Преобразователи неэлектрических величин в электрические

 

 

 

 

Таким образом, в индуктивных  преобразователях имеет место 
последовательное преобразование F→∆δ→R_M→Z. 
Преобразователи описанных типов применяются при сравнительно небольших перемещениях якоря относительно сердечника. Для измерения больших перемещений якоря используются дифференциальные индуктивные преобразователи с разомкнутой магнитной цепью (см. рис. 6, в), в которых якорь 3 
перемещается внутри катушек 2, изменяя их полные сопротивления.

Приборы с индуктивными преобразователями могут быть использованы для измерения, как перемещения, так и любых механических величин, функционально связанных с перемещением якоря, например сил, давлений, крутящих моментов и т.д.

 

 

Индукционный  преобразователь.

Он представляет собой  преобразователь, в котором измеряемая неэлектрическая (механическая) величина преобразуется в индуктированную ЭДС. Согласно закону электромагнитной индукции индуктированная электродвижущая сила Е определяется скоростью изменения магнитного потока Ф, сцепленного с катушкой из w витков:                         

                                                                                          

 

Индукционные преобразователи непосредственно могут применяться только в приборах для измерения скорости линейных или угловых перемещений.

На практике индукционные преобразователи применяются в  приборах для измерения скорости вращения (в тахометрах), а также  в приборах для измерения параметров вибраций, т.е. для измерений переменных во времени линейных и угловых перемещений и ускорений (в виброметрах и акселерометрах).

Индукционные преобразователи  для тахометров представляют собой  небольшие генераторы постоянного  или переменного тока, вал которых  механически связан с валом испытуемого  двигателя. Чаще всего применяют генераторы переменного тока. Электродвижущая сила генератора Е, как известно, выражается уравнением:

 

 

 

где с - конструктивная постоянная, определяемая числом витков

и числом пар параллельных ветвей; Ф - поток возбуждения, создаваемый обычно постоянными магнитами; р - число пар полюсов; n - число оборотов в минуту (скорость вращения).

 

   Величина pn/60 = f является частотой переменной ЭДС, индуктируемой в генераторе.

Таким образом, критерием  измеряемой скорости вращения может служить либо ЭДС генератора Е, либо частота f. Принцип устройства индукционных преобразователей приборов для измерения параметров вибраций и ускорений показан на рис. 7.

На рис. 7, а представлен принцип устройства индукционных преобразователей приборов для измерения линейных вибраций. Цилиндрическая катушка 1, связанная с объектом измерения посредством вала 2 и расположенная в кольцевом зазоре магнитопровода 3, совершает линейные перемещения (колебания) в направлении, указанном стрелками. Цилиндрические постоянные магниты 4 намагничены вдоль образующей и создают в зазоре радиальное поле. При своем перемещении витки катушки под прямым углом пересекают линии магнитного поля и в них индуктируются ЭДС.

Если линейное перемещение  ∆х является некоторой функцией времени ∆х = =f(t),  то мгновенное значение ЭДС E=ωBl_a, где число витков катушки; В — индукция в зазоре; l_а - активная длина витка.

Точно так же индуктируется  ЭДС в цилиндрической катушке 1 (см. рис. 7, б), помещенной на ферромагнитный сердечник 5, когда он вместе с катушкой совершает угловые перемещения в направлении, указанном стрелкой.

 

 

Схема устройства простейшего тахометра с индукционным преобразователем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 На валу укреплен стальной зуб М. При вращении вала этот зуб проходит мимо зазора неподвижно установленной магнитной системы с постоянным магнитом, уменьшая сопротивление зазора так, как показано на кривой R_М. При этом в катушке, надетой на магнит, наводятся импульсы ЭДС, форма которых показана на кривой е. Частота импульсов, выраженная в герцах, всегда будет в точности равна скорости вращения вала, выраженной в числе оборотов в секунду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6 Принципиальные схемы индуктивных преобразователей:

а - для измерения малых перемещений; 6 — дифференциальный преобразователь; в — для измерения больших перемещений; 1 — электромагниты; 2 — катушки; 3 — якорь

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7 Принцип устройства индукционных преобразователей приборов

для измерения  параметров вибраций и ускорений:

а - Для измерения линейных вибраций; б - для измерения угловых   вибраций;

1 - цилиндрическая катушка; 2- вал, связывающий катушку с  объектом

измерения; 3 - зазор магнитопровода; 4- постоянные магниты;

5 - ферромагнитный сердечник

 

Индукционный  преобразователь для измерения  параметров вибрации применяется для измерений: амплитуды колебаний, скорости и ускорения перемещения колеблющегося тела.

