Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Індуктивні та індукційні перетворювачі переміщень.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2010
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Інші
Група:
МТ-32
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет "Львівська політехніка"
Реферат на тему:
"Індуктивні та індукційні перетворювачі переміщень"
Виконав:
студент гр. МТ-32
Перевірив:
Ришковський Олександр П.
Львів 2010
Індуктивні вимірювальні перетворювачі
Індуктивні ВП призначені для вимірювання порівняно малих кутових або лінійних переміщень.
В основу роботи індуктивного ВП покладена властивість дроселя з повітряним зазором змінювати індуктивність при зміні величини повітряного зазору. Найпростіший індуктивний ВП складається із ярма 1, на якому розміщена обмотка 2, та якоря 3, що утримується пружинами (рис. 1).
Рис. 1. Електрична схема індуктивного ВП
Ярмо та якір виробляються з шихтованого магнітом’якого матеріалу. Обмотка намотуєтъся мідним проводом з малим активним опором.
Принцип дії однотактного індуктивного ВП полягає в наступному.
На обмотку 2 через опір навантаження Rн подається напруга живлення змінного струму з частотою від 50 Гц до декількох кілогерц. Струм, що протікає в колі обмотки, визначається як
(1)
де rₔ - активний опір дроселя, w – частота напруги живлення, L – індуктивність ВП.
Оскільки активний опір
є постійна величина, то зміна струму I може відбуватися тільки за рахунок зміни індуктивної складової опору
яка в свою чергу залежить від величини повітряного зазору d.
Таким чином, кожному значенню зазора d відповідає визначене значення струму І, який утворює падіння напруги на опорі Rн:
що є вихідним сигналом ВП.
Зв’язок між вхідним сигналом – механічним переміщенням і вихідним сигналом- електричною напругою Uвих можна характеризувати за допомогою статичної характеристики
(2)
Аналітичний вираз функції (2) можна отримати, використовуючи співвідношення (1) встановлюючи при цьому зв’язок між індуктивністю L та величиною зазору d. Будемо вважати повітряний зазор достатньо малим. Тоді потоками розсіювання можна знехтувати і величина потокощеплення ᴪ визначається як
(3)
де Ф – магнітний потік, що утворюється обмоткою, w- кількість витків обмотки.
З іншого боку
(4)
Прирівнюючи (3) і (4) отримаємо
(5)
Магнітний потік Ф прямо пропорційний намагнічувальній силі і обернено пропорційний магнітному опору
(6)
де Rм.з. – магнітний опір зазору; Rм.м. – магнітний опір магнітопроводу.
Отже, намагнічувальна сила
(7)
а магнітний опір зазору набагато більший ніж опір заліза, то вираз для індуктивності можна представити у вигляді
(8)
де – магнітна проникність повітря, – площа поперечного перерізу магнітопроводу .
Враховуючи вираз (8) і послідовно підставляючи в (1), отримаємо
(9)
В реальних ВП активний опір обмотки , а також опір навантаження набагато менші індуктивного опору, тому можна записати
(10)
Тут , оскільки всі величини, що входять до виразу (10), крім , є сталими.
Рис. 2. Статична характеристика однотактного індуктивного ВП
Таким чином, напруга на виході ВП при зміні зазору змінюється за лінійним законом, тобто статична характеристика є прямою, що проходить через початок координат з кутом нахилу до осі абсцис (рис. 2). Це ідеальна статична характеристика.
Реальна характеристика наведена на рис. 2 суцільною лінією. Її відхилення від ідеальної при малих значеннях пояснюється прийнятим припущенням
Якщо достатньо мале, то магнітний опір заліза стає співвимірним з магнітним опором зазору, отже, припущення додає відповідну похибку.
Відхилення реальної характеристики від лінійної функції при великих значеннях пов’язано з іншим припущенням, згідно з яким опір навантаження вважається занадто малим в порівнянні з індуктивним опором. Але при великих значеннях величина індуктивності L стає малою, тому індуктивна складова співвимірна з величиною , що і визначає викривлення характеристики.
