3.2. За принципом дії вимірювальні перетворювачі маси

(ваги), що використовуються в системах дозування, поділяють на:

■важільні, в яких сила тяжіння матеріалу врівноважується системою важелів;

■пружинні, в яких зрівноважування досягається вимірювачем сили у вигляді пружини;

■електромеханічні, принцип дії яких грунтується на перетворенні сили тяжіння тіла або матеріалу в пропорційний електричний сигнал.

Найбільш поширеними вагами електромеханічної групи є:

■електротензометричні ваги, в яких в якості чутливих елементів є дротяні,

фольгові або напівпровідникові тензорезистори;

■магнітопружні ваги, в яких в якості чутливих елементів використовуються магнітопружні первинні перетворювачі.

3.3.Принцип дії магнітопружного ваговимірювального пристрою.

В якості ПВП в пристрої використовується магнітопружний перетворювач,

який виготовлений із феромагнітного матеріалу. Магнітопружним матеріалам, які використовуються у вимірювальній техніці, властивий магнітострикційний ефет, який поділяють на прямий та зворотний. Суть прямого – лінійні розміри тіла змінюються в напрямі магнітного поля в залежності від його напружен-ності, тобто, в матеріалі має місце деформація при наявності в ньому магніт-ного поля (ефект Джоуля). Ефек використовується, наприклад, в ультразвуко-вих магнітострикційних випромінювачах вібраційних віскозиметрів. Суть зворотного магнітострикційного ефекту – механічні напруження в тілі змінюють його магнітний стан, тобто, якщо на п’єзомагнетик діяти зовнішнім механічним навантаженням (розтягуючою або стискаючою силою P_x), то змінюється його магнітна проникність μ (ефект магнітопружності або ефект Вілларі). Зміна магнітної проникності в свою чергу змінює магнітний потік через котушку, що намотана на осердя із п’єзомагнетика і змінює реативний опір котушки змінному струму. Матеріали, яким властивий магнітострикційний ефект ще називають п’єзомагнітними, а їх властивості - анізотропними

П’єзомагнітні властивості залежать від температури і вони зникають при підвищенні температури п’єзомагнетика до температури, яка називається точ-кою Кюрі. Трьом металам чітко властиві п’єзомагнітні властивості: залізо (точка Кюрі 768°С), нікель (358°С) та кобальт (1131°С). В чистому вигляді виготовляють магнітострикційні перетворювачі тільки із нікелю. Найбільш вживані наступні феромагнітні сплави: ■ залізо-нікелевий (65%Ni) – пермалой, який має найбільшу чутливість до деформацій; ■ залізо-алюмінієві (альфери); ■ залізо-кобальтові (пермендюри та їх різновид – ремендюри); ■ Ю-12.

Конструктивно магнітопружний ПВП виконують в вигляді осердя тієї чи іншої форми із суцільного феромагнітного матеріалу, або у вигляді набору із тонких ізольованих пластин (шихтовані датчики). Загальний вигляд перетворювача показаний на рис.4. Осердя, що деформується, виготовляють із двома подовжніми отворами, в які розміщують котушку індиктивності L_x (такі перетворювачі називаються дросельними). Індуктивність L_x котушки з феромагнітним осердям визначається за формулою:

L_x = W2 / Zμ,

де W – кількість витків котушки;

Zμ – магнітний опір магнітопроводу, який в свою чергу

дорівнює:  

Zμ =R_м² + X_м ² ,

де R_м = L / μμ₀S – так названий активний магнітний

опір магнітопроводу; L та S – довжина та площа

поперечного перерізу робочої (де знаходиться котушка)

Р_х частини осердя; μ та μ₀ – магнітна проникність матеріалу

осердя та повітря; X_м – реактивний опір котушки.

Рис 3. Таким чином, зміна магнітної проникності μ =f(P_x) під дією механічної сили P_x приводить до зміни магнітного опору осердя R_м і відповідним чином до зміни повного опору Z(x) котушки індуктивності. Залежність відносної магнітної проникності Δμ/μ від засилля Р_х має вигляд, приведений на рис 3. Живлення перетворювачів здійснюють, як правило напругою змінного струму частотою в межах 1÷2 кГц. Використовуються дві схеми ввімкнення магнітопружних ПВП: трансформаторна та дросельна.

При трансформаторній схемі ввімкнення (рис.5,а), на феромагнітному осерді розміщуються дві обмотки, одна із яких є обмоткою живлення (U_вх), а друга - вимірювальною(U_вих). Вони забезпечують перетворення вхідної фізич-ної величини (механічного або акустичного тиску, вібрацій) у вихідний сигнал завдяки зміні магнітної проникності феромагнітного матеріалу осердя 2,

Рис.4.Дросельний та рис. 5. пресдукторний магнітопружні перетворювачі

виготовленого шихтованим із нікелю чи сплавів нікелю та заліза, зумовленої дією механічної сили Q.

Осердя 2 прямокутної форми має чотири симетрично розміщені отвори, в яких намотані обмотки 1 та 3. Площини обмоток взаємно перпендикулярні. До обмотки 1 підводиться стабільна напруга змінного струму. За повної симетрії осердя з обмотками та ізотропності (із-за відсутності зусилля Q) матеріалу осердя, індуктивного зв’язку між обмотками не має, так як магнітний потік обмотки 1 не перетинає обмотку 3 (рис.5,б), тому вихідна напруга на її виході дорівнює нулю. Якщо на осердя 2 діє зусилля Q, то порушується ізотропність його матеріалу. Останній стає анізотропним, тобто, під дією пружних напружень змінюються магнітні властивості матеріалу осердя. Це приводить до зміни напруженості магнітного потоку обмотки 1 і частина цього потоку перетинає вихідну обмотку 3 (рис. 5,в), в якій наводиться напруга, яка пропорційна зусиллю Q, що діє на осердя.

При дросельній схемі (рис.6) ввімкнення індуктивність L_x магнітопружного ПВП та опір R_н навантаження з’єднуються із джерелом живлення послідовно, а величину R_н вибирають із урахуванням такого струму в утвореному ланцюгу, який не допускає насиченості осердя. Падіння напруги на опорі R_н і є корисним сигналом.

Точність вимірювання за допомогою магнітопружних ПВП обмежується похибками: пружного магнітного гістерезису, зміною температури матеріалу перетворювача та похибкою нелінійності. Найбільш суттєвою є похибка нелінійності, яку практично повністю усувають зусиллям Р_п початкового навантаження (рис.3) магнітопружний ПВП та диференціальною схемою його ввімкнення у схему вимірювання зусилля (рис.6).