книги / Электромеханические аппараты автоматики
..pdfРис. 5.36. Действие внешнего магнит ного поля на траектории движения электронов между коаксиальными анодом и катодом
Феррозонды с |
четными гармониками более |
чувствительны |
к слабым полям, |
чем феррозонды с L = var. |
|
Для разных частот подводимых напряжений UY петли |
||
гистерезиса В (Н) |
будут различными вследствие |
влияния вих |
ревых токов и гистерезиса. Поэтому чем больше частота питающего напряжения t/l5 тем меньше расчетное значение магнитной индукции.
5.9.4. Магнетроны
Магнетроны представляют собой электронные лампы с управлением внешним магнитным полем. Внешнее магнитное поле изменяет траектории движения электронов между катодом и анодом и затрудняет их попадание на анод (рис. 5.36). Траектории движения электронов изменяются так же, как
ив диске Корбино. При определенной напряженности Нх вне шнего магнитного поля электроны вообще не попадают на анод. Применяемые электронные лампы могут быть диодами
итриодами. В триодах с помощью сеточного напряжения
можно предварительно устанавливать начальный ток анода. В качестве магнитометров могут быть использованы элект ронные умножители и электронно-лучевые приборы (смещение светового пятна трубки под действием внешнего магнитного поля).
5.9.5. Магнитомодуляционные и магнитоэлектрические датчики с подвижными элементами
Подвижным элементом магнитомодуляционных и магнито электрических датчиков может быть магнитометр (рис. 5.37), постоянный магнит (рис. 5.38) или ферромагнитный якорь (рис. 5.39). Чувствительность датчиков с магнитометром
№ дН
~дН дх'
где 8U/dH=SM— чувствительность магнитометра; дН/дх— градиент напряженности измеряемого магнитного поля
241
Рис. 5.37. Магнитомодуляционные датчики с подвижным магнитометром: 1—подвижный магнитометр; 2— постоянный магнит; 3 —полюсные наконечники из магнитомягкого материала; а—с переменной длиной воздушного зазора; б—с переменной площадью воздушного зазора; в—дифференциальный
Рис. 5.38. Магнитоэлектрические датчики и их характеристики при линейном
(а) и угловом (б) перемещении постоянного магнита
в направлении перемещения х 9 зависящий от конструкции датчика; U— выходное напряжение датчика.
Для наибольшей величины дН/дх целесообразно использо вать в качестве магнитометров элементы Холла, магниторе зисторы малой толщины и феррозонды.
Конструкции датчиков с подвижным постоянным магнитом, так называемые проходные, используются для индикации момента прохождения контролируемого объекта (вагонетки,
лифта, |
поплавка |
и т. д.) около заданной точки. |
У |
датчика на |
рис. 5.38, а в зависимости от направления |
движения магнита характеристика U2(x) меняет знак и форму. Датчик на рис. 5.38,6 предназначен для индикации угловых
242
Рис. 5.39. Магнитоэлектрические датчики с подвижным ферромагнитным яко рем и дифференциальной магнитной системой:
1— подвижный якорь или контролируемая деталь
перемещений. Некоторые варианты конструкции датчиков с по движным ферромагнитным якорем и дифференциальной маг нитной системой изображены на рис. 5.39. При перемещении якоря происходит перераспределение магнитных потоков маг
нитной системы |
и изменяется выходное напряжение |
С/2. |
В конструкции на |
рис. 5.39, а якорь 1 жестко связан с |
конт |
ролируемым объектом. В конструкции на рис. 5.39,6 в качестве якоря используется сама контролируемая ферромагнитная де таль 1. Точность магнитомодуляционных и магнитоэлектричес ких датчиков определяется стабильностью свойств постоянного магнита и точностью магнитометра. Постоянные магниты вносят температурную погрешность (0,01—0,05)%. Магнито метры обладают несколько большими погрешностями, что и определяет точность датчика.
