Osiewicz Edward Kl.VTk1

Praca pisemna z Podstaw automatyki

Temat: Realizacja przetwornika

magnetycznego

i indukcyjnego.

Wojsławice 16.02.97

Przetworniki indukcyjnościowe

Na rys.1 przedstawiłem mechaniczny schemat indukcyjnościowego przetwornika różnicowego (a), układ mostkowy (b) oraz przebieg sygnału (c).

a)

b)

c)

Wartość impedancji każdego z uzwojeń Z1, Z2 można określić przybliżonym wzorem:

(1)

gdzie R oznacza rezystancję, n - liczbę zwojów, Zμ - impedancję magnetyczną rdzenia

ferromagnetycznego, d, A - długość i pole szczeliny powietrznej. Przy założeniu, że

R<<jωL oraz , można moduł impedancji w funkcji długości szczeliny d

przedstawić jako hiperbolę . Napięcie wyjściowe mostka Uy (rys. 1c), przy

założeniu, że dla stanu równowagi przy symetrycznym położeniu zwory Z1=Z2 i Z3=Z4

oraz, że po przesunięciu zwory o x jest oraz

(2)

Przebiegi te oraz fazę ϕ napięcia wyjściowego w stosunku do napięcia zasilającego Uz

przedstawia rys.1c.

Mechaniczną postać przetworników różnicowych dostosowuje się do różnorodnych

potrzeb praktycznych. Wymagana zwykle liniowa zależność między wielkością wyjściową

a wejściową (Uy=cx) może być spełniona tylko w pewnych granicach, np. dla układu

z rys.1 dla x≈0,3d.

Błędy przetwarzania wynikają ze zmian napięcia i częstotliwości zasilania oraz zmian

temperatury otoczenia. Ograniczeniem przenoszonej częstotliwości jest przede wszystkim

częstotliwość nośna. Przy wysokich częstotliwościach (wyjątkowo stosuje się do 100kHz)

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.

Praktycznie realizowane najniższe zakresy pomiarowe wynoszą 50μm, normalną

górną granicę można określić na około 500 mm, chociaż znane są konstrukcje pozwalające

na pomiary nawet do 2000 mm.

Przetworniki magnetyczne

Przerworniki magnetyczne - nazwa ta obejmuje obszerną grupę przetworników,

charakteryzujących się oddziaływaniem mechanicznej wielkości na sprzężenie między

strumieniem magnetycznym a obwodem elektrycznym. Wyróżnić tu można przetworniki

bierne i czynne. Przetworniki bierne mogą działać na zasadzie zmiany geometrii obwodu

magnetycznego, elektrycznego lub ich wzajemnego położenia. Bezpośrednią wielkością

wejściową jest w takim przypadku przemieszczenie (położenie, wymiar, kąt), które

wpływa na indukcyjność własną L (przetworniki indukcyjnościowe) lub wzajemną M

(przetworniki transformatorowe).

Do pomiaru siły bez pośrednictwa przesunięcia, jako istotnego etapu przetwarzania,

wykorzystuje się zjawisko magnetoelastyczności. Polega ono na wykorzystaniu powstającej pod działaniem naprężenia anizotropii przenikalności magnetycznej lub zjawiska Wiedemana.

Wskutek działania naprężenia ściskającego w namagnesowanym ferromagnetyku wektory magnetyzacji poszczególnych domen dążą do przyjęcia kierunku możliwie zbliżonego do kąta prostego do kierunku naprężenia. Przy naprężeniu rozciągającym zachodzi zjawisko odwrotne. Wyjaśnienie zjawiska:

Gdy na ferromagnetyk działa pole H to pod wpływem naprężenia σ skierowanego pod kątem θ0 wektor magnetyzacji Is odchyli się o kąt θ od kierunku H.

Rys.2. Wykres wektorów w ferromagnetyku σ - naprężenie, H - pole magnetyzacji

Is - magnetyzacja

Wymaga to wykonania pewnej pracy Eσ kosztem naprężenia orasz pracy EM zewnętrznego pola magnetycznego. Przedstawiają je wzory:

(3)

gdzie λs oznacza wartość magnetostrykcji wyrażoną jako względne wydłużenie przy magnetyzacji nasycenia. Całkowita energia układu wynosi E = Eσ + EM. Warunek minimum energii E można uzyskać przyrównując pochodną do zera. Po wykonaniu działania przy założeniu, że θ<<θ0, tj. że sin(θ0-θ)≈sinθ0 warunkiem E = min jest, aby

(4)

Wynikają stąd następujące wnioski. Kąt θ odchylenia między Is a H jest proporcjonalny do σ : najkorzystniejszy kąt między kierunkiem naprężenia a pola magnetycznego θ0 =45,

wartość λs powinna być duża, natomiast iloczyn IsH - mała. Ten ostatni warunek osiąga się przy największej przenikalności materiału, tj. w zakresie odpowiednio małego natężenia

pola magnetycznego.

Rys.3. Schematy magnetoelastycznych przetworników skrętnych: a) przetwornik rurowy,b)przetwornik prętowy, c) schemat wektorów: σ, H, I, 1- uzwojenie wzbudzające, 2 - uzwojenie wtórne.

a)

b)

c)

Przetwornikom momentu skręcającego nadaje się postać rury lub pręta, jak to pokazałem na rys.3 a i b. Napięcie wyjściowe dla dwu różnych momentów skręcających

w funkcji prądu wzbudzającego przedstawia rys.4.

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 magnetoelastyczna i tarcie.

Rurowe przetworniki momentu skręcającego wykorzystano również do pomiaru małych

i średnich sił w zakresie około 1 kG do 500 kG przez umieszczenie ich w odpowiedniej obudowie, przekształcającej siłę F na moment M.

Rys.5. Magnetoelastyczny przetwornik blokowy do pomiaru dużych sił: a) schemat uzwojeń, b) przebieg linii strumienia magnetycznego w stanie bez naprężenia, c) to samo w stanie z naprężeniem

a)

b)

c)

Do pomiaru dużych sił stosuje się bloki składane z blach żelazokrzemowych z dwoma

uzwojeniami (zasilanym i wyjściowym) umieszczonymi symetrycznie pod kątem 45

w stosunku do kierunku siły rys.4a. Pod działaniem naprężenia powstaje asymetria magnetyczna, powodująca sprzężenie między obu uzwojeniami rys.4 b i c, wskutek czego w uzwojeniu wyjściowym indukuje się napięcie proporcjonalne do siły. Rzeczywisty przebieg zależności Uwy = f(F) przedstawia rys.6.

Początkowe zakłócenia liniowej zależności spowodowane są nieuniknionymi asymetriami mechanicznymi i elektrycznymi. Dla uzyskania podzielni zaczynającej się od zera stosuje się nacisk wstępny siłą F0 oraz wprowadza napięcie kompensujące U0.

LITERATURA:

1. „Mikroelektronika” Łożańskiego.

2. „Automatyka” Jastrzębskiej.

3. „Encyklopedia automatyki”.

4. „Układy sterowania” Kaczorka.

---