Индуктивные преобразователи.

Схема простейшего индуктивного преобразователя с плоским якорем приведена на рис.3.1

Обмотка 1 через сопротивление нагрузки R_Н подключена к сети переменного тока. Магнитный поток Ф, создаваемый переменным током, протекающим по обмотке 1, проходит через магнитопровод 2, воздушный зазор 4 и замыкается через подвижный якорь 3. Магнитопровод и якорь изготовляются шихтованными из материала с достаточно большой магнитной проницаемостью и малыми потерями (электротехнические стали, пермолои и т. д.) на гистерезис и вихревые токи.

В следствии того, что магнитное сопротивление ферромагнитного якоря 3 и сердечники 2 мало, индуктивность обмотки резко изменяется при изменении параметров воздушного зазора. При увеличении длины X рабочего воздушного зазора (РВЗ) общее магнитное сопротивление возрастает, индуктивность обмотки падает, и ток в цепи нагрузки возрастает. Наоборот, приближение якоря к магнитопроводу сопровождается ростом индуктивного сопротивления обмотки и следовательно, уменьшением тока в ней.

Если длина X воздушного зазора невелика в сравнении с шириной магнитопровода, то поток рассеяния мал и индуктивность обмотки 1 с достаточной точностью можно выразить формулой

S – площадь сечения потока в воздушном зазоре, принимается равной площади сечения стержней магнитопровода, м²;

Если длина магнитного зазора соизмерима с шириной, то его магнитное сопротивление значительно больше магнитного сопротивления железа

При синусоидальном напряжении сети и выполнении условии (3.2) ток в обмотке 1 практически синусоидален, т.к. при условии (3.2) преобладает линейная зависимость его от длины рабочего воздушного зазора.

Итак, пренебрегая активным сопротивлением обмотки, магнитным сопротивлением железа, потоками рассеяния, мы получим линейную зависимость тока нагрузки от перемещения X якоря.

Согласно сделанным допущениям сопротивление цепи чисто индуктивное, сдвиг фаз между напряжением и током равен 90⁰.

Реальная характеристика датчика отличается от полученной идеализированной характеристики в области малых и больших зазоров. Эта реальная характеристика на рис.3.2 обозначена пунктиром. Отличие реальной характеристики, идеализированной в области малых РВЗ, обусловлено главным образом, магнитным сопротивлением железа, а при больших - наличием активного сопротивления цепи обмотки. Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи реального датчика (пунктирная линия) уменьшается с увеличением зазора, что и показано на рис.3.2.

Рассмотренный простейший индуктивный преобразователь почти не используется в САУ и измерительных схемах по следующим причинам: Во-первых, это преобразователь однотактный; во-вторых, при значительной мощности сигнала выходной цепи на якорь действует значительная сила притяжения

если воспользоваться приближённым выражениями (3.3) и (3.4), то получим

т.е. сила притяжения якоря пропорциональна коэффициенту чувствительности по току

и обратно пропорциональна частоте питания и не зависит от длины рабочего воздушного зазора (рис.3.2).

2.2 Двухтактный индуктивный преобразователь.

Широкое применение имеют двухтактные индуктивные преобразователи, собранные по дифференциальной или мостовой схеме.

Дифференциальная схема состоит из двух независимых цепей, разность токов в которых служит выходным сигналом. На рис.3 изображена схема включения двухтактного преобразователя с плоским якорем. Выходной сигнал равен разности токов I₁-I₂. Механическим входным сигналом служит смешение якоря X относительно среднего положения. При Х=0 длина воздушных зазоров одинакова и равна X₀, индуктивности обмоток 1 и 2 равны между собой, токи I₁и I₂ одинаковы и ток через нагрузку, определяемый разностью токов ΔI=I₁-I₂ равен 0.

При смещении якоря один из токов уменьшается, другой увеличивается и появляется выходной сигнал. Фаза выходного сигнала при смене направления отклонения входного сигнала относительно среднего положения меняется на 180⁰. Датчики с плоским якорем применяется для измерения малых перемещений от нескольких микрон до 2 – 3 мм. При больших перемещениях применять индуктивные преобразователи с плоский якорем нецелесообразно.

Аналогично функционирует преобразователь, собранный по мостовой схеме (рис.3.4). При Х=0 выполняется условие равновесия моста

следовательно, в измерительной диагонали

= 0. При перемещении якоря равновесие моста нарушается и

≠ 0. По нагрузке Z_H протекает ток.

Для измерения перемещений до нескольких сантиметров используются преобразователи плунжерного типа (рис.3.5).

