ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТОУПРУГОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТОУПРУГОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1 Измерение силы

Магнитоупругие датчики. Вопрос о максимальной точности, которая может быть достигнута при измерении усилий с помощью магнитоупругих датчиков, по существу, является вопросом о перспективности дальнейшего развития работ по широкому применению силоизмерителей этого вида. Техническая и экономическая целесообразность применения магнитоупругих датчиков в различных отраслях промышленности в случаях, когда допустимы погрешности, превышающие 2-3%, в настоящее время ни у кого не вызывает сомнений. С помощью магнитоупругих датчиков оказываются выполнимыми самые различные задачи измерения усилий, причем обеспечиваются они при высокой надежности, компактности и конструктивности устройств. По работоспособности, долговечности, устойчивости в работе устройства этого класса не имеют себе равных.

Погрешности измерений, не превышающие 1-0,5%, вполне достижимы.

Температурная погрешность (среднеквадратичное значение) при колебаниях температуры датчика до 100°С не выходит за пределы 0,5%, при сужении температурного диапазона — она соответственно уменьшается. Среднеквадратичное значение погрешности от магнитоупругого гистерезиса не превышает 0,2%.

Среднеквадратичная погрешность, возникающая вследствие нелинейности характеристики, во всем диапазоне измеряемых усилий (100%) не превышает 0,3%. В более узком диапазоне (80%) не выходит за пределы 0,1%. Если принять, что погрешность, возникающая вследствие нестабильности источника питания, составляет 0,2%, общая среднеквадратичная погрешность не выйдет за пределы 0,65%.

Преобразование измеряемого механического параметра в электрическую величину в магнитоупругом датчике (МД) осуществляется последовательно в три основных этапа.

На первом этапе происходит преобразование измеряемого параметра в механическое напряжение в материале чувствительного элемента датчика. Конструктивными элементами датчика, осуществляющими механическое преобразование, являются внешний механический преобразователь и чувствительный элемент.

С помощью внешнего механического преобразователя измеряемый параметр может изменяться по величине, знаку или виду. Так, например, в некоторых датчиках, измеряющих растягивающее усилие, измеряемый параметр преобразуется в усилие сжатия чувствительного элемента, а в датчиках, измеряющих сжимающее или растягивающее усилие, параметр преобразуется в усилие скручивания чувствительного элемента и т. п.

На втором этапе происходит преобразование напряжения, возникающего в материале чувствительного элемента, в изменение его магнитных характеристик. На третьем этапе изменения магнитных характеристик материала чувствительного элемента преобразуются с помощью электромагнитного преобразователя в изменение выходных электрических параметров датчика.

В катушечном магнитоанизотропном датчике (рисунок 2.1) суммарный вектор магнитного потока, сцепленного с катушкой возбуждения 1, направлен внутри чувствительного элемента 3 под углом 45° к векторам главных механических напряжений. Магнитная ось измерительной катушки 2 расположена перпендикулярно к оси катушки возбуждения, благодаря чему при отсутствии измеряемой нагрузки и полной магнитной изотропности материала чувствительного элемента потокосцепление с измерительной катушкой 2, а следовательно, и коэффициент взаимоиндукции равны нулю.

Рисунок 2.1 – Катушечный магнитоанизотропный датчик.

При действии измеряемого усилия магнитное поле внутри чувствительного элемента становится асимметричным, поэтому появляется составляющая магнитного потока, сцепленная с измерительной катушкой, в которой наводится э. д. с., являющаяся функцией измеряемого усилия.

Конструктивное исполнение и основные типы

Магнитоупругий динамометр может быть выполнен в виде катушки с замкнутым сердечником из магнитомягкого материала.

Рисунок 2.2 Схема включения магнитоупругого динамометра

Рисунок 2.3. Картина силовых линий магиит-вого поля в магннтоупругом тензометре; в — без нагрузки; б — под нагрузкой

Изменение измерено с помощью известных электрических схем (рисунок 2.2). Получающиеся при этом большие измерительные сигналы исключают необходимость применения измерительных усилителей. Другая возможность использования магнитоупругого эффекта показана на рисунке 2.3. В пластинах из листовой стали имеются четыре отверстия. В этих отверстиях помещены две пересекающиеся обмотки, одна из которых включена в цепь питания, другая — в цепь измерения. При нагружении этого чувствительного измерительного элемента ранее симметричное магнитное поле искажается и в измерительной обмотке возбуждается напряжение, пропорциональное нагружение (рисунок 2.3,б).