Индукционный преобразователь  схематически изображен на рис. 4 и представляет собой цилиндрическую катушку 1, внутри которой на плоских пружинах подвешен постоянный магнит 3.

        Вся конструкция помещена в  корпус, жестко скрепленный с  объектом измерения. При колебании  корпус с катушкой перемещается  относительно неподвижного в  пространстве магнита, при этом витки катушки пересекают магнитные силовые линии, и в катушке наводится электродвижущая сила e_k, пропорциональная скорости колебания объекта измерения.

Приборы, с  помощью которых измеряется скорость колебаний, называются волосиметрами.

Чтобы с помощью  индукционного преобразователя  измерить амплитуду колебаний, необходимо от скорости колебаний перейти к амплитуде перемещения путем интегрирования выражения для e_k. Физическое интегрирование e_k осуществляется с помощью специальной интегрирующей электрической цепи, составленной из емкости и сопротивления (рис. 5).

Для этой схемы  уравнение мгновенных значений ЭДС  будет иметь вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Емкостные преобразователи

Емкостным преобразователем является плоский или цилиндрический конденсатор, емкость которого изменяется с изменением измеряемой неэлектрической величины.

Как известно, емкость  плоского конденсатора выражается формулой:

 

 

где ε — диэлектрическая  проницаемость; s — площадь обкладки; δ — расстояние между обкладками.

Измеряемая неэлектрическая  величина может быть функционально  связана либо с диэлектриком, либо с площадью, либо с расстоянием  между обкладками.

На рис. 8, а иллюстрируется принцип действия емкостного преобразователя прибора для измерения уровня жидкости. Он представляет собой коаксиальный конденсатор.

Для каждого значения уровня емкость преобразователя  может быть определена как емкость  двух параллельно соединенных конденсаторов. Один конденсатор образован частью электродов и диэлектриком — жидкостью, уровень которой измеряется, а второй образован остальной частью электродов и диэлектриком Я воздухом.

Если трубка преобразователя была бы заполнена воздухом, то емкость  конденсатора можно было бы выразить с достаточной точностью следующей формулой:

 

 

 

где а — конструктивный параметр преобразователя, зависящий от поверхности внутреннего стержня, внутренней поверхности трубки и расстояния между электродами; l₀ - полная длина преобразователя (трубки); е₀ - диэлектрическая проницаемость воздуха.

 

 

 

Если часть трубки длиной l заполнена жидкостью с диэлектрической проницаемостью ε то емкость этой части преобразователя составит:

  С₁= alε                          а полная емкость преобразователя:  

С= alε+ a(l₀ - l)ε₀

 

Таким образом, С = f(l).

На рис. 8, б демонстрируется принцип использования емкостного преобразователя для измерения малых перемещений Х или других механических величин (силы, давления и др.), вызывающих перемещение подвижной обкладки 1 относительно неподвижной обкладки 2.

При использовании емкостных преобразователей необходимо обратить особое внимание на влияние паразитных емкостей, главным образом емкости соединительных проводов (линии) относительно земли. Во многих случаях паразитные емкости сравнимы с емкостью преобразователя. Поэтому вопросом экранирования соединительных проводов и правильного выбора точки заземления измерительной цепи следует уделять большое внимание.