5.9.6. Магнитомодуляционные датчики компенсационного типа
Такие датчики содержат дополнительный электромагнит, поле которого компенсирует в магнитометре основное поле постоянного магнита — якоря, механически связанного с кон тролируемым объектом (рис. 5.40). Магнитометр 1 выполняет роль нуль-индикатора. Электромагнит 2 питается напряжением, которое снимается с магнитометра и предварительно усилива ется. При большом коэффициенте усиления и высокой чувст вительности магнитометра результирующий магнитный поток в нем проходит через нуль. В месте установки магнитометра
где Нэт— напряженность поля электромагнита; Я — напряжен ность поля, создаваемого постоянным магнитом в месте установки магнитометра.
Рис. 5.40. Магнитомодуляционные датчики компенсационного типа:
а - датчик поступательного движения; б—датчик угла; / —подвижный магнитометр; 2—дополнительный электромагнит
С изменением х изменяется Я, а это вызывает изменение напряжения на выходе магнитометра и тока в цепи электромаг нита. Поэтому ток I пропорционален перемещению х или углу а поворота якоря.
В датчиках компенсационного типа необходимы высокая чув ствительность и стабильность нулевой точки магнитометра. При 5 = 0 должно выдерживаться и аых= 0. Эти требования обес печиваются при использовании в качестве магнитометров элемен тов Холла, магниторезисторов и феррозондов. Стабильность характеристик датчиков этого типа составляет 0,05—0,2%.
5.10. ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ
В емкостных датчиках изменение входной величины преоб разуется в изменение емкости конденсатора. Для плоского конденсатора (рис. 5.41,а)
С =е0ег5п/5, |
(5.42) |
где гг— относительная диэлектрическая проницаемость матери ала диэлектрика; е0 = 8,85 • 10~'2 Ф/м— электрическая постоян ная; — площадь, перекрываемая обкладками конденсатора; 8 — расстояние между обкладками конденсатора.
244
— HIIIH ~ 1 L
W’
e) ж)
Рис. 5.41. Емкостные датчики:
а—с 8=var; б—дифференциальный с 8=var; в—одинарный с Sn=var; г —дифференци
альный с |
5„ =var; |
д —с er=var; е —емкостный уровнемер; ж —с er=var за |
счет |
||
деформации диэлектрика |
|
|
|
||
Из |
(5.42) |
следует, |
что |
С изменяется при изменении 8, |
|
S„ и |
ег. Изменение |
ег |
может быть достигнуто за |
счет |
|
деформации диэлектрика или замены одного диэлектрика другим. Основные разновидности емкостных датчиков показаны
на рис. 5.41. Чувствительность |
датчика |
|
Sn = 8C /8b= |
-e0srS J 8 2. |
(5.43) |
Для спрямления характеристики С(х) применяются диф ференциальные датчики (рис. 5.41,6, г). Датчики с Sn = var обеспечивают линейную характеристику при больших переме щениях (десятые доли метра). Перемещение диэлектрика между обкладками обеспечивает линейное изменение С в еще больших пределах (м).
В воздушных конденсаторах минимальное расстояние между обкладками определяется из условия сохранения электрической прочности воздушного промежутка (допустимый градиент
потенциала |
10 кВ/мм). |
В ряде конструкций функции одной |
из обкладок |
выполняет |
часть контролируемой детали или |
узла (мембрана, кулачок и т. д.). Емкостный датчик «геликсин» [80] выполнен аналогично винтовому индуктивному датчику. На длинный цилиндрический стержень навиты три обкладки в виде трехзаходной резьбы из фольговой ленты. Стержень вращается внутри втулки, на внутренней поверхности которой
намотаны |
обкладки |
в виде четырехзаходной резьбы из |
такой же |
ленты. На |
обкладки втулки подаются напряжения, |
отличающиеся друг от друга по фазе и амплитуде, с обкладок стержня снимается выходной сигнал. Датчик применяется в системах цифрового управления металлорежущими станками. При шаге спиралей в 2,6 мм погрешность не превышает ±2,5 мкм.
При расчете емкостных датчиков необходимо определять усилие Рэ притяжения между обкладками конденсатора, име ющими заряды разной полярности:
CU2 iPdC
(5.44)
2 dx'
Пример 5.2. Определить чувствительность и усилие притяжения между обкладками емкостного датчика перемещения; датчик выполнен в виде плоского воздушного конденсатора, диаметр каждой обкладки D — 2 10" 2 м;
расстояние между обкладками изменяется в пределах 5 = ( 5 ± 1 ) 1 0 _4 м; напряжение, приложенное к конденсатору, С/=220 В.