Некоторые характерные особенности

1 Магнитоупругие динамометры предназначены преимущественно для грубых квазистатических промышленных измерений.

2 Вследствие не очень большой удельной нагрузки деформация чувствительного элемента меньше 0,1 мм.

3 Магнитоупругие динамометры изготовляют на номинальные силы от 1 до 2,5 Н. Выходное напряжение ~0,2 В; измерительный усилитель не требуется. Класс точности от 0,1 до 0,2 %.

4 Измерительные элементы динамометров могут быть в любом количестве наложены один на другой или расположены рядом. Они могут быть выполнены в виде четырехугольных измерительных пластин для сил до 50 МН. Равным образом могут быть также изготовлены круглые и кольцевые динамометры. Поэтому эти магнитоупругие динамометры обычно пригодны для применения в тяжелой промышленности, особенно в прокатных цехах, для измерения больших сил. Особым их преимуществом является малая высота. Их выходное напряжение может составлять 10 В, измерительный усилитель не требуется. Класс точности — от 0,1 до 2 %.

Первые отечественные конструкции МД сжимающих усилий были разработаны Ф. В. Майоровым. За последнее десятилетие в нашей стране и за рубежом получили промышленное применение десятки различных конструкций МД. Многообразие конструкций объясняется не только поисками наилучшего варианта исполнения МД, но также и различными требованиями, предъявляемыми к их выходным характеристикам при работе в той или иной электрической схеме.

Для контроля целого ряда параметров на шахтном подъеме и транспорте институтом автоматики (Киев) разработаны магнитоупругие датчики сжимающих усилий дроссельного типа МДУ.

Чувствительный элемент 1 этого датчика (рисунок 2.4) выполнен в виде прямоугольного пакета с окном и собран на заклепках из листов электротехнической стали Э41 толщиной 0,35 мм.

Рисунок 2.4 - Магнитоупругий датчик сжимающих усилий дроссельного типа

Чувствительный элемент 1 с обмотками 2, залитый компаундом, устанавливается внутри стального корпуса 3. На торцевую поверхность чувствительного элемента ложится стальной сферический сегмент 4, который прижимается крышкой 5, навинчиваемой на корпус. Крышка имеет небольшие кольцевые гофры, которые обеспечивают ее подвижность в небольших пределах. Вследствие этого практически исключается по- явление погрешности при передаче усилия на чувствительный элемент. Верхняя вывинчивающаяся часть 6 крышки предназначена для регулировки высоты МД.

Режим намагничивания датчиков ДМУ выбирается в зависимости от того, какие необходимо получить выходные параметры.

При его работе б схемах непрерывного контроля выбирается такой режим, при котором изменение полного электрического сопротивления МД максимально. Например, в датчике ДМУ-2 при оптимальной напряженности магнитного ноля в материале чувствительного элемента 58 а/м и максимальном механическом напряжении 16* 10⁷ н/м^г полное электрическое сопротивление МД изменяется в 7,5 раза. Максимальное же относительное изменение выходной мощности этого датчика, равное 274%, происходит при напряженности магнитного поля 500 а/м.

Датчики ДМУ имеют большое значение удельной (отнесенной к единице объема чувствительного элемента) мощности, полезно отдаваемой в нагрузку (до 12- 10⁴ ва/м³). Существенное значение для уменьшения гистерезиса характеристики преобразования датчиков этого типа имеет предварительная тренировка, в результате которой гистерезис уменьшается с 7—9% при первом цикле измерений до 1,5—1% —для двадцатого цикла.

Без применения специальных методов компенсации температурная погрешность составляет 1,2—1,6% на 10° С.

Датчики ДМУ применены в аппарате защиты скиповых подъемов (АЗСП), разработанном институтом автоматики (Киев) в содружестве с заводом «Красный металлист» (Конотоп) и Кузнецким научно-исследовательским институтом (КузНИУИ).

Аппарат АЗСП обеспечивает срабатывание реле при перегрузке или зависании скипа. Датчики в аппарате питаются током промышленной частоты. Максимально допустимое усилие на датчики ДМУ-1 и ДМУ-3 составляет соответственно 80 и 400 кн.

Аналогичные датчики применены в аппарате взвешивания дозирующих бункеров (АВДБ), в аппарате защиты двухсцепных конвейеров (АЗДК), а также в магнитоупругом путевом датчике ДМУП-1.

Схема аппарата АВДБ обеспичивает срабатывание реле при заранее настроенных значениях веса бункера, а также непрерывный контроль веса материала в бункере.