Преобразователь плунжерного типа представляет собой соленоид с одной или двумя обмотками. Для уменьшения магнитного потока, замыкающегося через воздух, катушку соленоида заключают в стальной кожух. Перемещая якорь 3, выполненный в виде плунжера (сердечника), можно менять длину РВЗ и, следовательно, индуктивность катушек 1 и 2. Обмотки 1 и 2 могут соединяться как по дифференциальной схеме, так и мостовой.

Индуктивный реверсивный преобразователь обладает двухтактной статической характеристикой. В пределах изменения входного сигнала можно выбрать достаточно большой (по сравнению с однотактным преобразователем) линейный (рис.3.6) рабочий участок статической характеристики.

Сила, действующая на якорь преобразователя (дифференциальная схема), равна

и по величине может быть меньше, чем в однотактной схеме.

Отличие мостовой схемы от дифференциальной заключается лишь в том, что выходной величиной в мостовой схеме служит разность напряжений двух цепей, которые при наличии нагрузки не являются независимыми.

Напряжение U₀(x) (напряжение холостого хода) на выходе (рис.3.4) при отключенной нагрузки равно

где Z_ВЫХ– внутреннее (выходное) сопротивление моста при пренебрежимо малом сопротивлении источника.

Согласно обоим свойствам четырёхполюсников максимальная активная мощность в нагрузке выделяется при равенстве активного сопротивления нагрузки и активной составляющей внутреннего сопротивления, т.е.

Реактивное сопротивление Х_ВЫХ схем преобразователей рассматриваемого типа являются индуктивным, поэтому для выполнения условия Х_Н=–Х_ВЫХ, реактивное сопротивление нагрузки должно быть ёмкостным. Схемы, где обеспечивается выполнение условия (3.6), называются резонансными. Для выполнения условия резонанса последовательно с нагрузкой включают конденсатор. Индуктивное внутреннее сопротивление датчика меняется при перемещении якоря, поэтому строгое выполнения условия резонанса при заданной емкости конденсатора имеет место для одного положения якоря.

В некоторых случаях нагрузка подключается к индукционному преобразователю через повышающий трансформатор (рис.3.7).

При таком включении выгодно помещать конденсатор на высоковольтной стороне, т.к. условие резонанса в этом случае выполняется при меньшей ёмкости конденсатора.

3. Индукционные (трансформаторные) преобразователи.

Помимо преобразователей, принцип функционирования которых основан на изменении индуктивности (коэффициента самоиндукции), применяются преобразователи в которых используется изменение взаимной индукции обмоток (коэффициента взаимоиндукции

) при перемещении подвижных частей.

Такие устройства называют трансформаторными или индукционными преобразователями.

На рис.3.8. изображены две схемы трансформаторных преобразователей. В схеме рис. 8а при смещении якоря 1 относительно среднего положения взаимные индуктивности обмотки питания 2 со встречно включенными обмотками 3 выходного сигнала становятся не одинаковыми, и на выходе появляется напряжение U. Фаза напряжения меняется на противоположную при изменении знака смещения якоря.

В преобразователе (схема рис.3.8.б) поворотная катушка 1 находится в радиальном поле, создаваемым обмоткой 2 в зазоре между полюсом и цилиндрическим сердечником 3. При одинаковом РВЗ поток, пронизывающий катушку, пропорционален углу α и преобразователь имеет линейную характеристику в широком диапазоне изменения входного сигнала α (характеристика одноконтактная). Индукционные преобразователи имеют такие же статические характеристики как и индуктивные. Расчёт сил, действующих на якорь трансформаторных преобразователей аналогичен.

Отсутствие скользящих контактов, прочность конструкции обуславливает высокую надёжность индуктивных и индукционных преобразователей. Достоинствами их являются также высокие чувствительность и разрешающая способность. Например, коэффициент чувствительности дифференциального преобразователя с плоским якорем часто составляет несколько сот вольт на 1 мм, а разрешающая способность измеряется сотыми долями микрона. Надо заметить, что высокая разрешающая способность достигается тщательным экранированием и регулировкой цепей преобразователя.

Изготовляются преобразователи с выходной мощностью в несколько десятков ватт. При повышенной частоте питания объем и вес приходящийся на единицу выходной мощности, невелики. Индукционные преобразователи обладают значительным КПД.

К недостаткам относятся трудность регулировки, трудность получения нулевого сигнала на выходе.

Для определения фазы выходного сигнала с индуктивными и индукционными преобразователями используют демодуляторы (фазочувствительные устройства).

