Sprawozdanie nr1a z
Elementów Automatyki
Daniel Łysiak
kl.V Tk1
Chełm 1997
Realizacja przetwornika indukcyjnego i magnetycznego.
Do pomiaru przemieszczeń i innych wielkości nieelektrycznych dających się przetworzyć na przemieszczenie np. siły, prędkości, przyśpieszenia, drgań, stosuje się przetworniki indukcyjne, magnetyczne i pojemnościowe.
W przetworniku indukcyjnym, pod wpływem przemieszczenia się ruchomego rdzenia, zmienia się indukcyjność własna i wzajemna cewek. Ze względu na szereg zalet (np. samoczynna kompensacja wpływu zmiany temperatury i zmian częstotliwości) najbardziej są rozpowszechnione indukcyjne przetworniki różnicowe, w których przy przemieszczeniu rdzenia zmieniają się w sposób przeciwny (gdy jedna zwiększa się to druga maleje) dwie indukcyjności własne lub dwie indukcyjności wzajemne (przetworniki różnicowe transformatorowe). Z uwagi na konstrukcję obwodu magnetycznego można rozróżnić:
przetworniki z zamkniętym obwodem magnetycznym (nazywane też przetwornikami ze zworą), które mają obwód magnetyczny wykonany z materiału ferromagnetycznego i niewielką szczelinę powietrzną.
przetworniki z otwartym obwodem magnetycznym, które mają rdzeń przemieszczający się wewnątrz cewki, przy czym strumień magnetyczny zamyka się głównie przez powietrze, nadające się do pomiarów dużych pomieszczeń (powyżej 1mm, do 500mm, a nawet większych ).
Rys.1 Schemat indukcyjnościowego czujnika różnicowego ze zworą.
Przy symetrycznym położeniu zwory ( X=0), gdy szczeliny powietrzne &1 i &2 są jednakowe, strumienie magnetyczne również są jednakowe i jednakowe są indukcyjności oraz impedancje obu cewek. Gdy pojawi się np. Dodatnie przemieszczenie zwory (X>0), szczelina &1 zwiększa się, druga maleje. W związku z tym maleje strumień pierwszy oraz pierwsza indukcyjność i impedancja, zwiększają się odpowiednio druga indukcyjność, strumień i impedancja.
W praktyce do celów pomiarowych wykorzystuje się 0,6...0,8 długości szczeliny.
Przy większym przemieszczeniu charakterystyka czujnika jest bardzo nieliniowa. W rzeczywistości na skutek istnienia w napięciu wyjściowym wyższych harmonicznych, głównie trzeciej oraz składowej podstawowej przesuniętej w fazie o 90 stopni, spowodowanej nieuniknioną niesymetrią przetwornika, nie osiąga się idealnego zera, a zmiana fazy nie jest skokowa.
Zależność napięcia wyjściowego od parametrów elektrycznych przetwornika przedstawia następujący wzór:
W zakresie przemieszczeń rdzenia, w którym zachowana jest liniowa zależność M2-M1=cx , gdzie c oznacza stałą, liniowość funkcji U2 =f(x) zależna jest wyłącznie od mianownika prawej strony wzoru. Jak widać, główny wpływ ma opór obciążenia: dla R2→∞ ta zależność jest liniowa. W praktyce uzyskuje się nieliniowość nawet poniżej 0,1% zakresu pomiarowego.
Zasadą przetwarzania jest indukowanie SEM w obwodzie elektrycznym, który znajduje się w polu magnetycznym, wytwarzanym przez stałe źródło strumienia magnetycznego. Można wyróżnić dwa sposoby indukowania SEM w obwodzie, wykorzystywane do przetwarzania wielkości mechanicznych:
Element obwodu elektrycznego porusza się w polu magnetycznym o indukcji B z prędkością v, zatem powstaje w nim SEM. Taki układ nazywamy przetwornikiem elektrodynamicznym. Wielkością wejściową jest prędkość elementu obwodu elektrycznego.
Obwód elektryczny jest nieruchomy, a przemieszcza się źródło strumienia magnetycznego lub ferromagnetyczna kształtka, zmieniająca konduktancję obwodu magnetycznego. Powoduje to zmiany strumienia Φ sprzężonego z obwodem elektrycznym np. cewką.
Rys.2
Przykład zastosowania tego typu czujnika do pomiaru grubości taśmy metalowej przedstawia poniższy rysunek. Jest to prosty układ mostkowy, dla którego zależności podam poniżej.
Zaprezentowany układ mostkowy indukcyjnościowego przetwornika różnicowego, ma na celu ustalenie pewnych zasad rządzących w tej dziedzinie automatyki. Oto kilka wzorów odpowiedzialnych za taki stan rzeczy.
Na rys.3 przedstawiony jest schemat czujnika indukcyjnościowego transformatorowego z otwartym obwodem magnetycznym do pomiaru dużych przemieszczeń.
Czujnik ma uzwojenie pierwotne (magnesujące) -1 zasilane stabilizowanym prądem lub napięciem oraz dwa symetrycznie rozmieszczone uzwojenia wtórne 2i3. W przypadku położenia środkowego rdzenia (X=0) obydwa napięcia wtórne U1i U2 są jednakowe. Przy przesuwaniu rdzenia w kierunku dodatnich wartości X, napięci U2 wzrasta a jednocześnie napięcie U1 maleje. Przy przeciwnym kierunku przesuwania (X<0) zmiany napięć są przeciwne (U1 wzrasta, a U2 maleje). Obydwa napięcia wtórne mogą być w układzie pomiarowym wykorzystane osobno, jak jest w układzie mostkowym przedstawionym na rys.4.