Аналіз принципу дії і статичної характеристики однотактного індуктивного ВП дозволяє відмітити такі недоліки:
Фаза вихідного сигналу не залежить від напрямку переміщення якоря.
Для виміру переміщення в обох напрямках необхідний початковий зазор , що призводить до наявності початкового значення напруги (рис. 1).
На якір постійно діє електромагнітна сила, що прагне притягнути його до ярма. При великій потужності сигналу вихідного кола вона може приймати суттєві значення, що потребує введення компенсувальних сил за допомогою протидіючих пружин. Це значно ускладнює пристрій. Без компенсації цієї сили ВП може нормально працювати тільки при великій потужності вхідного сигналу, а це не завжди можливо.
Оскільки однотактні індуктивні ВП мають вказані недоліки, то їх використовують тільки як допоміжні елементи систем. В основних колах систем управління використовують двотактні індуктивні ВП.
Індукційні ВП
Індукційні ВП відносяться до генераторних перетворювачів. Для перетворення механічного переміщення в електричний сигнал в таких перетворювачах використовують явища електромагнітної індукції – наведення ЕРС в електричному контурі, що пов’язано зі зміною магнітного потоку. Наведення ЕРС відбувається незалежно від причин зміни магнітного потоку: чи переміщується обмотка в постійному магнітному полі, чи змінюється магнітне поле при нерухомій обмотці.
В котушці індукується ЕРС, яка дорівнює
де e – миттєве значення ЕПС; w – число витків котушки.
Індукційні перетворювачі можна розділити на дві групи. В перетворювачах першої групи магнітний опір на шляху постійного магніту залишається незмінним, а індукційна ЕПС наводиться завдяки лінійним (рис. 3, а) або кутовим (рис. 3, б) переміщенням котушки в зазорі. В перетворювачах другої групи постійний магніт і котушка нерухомі, а ЕПС наводиться магнітним потоком за рахунок зміни розміру повітряного зазору.
Рис. 3. Індукційні ВП. а – лінійне; б – кутове переміщення котушки
Як випливає з виразу щоб збільшити чутливість перетворювача, необхідно збільшити число витків котушки, але при цьому необхідно враховувати, що при постійному зазорі збільшення витків котушки призводить до росту її опору. Збільшення зазору викликає падіння значення індукції В. Тому при конструюванні давачів вибирають оптимальні параметри перетворювачів з врахуванням опору навантаження.
Лінійна залежність ЕРС від переміщення котушки в зазорі зберігається до тої пори, поки вона переміщується в межах рівномірного магнітного потоку.
Індукційні перетворювачі, що являють собою невеликі генератори постійного струму, використовують в пристроях для вимірювання швидкості обертання валів, лінійних і кутових вібрацій. Оскільки вихідна напруга індукційних перетворювачів пропорційна швидкості вібрацій рухомої частини, то для отримання напруження, пропорційного амплітуді вібрацій або прискоренню, вихідну напругу необхідно піддати інтегруванню або дифереціюванню.
Магнітопружні ВП
Принцип дії магнітопружних перетворювачів оснований на зміні магнітної проникності m (або індукції В) феромагнітних тіл в залежності від механічних напруг s, що обумовлені впливом на феромагнітні тіла механічних сил Р (розтягувальні, стискувальні, вигинання, скручування). Існує і зворотне явище – магнітострикція, коли зовнішнє магнітне поле викликає механічні деформації феромагнітного тіла. Під чисельним значенням магнітострикції розуміють відносну зміну довжини l стержня, що обумовлено впливом зовнішнього магнітного поля.
