Индукционные преобразователи.

Преобразователи, в которых скорость изменения измеряе­мой величины преобразуется в индуктированную э.д.с., назы­ваются индукционными и являются разновидностью электро­магнитных преобразователей.

В данных преобразователях естественной входной величи­ной является скорость механического перемещения (и поэтому непосредственно они могут применяться только для измерения: скорости линейных и угловых перемещений), а выходной ве­личиной является индуктированная э.д.с.

По принципу действия индукционные преобразователи можно разделить на 2 группы. В преобразователях первой группы индуктированная э.д.с. наводится в катушке благода­ря линейным или угловым колебаниям катушки в зазоре маг­нита (рис. 3.10, 3.11).

Рис. 3.10. Преобразователь с линейным перемещением катушки

Рис. 3.11. Преобразователь с угловым перемещение катушки

При своем перемещении витки катушки пересекают под прямым углом линии магнитного поля и в них индуктируется э. д. с. Если линейное перемещение Dl является некоторой функцией времени Dl = f (t), мгновенное значение э.д.с. равно

(3.4)

где w – число витков катушки; 1_a – активная длина витка, В – индукция в зазоре.

В преобразователях второй группы индуктированная э.д.с. наводится путем изменения магнитного потока вследст­вие колебаний полного магнитного сопротивления магнитной цепи, создаваемых чаще всего изменением воздушного зазора в этой цепи (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Датчик с индукционным преобразователем

На рис. 3.12 изображена схема устройства датчика с индук­ционным преоб­разователем для измерения скорости враще­ния. На валу укреплен стальной зуб, который при вращении вала проходит мимо зазора неподвижно установленной маг­нитной системы с постоянным магнитом, уменьшая магнитное сопротивление зазора этой системы согласно кривой R_м. В ка­тушке, надетой на магнит, наво­дятся импульсы, э. д. с., при­мерная форма которых представлена кривой е Неза­висимо от качества выполнения магнитной системы, старения магнита, расстоя­ния между валом и магнитом, частота выходных импульсов в герцах всегда будет равна числу оборотов вала в се­кунду. В ка­честве индукционных преобразователей для изме­рения скорости удобно приме­нять синхронные генераторы с ротором в виде постоянного магнита. Если число пар полюсов ротора равно p, то частота выходного сигнала f равна

(3.5)

где w – круговая скорость вращения в радианах в секунду; n – число оборо­тов в минуту. Частота таких датчиков не превышает несколько сотен герц.

Для получения более высоких частот, при которых стано­вится оправдан­ным использование цифровых частотомеров, целесообразно строить датчик в виде реактивного генератора с зубчатым ротором. На рис. 3.13 представлен датчик в виде реактивного генератора. Магнитная цепь выполнена так, что когда под од­ной катушкой статора находится зубец ротора, происходит перераспределение магнитного потока постоянно­го магнита с частотой, определяемой скоростью вращения и числом зубцов: поток постоянного магнита остается неизмен­ным и потери в нем отсутствуют.

Рис. 3.13. Датчик в виде реактивного генератора с зубчатым ротором

Еще более высокочастотные индукционные преобразовате­ли можно по­строить, используя технику магнитной записи. Барабан с ферромагнитным по­крытием, на который с по­мощью магнитной головки записано синусоидальное колеба­ние, эквивалентен ротору с числом зубцов, равным числу пе­риодов запи­санного колебания на окружности барабана.

Индукционный преобразователь данного типа состоит из магнитного ба­рабана с нанесенной записью и считывающей магнитной головки. Магнитная за­пись в зависимости от зазо­ра между барабаном и головкой позволяет разместить на каждом сантиметре поверхности барабана 50…250 импульсов при частоте считывания 100…200 кГц (соответствующей ско­рости вращения барабана 50–100 об/с), т.е. заменяет зуб­чатый диск с 5…25 зубцами на мм. К недостаткам преобразо­вателя этого типа относятся технологические трудности, свя­занные с необходимостью выдерживать малый зазор между барабаном и считывающей го­ловкой (до 30…50 мкН).

