи с использованием эффекта Баркгаузена могут быть раз­биты на две группы: с про­странственным перемагничи- ванием ферромагнетика и с перемагничиванием ферро­магнетика изменяющимся во времени магнитным полем.

Принцип действия пре­образователя с пространст­венным перемагничиванием ферромагнетика показан на рис. 8-55, а. Мимо постоян­ного магнита 1 движется со скоростью v_x ферромагнитный образец 2. Участок образца, находящийся вблизи магнита, намагничен, и границы этого участка смещаются со скоростью v_x. В про­ходной или накладной измерительной катушке 3, установленной неподвижно, индук­тируются импульсы ЭДС, вызываемые скачками Баркгаузена (см. рис. 8-3). Индук­тируемая ЭДС представляет собой стационарный случайный процесс (рис. 8-55, б). В качестве информативных параметров этого процесса используются средняя ча­стота выбросов, превышающих заданный уровень, или дисперсия, которые зависят от скорости перемагничивания, т. е. от скорости движения образца. Сигнал измери­тельной обмотки 3 (рис. 8-55, а) усиливается и подается на полосовый фильтр Ф_я

подавляющий низкочастотную и высокочастотную части спектра для выделения полезного сигнала. Амплитудный дискриминатор АД выделяет импульсы, ампли­туда которых превышает заданный уровень, и сигнал поступает на частотомер Ч, показания которого пропорциональны скорости.

Преобразователь тахометра, основанный на эффекте Баркгаузена, показан на рис. 8-56, а. На вращающемся валу закреплен ротор 1 из ферромагнитного ма­териала. На статоре 2 укреплены магниты под каждым магнитом помещены изме­рительные катушки 4. На рис. 8-56, б показаны схематически система магнит—на-

а) Б)

Рис. 8-56

X

JL

+

Ш Г1 п

а

1

кладная измерительная катушка, распределение магнитного потока в ферромагнит­ном роторе и импульс ЭДС в катушке. Амплитуда импульса может быть оценена как е = —ьуДФ/т, где w — число витков обмотки; ДФ — приращение магнитного потока, вызванное скачком Баркгаузена; т — длительность скачка. Измерительные катушки располагаются в области максимального градиента магнитного поля и со­единяются последовательно, при этом дисперсия выходного сигнала увеличивается в п раз, где п — число уста­новленных систем. а) 1 2 3

Тахометр позволяет из­мерять угловые скорости в диапазоне 10~³--10~* рад/с (10~²—1 об/мин) с погрешно­стью не более 1%. При бо­лее высоких скоростях про­исходит захват доменов, т. е. увеличение размера естест­венной метки, и уменьшение чувствительности преобразо­вателя.

Рнс. 8-57

Принцип действия пре­образователя с ферромагне­тиком, перемагничиваемым переменным магнитным полем, показан на рис. 8-57, а. Устройство 1 служит для создания циклически меняющегося во времени магнитного потока, перемагничиваю- щего неподвижный ферромагнетик 2. В измерительной обмотке 3 наводятся им­пульсы ЭДС, для измерения информативных параметров которых используются те же узлы, что и в схеме, показанной на рис. 8-55, а. Характер ЭДС, наводимой в об­мотке З_у показан на рис. 8-57, б. При циклическом прохождении петли гистерезиса наибольшее число скачков приходится на крутую часть гистерезисной петли, на по­

лого"? паста они практически отсутствуют. Этим определяется периодически неста­ционарный характер магнитного шума и индуктируемой им ЭДС. Так же как в слу­чае стационарного процесса, математическое ожидание периодически нестационар­ного'случайного процесса (ПНСП) постоянно и равно нулю, средняя за период пере- магничивания Т частота выбросов, превышающих заданный уровень, а также усред­ненная за период и текущая дисперсия являются информативными параметрами при измерении характеристик внешнего магнитного поля, а также при измерении тока и напряжения, определяющих напряженность поля.

При постоянстве функции, описывающей изменение магнитного поля в течение цикла, параметр магнитного шума зависит от объема образца и структурных свойств ферромагнетика, и эффект Баркгаузена может быть положен в основу преобразова­теля неразрушающего контроля для измерения толщины гальванических покрытий и содержания в них ферромагнетика.

Конструктивно преобразователь представляет собой соленоид, длина которого для обеспечения равномерности магнитного поля в 5—10 раз превышает средний диа­метр. В центре соленоида помещается измерительная обмотка, в которую вводится исследуемый образец.

Мощность магнитного шума в преобразователе зависит от числа доменных об­ластей, участвующих в перемагничивании образца при постоянном режиме пере- магничивания. Число доменных областей определяется как толщиной покрытия, так и содержанием ферромагнетика в нем. Влияние толщины выражается в измене­нии дисперсии случайного процесса без изменения вида ПНСП. Изменение состава гальванического покрытия приводит к изменению вида петли гистерезиса (при умень­шении содержания ферромагнетика петля становится уже и прямоугольнее) и, следовательно, характера ПНСП.

Можно выбрать такое сочетание режима перемагничивания образца и регистра­ции информативных параметров, при котором разделяется информация о толщине покрытия и о содержании в нем ферромагнетика.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