Расчет и проектирование технических средств автоматизации.

Расчет индуктивных преобразователей

 

 

Методические указания

 

Санкт-Петербург

 

УДК 681.3

 

Сягаев Н.А., Новичков Ю.А. Расчет и проектирование технических средств автоматизации. Расчет индуктивных преобразователей.: метод. указания.-СПб.: СпбГТИ(ТУ),- 2007.- 24 с.

 

В методических указаниях приведена методика для расчета однотактных, двухтактных и плунжерных индуктивных преобразователей, а также содержатся необходимые сведения для изучения принципа действия и конструктивных особенностей преобразователей.

Методические указания предназначены для выполнения курсового проекта студентами четвертого курса по специальности 21.03 «Автоматизация химико-технологических процессов» и соответствует рабочей программе дисциплины «Специализированнные средства и системы автоматизации».

Ил. 6, табл.3, библиогр. 3 назв.

 

 

Рецензент: Р.И.Белова, канд.техн.наук, доцент

кафедры САПР и У СПбГТИ (ТУ)

 

Утверждены на заседании учебно-методической комиссией факультета информатики и управления 29.10. 2007 г.

 

 

Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ).

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Методические указания “Расчет индуктивных преобразователей” предназначены для расчета и проектирования нестандартных индуктивных первичных измерительных преобразователей механических перемещений, которые могут использоваться для синтеза систем измерения или регулирования технологических параметров.

Расчетная работа оформляется в виде пояснительной записки. К расчетам прилагаются схемы (рисунки), таблицы и необходимые текстовые пояснения, включая расчетные формулы.

Индивидуальные задания даны в Приложении Б.

 

Индуктивные преобразователи

Индуктивные преобразователи представляют собой электромеха-нические преобразователи аналогового типа и используются для преобразования входных механических величин в электрический сигнал. Действие преобразователей основано на изменении индуктивного или взаимоиндуктивного сопротивления датчика от перемещения. Аналоговые индуктивные преобразователи применяются для измерения технологических параметров, изменение которых может быть приведено к механическому перемещению, для измерения линейных или угловых перемещений подвижных органов исполнительных механизмов в устройствах программного управления, робототехнике, как устройства обратной связи в САР.

Методика проектирования и расчета преобразователя в общем случае включает: выбор типа преобразователя, выбор измерительной схемы, выбор формы, размеров и материала магнитопровода, расчет обмоток и напряжения питания схемы, построение градуировочной характеристики, определение чувствительности датчика, определение электромагнитного усилия, действующего на подвижную часть преобразователя.

Выбор типа преобразователя производится в зависимости от величины перемещения. Для перемещений (0.001- 0.1)мм применяют датчики с переменным зазором, имеющие практически линейную характеристику. Когда перемещение составляет несколько десятков миллиметров, например, в приборах для измерения перепада давления, расходомерах (ротаметрах), уровнемерах с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой используют преобразователи плунжерного типа. Если измеряемый параметр удобнее преобразовать в угол поворота, применяют преобразователь с поворотным якорем.

Индуктивные преобразователи могут работать с различными измерительными схемами. Самой простой является схема, включающая катушку преобразователя, нагрузку (измерительный прибор, последующий каскад системы регулирования) и источник питания. Но в этой схеме существует ток холостого хода; изменение напряжения питания и частоты, изменение температуры окружающей среды вносят погрешности в измерение.

В дифференциальных схемах ток холостого хода равен нулю и отмеченные выше погрешности значительно меньше; усилие, действующее на якорь, также меньше. Протяженность линейного участка градуировочной характеристики больше; кроме того, схема реагирует на знак изменения параметра. Трансформаторные схемы применяют, когда необходимо развязать напряжение питания и напряжение на нагрузке, когда напряжение на нагрузке должно быть больше или меньше, чем напряжение питания, когда необходимо согласовать сопротивление нагрузки с сопротивлением цепи, элементом которой является преобразователь. Плунжерные преобразователи обычно работают с мостовыми и дифференциально-трасформаторными измерительными схемами.

При выборе конструкции преобразователя исходят из технических требований проектного задания и разработанных прототипов. При отсутствии подходящего стандартного преобразователя делают предварительный расчет, в котором приближенно выбирают основные параметры и характеристики преобразователя. В поверочном расчете определяют правильность принятых в предварительном расчете данных. При несоответствии полученных результатов с заданными и оптимальными проводят новый вариант расчета с измененными параметрами.