Примененный в схеме датчик имеет две независимые обмотки, каждая из которых соединена со своей частью схемы.

Аппарат АЗДК обеспечивает защиту двухсцепных конвейеров от аварии при обрыве тяговых цепей. Принцип действия аппарата построен на перераспределении усилий в опорах при обрыве одной из цепей и соответствующем перераспределении сигналов МД, установленных в этих опорах. При превышении разности усилий тяги цепей допустимого значения происходит срабатывание реле, которое подает сигнал об обрыве цепи и команду на отключение двигателя конвейера.

В путевом датчике ДМУП-1 применен чувствительный элемент датчика ДМУ-1. Датчик ДМУП-1 устанавливается под рельс и его схема обеспечивает срабатывание реле при любом заранее настроенном усилии в пределах от 2 до 49 кн.

Фирмой Siemens & Halske (ФРГ) разработаны МД дроссельного типа с цилиндрическим чувствительным элементом из сплошного материала — пермаллоя с 78,5% никеля.

Рисунок 2.5 - Магнитоупругий датчик дроссельного типа с цилиндрическим чувствительным элементом

В чувствительном элементе 1 (рисунок 2.5) имеются кольцевые пазы, концентричные относительно оси датчика, в которые уложены коаксиальные обмотки 2. Кольца 4 (из ферромагнетика) замыкают магнитный контур. Верхняя плита 5 с помощью напрессованного на нее кольца 3 прижата к чувствительному элементу. Обмотка 6 предназначена для компенсации влияния температуры на выходной параметр МД.

Фирмой разработан ряд датчиков с верхними пределами преобразования от 7 до 1 470 кн. Максимальное механическое напряжение в чувствительном элементе равно 10⁸ н/м². Питание МД осуществляется током промышленной частоты.

Температурная погрешность преобразования этих МД не превышает 0,2% на 10° С, гистерезис достигает обычно 0,25%. Нестабильность характеристики при правильном приложении нагрузки составляет ±1%.

Датчики включаются в мостовую схему и предназначены для непрерывного визуального контроля усилия, а также для выдачи управляющего сигнала в систему автоматического управления производственным процессом.

Рисунок 2.6 - Магнитоупругий датчик сжимающих усилий трансформаторного типа

На рисунку 2.6 приведена конструкция МД сжимающих усилий трансформаторного типа, разработанного Гипронисэлектрошахт (Донецк). Чувствительный элемент 1 датчика выполнен в виде пакета пластин из электротехнической стали ЭЗЗО, стянутых болтами 5. Через четыре диагонально расположенных отверстия намотаны две независимые обмогки: возбуждения 3 по одной диагонали пакета и измерительная 4 — по другой. При сборке пакета пластины, штампованные вдоль проката, чередуют с пластинами, штампованными поперек проката. Это обеспечивает изотропность в магнитном отношении материала чувствительного элемента в направлениях, параллельном и перпендикулярном сжатию.

Усилие прикладывается к выступу чувствительного элемента, находящемуся над отверстиями. Эти отверстия вызывают концентрацию напряжений, поэтому для предупреждения пластических деформаций среднее значение механического напряжения в чувствительном элементе не должно превышать (5-7) 10⁷ н/м², чему соответствует удельная выходная мощность датчиков этого типа порядка (3-4) 10³ ва/м³.

Для обеспечения нелинейности преобразования, меньшей 1%, среднее значение напряжения необходимо снижать до 5 · 10⁶ н/м², что приводит к значительному увеличению габаритных размеров МД и уменьшению выходной мощности.

Выходная мощность, а также нелинейность и гистерезис характеристики преобразования датчика резко зависят от соотношения между его выходным сопротивлением и параметрами нагрузки.

Перемещением балансировочного магнитопровода 2 можно не только уменьшить начальное выходное напряжение МД, но и получить различные варианты характеристик преобразования.

При выборе оптимального режима питания гистерезис характеристики преобразования МД после тренировки может быть уменьшен до 2%. Температурная погрешность не превышает 1% на 10°С.

Датчики этого типа применены в устройстве для весового дозирования материала, загружаемого в скип на шахтном подъеме, разработанном Гипронисэлектрошахт. Измерительная обмотка МД соединена со схемой, обеспечивающей срабатывание исполнительного реле при достижении бункером-дозатором заданного веса и возврат реле в исходное состояние после разгрузки бункера.

Усилие срабатывания регулируется в пределах 25—250 кн.