Принцип дії магнітопружного ваговимірювального пристрою.

В якості первинного вимірювального перетворювача в пристрої використовується магнітопружний перетворювач, який використовує ефект зміни магнітного опору феромагнітного осердя під впливом вимірюваної ваги. Принцип його дії ґрунтується на явищі зміни магнітної проникності μ феромагнітного осердя в залежності від виникаючого в ньому механічного напруження під дією механічної розтягуючої або стискаючої сили P_x.

Конструктивно магнітопружний перетворювач виконують в вигляді осердя тієї чи іншої форми із суцільного феромагнітного матеріалу, або у вигляді набору із тонких ізольованих пластин (шихтовані датчики). Загальний вигляд перетворювача показаний на рис.3. Осердя,що деформується, виготовляють із двома подовжніми отворами, в які розміщують котушку індуктивності L_x (такі перетворювачі називаються дросельними, рис.3). Індуктивність L_x котушки з феромагнітним осердям визначається за формулою: W²

L_x = ¾¾

Zμ, де W – кількість витків котушки;

Zμ – магнітний опір магнітопроводу, який в свою чергу дорівнює: ________ ¾¾ ¾¾

Zμ =ÖR_м² + X_м ²,

L

де R_м = ¾¾ – так названий активний магнітний опір магнітопроводу;

μμ₀S

L, S – довжина та площа поперечного перерізу робочої (де знаходиться котушка) частини осердя; μ, μ₀ – магнітна проникність матеріалу осердя та повітря; X_м – реактивний опір котушки.

Таким чином, зміна магнітної проникності μ =f(P_x) під дією механічної сили P_x приводить до зміни магнітного опору осердя R_м і відповідним чином до зміни повного опору Z(x) котушки індуктивності.

Графік залежності відносної магнітної проникності Δμ/μ від засилля Р_х має вигляд, приведений на рис 5.

Рис.3 Дросельний та рис. 4. пресдукторний магнітопружні перетворювачі.

 

Живлення перетворювачів здійснюють, як правило, напругою змінного струму частотою в межах 1÷2 кГц.

Використовуються дві схеми ввімкнення магнітопружних перетворювачів: трансформаторна та дросельна. При трансформаторній схемі ввімкнення (рис.4,а), на феромагнітному осерді розміщуються дві обмотки, одна із яких є обмоткою живлення, а друга -

шихтованими. Вони забезпечують перетворення вхідної фізичної величини (механічного або акустичного тиску, вібрацій) у вихідний сигнал завдяки зміні магнітної

проникності феромагнітного матеріалу осердя 2,

Рис.5 виготовленого із нікелю чи сплавів нікелю та заліза,

зумовленої дією механічної сили Q.

Осердя 2 прямокутної форми має чотири симетрично розміщені отвори, в яких намотані обмотки 1 та 3. Площини обмоток взаємно перпендикулярні. До обмотки 1 підводиться стабільна напруга змінного струму. За повної симетрії осердя з обмотками та ізотропності (із-за відсутності зусилля Q) матеріалу осердя, індуктивного зв’язку між обмотками не має, так як магнітний потік обмотки 1 не перетинає обмотку 3 (рис.4,б), тому вихідна напруга на її виході дорівнює нулю. Якщо на осердя 2 діє зусилля Q, то порушується ізотропність його матеріалу. Останній він стає анізотропним, тобто, під дією пружних напружень змінюються магнітні властивості матеріалу осердя. Це приводить до зміни напруженості магнітного потоку обмотки 1 і частина цього потоку перетинає вихідну обмотку 3 (рис. 4,в), в якій наводиться напруга, яка пропорційна зусиллю, що діє на осердя.

При дросельній схемі ввімкнення індуктивність L_x магнітопружного перетворювача та опір R_н навантаження з’єднуються із джерелом живлення послідовно, а величину R_н вибирають із урахуванням такого струму в утвореному ланцюгу, який не допускає насиченості осердя. Падіння напруги на опорі R_н і є корисним сигналом.

Точність вимірювання за допомогою магнітопружних перетворювачів (МПП) обмежується похибками: пружного магнітного гістерезису, зміною температури матеріалу перетворювача та похибкою нелінійності.

Найбільш суттєвою є похибка від магнітного гістерезису, яку практично повністю усувають зусиллям початкового навантаження на МПП та диференціальною схемою їх ввімкнення у схему вимірювання зусилля (рис.6).