Магнитострикционный метод измерения неэлектрических величин основан на использовании явления магнитострикции — изменения формы и размеров тела при намагничивании. Это явление характеризуется взаимной связью между упругими и магнитными свойствами ферромагнитных материалов (кобальт, железо, никель и их сплавы). Так, например, если образец из ферромагнитного материала поместить в переменное магнитное поле, то он будет деформироваться соответственно изменению поля. Знак (удлинение или укорочение) и величина деформации зависят от материала и интенсивности намагничивания. Тот же образец из ферромагнитного материала изменяет степень намагничивания при приложении к нему переменных усилий. Первое явление (деформация в переменном магнитном поле) называется прямым магнитострикционным эффектом, а второе (изменение степени намагничивания при деформации) — обратным магнитострикционным эффектом.

В методах измерения неэлектрических величин чаще всего используется обратный магнитострикционный эффект. Так, если на ферромагнитный сердечник, степень намагничивания (или, что все равно, магнитная проницаемость) которого изменяется при деформации, надеть катушку, то коэффициент самоиндукции катушки будет изменяться в соответствии с изменением степени намагничивания сердечника при деформации. Таким образом, магнитострикционный преобразователь со стороны электрического выхода не отличается от индуктивного преобразователя. Различие этих преобразователей заключается только в механических входах. Если в индуктивном преобразователе механические силы используются для изменения магнитного сопротивления воздушного зазора, то в магнитострикционном преобразователе эти силы используются для изменения магнитного сопротивления ферромагнитного сердечника.

Разные материалы в различной степени обладают явлением магнитострикции. Это явление наиболее ярко выражается у никеля, сплавов никеля и железа, сплавов хрома, никеля и железа (например, нихрома), сплавов кобальта и железа и других; деформация таких материалов незначительна. Для никеля, у которого это явление выражено ярче всего, она составляет 0,04%. На рис.2.19 показана зависимость относительной деформации (относительного изменения длины) от напряженности магнитного поля для никеля и пермаллоя. Следует отметить, что в слабых магнитных полях деформация пропорциональна квадрату напряженности поля.

Принцип устройства магнитострикционного датчика показан на рис.2.20. Подлежащая измерению сила F деформирует магнитопровод 1 датчика, изменяя магнитную проницаемость. В соответствии с изменением магнитной проницаемости будет изменяться коэффициент самоиндукции катушки 2, а, следовательно, и ее полное комплексное сопротивление Z. Таким образом, измерение силы F сводится к измерению сопротивления Z катушки, что можно выполнить по одной из схем, приведенных в разд. 4 «Индуктивный метод».

Зависимость магнитострикции, т.е. относительного изменения длины ферромагнитного тела

от интенсивности намагничивания J можно выразить следующей формулой, вытекающей из исследований Н. С. Акулова [28]:

— интенсивность намагничивания при насыщении.

Одной из основных характеристик магнитострикционного преобразователя является чувствительность или коэффициент электромеханической связи. Обозначим через

чувствительность ферромагнитного тела к механическим силам, подразумевая под нею отношение относительного изменения магнитной проницаемости

, к механическому напряжению

, т.е.

Выразим эту величину через другие параметры. Прежде всего, заметим, что магнитострикция связана с изменением запаса магнитной энергии тела.

Приращение магнитной энергии, вызванное деформацией тела, будет

Поскольку это приращение магнитной энергии является следствием сообщения телу механической энергии, равной

, то на основании закона сохранения энергии (полагая, что деформации подчиняются закону Гука) можно написать

Если воспользоваться соотношением (2.19), а также тем, что для ферромагнитных тел с малой коэрцитивной силой и большой начальной магнитной проницаемостью

магнитная индукция

Дифференцируя это выражение по В и сделав элементарные преобразования, получим

Отсюда следует, что чувствительность ферромагнитного тела к механическим напряжениям тем выше, чем больше произведение

. При выборе ферромагнитного материала для магнитострикционного датчика следует исходить из требований максимума величины

. Наибольшим значением этой величины обладает сплав типа пермаллоя с содержанием 65% никеля.

В фотоэлектрических методах измерения используются различные электрические эффекты, возникающие при освещении некоторых материалов световыми лучами. При падении на поверхность некоторых тел световые лучи сообщают часть своей энергии электронам, переводя их с одних электронных уровней на другие, следствием чего является выход электронов на поверхность тела или переход их из состояния, связанного с атомами, в свободное состояние.