Выходное напряжение индукционного преобразователя пропорционально скорости перемещения подвижной части и это свойство широко используется для построения универсаль­ных виброизмерительных устройств, в измерительной цепи ко­торых значение виброперемещений и виброускорений получа­ются путем интегрирования или дифференцирования выходно­го сигнала датчика. На рис. 3.14 приведена структурная схема про­мышленного универсального виброизмерительного устройства, позволяющая измерить перемещения, скорости и ускорения.

Рис. 3.14. Структурная схема универсального виброизмерительного устройства

Сигнал сейсмического вибродатчика с индукционным преобра­зователем поступает через интегрирующую ИЦ или дифферен­цирующую ДЦ цепь, или непосредственно в усилитель УС, на выход которого подключен вибратор осциллографа. Выбор из­меряемого параметра осуществляется при помощи переклю­чателя П. Прибор имеет три канала, обеспечивающих работу в диапазоне частот 10…500 Гц при ко­эффициенте преобразования 70 мА/В no сигналу, 24×10^-3 мА/В по интегралу вход­ного сигнала и 175×10^-3 мА с/В – по производной вход­ного сигнала при нагрузке на указа­тель с сопротивлением 1 Ом.

Другим направлением построения широкодиапазонных виброизмеритель­ных приборов является использование кор­ректирующих цепей, позволяющих ис­пользовать один и тот же датчик для измерения виброперемещений и виброускорений. Примером может служить широкодиапазонный прибор, кон­струкция которого приведена на рис. 3.15.

Рис. 3.15 . Прибор для измерения виброперемещений и виброуско­рений.

1 – дюралюминиевый каркас; 2 – полюсный наконечник; 3 и 7 – соответственно рабочая и корректирующая катушки; 4 – П-образные пружины; 5 и 6 – винты; 8 – внешний магнитопровод

В зазоре между полюсным наконечником 1, напрессованным на постоянный маг­нит, и внешним магнитопроводом 2, помещена рабочая катуш­ка 3 индукционного пре­образователя, намотанная на дюр­алюминиевый каркас 4. В качестве упругих эле­ментов используются плоские П-образные пружины 5. Винтами 6 и 7 пру­жины прикреп­лены одним концом к рабочей катушке, а дру­гим – к корректирующей катушке 8. Последняя служит для коррекции погрешностей, обусловленных внешними маг­нитны­ми полями и включается встречно с рабочей катушкой. Успо­коение сис­темы электромагнитное и осуществляется за счет взаимодействия токов, индук­тированных в каркасе и рабочей катушке, с полем постоянного магнита. Датчик имеет чувстви­тельность около 50 мВ/мм собственную резонансную ча­стоту 18 Гц, степень успокоения b = 0,3, массу – 300 г, диа­метр 50 мм и длину 60 мм,

Рабочий диапазон прибора по ускорению 0,03…10 g и по смещению 0,03…10 мм. Погрешность измерения не более 10%.

Индукционные преобразователи могут быть использованы для измерения

постоянного ускорения и скорости.

На рис. 3.16 показано принципиальное устройство предло­женного М.М.Фетисовым прибора с индукционным обрат­ным преобразователем. Позже появи­лось сообщение о том, что на таком же принципе основан акселерометр, уста­новлен­ный в системе американской ракеты «Минитмен».

Рис. 3.16. Устройство прибора для измерения постоянного ускорения и скорости.

1 – двигатель; 2 – диск; 3 – постоянный магнит; 4 – преобразователь недокомпенсации; 5 –ось

Под действием ускорения Х маятник, образованный по­стоянным магнитом 1, подвешенным на оси 2, отклоняется. Емкостный преобразователь недокомпен­сации 3 выходит из равновесия, выходной сигнал усиливается усилителем и по­сту­пает на обмотку двигателя 4. Двигатель вращает диск 5, рас­положенный ме­жду полюсами постоянного магнита. Возни­кающий момент уравновешивает мо­мент маятника. Скорость вращения диска, т.е. частота w пропорциональна уско­рению и является выходной величиной прибора.

