Электромагнитные проебразователи

Введение 4
1. Общие сведения и понятия 6
2. Типы электромагнитных преобразователей 6
2.1 Трансформаторные измерительные преобразователи 7
2.2 Индуктивные измерительные преобразователи 11
2.3 Индукционные преобразователи 13
2.4 Магнитоупругие преобразователи 17
3. Электромагнитные измерительные приборы 24
4. Электромагнитные расходомеры 24
4.1 Общие сведения и преимущества электромагнитных расходомеров 25
4.2 Воздействие эпюры скоростей 26
4.3 Воздействие изменения площади проходного сечения трубы и концевых эффектов 26
4.4 Постоянное магнитное поле 28
4.5 Переменное магнитное поле 30
4.6 Импульсное магнитное поле низкой частоты 31
4.7 Преобразователи электромагнитных расходомеров
4.8 Расходомеры с электромагнитными преобразователями скорости потока 35
Заключение 37
Библиографический список 38

1. Общие сведения и понятия

Электромагнитные преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и, в зависимости от принципа действия, могут быть как параметрическими, так и генераторными. К параметрическим относятся преобразователи, преобразующие изменение входного механического воздействия в изменение параметров магнитной цепи ─ магнитного сопротивления RМ и индуктивности обмотки L.
В соответствии с принципом действия и исходными уравнениями электромагнитные преобразователи могут быть подразделены на следующие большие группы:
- преобразователи масштаба тока и напряжения (измерительные трансформаторы тока и напряжения и индуктивные делители напряжения);
- электромеханические преобразователи электрического тока в электромагнитную силу.
...

2.1 Трансформаторные измерительные преобразователи
Схема трансформаторного измерительного преобразователя приведена на Рисунке 2.1. Обмотки цепи питания w1 и w2 одинаковы и включены таким образом, что, когда по ним протекает рабочий ток, создаваемые ими магнитные потоки Ф1 и Ф2 направлены встречно в центральном стержне, на котором расположена выходная обмотка Wо. В этом случае выходное напряжение
UВЫХ= 4,44·f·W0 ·(Ф1-Ф2) (2.1)
где f - частота питающего напряжения.

Рисунок 2.1 - Схема трансформаторного измерительного преобразователя

Погрешность индуктивных трансформаторных преобразователей определяется точностью исполнения геометрических размеров сердечника, качеством материала, колебаниями напряжения и частоты питающего напряжения, изменениями температуры.
...

2.2 Индуктивные измерительные преобразователи
Рассмотрим работу однотактного индуктивного преобразователя, изображенного на Рисунке 2.2 а. Выходной сигнал получаем в виде переменного напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки Rн включенного в цепь помещенной на сердечнике 1 обмотки 2. Питание осуществляется переменным напряжением U~ c частотой от 50 до нескольких тысяч герц. Под действием входного сигнала перемещается якорь 3 и изменяет зазор d.

Рисунок 2.2 - Схема однотактного индуктивного преобразователя

Выходное напряжение:
Uвых=I·Rн (2.3)
Среднее значение тока в рабочей цепи преобразователя:
I = U· (2.4)
где R - суммарное сопротивление цепи, R=Rн+Rо; Rо - сопротивление обмотки; w - круговая частота.
...

2.3 Индукционные преобразователи
Они относятся к генераторным преобразователям. Для преобразования механического перемещения в электрический сигнал в таких преобразователях используется явление электромагнитной индукции - наведение ЭДС в электрическом контуре, связанном с изменяющимся магнитным потоком. Наведение ЭДС происходит независимо от причины изменения магнитного потока: перемещается ли обмотка в постоянном магнитном поле, изменяется магнитное поле при неподвижной обмотке.

Рисунок 2.4 - Индукционный преобразователь

В катушке индуктируется ЭДС, равная:
е= - W(dФ/dt) (2.6)
где е - мгновенное значение ЭДС; W - число витков катушки.
Индукционные преобразователи можно разделить на две группы. В преобразователях первой группы магнитное сопротивление на пути постоянного магнита остается неизменным, а индуктированная ЭДС наводится благодаря линейным (Рисунок 2.4, а) или угловым (Рисунок 2.
...

2.4 Магнитоупругие преобразователи

Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости m. (или индукции В) ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений δ, обусловленных воздействием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие). Существует и обратное явление—магнитострикция, когда внешнее магнитное поле вызывает механические деформации ферромагнитного тела. Под численным значением магнитострикции понимают относительное изменение D·l/l=e1 длины l стержня, обусловленное воздействием внешнего магнитного поля.3
В общем случае магнитоупругий эффект имеет нелинейный характер, зависит от значения напряженности приложенного поля Н. Однако, выбирая соответствующие режимы работы, можно получить линейные участки зависимости m=f(s) или m=f(P).
...

3. Электромагнитные измерительные приборы
Отличительной особенностью электромагнитных приборов, обусловливающей их широкое применение для измерений в цепях переменного и постоянного токов в качестве щитовых амперметров и вольтметров, являются их высокие эксплуатационные качества: простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность, устойчивость к электрическим перегрузкам, широкий диапазон измеряемых величин. Основным недостатком этих приборов является невысокая точность (отечественные электромагнитные приборы выпускаются с классами точности до 0,5).
Все электромагнитные приборы в зависимости от конструктивного исполнения и характера движения их подвижной части могут быть разделены на резонансные и нерезонансные. Каждая из этих групп приборов в свою очередь делится на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные (в поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки используются постоянные магниты).
...

