Материал: 00368

3.6. Индуктивные преобразователи

Индукционным является преобразователь, в котором входная механическая величина преобразуется в индуцированную электродвижущую силу (ЭДС). Работают эти преобразователи на основе закона Фарадея, согласно которому индуцированная ЭДС Е определяется скоростью изменения магнитного потока Ф, сцепленного с катушкой из W витков.

Поэтому естественной входной величиной индукционного преобразователя является скорость линейного или углового механического перемещения.

По принципу действия индукционные преобразователи можно разделить на две группы. В преобразователях первой группы магнитное сопротивление на пути магнитного потока в процессе работы остается неизменным, а ЭДС наводится за счет линейного или углового перемещения катушки или постоянного магнита. Конструктивные схемы таких преобразователей показаны на рис.1.

Рис. 1. Конструктивные схемы индукционных преобразователей с постоянным магнитным сопротивлением.

Подвижной частью преобразователяна рис. (1.а) является катушка 3, совершающая линейное перемещениемежду полюсными наконечниками 2 неподвижной магнитной системы, состоящей из двух постоянных магнитов 1 и магнитопровода 4. Подвижнаячасть преобразователя на рис. (1.б) выполнена в виде ротора 3 с обмоткой, вращающегося между полюсными наконечниками 2 постоянного магнита 1. В конструкции рис. (1.в) катушка 3 и магнитопровод 2 неподвижны, угловое перемещение совершает постоянный магнит 1.

В преобразователях второй группы постоянный магнит и катушка неподвижны, а индуцированная ЭДС наводится за счет изменения магнитного потока вследствии колебания магнитного сопротивления. Подвижной частью таких преобразователей является тот или иной участок магнитопровода, совершающий линейное или угловое перемещение. Наиболее распространенные конструктивные схемы таких преобразователей даны на рис.2.

Рис. 2. Конструктивные схемы ин­дукционных преобразователей с перемен­ным магнитным сопротивлением.

В преобразователе на рис. 2.a магнитный поток между полюсами постоянного магнита 1 определяется положением ферромагнитного кольца 2 с прорезями. В зависимости от положения кольца магнитный поток проходит через витки катушки 3 или замыкается по кольцу. Таким образом, при вращении кольца происходит изменение магнитного потока с частотой, пропорциональной скорости вращения и числу прорезей.

На рис. 2.б изображена конструктивная схема наиболее распространенного в настоящее время индукционного преобразователя. Собственно преобразователь выполнен в виде законченной конструкции и состоит из постоянного магнита 1 с надетой на него катушкой 2. Магнитный поток замыкается или полностью по воздуху, или частично, по металлу диска 3 из ферромагнитного материала. При вращении диска возникает модуляция магнитного потока и на выходе преобразователя появляется импульсный сигнал, частота которого определяется числом оборотов диска и числом выступов. Амплитуда импульсного сигнала существенно зависит от расстояния между преобразователем и вращающимся телом. Она быстро падает с увеличением этого расстояния, обычно не превышающего нескольких миллиметров. Кроме того, амплитуда импульсного сигнала зависит и от скорости вращения. При малых скоростях величина dФ/dt уменьшается настолько, что полезный сигнал становится сравним с уровнем шумов.

В измерительной технике индукционные преобразователи используются в аналоговом и дискретном режимах работы. В первом случае информационным параметром выходного сигнала является амплитуда индуцированной ЭДС Е, во втором случае информация о скорости перемещения подвижной части преобразователя заключена в числе импульсов ЭДС Е за фиксированный отрезок времени или в частоте выходного сигнала.

Второй вариант использования обеспечивает большую точность измерения, так как на число импульсов на выходе индукционного преобразователя, например построенного по схеме на рис. 2.б, практически не влияют внешние дестабилизирующие факторы. Повышается и помехоустойчивость при передаче сигналов по линии связи.

При аналоговом принципе использования индукционных преобразователей основным источником погрешности является температура, так как приходится считаться с зависимостью индукции постоянного магнита от температуры, зависимостью от температуры магнитной проницаемости стальных участков магнитопровода и изменением сопротивления катушки. Наиболее распространенный способ уменьшения температурной погрешности — использование термомагнитных шунтов, как элементов магнитопровода преобразователя.

