4.2.8. Магнітопружні перетворювачі
Принцип дії й конструкція. Робота магнітопружного перетворювача заснована на магнітопружному ефекті. Як відомо, феромагнітні речовини мають області мимовільного намагнічування (домени). У ненамагніченому стані речовини домени орієнтовані хаотично й магнітні моменти окремих доменів компенсують один одного. Якщо помістити феромагнітне тіло в магнітне поле домени орієнтуються в його напрямку. У слабкому полі орієнтація часткова; у сильному полі при магнітному насиченні матеріалу орієнтуються всі домени. Орієнтація доменів викликає збільшення магнітної індукції, характерне для феромагнітних матеріалів.
Якщо на намагнічений зразок феромагнітного тіла впливати зовнішньою механічною силою, то тіло деформується, домені змінять свою орієнтацію й індукція в матеріалі змінюється. Явище має пружний характер. Якщо силу зняти, то індукція прийме колишнє значення. Оскільки абсолютна магнітна проникність речовини
те при заданій напруженості поля Н зміна індукції В еквівалентно зміні магнітної проникності.
Зміна індукції або магнітної проникності у феромагнітних тілах при дії на них сили називається магнітопружним ефектом.
Розглянуте явище використовується для перетворення механічної сили в електричну величину.
Один з можливих типів магнітопружного перетворювача представлений на мал. 4.34,а. Він являє собою феромагнітний сердечник з намотаною на ньому котушкою. Під дією сили F у матеріалі сердечника виникає механічна напруга σ, змінюється r, отже, і магнітний опір сердечника RM, а також індуктивність котушки L. Формула перетворень має вигляд
Магнітопружні перетворювачі можуть мати дві обмотки (мал. 4.34,6). Такі перетворювачі є трансформаторними. При дії сили внаслідок зміни магнітної проникності змінюється взаємна індуктивність M між обмотками й ЕРС вторинної обмотки Е. Формула перетворення має вигляд
При розрахунку перетворювача і його чутливості потрібно відповідно до законів і правил механіки розрахувати механічні напруги σ в елементах конструкції і їхню залежність від вимірюваної сили σ = σ (F).
Зависимость r = r(σ)у феромагнітних речовинах у загальному випадку нелінійна. Однак при невеликих механічних напругах можна вважати, що відносна зміна магнітної проникності пропорційно σ:
де Δ=r - r ном:r, — значення магнітної проникності при діїσ;rном — номінальна магнітна проникність приσ = 0;S— чутливість матеріалу.
Магнітна проникність rномзалежить від напруженості поля Н. Для збільшенняΔдоцільно працювати при таких Н, при якихrноммаксимальна. Найбільшу чутливістьSмають залізонікелеві сплави, меншу — залізокобальтові сплави й кремнієві сталі. Так, електротехнічні сталі мають чутливість порядку 11 • 10-9 м2/Н, сталь марки СтЗ — 8 • 10-9м2/Н. Є сплави із чутливістю 25 • 10-9м2/Н.
Знаючи конфігурацію й розміри перетворювача й залежність магнітної проникності rвід вимірюваної сили F, можна визначити залежність опору магнітного ланцюга, а також індуктивності L або коефіцієнта взаємоіндукціїМперетворювача:
Магнітопровід перетворювача варто робити без повітряних зазорів. Навіть пришліфовані один до одного стики магнітопроводу мають великий магнітний опір і зменшують чутливість перетворювача. При дії вимірюваної сили повітряні зазори змінюються, що приводить до виникнення погрішності.
При низьких частотах живлячої напруги або у випадку, коли сердечник зібраний з досить тонких пластин, магнітне поле рівномірно заповнює весь перетин перетворювача й поверхневий ефект виражений слабко. При сильно вираженому поверхневому ефекті магнітний опір збільшується, а чутливість зменшується.
Кращими метрологічними характеристиками володіє магнітоанізотропний трансформаторний перетворювач, схема якого показана на мал. 4.34, в. Поки вимірювана сила не діє, магнітопровід такого перетворювача магнітоізотропний: його магнітна проникність однакова у всіх напрямках. Під дією механічних напруг магнітна проникність змінюється в напрямку напруги. Це змінює магнітний опір матеріалу в тому же напрямку. Під дією механічних напруг матеріал стає магнітоанізотропним.