В загальному випадку магнітопружний ефект має нелінійний характер, що залежить від значення напруженості прикладеного поля Н. Але, вибираючи відповідні режими роботи, можна отримати лінійні ділянки залежності m=f(s) або m=f(Р). Одночасну зміну магнітної проникності і лінійних розмірів осердь, що відбувається під дією механічного навантаження, можна використовувати для вимірювання тиску, зусиль, моментів деформації. Відносну чутливість магнітопружного матеріалу можна характеризувати (подібно тензорезисторам) коефіцієнтом тензочутливості
На рис. 4 а, наведено приблизний графік зміни відносної магнітної проникності em в функції зміни механічної напруги s і відповідної йому відносної лінійної деформації. На початковій ділянці (s < 50 Н/мм2) коефіцієнт тензочутливості сягає значення КТ=300, а в середньому для всієї кривої КТ=220.
Рис. 4. Графік зміни відносної магнітної проникності em – а;
Перетворювачі дросельового типу – б, в; трансформаторного типу – г, д
Відносною магнітопружною чутливістю матеріалу називають відношення відносної зміни магнітної проникності до механічної напруги КSm=(Dm/m)/s. Для кривої на рис. 4–а ця величина складає 0,11 % на 1 Н/мм2. Максимальне значення відносної чутливості для пермалою складає 0,94 % на 1 Н/мм2 (при напруженості магнітного поля Н=0,2 А/мм), для трансформаторної сталі – 0,8% на 1 Н/мм2 (при Н=0,2 А/мм). При цьому значення напруженості приблизно відповідає максимуму магнітної проникності. В дійсності значення КS значно менше, оскільки Н вибирають, виходячи з лінійності статичної характеристики перетворювача.
При всій різноманітності конструктивних рішень магнітопружних перетворювачів за принципом дії їх можна розбити на дві групи: перетворювачі дросельового (рис. 4–б,в) і трансформаторного (рис. 4–г,д) типів.
В перетворювачах першого типу зміна магнітної проникності осердя призводить до зміни повного електричного опору Z дроселя. Для цього випадку чутливість перетворювача можна виразити у вигляді
КS=( DZ/Z)/s.
Живлення перетворювача при вимірюванні статичних або таких, що повільно змінюються, навантажень здійснюється зазвичай від мережі змінного струму з частотою 50 Гц. Іноді, щоб підвищити чутливість, перетворювачі живлять струмом підвищеної частоти (до 10 ГГц).
В магнітопружних перетворювачах трансформаторного типу в якості змінної величини, що є функцією прикладеної сили, використовується взаємна індуктивність, тому перетворювачі трансформаторного типу є по суті трансформаторами зі змінним коефіцієнтом трансформації. Чутливість трансформаторного перетворювача, якщо прийняти, що відносна зміна ЕРС вторинної обмотки дорівнює відносній зміні проникності, можна виразити відношенням
КS=(DU/U)/s.
Чутливість давачів подібного типу сягає декількох мілівольт на ньютон (мВ/Н).
Первинна обмотка перетворювачів живиться від джерела змінного струму, частоту якого вибирають із умов використання перетворювача: при вимірюванні статичних і повільно змінних процесів використовують виробничу частоту, при вимірюванні динамічних процесів частота струму живлення повинна бути в 5-10 раз вища частоти вимірюваного процесу.
Похибки магнітопружних перетворювачів виникають за рахунок конструктивних похибок, коливання напруги, температурної нестабільності, що досягає 2% на 100 С. Похибка виникає за рахунок гістерезису і, як показали дослідження, досягає 4 % при статичних і 1 % при динамічних навантаженнях. Для того, щоб зменшити цю похибку, необхідно вибирати матеріал для виготовлення осердя з вузькою петлею гістерезису і високою межею пружності.
В процесі старіння матеріалу змінюється магнітна проникність і внутрішня напруга в ньому, що призводить до нестабільності чутливості. Штучне старіння (термообробка і багаторазове навантаження) дозволяють знизити цю нестабільність до 0,5 % для перетворювачів з суцільного матеріалу і до 2 % з листового. Для зменшення похибки використовуються диференціальні схеми включення однотактних давачів або диференціальні конструкції давачів.
Переваги магнітопружних давачів – проста конструкція, низька вартість, можливість вимірювання великих зусиль. До недоліків можна віднести необхідність стабілізації напруги живлення, високу температурну нестабільність, живлення від джерела змінного струму.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора