Лабораторна робота №4

Тема: Дослідження електромагнітних перетворювачів.

Мета роботи:

1. Ознайомлення з конструкцією та принципом дії електромагнітних перетворювачів

2. Вивчення принципів розрахунку параметрів електромагнітних ВП.

3. Визначення оптимального значення частоти електромагнітного перетворювача при максимальному вихідному сигналі.

4. Отримання залежності для диференційного ВП.

Загальні відомості

Вимірювальні перетворювачі (ВП) електромагнітних датчиків складають найбільшу групу перетворювачів для виміру різних фізичних величин, які у залежності від принципу дії можуть бути як параметричними так і генераторними. До параметричних відносять ВП, що перетворюють зміну вхідного механічного впливу у зміну параметрів магнітного кола: магнітного опору, індуктивності і взаємоіндуктивності обмоток (рис.1,а), магнітної проникності (рис.1,б); до генераторних – ВП індукційного типу, засновані на явищі електромагнітної індукції і реалізовані на базі трансформаторів (рис.1,в) і електричних машин.

Рис.1 – Конструктивні схеми електромагнітних ВП

Якщо знехтувати потоками розсіювання, то для ВП на рис.1,а формули для розрахунку індуктивності L та взаємоіндуктивності М обмоток мають наступний вид:

(1)

де – кількість витків первинної та вторинної обмоток;– опір феромагнітної ділянки магнітного кола 2, включаючи і її верхню рухому частину 1 (якір);– опір повітряного зазору між якорем 1 і основним магнітопроводом 2;l – середня довжина магнітного шляху; – магнітна проникність феромагнітного матеріалу;– відносна магнітна проникність матеріалу (для сталей);– магнітна постійна;S – поперечний перетин магнітопровода.

Виходячи з виразу (1) і рис.1,а, значенням L і М можна керувати, змінюючи зазор між якорем 1 і магнітопроводом 2 пересуванням якоря 1 у вертикальній площині, змінюючи перетин магнітного потоку при обертанні якоря відносно нерухомої частини магнітного кола 2, вводячи у повітряний зазор пластину 3 з феромагнітного або електропровідного неферомагнітного матеріалу і тим самим зменшуючи або збільшуючи магнітний опір повітряного зазору. Перетворювачі пересування у зміні індуктивності називають індуктивними, а перетворювачі пересування у зміні взаємоіндуктивності – трансформаторними.

У трансформаторних ВП зміну взаємоіндуктивності М (1) можна отримати не тільки при зміні магнітного опору, але і при пересуванні однієї з обмоток вздовж та поперек магнітного кола. Крім П-подібної конструкції магнітопровода (рис.1,а), у диференційних трансформаторних ВП використовується і Ш-подібна; у цьому випадку обмотки з кількістю витків на двох крайніх осердях вмикаються зустрічно-послідовно і підключаються до джерела вимірювальної напруги, а третя обмотка, яка розташована на середньому осерді магнітопровода, є вихідною.

Третій тип електромагнітного ВП – магнітопружній (рис.1,б), заснований на зміні магнітної проникності замкненого осердя під дією стискуючого, розтягуючого або крутного зусилля, що, відповідно (1), призводить до зміни магнітного опору осердя і відповідно до зміни L або М.

У загальному випадку магнітопружній ефект має нелінійних характер і залежить від напруженості магнітного поля. Відносна чутливість магнітопружніх ВП характеризується коефіцієнтом тензочутливості , який може досягати декількох сотен; при використанні ВП для вимірювання зусилля його чутливість складає декілька мілівольт на ньютон (мВ/Н).

Живлення магнітопружніх ВП здійснюється від мережі промислової частоти, але при динамічних вимірюваннях частота живильного струму повинна бути у 5…10 разів вище частоти контрольованого процесу. Похибка магнітопружніх ВП визначається в основному температурною нестабілністю (2% на ), гістерезисом (4% при статичному і 1% при динамічному навантаженні) і часовою нестабільністю (після декількох циклів термообробки і багатократного навантаження (природнє старіння) – до 0,5% для ВП з суцільного матеріалу і до 2% – з листового).