Шунт (деталь 4 на рис.1) прикрепляется к полюсным наконечникам магнитной системы таким образом, что он шунтирует (ответвляет на себя) магнитный поток в воздушном зазоре. Изготавливаются термомагнитные шунты из специальных сплавов никеля и меди, обладающих крутопадающей зависимостью величины индукции от температуры. Таким образом, с увеличением температуры уменьшается общий магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом, и одновременно уменьшается часть магнитного потока, проходящего через шунт. Вследствие этого магнитный поток через воздушный зазор увеличивается, что компенсирует рост сопротивления катушки и уменьшение индукции постоянного магнита.

Амплитуда выходного сигнала с индукционных преобразователей может достигать значений нескольких вольт при отсутствии ограничений по массе и габаритам. Поэтому каких-либо особых требований к усилительно- преобразующей аппаратуре эти преобразователи не предъявляют и могут использоваться с высокоомной и низкоомной нагрузкой. Если при измерениях с использованием индукционных преобразователей нужно определить величину механического перемещения или ускорения, выходной сигнал с преобразователя интегрируется или дифференцируется соответствующими усилителями.

При расчете электрической цепи нагруженного на низкоомную нагрузку индукционного преобразователя следует учитывать реакцию поля катушки. Ток в катушке должен быть достаточно мал, чтобы индукция поля катушки, определяемая магнитодвижущей силой последней, была значительно меньше индукции постоянного магнитного поля в зазоре, обусловленной постоянным магнитом.

Индукционные преобразователи используются в зарезонансном режиме работы, причем их резонансная частота определяется в основном массой подвижных частей и лежит в пределах от единиц до двух-трех десятков герц.

В силу принципа действия градуироваться эти преобразователи могут только в динамическом режиме.

3.7. Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрические преобразователи, используемые для измерений температуры, базируются главным образом на эффекте Зеебека. Суть его состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разных проводников, возникает термоЭДС, если на контактах проводников поддерживается различная температура. В простейшем случае цепь образуется двумя проводниками и

называется термопарой. Этот случай является самым типичным в технике измерений температуры.

Для такой цепи, образованной проводниками А и В, возникает термоЭДС Е_АВ:

где Т₁, Т₂ — абсолютная температура в местах соединений проводников; σ_А, σ_В — коэффициенты Томсона для проводников А и В. Предполагается, что Т₂ > T₁.

По знаку разности потенциалов, возникающих между каждой парой проводников, все проводники располагаются в определенной последовательности (ряд Вольта): Al, Zn, Sn, Cd, Pb, Sb, Bi, нейзильбер, латунь, Hg, Fe, сталь, Cu, Ag, Au, уголь, V, Pt, Pd. Каждый из проводников ряда является отрицательным по отношению к предыдущим в ряду и положительным — к последующим.

В общем случае термоЭДС термопары представляет собой разность ЭДС на ее концах, соответствующих температурам Т₁ и Т₂. При малых разностях температур Т₁ и Т₂ развиваемая ЭДС пропорциональна разности Т₁- Т₂.

Таким образом,

E_ab(T₂,T₁)=E_ab(T2)-E_ab(T₁).

Если на одном из концов термопары поддерживать постоянство температуры (Т₁ = const), то

Е_АB (T₂,T₁)=F(T₂).

Место контакта термопары, располагаемое в зоне измеряемых температур, называют рабочим концом, а термостатируемый конец называют свободным. Если контактирование свободных концов термопары АВ осуществляется через третий проводник С, то в общем случае

Е_АВ = Е_АВ (T₂,T₁)+ Е_АВ (Т₁,Т₃),

где T₁ — температура контакта А и С, Т₃ — температура контакта С и В.

Если создать условия, при которых T₁=T₃, то Е_АВ=f(Т₂). Отсюда следует, что измеритель ЭДС, подключенный к свободным концам, должен иметь на клеммах T₁=const. Аналогично термопарная замкнутая цепь инвариантна к произвольному числу проводников (закон Бекереля), если на их концах, кроме одного (измеряемого) поддерживается постоянство температуры. Отсюда следует также, что термопарные электроды можно замыкать через третий металл и в области измеряемых температур, лишь бы на концах третьего электрода поддерживалась постоянная температура (измеряемая). На этом принципе устроены так называемые штыковые термопары.

