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 Dl/l=el довжина 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

image002

На рис. 2.3.11, а наведено приблизний графік зміни відносної магнітної проникності em в функції зміни механічної напруги s і відповідної йому відносної лінійної деформації Dl/l=e l. На початковій ділянці (s < 50 Н/мм2) коефіцієнт тензочутливості сягає значення КТ =300, а в середньому для всієї кривої КТ =220.

image004

Рис. 2.3.11. 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. 2.3.11, 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. 2.3.11, б,в) і трансформаторного (рис. 2.3.11 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 ЕПС 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.

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”

Оставьте комментарий к статье