Перетворювач зібраний з пакета пластин, що мають чотири отвори. В отворі покладені дві обмотки: живлення w1і вимірювальна w2. Вони розташовані під кутом 45° до напрямку дії сили й під кутом 90 ° один до одного. При відсутності вимірюваної сили F магнітне поле, створюване обмоткою живлення w1, спрямоване паралельно виткам вимірювальної обмотки w2і не заходить у неї (мал. 4.35,а). У вимірювальній обмотці ЕРС не індукується. Під дією вимірюваної сили магнітна проникність у напрямку її дії змінюється й змінюється магнітний опір у тому ж напрямку. Це деформує магнітне поле (мал. 4.35,5). Магнітний потік пронизує вимірювальну обмотку й індукує у ній ЕРС Е2, пропорційну діючій силі.
Схеми включення. Магнітопружні індукційні перетворювачі включаються в мостові вимірювальні ланцюги. У плече, суміжне з вимірювальним перетворювачем, включається такий же перетворювач для компенсації адитивних, погрішностей. Він звичайно не навантажується - прилад будується за диференціальною схемою першого типу. Живлення мосту виробляється від ферорезонансного стабілізатора.
Схема включення трансформаторного магнітоанізотропного перетворювача наведена на мал. 4.36. Первинна обмотка 1 живиться від ферорезонансного стабілізатора 2. На виході в ненагруженого перетворювача є деяка залишкова напруга. Для його компенсації в ланцюг включений резистор R, на який подається напруга через фазозсувний ланцюжок 3. Напруга живлення перетворювача вибирається так, щоб режим його роботи був близький до режиму насичення магнітного ланцюга. При. цьому на виході перетворювача є напруга верхніх гармонік значної величини. Для захисту від гармонік схема містить фільтр верхніх частот 4. Напруга випрямляється двохнапівперіоднимм випрямлячем 5 і подається на магнітоелектричний вимірювальний механізм б. Фільтр нижніх частот 7 служить для згладжування пульсацій випрямленої напруги. При вимірі швидкодіючих процесів в якості вимірювального механізму включається гальванометр світлопроменевого осцилографа.
Магнітопружні трансформаторні перетворювачі можуть працювати також з автоматичними потенціометрами змінного струму.
Погрішність магнітопружніх перетворювачів. Функція перетворення магнітопружніх перетворювачів, як правило, нелінійна. Є ряд методів зменшення нелінійності. Нелінійність зменшується при скороченні діапазону виміру вимірюваної сили; якщо поряд з вимірюваною силою перетворювач навантажується деякою додатковою постійною силою; при відповідному виборі магнітного режиму перетворювача; при застосуванні магнітоанізотроп-них матеріалів, що мають різну магнітну проникність у різних напрямках. Такі матеріали одержують у результаті певної технологічної обробки - кування, протягання, прокатки й т.д. Застосування цих мір дозволяє зменшити погрішність, що відбувається внаслідок нелінійності, до 1,5-2 %.
Функція перетворення при збільшенні навантаження магнітопружніх перетворювачів відрізняється від функції перетворення при зменшенні навантаження. Ця відмінність має гістерезисний характер і обумовлений магнітним і механічним гістерезисом. При статичних вимірах гістерезис перетворювача більше, ніж при динамічних. Для зменшення погрішності, викликаної гістерезисом, рекомендується виготовляти перетворювачі з матеріалів, що мають можливо більшу межу пружності й можливо меншу петлю магнітного гістерезису. Максимальні механічні напруги в магніто пружному матеріалі повинні бути в 6-7 разів менше його межі пружності. Погрішність, обумовлена гістерезисом, зменшується після тренування перетворювача. Тренування проводиться 5-10-кратним навантаженням силою, що відповідає межі зміни перетворювача. Гістерезис може виникнути також у результаті сил тертя, якщо, наприклад, магнітопровід не суцільний, а складений. Наведену погрішність, викликану гістерезисом, можна знизити до 0,5-1 %.
Магнітопружному перетворювачу властиве старіння. При цьому змінюється як магнітна проникність, так і внутрішнє напруження в матеріалі перетворювача. Старіння приводить до зміни електричних параметрів (L, М) і до зміни чутливості. Зміна характеристик зменшується після природного (протягом декількох місяців) або прискореного штучного старіння. Характеристики стабілізуються шляхом термообробки магнітопроводу. Погрішність, викликану зміною параметрів, можна зменшити застосуванням диференціальних перетворювачів і диференціальних схем включення. Таким чином, погрішність, обумовлену старінням, можна зменшити до 0,5 %.
При зміні температури змінюються магнітна проникність магніто проводу і електричний опір обмоток. При різко вираженому поверхневому ефекті зміна температури здійснює менший вплив, чим при слабко вираженому. Для зменшення температурної погрішності використовуються диференціальні схеми й спеціальні схеми температурної компенсації.