Требование к обращённым преобразователям. Типы обращенных преобразователей

Обращёнными преобразователями могут служить многие из преобразователей, рассмотренных в ранее, а также ряд измерительных механизмов, непосредственно преобразую­щих электрическую величину (чаще всего ток) во вращающий момент.

Применение многих измерительных механизмов в качестве обращённых преобразователей ограничивается требованием к стабильности функции преобразования, т.е. стабильности вы­ходной неэлектрической величины, так как определяет по­грешность измерения прибором.

Использование того или иного измерительного механизма в качестве обращённого преобразователя определяется харак­тером требуемой неэлектрической величины. Например, преобразователями тока или напряжения в механическую си­лу могут служить электродинамические, электромагнитные из­мерительные механизмы, преобразователями во вращающий момент — измерительные механизмы приборов различных си­стем, а также счетчиков при отсутствии упругого противодей­ствующего момента, преобразователями давления — электро­статический измерительный механизм и т. д.

Рассмотрим несколько примеров обращенных преобразова­телей. На рис. 5.8 изображено использование магнито-электрического измерительного механизма в качестве обращенного преобразователя для компенсации силы.

Свободно подвешенная катушка 1 имеет витки, располо­женные в горизонтальной плоскости. Сила взаимодействия F между током в катушке и полем магнита 2 направлена вертикально вверх и компенсирует из­меряемую силу, направленную ей навстречу. С помощью ре­гулирующего устройства (на рисунке не показано) ток в рам­ке увеличивается (или уменьшается) до тех пор, пока силы F и измеряемая сила взаимно не уравновесятся.

Рис.5.8. Устройство обращённого магнитоэлектрического преобразователя.

Широко применяется обращённый преобразователь, ис­пользующий магнито-электрический механизм для измерения моментов трения в подшипниках (рис. 5.9).

Подшипник 1, момент трения в котором подлежит измере­нию, укреплен в кольце 2 и сидит на валу. При возникнове­нии момента трения кольцо 2 поворачивается, одновременно поворачивается жестко скрепленная с ним рамка 3.

На оси рамки закреплено зеркальце 4, освещаемое лампой Л. При повороте зеркальца луч света попадает на фотоэлемент 5, ток в цепи рамки усиливается усилителем по­стоянного тока 6, и возникающий вследствие взаимодействия тока в рамке с полем постоянного магнита 7 вращающий мо­мент уравновешивает момент трения в подшипнике.

Таким образом, с увеличением измеряемого момента тре­ния растет ток в рамке, являющийся мерой этого момента.

Рис. 5.9. Измеритель трения в подшипниках.

Весьма распространенными обращенными преобразовате­лями являются преобразователи тока или напряжения в све­товой поток.

Примером такого преобразователя служит оптический пи­рометр (рис. 5.10).

Здесь яркость исследуемого тела сравнивается с яркостью нити фотометрической лампы накаливания 1, являющейся в данном случае обращенным преобразователем.

Фотометрическая лампа имеет нить, расположенную в од­ной плоскости. Яркость нити зависит от тока, величина кото­рого регулируется изменением сопротивления реостата 2. Те­лескоп пирометра 4 направляет на раскаленное исследуемое тело таким образом, чтобы наблюдатель, смотрящий в оку­ляр 3, видел на фоне раскаленного тела нить фотометрической лампы.

Рис.5.10. Оптический пи­рометр.

Изменяя ток в фотометрической лампе, добиваются сов­падения яркости нити и исследуемого тела (рис.5.11, а). На рис. 5.11, б) и в) соответственно изображены картины, которые видит глаз наблюдателя в случае, если яркость нити больше или меньше яркости исследуемого тела.

Рис.5.11. Изменение яркости нити по отношению к яркости исследуемого объекта.

Прибор И отградуирован таким образом, что показания его соответствуют измеряемой температуре или совпадении ярко­сти нити и исследуемого тела.

5. 4. Индукционные преобразователи

Принцип действия

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. 5.12,5.13).

Рис. 5.12.Преобразователь с линейным Рис.5.13. Преобразователь с

перемещением катушки. 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

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. 5.14).

Рис. 5.14. Датчик с индукционным Рис. 5.15. Датчик в виде реактивного

преобразователем. генератора с зубчатым ротором

На рис.5.14 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

где w - круговая скорость вращения в радианах в секунду; п - 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. 5.15 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.

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).