Первичные изм. преобразователи. Часть 2

Вихревой пробник представляет собой металлический зонд с диэлектрическим наконечником (в который заключена катушка индуктивности) на одном конце и отрезком коаксиального кабеля на другом. С помощью коаксиального удлинительного кабеля пробник подключается к драйверу.

Драйвер представляет собой электронный блок, который вырабатывает сигнал возбуждения пробника и осуществляет выделение информативного параметра.

Выходным сигналом драйвера является электрический сигнал, пропорциональный расстоянию от торца вихревого пробника до контролируемого объекта.

а)

б)

Рис. 4.5.15. Вихретоковая датчиковая система

120

4.6.Индукционные датчики

Виндукционных (или магнитоэлектрических) датчиках для преобразования механических колебаний используется явление электромагнитной индукции [2].

Индукционные датчики бывают с поступательным или вращательным движением катушек или магнитов, а также с подвижным кольцом или якорем.

Во всех этих датчиках индуцированная ЭДС пропорциональна скорости перемещения. Если нужно измерить само перемещение, то на выходе датчика необходимо включить интегрирующую цепь; если же надо измерить ускорения вибрации объекта, то на выходе датчика включается дифференцирующий контур.

На рис. 4.6.1, а показана схема индукционного датчика виброметра с поступательным движением катушки. Датчик состоит из постоянного магнита 3, укрепленного на корпусе прибора 5; магнитопровода 7; двух одинаковых плоских пружин 4; обмотки 1; каркаса обмотки 6, который может одновременно выполнять функцию электромагнитного успокоителя, если он будет изготовлен из металла (алюминий, латунь). Сверху каркас 6 закрывается крышкой 2, что создает при колебании системы дополнительное воздушное успокоение.

121

Рис. 4.6.1. Индукционные датчики с поступательным движением катушек: а — датчик виброметра; б — датчик велосиметра.

На рис. 4.6.1, б представлена схема индукционного датчика велосиметра с поступательным движением катушек. Подвижные катушки А и В вместе с сердечником 4 перемещаются с измеряемой скоростью в магнитном поле, созданном в отверстиях стенок 1 и 3 кольцевым магнитом 2; в обмотках катушек индуцируются ЭДС противоположных направлений. Чтобы эти э. д. с. складывались, обмотки катушек соединяются навстречу друг другу.

Э. д. с., индуцируемая в катушках рассматриваемых датчиков, определяется по формуле

	E = wπ D Вv = w	Ф	v ,	(4.6.1)
	ср	b
где w — число витков в катушках датчика;
Dcp — средний диаметр витка катушек, см;
В — магнитная индукция в зазоре, Тл;
b —	ширина поверхностей магнитопровода,			ограничивающих
воздушный зазор, см;
Ф — магнитный поток в зазоре, Вб;
V —	скорость перемещения катушек, см/с.

122

Рис. 4.6.2. Индукционные датчики с поступательным движением постоянных магнитов: а — с плоскими пружинами; б — с винтовыми пружинами.

Выше были рассмотрены индукционные датчики с подвижными катушками. В некоторых конструкциях вибродатчиков подвижным элементом является не катушка, а постоянный магнит. На рис. 4.6.2, а и б приведены схемы таких вибродатчиков. Сейсмическая масса 3, включающая также и постоянный магнит 1, крепится к корпусу с помощью плоских или винтовых пружин 2. Неподвижная катушка 4 крепится к основанию 5 датчика. Каркас катушки делается из пластмассы, эбонита или алюминия. В последнем случае при необходимости снизить успокоение по образующей цилиндра каркаса делается сплошной разрез, который значительно снижает вихревые токи.

Основными достоинствами таких вибродатчиков являются: простота изготовления и возможность получения очень низкой частоты собственных колебаний, а при использовании сильного магнита — высокой чувствительности.