Согласно квантовой теории, всякий металл представляет собой кристаллическую решетку из положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны. Кинетическая энергия этих электронов тем больше, чем выше температура металла. Свободные электроны удерживаются в металле электростатическими силами ионов кристаллической решетки. Выход электрона из металла более вероятен в том случае, когда электрон обладает большей кинетической энергией. Очевидно, если сообщить электрону извне дополнительную энергию, например, световую, то можно облегчить выход его на поверхность. Явление выхода электронов на поверхность металлов под действием световых лучей называется фотоэлектронной эмиссией. Если сообщить эмитируемым электронам упорядоченное движение, поместив эмигрирующую поверхность в электрическое поле, то получим электрический ток, называемый фототоком. Очевидно, фототок может возникать не только за счет эмитируемых на поверхность электронов, но также за счет электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атома и остающихся свободными внутри вещества.

Известно три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и в запирающем слое.

Внешний фотоэффект заключается в возникновении фотоэлектронной эмиссии на поверхности металлического электрода, освещаемого световыми лучами (под световыми лучами подразумеваются электромагнитные волны видимой и прилегающей к ней, части спектра). Упорядоченное движение фотоэлектронам сообщается при помощи электрического поля, создаваемого между электродами. Поверхность одного из них является эмитирующей. Она покрывается металлом, обладающим повышенным фотоэффектом. К числу таких металлов относятся цезий, рубидий, торий, натрий и др. На рис.2.21 показано принципиальное устройство фотоэлемента (т.е. преобразователя, использующего фотоэффект) и его включение в измерительную схему. Тонкий эмитирующий слой 1 металла, например цезия, наносят на пленку 2 окисла этого металла, которая, в свою очередь, покрывает серебряное зеркало 3, находящееся на внутренней поверхности стеклянного баллона 4. Световой луч 5 попадает на эмигрирующую поверхность через окно в стеклянном баллоне. Положительный зажим батареи присоединяется к аноду 6, а отрицательный — к эмитирующему слою металла 1, являющемуся катодом.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом бывают вакуумные и газонаполненные. В первом случае фототок обусловлен только фотоэлектронами, тогда как во втором случае фотоэлектроны вызывают ионизацию газа (обычно аргона при давлении, равном сотым долям миллиметра ртутного столба), вследствие чего общий фототок возрастает.

Столетов установил, что фотоэлектрический ток при постоянном спектральном составе света пропорционален интенсивности света. Другими словами, если i — сила фототока, а Ф — световой поток, падающий на фотоэлемент, то при постоянном приложенном напряжении (см. рис.2.21) получим

где k — коэффициент, характеризующий чувствительность фотоэлемента.

На рис.2.22 показана зависимость силы фототока i от светового потока Ф для газонаполненного фотоэлемента при различных значениях напряжения, подтверждающие установленную Столетовым зависимость (2.27).

Дальнейшие исследования показали большую зависимость фототока от спектрального состава света, причем было установлено, что световые лучи некоторых длин волн вовсе не вызывают фотоэффекта. Эйнштейн установил закон, по которому энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающих лучей, т.е.

— граничная частота лучей, при которой фотоэффект отсутствует

Так как энергия фотоэлектронов, а, следовательно, и сила фототока зависят от длины волны падающих лучей, то одной из основных характеристик фотоэлемента является его спектральная характеристика.

Другой характеристикой фотоэлемента с внешним фотоэффектом является его частотная характеристика, т.е. зависимость фототока от скорости изменения интенсивности света. Сам по себе внешний фотоэффект наступает мгновенно после начала освещения катода, однако возникающие в ряде случаев вторичные явления (электронная эмиссия при бомбардировке анода фотоэлектронами, ионизации газа и др.) замедляют возникновение фототока, в результате чего фотоэлементы становятся инерционными.

При практическом использовании фотоэлементов с внешним фотоэффектом, помимо указанных характеристик, имеет значение также зависимость фототока от напряжения, окружающей температуры и продолжительности работы фотоэлемента. Повышение температуры приводит к увеличению фототока вследствие увеличения энергии электронов. При этом изменяется спектральная характеристика фотоэлемента.

Характеристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом с течением времени изменяются, что может привести к нарушению градуировки прибора.

Внутренний фотоэффект заключается в изменении электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов при облучении их световыми лучами. К таким материалам относятся селен, сера, сплав сульфида таллия с окисью таллия и сернистый свинец.

При освещении полупроводниковых материалов энергия световых квантов затрачивается на освобождение связанных с атомами электронов и на перевод их в свободное состояние. Увеличение количества свободных электронов эквивалентно уменьшению электрического сопротивления полупроводников. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом являются специальными электрическими сопротивлениями, поэтому они и получили название фотосопротивлений.