4.1 Общие сведения и преимущества электромагнитных расходомеров
Электромагнитные расходомеры это расходомеры, работающие по принципу взаимодействия протекающей через расходомер жидкости с магнитным полем. В основе процесса лежит закон электромагнитной индукции. Соответственно, измеряемая жидкость должна быть электропроводящей.
В промышленности используются электромагнитные расходомеры с измеряемой ЭДС, индуцируемой в жидкости в процессе пересечения жидкостью магнитного поля. В участок трубы из немагнитного материала, изнутри покрытого неэлектропроводной изоляцией и расположенного между полюсами магнита, устанавливаются два электрода перпендикулярно потоку жидкости направлению расположения силовых линий магнитного поля. При этом вычисляется разность потенциалов на электродах, которая прямо пропорциональна объемному расходу.
Постоянное магнитное поле применяют для вычисления расхода расплавленных металлов.
...

4.2 Воздействие эпюры скоростей
Преимущество электромагнитного расходомера заключается в том, что их показания при ассимметричном потоке и одинаковом расходе будут почти аналогичны и при ламинарном, и при турбулентном движении. Такой результат получается вследствие работы циркуляционных токов в центральной зоне больших скоростей и периферийной зоне. Циркуляционные токи уменьшают ЭДС на электродах обратно пропорционально увеличению скорости в центральной зоне.
Воздействие деформации поля скоростей на показания электромагнитных расходомеров образуется при нарушении осевой симметрии потока, так как вклад каждой точки жидкости в образование разности потенциалов на электродах пропорционален близости расположения точки к электродам.
Для устранения воздействия деформации потока на показания электромагнитного расходомера необходим прямой участок трубы L >20-22D. При возмущениях потока, обусловленных коленом, длина трубы L достаточна в пределах 5-10D.


4.3 Воздействие изменения площади проходного сечения трубы и концевых эффектов
При смолообразовании и карамелизации стенок трубы происходит уменьшение проходного сечения трубопровода. Если осадки расположены равномерно по всей стенке трубы в виде концентрического слоя и проводимость последнего будет равна проводимости жидкости, то показания электромагнитного расходомера изменяться не будут вследствие независимости показаний электромагнитного расходомера от числа Рейнольдса и характера эпюры скоростей при ассимметричном потоке. Но, обычно осадок уплотняется и тогда его проводимость будет меньше проводимости жидкости. Это вызовет увеличение напряжения на электродах вследствие уменьшения шунтирующего действия слоя осадка.
Уменьшить воздействие на точность показаний электромагнитных расходомеров можно путем подбора входного сопротивления измерительной цепи и установкой преобразователя расхода на вертикальном отрезке трубопровода, что препятствует неравномерному выпадению осадка.


4.6 Импульсное магнитное поле низкой частоты
Многочисленные помехи и ограничения, связанные с применением переменного поля в электромагнитных расходомерах, проявляются тем сильнее, чем выше частота поля. Поэтому в большинстве случаев, когда не требуется измерение быстропеременных расходов, целесообразно существенно снижать обычную частоту (50 Гц) магнитного поля. Имеются разработки и реализации расходомеров, работающих на частотах 6,25 (50-8) Гц; 3,125 (50-16) и даже 1,5625 (50-32) Гц. В результате полностью устраняется влияние внешних помех промышленной частоты; существенно снижается влияние собственных индукционных и емкостных помех; практически устраняется влияние вихревых токов, что облегчает создание преобразователей расхода на высокое давление; уменьшается дрейф сигнала и влияние шумов и снижается потребление электроэнергии; появляется возможность отказа от шихтованного магнитопровода; упрощается изготовление за счет исключения экранировки электродов и измерительных цепей.
...

4.7 Преобразователи электромагнитных расходомеров
Основные элементы преобразователя электромагнитного расходомера — это отрезок трубы из диамагнитного материала, имеющий внутреннее изоляционное покрытие; электромагнитная система, расположенная снаружи, и два электрода для съема разности потенциалов, образующейся при пересечении жидкостью магнитного поля.
В большинстве случаев применяют преобразователи, внутренний диаметр которых DB равен диаметру D трубопровода. Соединение — фланцевое, а при малых D — резьбовое. Но при малых скоростях в трубах целесообразно иметь DB < D. Это повышает ЭДС, а значит, и точность измерения расхода, снижает массу и стоимость преобразователя и, кроме того, благодаря повышенной скорости жидкости способствует очистке поверхности электродов. При DB < D преобразователь соединяется с трубопроводом с помощью конических переходов. Труба преобразователя обычно изготовляется из коррозионно-стойкой стали.
...

4.8 Расходомеры с электромагнитными преобразователями скорости потока
Для больших диаметров труб разработаны расходомеры с электромагнитными преобразователями скорости. Они проще и дешевле. С увеличением диаметра трубы эти преимущества усиливаются. Но расходомеры с преобразователями скорости требуют больших прямых участков труб.
Электромагнитные расходомеры для веществ с малой электропроводностью и особых разновидностей.
Серийно изготовляемые электромагнитные расходомеры пригодны лишь для веществ, удельная электропроводность которых не менее 10-3 См/м. Но уже давно стали разрабатывать расходомеры, пригодные для веществ с меньшей электропроводностью. На этом пути возникает много трудностей.
Необходимо, чтобы сопротивление нагрузки было во много раз больше сопротивления преобразователя.
...

1. Николаева Е.В., Макаров В.В. Физические основы получения информации: Измерительные преобразователи. Принципы измерения физических величин. - Учеб. пособие. – Омск: ОмГТУ, 2007. – 96 с.
2. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. - Учеб. для вузов ж-д трансп. — M.: Транспорт, 1999. — 464 с.
3. Физические основы измерений: Метод. указания / Под ред. Л.М. Стиха-новской. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 1994. - 32 с.
4. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие. –М.: Энергоатомиздат, 1991. - 144 с.
5. Лиманов И.А. Электромагнитные преобразователи перемещений с распределенными параметрами. - М.: Энергоатомиздат, 1984. — 56 с.