Для измерения вибрации в промышленных установках широкое применение получили индукционные вибродатчики с подвижным постоянным магнитом типа ВШД-5. Устройство этого вибродатчика. показано на рис. 4.6.3. Корпус 1 вибродатчика, жестко связан с исследуемой частью машины. На корпусе укреплен магнитопровод 4 с катушкой 3. Сейсмическая масса состоит из постоянного магнита 9 с надетыми на него полюсными наконечниками,

123

плоских пружин 6 и винтовой подпятниковой пружины 10. Датчик приспособлен измерения вертикальных и горизонтальных смещений; в последнем случае удаляется винтовая подпятниковая пружина, датчик устанавливается на исследуемой машине. Частоту собственных колебаний датчика можно определить по формуле

	f =	w0	=	1			kП + kВ		,	(4.6.2)
				2π
	0	2π					m
где k П —	жесткость плоской пружины, Г/см;
kB —	жесткость винтовой пружины, Г/см;
т —	масса всех частей, связанных с магнитом,									Г·с2/см.

Как известно, задача расчета вибродатчика заключается в основном в определении наведенной в катушке ЭДС.

Когда поле магнита остается неизменным, а имеет место взаимное перемещение этого поля и катушки со скоростью v, применима формула вида

	Е = Blv sin γ в,	(4.6.3)
где В — индукция поля магнита, Тл;
v —	относительная скорость, см/с;
l — длина проводника, пересекаемая полем, см;
γ —	угол между направлением движения и вектором магнитного поля.

При максимальном смещении xmax амплитудное значение относительной скорости колебательного смещения катушки может определяться из соотношения

vmax	=	dx	= 2π f0 xmax .	(4.6.4)
		dt

124

Рис.4.6.3. Устройство индукционного вибродатчика ВЩД-5:

1— корпус вибродатчика; 2— упоры; 3— катушка; 4— магнитопровод; 5— клемма;

6— плоские пружины; 7— кожух; 8— обмотки; 9— магнит с полюсными наконечниками;

10— винтовая подпятниковая пружина.

Подставляя полученное выражение vmax в формулу (9.6.3) и приняв при этом sin γ = 1 (так как γ = 90°), получим выражение для максимального значения ЭДС на выходе датчика, т. е.

E	=	dx	= 2π Blx .	(4.6.5)
max		dt	max

Для определения величины смещения xmax необходимо значение Е интегрировать, для чего между катушкой датчика и вторичным измерительным прибором включают интегрирующий контур RC.

На рис. 4.6.4 показана схема индукционного датчика с неподвижной катушкой. Якорь 1, перемещаясь, изменяет величину воздушного зазора и, следовательно, магнитного потока, созданного постоянным магнитом 4 и проходящего через сердечник 3 катушки 2. Благодаря большому числу витков катушки ЭДС, наводимая в ней, достигает значительных величин (до нескольких единиц и даже десятков вольт). В конструкции датчика

125

предусмотрен шунтирующий магнитопровод 5. Это сделано для того, чтобы при перемещении якоря датчика не нужно было преодолевать силы магнитного притяжения. В результате замыкания примерно половины магнитного потока постоянного магнита через шунтирующий магнитопровод якорь одинаково притягивается концами этого магнитопровода и сердечника 3.

Рис. 4.6.4. Индукционный датчик с неподвижной катушкой

Магнитный поток в зазоре такого датчика

Ф =

Нсlм

,

(4.6.6)

2l

м

+ ∑

l

+

δ

cm

μ

μ

s

μ s

м

s

м

в

cm cm

в

где Нс — коэрцитивная сила магнита, а/см;

lм —

длина постоянного магнита, см;

µм — магнитная проницаемость постоянного магнита, Гн/м;

sм —

площадь поперечного сечения постоянного магнита, см2;

lст — длина стальных участков в магнитной цепи датчика, см;

scm — площадь поперечного сечения этих участков, см2;

µcm — магнитная проницаемость стали, Гн/м;

δ — длина пути магнитного потока в зазоре, см;

µв —

магнитная проницаемость воздуха, равная 1,256*10-8 Гн/м;

sв —

площадь поперечного сечения зазора, см2.