Wówczas napięcie wyjściowe U przy położeniu środkowym rdzenia (X=0) jest praktycznie równe zero. Podczas przemieszczania się rdzenia napięcie Uy jest funkcją przemieszczania dodatnich (X>0), a fazę odwróconą o 180 stopni- przy przemieszczeniach ujemnych (X<0).
Rys.3
Czujnik indukcyjnościowy transformatorowy z otwartym obwodem magnetycznym. Schemat magneto elastycznych przetworników skrętnych.
Kąt θ odchylenia między Is a H jest proporcjonalny do σ: najkorzystniejszy kąt pomiędzy kierunkiem naprężenia a pola magnetycznego θo=45stopni; wartość λs powinna być duża, natomiast iloczynu IsH- mała. Ten ostatni warunek osiąga się przy największej przenikalności materiału, tj. W zakresie odpowiednio małego natężenia pola magnetycznego.
Schematyczny obraz przetwornika prętowego (ukazany w bardzo uproszczony sposób). Czujnik indukcyjnościowy transformatorowy w układzie pomiarowym :
1)-układ zasilający, przetwornica napięcia stałego na napięcie przemienne ;
2)-czujnik pomiarowy ;
3)-różnicowy układ wejściowy;
Rys.4a
Rys.4b
Rysunki 4a, oraz 4b to odpowiednio: przetwornik prętowy i schemat wektorów rozchodzących się w tym przetworniku. Zasadę tą stosuje się do pomiaru momentów skręcających i sił wielkości pochodnych. W stanie bez naprężenia nie ma sprężenia strumienia magnetycznego z uzwojeniem wtórnym. Moment skręcający wywołuje naprężenia ściskające i rozciągające działające pod kątem 45 st. W stosunku do osi rury lub pręta. Powoduje to skręcenie wektora magnetyzacji, sprzężenie składowej osiowej strumienia z cewką 2, w której indukuje się napięcie Uwy= kM gdzie k oznacza stałą, a M.- moment skręcający.
Napięcie wyjściowe dla dwu różnych momentów skręcających w funkcji prądu wzbudzającego przedstawia poniższy rysunek.
Rys.5
Jako obszar pracy wykorzystuje się łagodne maksimum (odcinek AB), dzięki czemu błąd wywołany zmianami napięcia zasilania jest mały,
Źródłem niedokładności są oprócz zmian napięcia zasilania zmiany częstości, temperatury, histereza magneto elastyczna i tarcie.
Rurowe przetworniki momentu skręcającego wykorzystano również do pomiaru małych i średnich sił w zakresie około 1 kG do 500kG przez umieszczenie ich w odpowiedniej obudowie, przekształcającej siłę F na moment. Zademonstruję to na rysunku, który przedstawia magneto elastyczny przetwornik blokowy do pomiaru dużych sił.
Rys.6
a)
Schemat uzwojeń.
b)
Przebieg linii strumienia magnetycznego w stanie bez naprężenia.
c)
Przebieg linii strumienia magnetycznego w stanie z naprężeniem.
Do pomiaru dużych sił stosuje się bloki składane z blach żelazo krzemowych z dwoma uzwojeniami (zasilającym i wyjściowym) umieszczonymi symetrycznie pod kątem 45 st. w stosunku do kierunku siły. Pod działaniem naprężenia powstaje asymetria magnetyczna, powodująca sprzężenie między obu uzwojeniami, wskutek czego w uzwojeniu wyjściowym indukuje się napięcie proporcjonalne do siły. Rzeczywisty przebieg zależności Uwy = f(F) przedstawiony jest na następnym rysunku. Początkowe zakłócenie liniowej zależności spowodowane są nieuniknionymi asymetriami mechanicznymi i elektrycznymi. Dla uzyskania podzielni zaczynającej się od zera stosuje się nacisk wstępny siłą Fo oraz wprowadza napięcie kompensujące Uo. Układ ten potrzebuje do wprowadzania Ukomp oraz do kompensacji zmian częstotliwości przez obciążenie wyjścia indukcyjnością wraz z filtrem eliminującym wyższe harmoniczne .
Rys.7
Charakterystyka magneto elastycznego przetwornika blokowego.
Układy pomiarowe zawierające przetworniki indukcyjnościowe przeznaczone do pomiarów statycznych można zasilać napięciem przemiennym o częstotliwości sieciowej 50Hz.
Podczas pomiarów dynamicznych za pomocą czujników zminiaturyzowanych (o częstotliwości granicznej 1...10kHz) częstotliwość napięcia zasilającego musi być do dziesięciu razy większa od największej spodziewanej częstotliwości zmian przesunięcia mierzonego.
Rys.8
σ
Wykres przedstawia wektory sił w ferromagnetyku.
Naprężenie δ skierowane pod kątem θo, wektor magnetyzacji Is odchyli się o kąt θ od kierunku H. Wymaga to wykonania pewnej pracy Eq kosztem naprężenia oraz pracy Em zewnętrznego pola magnetycznego.
Zależności owe przedstawiają poniższe wzory:
Błędy przetwarzania wynikają ze zmian napięcia i częstotliwości zasilania oraz zmian temperatury otoczenia. W dobrych warunkach klasę niedokładności przetwarzania można utrzymać w granicach od 1,5 do 2%. Zastosowanie metody zerowej, podobnej do tzw. transformatorowej, pozwala na polepszenie klasy do 1, a nawet 0,5.
Ograniczeniem przenoszonej częstotliwości jest przede wszystkim częstotliwość nośna. Przy wysokich częstotliwościach elementy ferromagnetyczne muszą być wykonane z materiału o małej stratności. Również rezonans mechaniczny przetwornika może w niektórych przypadkach stanowić czynnik ograniczający. Wtedy istotne jest zastosowanie dostatecznego tłumienia.