Отсюда следует также, что устройства, измеряющие термоЭДС, можно располагать на достаточном удалении от рабочего конца лишь бы температуры промежуточных стыков были одинаковы и соответствовали температуре свободных концов при градуировании термопары. Если же температура свободных концов при измерении отличается от температуры свободных концов при градуировании, то в измеренную термоЭДС необходимо вводить поправки. В соответствии с требованиями о международной практической температурной шкале (МПТШ) температура свободных концов термопары при градуировании должна быть 0 °С.

Рис. 1. Основные схемы соединения термопар: а - включение измерительного прибора в свободные концы термопары; б - включение третьего проводника (6) в рабочий спай; в - включение измерительного прибора в термоэлектрод; г — скоростная термопара; д — термобатарея; е - дифференциальная термопара, ж — дифференциальная термобатарея.

Основные схемы соединения термопар приведены на рис.1, на котором представлены наиболее часто реализуемые варианты включения термопар и термобатарей.

В диапазоне температур -273 ... +1100 °С (+1300 кратковременно), как правило, используются термопары из неблагородных металлов и сплавов.

В диапазоне температур +1100...+1600 °С (+1800 кратковременно) используются термопары из благородных металлов и сплавов.

Для измерений температуры до +3000 °С (в нейтральной и восстановительной средах) используются термопары на основе тугоплавких металлов. В экзотической для контактных измерений температуры области до 4000 °С известны попытки использования термопар на основе графита и карбидов, нитридов, силицидов и боридов.

Ко всем используемым в практической термометрии термоэлектродным материалам предъявляются общие требования — достаточной для практических целей чувствительности, стабильности и воспроизводимости свойств на метрологическом уровне, достаточной гомогенности материала. Термопары, наиболее полно отвечающие этим требованиям, стандартизованы. Рассмотрим такие термопары в последовательности повышения измеряемой ими границы температуры.

Термопара медь-константан (МК). Главное применение — в области низких температур -270...0°С. В этих термопарах обязательно использование специального термопарного константана (Ni 42% + Си 58%). При температуре —270°С имеет чувствительность — 0,9 мкВ/К, в тройной точке водорода — 4,96 мкВ/К, в тройной точке азота — 15,7 мкВ/К, точке кислорода — термопары в тройной точке кислорода - 17,4 мкВ/К.

Термопара хромель-алюмель (XA). Термопара наиболее массового использования. Имеет температурную зависимость термоЭДС, близкую к линейной (табл. 2.11). Оба электрода на базе никеля. Положительный термоэлектрод хромель (89 % Ni + 9,8 % Сг + 1 % Fe +0,2% Мп), алюмель (94 % Ni + 2,0 % А1 + 2,5 % Мл + I % Si + 0,5 % Fe). Термопара устойчиво работает в окислительной среде до температуры 1100 °С длительно и до 1300 °С кратковременно. Температура плавления хромеля 1435 °С, алюмеля — 1440 °С.

Термопара хромель-копель (ХК). Копель (55 % Си + 44 % Ni + 1 % Мп). Одна из самых высокочувствительных термопар. Уступает термопаре ХА по линейности и верхнему температурному пределу (600 °С длительно, 800 °C кратковременно). Температура плавления копеля 1290 °С. Зависимость термоЭДС приведена в табл. 2.11.

Термопары ХА и ХК разработаны в виде кабельных конструктивов типов КТХАС, КТХАСП, КТХКС. Первые два типа — с термоэлектродами ХА в стальной оболочке и в оболочке из жаропрочного сплава ХН78Т. Третьего типа — с термоэлектродами ХК в стальной оболочке. Диаметр термопарного кабеля от 1 до 6 мм. Толщина оболочки от 0,15 до 0,75 мм. Длина от 10 до 50м (табл. 2.12 и 2.13 для термопар с уточненным рабочим участком).

Имеются модификации микротермопар с электродами,

защищенными капилляром из коррозионностойкой стали. Термоэлектроды имеют двухслойное изоляционное покрытие. Диаметр капилляра до 0,3 мм. Длина до 10 м.