Если считать, что при малых изменениях величины воздушного зазора,

126

магнитного потока и индукции в магнитопроводе (включая постоянный магнит) значения магнитных проницаемостей материалов различных участков магнитопровода остаются неизменными, а следовательно, остаются неизменными величины их магнитных сопротивлений, то при этом допущении ЭДС, индуцируемая в катушке датчика, может быть определена по формуле

dФ

dФ dδ

Нсlм

1

E = -w

= -w

×

= w

×

v , (4.6.7)

dt

dδ

dt

2l

м

+ ∑

l

+

δ

2

μвsв

cm

μмsм

μcm scm

μвsв

где w — число витков катушки датчика;

v — скорость изменения величины воздушного зазора датчика в см/ceк. Такие датчики применяются в тех случаях, когда не требуется высокой точности измерения, но необходимо, чтобы в катушке датчика

индуцировалась э. д. с. большой величины.

Индукционные датчики вращательного движения служат для измерения угловых скоростей и ускорений.

На рис. 4.6.5, а показана схема индукционного датчика вращательного движения с вращающейся катушкой 2, которая механически связана с испытуемым объектом через вал 1 и перемещается относительно магнита 3. Такие датчики представляют собой небольшой генератор и делятся на датчики постоянного тока, имеющие коллектор, и датчики переменного тока, имеющие контактные кольца. ЭДС, наводимая в обмотке этих датчиков, пропорциональна скорости вращения якоря с обмоткой с точностью до 1—3°. Эти датчики обычно работают при скоростях вращения якоря до 5000 — 10 000 об/мин.

При более высоких скоростях использование этих датчиков затруднительно, так как центробежные силы создают в обмотке большие растягивающие усилия. Также затруднительно измерение очень малых скоростей из-за ненадежности работы скользящих контактов при низких напряжениях.

127

Рис. 4.6.5. Принцип устройства индукционных датчиков вращательного движения:

а — постоянного тока с вращающейся катушкой; б — переменного тока с вращающимся магнитом; в — переменного тока с вращающимся кольцом; г — переменного тока с подвижным якорем.

В этом отношении применение датчиков с вращающимся магнитом 1 и неподвижными катушками 2 (рис. 4.6.5., б) следует считать более выгодным, так как, придавая полюсным наконечникам специальную форму, можно получить в обмотках катушек э. д. с., изменяющуюся не по синусоидальному закону, а, например, по пилообразному закону. С помощью таких датчиков можно измерять очень большие скорости (до десятков тысяч оборотов в минуту), так как вращающийся магнит может быть полностью уравновешен.

В датчике, показанном на рис. 4.6.5, в, в зазоре между полюсами неподвижного магнита 3 и катушкой 2 вращается кольцо (в датчике, показанном на рис. 4.6.5, г, внутри катушки 2, между полюсами постоянного магнита вращается якорь 1), которое связано механически с испытуемым валом. Кольцо или якорь изготовляют из ферромагнитного материала, изменяющего при своем движении магнитное сопротивление, а следовательно, и поток, сцепляющийся с витками катушки.

128

В датчиках, показанных на рис. 4.6.5, а, б, магнитный поток не изменяется, и расчет магнитной цепи и ЭДС датчика производят, используя обычные приемы расчета постоянных магнитов.

Величина наибольшего изменения магнитного потока может быть выражена следующим равенством:

Ф =	F	−	F	,	(4.6.8)
			Rм + Rм
	Rм

где F — магнитодвижущая сила магнита в ампер-витках;

Rм и Rм + R м — крайние значения магнитного сопротивления,1/Ом·с. Тогда амплитуда и действующее значение переменной составляющей потока будут равны соответственно

Ф = Ф

				2
и											(4.6.9)
Ф =			Ф				.
	2				2
В этом случае величина ЭДС
	ωwF						1		1
E = ωwФ =				=				−		,	(4.6.10)
	2 2						Rм		Rм + Rм

где ω — круговая частота, рад/с;

w — число витков катушки датчика.

Расчет магнитных сопротивлений для переменного потока, а также влияния температурных погрешностей рассмотренных индукционных датчиков приводится в работе А. М. Туричина .

На рис. 4.6.6 показано устройство индукционного датчика вращательного движения (униполярной машины) для измерения угловых скоростей. Две катушки возбуждения питаются напряжением 15В от аккумуляторной батареи. Железный ротор, установленный изолированно от корпуса, вращается в шарикоподшипниках.

129