Экранирование самого преобразователя от влияния электрических полей также весьма важно, обычно экраном служит металлический корпус преобразователя.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8 Принципиальные схемы емкостных преобразователей:

а — для измерения уровня жидкости; б - для измерения малых перемещений; 1 -  подвижная обкладка конденсатора; 2 - неподвижная обкладка  конденсатора

 

 

 

 

2.4. Тензорезисторы

Тензорезисторы предназначены  для измерения деформаций и механических напряжений, обусловленных этими деформациями. Они представляют собой тонкую (диаметром 0,02...0,04 мм) зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги 1 проволоку А (рис. 9, а), изготовленную из материала высокого удельного сопротивления. Бумага с проволокой прочно приклеивается к поверхности испытуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с длинной стороной петель проволоки. Для приклейки тензорезисторов к исследуемым деталям применяют специальные клеи. Разработаны клеи для работы в нормальных условиях (БФ-2; БФ-4, ацетоноцеллулоидные), в условиях повышенных и высоких температур—до 600-700° С (Б-56, ВН-15), а также при работе во влажной среде или в воде. Тогда при деформациях детали, например при ее растяжении или сжатии, проволока будет воспринимать эти деформации, вследствие этого ее длина l и диаметр будут изменяться. Кроме того, как показывает опыт, при этом может измениться и ее удельное сопротивление. В результате произойдет изменение сопротивления R проволоки, являющееся функцией деформации детали и, следовательно, функцией механических напряжений в ней.

Относительное изменение сопротивления может быть выражено следующим образом:

 

 

 

 

где ∆l/l - относительная деформация; σ — напряжение в детали.

Опыт показывает, что  функция /(5) при небольших деформациях  является линейной:

                                              

Для изготовления тензорезисторов  целесообразнее использовать такую проволоку, которая обладала    бы возможно большей чувствительностью, т. е. возможно большим значением коэффициента К. Чаще всего для ее изготовления используется проволока из константана, для которого К = 1,9...2,1.

Так как относительные  деформации ∆l/l, например, стальных деталей в пределах упругих деформаций не превосходят 2,5 • 10^-3, то ∆R/R = К∆l/l не превосходят 5 • 10^-3, т.е. 0,5 %. При столь малых рабочих изменениях сопротивления преобразователя весьма важно, чтобы изменение его сопротивления из-за возможных колебаний температуры испытуемой детали, к которой он приклеен, не вызывало изменения показаний прибора. Поэтому проволока должна обладать возможно меньшим температурным коэффициентом сопротивления. Константановая проволока имеет достаточно малый температурный коэффициент сопротивления от 0,02 до 0,05 % на 10 °С. Однако при изменении температуры, например на 20 °С, относительное изменение сопротивления такой проволоки может достигать 0,1 %, что соизмеримо с рабочим изменением сопротивления, обусловленным измеряемой деформацией.

С точки зрения малого температурного коэффициента лучше всего использовать манганин, однако относительная чувствительность коэффициента манганиновой проволоки в три-четыре раза меньше, чем чувствительность проволоки, изготовленной из константана.

При использовании тензорезистора необходимо принимать меры для компенсации температурной погрешности.

Длина петли преобразователя l называется базой преобразователя. Размеры тензорезисторов колеблются от 2,5 до 150 мм по длине и от 3 до 60 мм по ширине. Сопротивление преобразователя чаще всего составляет 100...200 Ом. К концам проволоки, уложенной зигзагообразно на бумагу, привариваются или припаиваются выводы 3 (см. рис. 9, а). Увеличение числа витков тензометра будет повышать его чувствительность.

В настоящее время  тензорезисторы также изготовляются из тонкой фольги. Для этого на ленте из фольги путем травления выбирается часть металла таким образом, что оставшаяся часть материала образует форму тензорезистора.

Проволочные преобразователи  применяются непосредственно для  измерения деформаций. Однако они также используются и для измерения других механических величин, которые могут быть преобразованы в деформацию вспомогательной детали (называемой обычно упругим элементом), воспринимающей измеряемую механическую величину. Например, балку с наклеенными тензорезисторами R₁ и R₂ (рис. 9, б) можно использовать для измерения силы F или перемещений, если объект измерения при своем перемещении будет воздействовать на свободный конец балки, т.е. вызывать ее прогиб. Тогда деформация балки будет функционально связана с измеряемой величиной.