Емкость датчика по (5.42)
Сх= е0ег — = 8,85 - 10~1 2 1• |
- (2 ‘- - * -= (6 ,9 5 -4 ,6 3 ) • КГ 12 Ф. |
48 |
4 (5 ± !)• 10~ 4 |
Чувствительность датчика по |
(5.43) |
(6,95-4,63) 10- 12
= (1,96-0,77) - К Г 8 Ф/м.
(5± 1) -10"4
Из (5.44) с учетом (5.43) определяется усилие притяжения между об кладками:
U2 (220)2 -(1.96—0,77) -10 8
-= (4 ,7 3 - 1 ,8 6 ) - 10- 4 Н.
Р ’ ~ Т 5л |
2 |
5.10.1. Датчики с изменяющейся диэлектрической проницаемостью и биморфные элементы
Для большинства диэлектриков относительная диэлектричес кая проницаемость ег зависит от температуры
егл = е0ег(1+аЕДГ), |
(5-45) |
где аЕ— температурный коэффициент изменения диэлектри ческой проницаемости; егх— диэлектрическая проницаемость при данной температуре Тх; ег— относительная диэлектрическая проницаемость при начальной стандартизованной температуре
т0;
|
АТ= Тх—Т0. |
|
Для диэлектриков |
из керамики |
е,е0 = (5-н20) • 10“ 12 Ф/м; |
а=1 10-4 1/°С. Для |
диэлектриков из |
титановых соединений |
246
Рис. 5.42. Зависимость — -(Г):
ег
1— для тиконда Б; 2 — для тиконда А; 5 — для
тидола
Рис. 5.43. Мостовая схема включения ем |
|
|
|
|
|
|
костных датчиков (а) и характеристики |
|
|
|
|
|
|
датчиков с диэлектриком из вариконда |
|
|
|
|
|
|
(б); Qx— заряд нелинейного конденсато- |
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 Т,°С |
|
еге0 = (15-н90) • 10—12 Ф/м; а = (15-н 10) • 10-4 1/°С. Такие датчики удобно использовать для измерения температуры Т при —100° С <7^100° С. На рис. 5.42 приведены температурные зависимости Аег/ег для некоторых диэлектрических материалов. С изменением диэлектрической проницаемости на Аег изменя ется емкость датчика на АС. При этом относительное измене ние емкости
АС/С= (егх- г, е0 )/(еге0).
Датчики включаются в мостовые, дифференциальные или резонансные измерительные схемы (рис. 5.43), которые пита ются переменным напряжением высокой частоты (от нескольких килогерц до десятков мегагерц). В ряде датчиков используются нелинейные конденсаторы (варисторы). Материал диэлектрика нелинейных конденсаторов должен обладать явно выраженной зависимостью гг(Е) и высоким значением предельной рабочей температуры при erxmax. Такими свойствами обладают сегнетова соль, титанат бария, титанат стронция, а также вариконд,
представляющий |
собой |
химическое |
соединение |
ВаТЮ3 — |
|
BaSn03 — (SnO). |
|
конденсаторе |
I=a>Cx Ux, |
где Сх, |
|
, Ток в |
нелинейном |
||||
Ux— емкость |
и |
напряжение нелинейного конденсатора. |
|||
В конденсаторе при переменном напряжении возникают потери мощности из-за наличия токов утечки и диэлектрического
гистерезисе, который выражается в неоднозначности зависимо* сти электрической поляризации от электрического поля [82].
При воздействии электрического поля геометрические раз меры некоторых диэлектриков изменяются (явление электро* стрикции). Если поле действует, например, по оси л:, то изменения линейных размеров под его воздействием составят
Ах = ^ - А Е Х\ |
Ау= -^-АЕх ; |
A z = - ^ A E X. |
дЕх х |
' дЕх |
дЕх |
Две жестко соединенные пластины из диэлектриков с раз* личными коэффициентами электрострикции аэ = д1/дЕх позволя ют получить так называемый биморфный элемент. Биморфный элемент под действием электрического поля изгибается в сто рону пластины с меньшим значением а э. На боковые повер хности элемента наклеиваются тонкие металлические пластины, к которым припаиваются электроды. При подведении к элек тродам напряжения размеры каждого диэлектрика изменяются на А1=(д1/дЕх)А х . При этом металлические пластины будут изгибаться вместе с диэлектриком.
