Индукционные преобразователи

Индукционными называются преобразователи, в которых скорость изменения измеряемой механической величины преобразуется в индук­тированную ЭДС. Индуктированная ЭДС определяется скоростью изме­нения магнитного потока Ф, сцепленного с катушкой из W витков:

Следовательно, индукционные преобразователи возможно приме­нять для измерения линейных и угловых перемещений.

Существует две группы индукционных преобразователей:

- с неизменным сопротивлением на пути постоянного магнитного по­тока. В преобразователях подобного типа ЭДС в катушке наводится бла­годаря линейным (рис. 1,а) или угловым (рис. 1,б) перемещениям ка­тушки;

- с сопротивлением на пути постоянного магнитного потока, которое изменяется под действием преобразователей измеряемой величины.

Рис. 1. Принцип устройства индукционных преобразователей:

а — с подвижной катушкой, совершающей линейное перемещение;

б — с подвижной катушкой, совершающей угловое перемещение.

Схема устройства такого преобразователя изображена на рис. 2.

Рис. 2. Принцип действия простейшего датчика 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.

Наиболее широкое распространение получили преобразователи пер­вой группы в приборах для измерения: скорости вращения (тахометры), ускорения, расходов жидкостей и параметров вибрации.

Индукционный тахометр с вращающимся магнитным полем -простейший показывающий прибор для измерения скорости вращения. Конструкция тахометра изображена на рис. 3. Постоянный магнит А с помощью гибкого валика приводится во вращение устройством, скорость вращения которого необходимо определить. В соответствии с располо­жением магнита установлен алюминиевый диск 1. На валу диска 3 име­ется противодействующая пружина 2. При вращении магнита А магнит­ный поток Ф пересекает диск и наводит в нем вихревые токи, которые, взаимодействуя с потоком Ф, создают вращающий момент М_ip, закручи­вающий пружину 3. При этом угол отклонений стрелки 4, укрепленной на валу прибора, пропорционален скорости вращения п приводного валика:

Рис. 3. Принцип устройства тахометра с вращающимся магнитным полем

Индукционный расходомер служит для измерения расхода элек­тропроводной жидкости. Его устройство можно уяснить из схемы, пока­занной на рис. 4.

Рис. 4. Схема устройства индукционного расходомера

Между полюсами электромагнита 2 и 3 помещена труба 1 из немаг­нитного материала с площадью поперечного сечения S. Внутри трубы со скоростью υ протекает электропроводная жидкость, расход которой не­обходимо замерить. В трубе вмонтированы электроды 4 и 5, включенные в цепь усилителя. На выходе усилителя имеется электроизмерительный прибор У_k, проградуированный в единицах расхода жидкости. ЭДС, воз­никающая между электродами, пропорциональна количеству жидкости, перекачиваемой через поперечное сечение трубы в зоне электродов:

E = kQ.

Компенсационное сопротивление Rk необходимо в измерительной цепи для создания падения напряжения, компенсирующего трансформа­торную ЭДС E_Т, которая возникает между электродами 4 и 5 при пересе­чении их переменным потоком силового поля электромагнита. Погреш­ность такого прибора лежит в пределах 1,0 - 2,5%.

Основными преимуществами индукционных расходомеров по срав­нению с механическими является их безынерционность, независимость показаний от характеристик жидкости (плотности, вязкости) и отсутствие перепада давлений до и после счетного механизма.

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

Индукционный преобразователь схематически изображен на рис. 5 и представляет собой цилиндрическую катушку 1, внутри которой на плоских пружинах подвешен постоянный магнит 3.

Рис. 5. Конструкция индукционного преобразователя для

измерения параметров вибрации

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 велосиметрами.

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. 6).

Рис. 6. Интегрирующая электрическая схема

Для этой схемы уравнение мгновенных значений ЭДС будет иметь вид:

Выбираем r>>x_c, отсюда можно считать, что Ur>>U_c

тогда

Следовательно, напряжение, снимаемое с емкости, оказывается про­порциональным координате перемещения у:

Падение напряжения, снимаемое с сопротивления r, будет пропор­ционально ускорению колебания y.

Приборы для измерения амплитуды колебаний называются вибро­метрами, а для измерения ускорений - акселерометрами.

Рассмотренный выше принцип индукционного преобразования ис­пользуется в частности в электродистанционном виброметре ЭДИВ-72, предназначенном для измерения амплитуд вибрационного смещения в вертикальном и горизонтальном направлениях с частотой вибрации не ниже 25 Гц. Он позволяет измерять амплитуды вибрационного смещения в пределах 1-200 мкм с точностью 10% для амплитуд выше 10 мкм. Элек­тродистанционный виброметр, принципиальная монтажная схема кото­рого изображена на рис. 7, состоит из: семи индукционных преобразо­вателей (датчиков типа ВДВ-79 для измерения вертикальной составляю­щей, семи индукционных датчиков типа ВДГ-78 для измерения горизон­тальной составляющей), пульта с переключателем и интегрирующей це­почкой и указателя в виде лампового вольтметра МВЛ-2М, магнитоэлек­трический прибор которого разградуирован в единицах амплитуд пере­мещений (мкм).

Датчики устанавливаются на объекте измерения (например, на крышках подшипников или фундаментных paмах электрических машин) и соединяются с помощью переключателя, установленного на пульте.

Рис. 7. Принципиальная монтажная схема

электродистанционного виброметра

Через интегрирующую цепь С можно поочередно подсоединять лю­бой из датчиков к ламповому вольтметру, который имеет несколько диа­пазонов измерения. Виброметр ЭДИВ-72 широко используется при экс­плуатации электроустановок.

Литература

1. Сошинов А.Г. Преобразователи неэлектрических величин: Учеб. пособие/ ВолгГТУ, Волгоград, 2002.

2. Фремке А. В., Душин Е. М. Электрические измерения. - Л.: Энергия, 1980.

3. Фарзане Н. Г. и др. Технологические измерения и приборы. - М.: Высшая школа, 1989.

4. Жарковский Б. И. Приборы автоматического контроля и регулирова­ния. - М.: Высшая школа, 1989.

5. Сацукевич М. Ф. Измерительные приборы и их использование. -Минск.: Беларусь, I987.

6. Котур B. М. и др. Электрические измерения и электроизмерительные приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1986.