Чертвертий тип електромагнітного ВП – індукційний (рис.1,в), заснований на явищі електромагнітної індукції: наведена ЕРС у катушці, що пересувається у магнітному полі, прямо пропорційна кількості витків і швидкості зміни магнітного потоку(або швидкості пересування котушки при постійному струмі).

Порядок виконання роботи

1. Зібрати схему включення однотактного індуктивного ВП, який являє собою послідовне R-L коло (рис.2), на якому ВП представлений змінною індуктивністю L, керованою за допомогою відповідної клавіши з клавіатури (засобами EWB5.12). Опір навантаження обраний рівним індуктивному опору ВП на робочій частоті джерела вимірювальної напруги Ui; Rа – активний опір обмотки ВП. Діюче значення струму у R-L колі, яке виміряно амперметром:

(2)

Для моделі (рис.2) значення струму:

,

співпадає з виміряним.

Вихідна напруга схеми:

,

також співпадає з показаннями вольтметру . Якщо ВП використовується для лінійного вимірювання пересування, то після підстановки з (1) значення індуктивностіу (2) знаходимо:

, (3)

де w – кількість виток обмотки ВП.

Якщо параметри ВП вибрати з умови , то:

, (4)

де – коефіцієнт перетворення, В/м.

Рис.2 – Схема включення однотактного індуктивного ВП

Враховуючи ряд недоліків однотактні ВП не знайшли широкого розповсюдження і використовуються у якості допоміжних пристроїв, наприклад, зворотних ВП у компенсаційних схемах. Найбільш розповсюдженими у практиці вимірів і контролю є диференційні ВП, до складу яких входить додатковий магнітопровід, аналогічний магнітопроводу 2 на рис.1,а і дзеркально розташований відносно нього.

2. Зібрати схему включення такого ВП (рис.4) містить трансформатор Т, до вторинної обмотки якого підключені обмотки ВП; навантаження Rn підключають між середньої точкою вторинної обмотки трансформатора і середньою точкою обмоток ВП. Струм, що протікає по опору навантаження, дорівнює різниці струмів крізь обмотки ВП; при рівності їх індуктивностей вихідна напруга дорівнює нулеві.

Рис.3 – Результати осцилографічних вимірів по схемі (рис.2)

Враховуючи,що на виході кожної половини вторинної обмотки напруга дорівнює Ui, та застосовуючи до кола на рис.4, метод накладення, знаходимо струм на навантаженні:

, (5)

де .

Для моделі на рис.5, ,. Враховуючи (5) струм на навантаженніі вихідна напруга, що практично співпадає з показаннями приладів.

Рис.4 – Загальна схема включення диференційного індуктивного ВП

Рис.5 – Схема включення диференційного індуктивного ВП

Так як , то це дозволяє спростити формулу (5), і вираз для вихідної напруги схеми записати у такому виді:

. (6)

Зміст звіту та питання для самоперевірки:

1. Вказати тему і мету лабораторної роботи.

2. Назвати типи електромагнітних ВП і дати їх коротку характеристику.

3. Зібрати схеми включення ВП (рис.2 і рис.5).

4. Використовуючи формули (2) і (6), визначити оптимальне значення частоти, при якій вихідний сигнал схем на рис.2 і рис.5 максимальний.

5. Навести у звіті той випадок, у якому вихідних сигнал схеми на рис.2 не буде залежити від частоти виміряної напруги.

6. Скласти вираз для диференційного ВП, використовуючи (1) і (6).

7. Використовуючи результати осцилографічних вимірів (рис.4), провести дослідження фазових співвідношень у схемі однотактного ВП і зробити висновки про можливість отримання реверсивної характеристики перетворення.