Широкое распространение для измерения скорости полу­чили различного рода тахометры. Тахометры с амплитудной модуляцией обычно выполняются с индукционным преобразо­вателем (генератором постоянного или переменного тока), вы­ходной величиной которых является э.д.с. Для измерения скорости также используются частотные тахо­метры (с частот­ной модуляцией), которые являются наиболее простыми и точными. В качестве образцового отрезка пути в этих датчиках используется полный оборот 360^o. Измерите­лем в данном тахометре может служить герцметр. Индукционные преобразователи чаще всего используют­ся в частотных датчиках тахометров. Они просты, надежны, дают большую выходную мощность. К недостаткам их отно­сятся: необходимость непосредственного доступа к валу; зави­симость амплитуды выходного сигнала от измеряемой скоро­сти вращения, что затрудняет измерение малых скоростей, а также создаваемый им тормозной момент.

На рис. 3.17 показан принцип конструкции тахометра с ин­дукционным преобразователем.

Рис. 3.17. Тахометр с ин­дукционным преобразователем.

1 – металлический диск; 2 – стрелка; 3 – вал; 4 – пружинка

Магнит гибким валом связан с испытуемым объектом. В поле магнита, вращающегося со скоростью w, расположен металлический диск 1, ук­реплен­ный на

валу 2. На этом же валу укреплены один конец пру­жинки 3 из фос­фористой бронзы и стрелка 4, угол a поворота которой является выходной вели­чиной прибора. При враще­нии магнит увлекает за собой диск. Под действием вращаю­щего момента пружина, имеющая удельный противодействую­щий мо­мент W, закручивается на угол, прямо пропорциональ­ный измеряемой скорости.

Индукционные преобразователи используются также и для измерения объемного расхода жидкости или газа, протекаю­щего по трубопроводу в еди­ницу времени. На рис. 3.18 пред­ставлена схема устройства турбинного крыльча­того тахометрического датчика. Он представляет собой отрезок трубы, в кото­ром установлена небольшая осевая турбинка.

Рис. 3.18. Устройство турбинного крыльча­того тахометрического датчика.

1 – осевая турбинка

Под действием потока жидкости в трубе ротор турбинки вращается со ско­ростью, доходящей до 250 об/сек. Скорость вращения турбинки преобразуется в частоту электрических ко­лебаний любым из описанных выше индукционным преобразо­вателем. Погрешность датчиков такого типа можно довести до 0,35%. Погрешность целиком определяется погрешностью преобразования расхода в скорость вращения турбинки и за­висит от сил сопротивления вращению ротора, возникающих от трения в подшипниках, вязкости жидкости и тормозного мо­мента индукционного преобразователя.

Частотные датчики расходомеров могут работать как с аналоговым изме­рительным устройством типа конденсаторно­го частотомера, так и с цифровым частотомером. Результирующая погрешность в первом случае составляет 1…2%, во втором – может быть менее 0,5%.

В индукционном расходомере (рис. 3.19) используется эффект возникновения электрического тока в проводнике, перемещающемся в магнитном поле.

Рис. 3.19. Устройство индукционного расходомера

Протекающая жидкость отождествляется с проводником, т.е. она должна обладать определенной минимальной проводимостью. Согласно закону Фарадея, в обладающей электрической проводимостью жидкости Q, протекающей через магнитное поле, возникает электрическое поле. Контролируемый поток протекает по армированной изолятором трубе, в стенах которой перпендикулярно направлению магнитного поля и потока среды установлены два диаметрально расположенных электрода В, с которых снимается напряжение, пропорциональное средней скорости потока среды. Этот образованный высокоомным источником сигнал, величина которого имеет порядок нескольких милливольт, с помощью кабеля проводится к измерительному преобразователю, усиливающему его и осуществляющему дальнейшую обработку.

Индукционные преобразователи могут быть также исполь­зованы для измерения крутящего момента – фазовые датчи­ки торсиометров.