Описано большое число нестандартных термоэлектродных материалов из неблагородных металлов. Наиболее широкое применение получили:

Термопара железо—константан (ЖК)

Термопара НХК-НКМ. Положительный термоэлектрод 88 % Ni +10 % Сг + 2 % Si. Отрицательный — 97 % Ni + 3 % Si.

Наиболее широко используемые термопары из благородных металлов: Термопара платинародий — платина. Положительный платиновый электрод обычно легируется родием (температура плавления 1970 °С). Термопара работоспособна во всех средах, кроме восстановительной.

3.8. Пьезоэлектрические преобразователи.

Общие сведения. В этих преобразователях используется пьезоэлектрический эффект — возникновение в некоторых веществах электрической поляризации при воздействии на них внешних сил. Объясняется это явление нарушением симметрии элементарной ячейки структуры вещества при ее деформации. Если в недеформированной ячейке присутствующие в ней заряды расположены так, что их поля уравновешивают друг друга, то в деформированной ячейке равновесие нарушено и она приобретает электрический момент (рис.1). Ясно, что это может происходить лишь в диэлектрическом веществе, которое называют пьезоэлектриком. Более точно описываемое явление именуют прямым пьезоэффектом, так как существует и обратный пьезоэффект — возникновение деформации пьезоэлектрика в приложенном к нему электрическое поле. Он используется в измерительной технике значительно реже, чем прямой пьезоэффект, поэтому основное внимание будет уделено именно последнему.

Рис. 1. Нарушение взаимокомпенсации электрических моментов при дефор­мации ячейки кристалла: а — P₁ + P₂+ P₃ = 0; б — P₁ + P₂+ P₃ < 0.

В макрообъеме явление происходит следующим образом (рис.2.а). Элементарные ячейки, приобретая одинаково направленный электрический момент, становятся диполями, однако, в любой внутренней плоскости, параллельной показанной пунктиром, поля диполей компенсируют друг друга. Только на наружных поверхностях поля окажутся нескомпенсированными, что и позволяет обнаружить эффект. Но так как возникшие заряды являются связанными, никакого тока они создать не могут. Чтобы вызвать его, на поверхность образца наносят металлические электроды, превращая тем самым образец в пьезоэлемент. Имеющиеся в них свободные заряды разделяются полем пьезозарядов (рис.2). Если соединить электроды, в этой цепи возникнет кратковременный ток, нейтрализующий заряды на внешней поверхности электродов (рис.2.в). Таким образом, часть энергии, потраченной на деформацию пьезоэлемента, превратилась в энергию электрического тока. Интересно, что после прекращения тока, оставшиеся свободные заряды полностью нейтрализуют поле поверхностных связанных зарядов, так что пьезосвойства никак не обнаруживаются. Но как только механическое напряжение снимается, свободные заряды, удерживавшиеся полем связанных зарядов на внутренних поверхностях электродов, становятся действительно свободными, и во внешней цепи опять потечет ток, но уже противоположного направления (рис. 2).

Рис. 2. Образование зарядов в образце из пьезоэлектрика: а - без электродов; б - разомкнутыми электродами; в - после замыкания электродов; г - после снятия силовой нагрузки. Стрелка — направление тока.

Уравнения пьезоэффекта. Правильно оценить свойства пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), широко используемых в технике, возможно, лишь описав пьезоэффект более подробно, а для этого необходим тензорный аппарат, используемый в теории упругости и кристаллофизике [40, 41]. Самое краткое изложение его сути заключается в следующем. Напряженное состояние, которое возникает под действием внешних сил в твердом (упругом) теле, характеризуется совокупностью девяти величин ο_jk, (j,k = 1, 2, 3), являющихся компонентами тензора механических напряжений

O₁₁O₁₂O₁₃

O₂₁ O₂₂ O₂₃

О₃₁ O₃₂ O₃₃

Координатные оси обозначены цифрами 1, 2, 3, причем первый индекс указывает, какой оси перпендикулярна площадка, в которой определяется напряжение, а второй, — какой оси оно параллельно. Составляющие с одинаковыми обоими индексами изображают нормальные, т.е. растягивающие или сжимающие напряжения, а остальные являются касательными.