Параметры, по которым определяется эффективность преобразователя, зависят от конкретных технических требований. Например, если на выходе преобразователя мощность должна быть больше, чем на входе, то эффективность оценивается как коэффициент усиления по мощности. В случае, когда преобразователь предназначен для измерения малых сил или давлений и якорь преобразователя выполнен в виде мембраны и закреплен слабой пружиной, эффективность преобразователя выбирается из условий получения малой силы притяжения. Эффективность может оцениваться коэффициентом чувствительности.

Выбор материала сердечника определяется мощностью преобразователя. Для маломощных (до 1 Вт) преобразователей применяют железно-никелевые сплавы (пермаллой), для более мощных преобразователей - электротехнические сплавы. Повышение индукции в магнитопроводе ограничивается индукцией насыщения В_нас выбранного материала. Допустимое значение В = (0,5-0,9) В_нас.

Расчет обмоточных данных сводится к определению диаметра провода, числа витков, сопротивления обмотки и проверке катушки на нагрев.

Градуировочные характеристики представляют зависимость индуктивности преобразователя L или Э.Д.С. во вторичных обмотках катушки преобразователя от хода подвижной части преобразователя и зависимость тока нагрузки от перемещения. Крутизна характеристики определяет чувствительность преобразователя.

Усилие F, действующее на подвижную часть преобразователя зависит от магнитного потока и магнитодвижущей силы (м.д.с.) катушки.

Для обеспечения устойчивой работы преобразователя величина F должна быть на порядок меньше усилия, вызывающего перемещение подвижной части преобразователя.

 

2 Расчет однотактного индуктивного преобразователя

 

Расчет обмоточных данных

Схема однотактного индуктивного преобразователя приведена на рисунке 1.

 

 

 

1-сердечник преобразователя, 2- якорь преобразователя

 

Рисунок 1 – Схема однотактного индуктивного преобразователя

 

 

При неизвестном напряжении питания число витков W катушки преобразователя может быть определено из формулы:

 

,

 

где R_м-магнитное сопротивление преобразователя в Ом,

L_х -индуктивность в Гн.

R_м -зависит от магнитного сопротивления стали R_ст магнитопровода и магнитного сопротивления Rd двух воздушных зазоров d, т.е.

Rм= Rст+ Rd.

Магнитное сопротивление стали является суммой сопротивлений сердечника Rcер и якоря Rя, т.е.

.

Индуктивность преобразователя ориентировочно определяется по формуле:

,

где w - круговая частота тока, w=2pf, f-частота тока;

Z_o -полное сопротивление обмотки при среднем рабочем значении

воздушного зазора d.

 

С целью максимальной передачи мощности от преобразователя в нагрузку можно принять Z_o =Z_н =R_н, где Z_н - полное сопротивление нагрузки. В предлагаемом варианте задания нагрузка обладает чисто активным сопротивлением R_н. Следовательно, величина L_х может быть найдена из выражения:

.

Если пренебречь магнитным сопротивлением стали вследствие того, что Rст << Rd, то магнитное сопротивление преобразователя находится как:

 

,

 

где S_сер - площадь сечения сердечника магнитопровода, S_сер= ab - в м²; δ -в м.

 

Для получения линейности преобразователя величина зазора d выбирается

из условия:

d ³ (5-:-7) Ddмакс,

 

где Ddмакс - максимальное перемещение якоря преобразователя.

 

Сечение провода q обмотки находится как:

,

 

где Q -площадь окна намотки в м², Q = c h;

f_o - коэффициент заполнения окна обмоткой, f_o =(0.3-:-0.6).

 

По полученному значению q находится значение диаметра провода d, которое округляется до ближайшего стандартного значения. Активное сопротивление обмотки подсчитывается:

 

,

 

где q_ф –фактическое сечение провода,

r -удельное сопротивление материала провода (для меди r= 1,75*10^-8 Ом м),

l_ср - средняя длина витка обмотки данного преобразователя.

l_ср = 2 (a+ b +2h).

Расчет напряжения питания

 

Напряжение питания должно обеспечить заданную индукцию В в сердечнике. При известной индукции необходимое напряжение находится по формуле:

U = k w Sсер B W,

где k -коэффициент формы (k =1.11);

w -угловая частота переменного тока, w =2 p f;

B - в Тл, S_cер - в м².

 

Если величина индукции В не задана, то ее значение выбирается равной В = (0.5-:-0.8) В_нас.