Погрешности емкостных датчиков вызываются влиянием температуры на их геометрические размеры и значение ег. Эти погрешности минимизируются выбором конструкции и схе мы датчика.
Емкостные датчики применяются для преобразования в электрический параметр быстро меняющихся механических величин (давления, вибраций, ускорения), для измерения уровня жидкости, усилий и г. д.
5.11. П Ь Е З О Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е Д А Т Ч И К И
Принцип работы этих датчиков основан на преобразовании механических деформаций некоторых кристаллов в изменение электростатических зарядов на их гранях. Это явление об ратимо— при приложении электрического напряжения к граням кристалла он деформируется. Пьезоэлектрический датчик содер жит одну или несколько пластин, вырезанных определенным образом (рис. 5.44) из кристалла кварца, сегнетовой соли, сернокислого лития, виннокислого этилендиомина, виннокис лого калия, фосфорнокислого аммония, поляризованной ке рамики из титаната бария и т. д. Пьезодатчики могут быть с пластинами, в которых векторы напряженности электричес кого поля и механического напряжения совпадают по направ лению (рис. 5.45), с продольной деформацией пластин (рис. 5.46, а) и биморфными, т. е. *с двумя склеенными и определен
ным |
образом |
ориентированными пластинами (рис. |
5.46, б). |
Для |
первого |
случая рекомендуются пластины из |
кварца, |
24S
Рис. 5.44. Размеры и ориентация вырезаемой пластины 1 пьезодат
чика относительно осей кристалла (ср — угловая координата)
Рис. 5.45. Пьезоэлектрические дат чики с одной пластиной (д), с па раллельно включенными пластина ми (б)
б)
сернокислого лития, сегнетовой соли и поляризованной по толщине керамики из титаната бария. Во втором случае применяются срезы сегнетовой соли, фосфорнокислого аммония и поляризованная по толщине керамика титаната бария. В обоих случаях пластины должны быть ориентированы по отношению к электродам так, чтобы приложенное электричес кое напряжение вызывало во всех пластинах деформацию одного знака.
Биморфные датчики в зависимости от вида среза реагируют на изгиб либо кручение. Пластины склеиваются так, что при приложении электрического напряжения одна из них удлиня ется, а другая укорачивается. Для биморфных датчиков рекомендуются срезы сегнетовой соли, фосфорнокислого ам мония и поляризованная по толщине керамика из титаната бария.
13 Зак;*з 2046
Рис. 5.46. Пьезоэлектрические датчики с продольной (а) и биморфной (б)
деформацией пластин
Пьезоэлектрические датчики целесообразно применять дЛя преобразования переменных нагрузок. Они применяются в ка честве генераторов и приемников звуковых колебаний.
5.12. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Термоэлектрические датчики, состоящие из двух соеди ненных между собой разнородных электропроводящих эле ментов, называют термопарами. Действие термопары основа но на эффекте Зеебека. Если контакты (спаи) проводящих элементов, образующих термопару, находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает термо-ЭДС, которая определяется разницей температур горячего и холод ного контактов. Термопара состоит из определенной пары материалов в виде проволок, полос, стержней, одни концы которых спаяны или сварены, а другие включаются во внешнюю цепь.
В качестве материалов термопар применяются платина, иридий, родий, золото и их сплавы, а также сталь, медь, никель, нихром, константан, хромель, алюмель, копель и др. Относительно редко применяются полупроводники: уголь, кремний, теллур и т. д. Полупроводниковые термопары имеют
большую |
термо-ЭДС, но большее внутреннее сопротивление |
и малую |
механическую прочность. |
Для изоляции в термопарах применяют резину (при тем пературах 60—80° С), шелк и эмаль (100— 120° С), стекло бусинками и асбест (500—700° С), трубки из фарфора, шамота, стеатита, магнезита (1000— 1200° С).
Для устранения газопроницаемости металла 'щитной ар матуры при высоких температурах ее покрывают эмалью. При высоких температурах иногда применяют неметаллическую арматуру из кварца, глазурованного фарфора.