Изменение фотосопротивления пропорционально интенсивности падающего светового потока. Зависимость силы фототока i от светового потока Ф, называемая световой характеристикой фотосопротивления, определяется выражением

Чувствительность фотосопротивлений выше, чем фотоэлементов с внешним фотоэффектом, и в зависимости от величины светового потока составляет от нескольких сотен микроампер на люмен (при больших световых потоках) до нескольких миллиампер на люмен (при малых световых потоках).

Принцип устройства селенового фотосопротивления показан на рис.2.23. На стеклянной пластинке 1 путем вытравливания нанесены две входящие друг в друга системы штрихов. Образовавшиеся канавки 2 заполняют проводящими веществами (платина, золото, графит), которые служат электродами, после чего на пластинку наносят тонкий слой селена 3. Для защиты от воздействия влаги фотосопротивление помещают обычно в эвакуированный стеклянный баллон.

Одной из основных характеристик фотосопротивления является отношение темнового сопротивления R_T (сопротивление при нулевом световом потоке) к сопротивлению фотоэлемента R_ОСВ, освещенного номинальным потоком, т. е. Rt/Rocb. Эта величина для разных фотосопротивлений колеблется в пределах 3—6.

Фотосопротивления, как и фотоэлементы с внешним фотоэффектом, имеют различные спектральные характеристики. Так, например, селеновые фотосопротивления имеют максимум спектральной чувствительности в красной области спектра, таллофидные сопротивления — в инфракрасной области и т.д.

Фотосопротивления обладают значительной инерцией вследствие влияния положительных ионов, возникающих при вторичной эмиссии. Они не стабильны во времени и подвержены влиянию температуры, поэтому не находят широкого применения в измерительной технике. Однако в качестве чувствительных элементов автоматических устройств фотосопротивления незаменимы.

Фотоэффект в запирающем слое заключается в следующем. Если освещать поверхность соприкосновения некоторых полупроводников с проводниками, то при этом возникнет направленное движение электронов, представляющее собой электрический ток. Механизм этого явления состоит в том, что кванты падающего на полупроводник света отдают свою энергию электронам, выбивая их из электронных орбит атомов. При этом освободившиеся электроны переходят в проводник, заряжая его отрицательно. Поскольку слой на границе соприкосновения полупроводника с проводником обладает вентильными свойствами (электрический ток пропускается в одном направлении), то фотоэлементы, основанные на использовании фотоэффекта в запирающем слое, носят название вентильных.

Принцип устройства вентильного фотоэлемента показан на рис.2.24. На железную или алюминиевую пластинку (положительный электрод) 4 путем напыления в вакууме наносят слой селена 1. На поверхности селена образуется запирающий слой 2, с которым соприкасается полупрозрачный слой 3 золота или платины, являющийся отрицательным электродом. Если электроды замкнуть на внешнюю цепь, то при освещении фотоэлемента по цепи потечет фототок.

На рис.2.25 показана зависимость э. д. с. е холостого хода, тока короткого замыкания i и внутреннего сопротивления r селенового фотоэлемента от величины светового потока Ф. Из рисунка видно, что с увеличением освещенности внутреннее сопротивление r падает, а э. д. с. е возрастает, приближаясь к насыщению при большой освещенности.

Преимуществами вентильных фотоэлементов являются большая чувствительность (что позволяет в ряде случаев обойтись без усиления) и малая инерционность. Однако эти фотоэлементы чувствительны к изменению внешней температуры и менее стабильны во времени, чем фотоэлементы других типов.

Следует заметить, что в вентильных фотоэлементах энергия светового потока непосредственно преобразуется в электрическую энергию без применения посторонних источников энергии. В фотоэлементах же с внешним и внутренним фотоэффектами световая энергия служит только для управления энергией внешнего источника. На этом основании методы измерения с использованием внутреннего и внешнего фотоэффектов следует отнести к параметрическим методам, а методы измерения с использованием фотоэффекта в запирающем слое — к генераторным методам.

Фотоэлементы включаются в цепь последовательно с нагрузкой, как это показано на рис.2.26 а,— для фотоэлементов с внешним и внутренним фотоэффектами, а на рис. 2.26, б — для вентильных фотоэлементов. В качестве нагрузки может служить измерительный прибор, реле, управляющая обмотка магнитного усилителя и т.д. В случае применения электронных усилителей для усиления фототоков фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектами включаются по схеме, приведенной на рис.2.27. Фотоэлектрический метод измерения незаменим в тех случаях, когда измеряемая неэлектрическая величина непосредственно связана с излучаемой световой энергией. Например, при определении направлений на объекты, излучающие световую энергию, фотоэлектрический метод часто оказывается единственно возможным. В других случаях измеряемую неэлектрическую величину нужно сначала преобразовать в изменение светового потока.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: