Магнитоупругий эффект

Эффективное внедрение в промышленность систем автоматизации, наряду со специализацией производства, унификацией и нормализацией номенклатуры выпускаемой продукции и механизацией производства, опирается на высокую оснащенность предприятий специальными измерительными приборами для надежного контроля качества, эксплуатационных и физических свойств изделий. Развитие автоматизации промышленного производства идет по пути постепенного перехода от регулирования отдельных параметров к связанному регулирования множества параметров и в итоге к автоматизированным системам управления производством. Внедрение таких систем предполагает создание специализированных информационно - измерительных систем для сбора данных о ходе процесса и состоянии объектов с последующей централизованной обработкой поступающей информации вычислительными и управляющими машинами.

Общей чертой автоматизации производственных процессов является постоянно растущее значение измерений неэлектрических величин и повышение роли вычислительных устройств в замкнутой цепи управления.

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин состоят из трех основных узлов: первичного преобразователя, измерительной схемы и устройства отображения. Достоинства приборов в целом, как правило, определяются характеристиками первичного преобразователя неэлектрической величины в электрическую. Чтобы полностью использовать достижения современной измерительной техники электрических величин, преобразователи должны обладать высокими метрологическими свойствами.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАГНИТОУПРУГОГО ЭФФЕКТА

Магнитоупругий эффект – это изменение намагниченности ферромагнитного тела при деформации. Он является термодинамически обратным магнитострикции, и его иногда называют обратным магнитострикционным эффектом.

При воздействии на кристаллы ферромагнетика механических усилий на кристаллографическую анизотропию накладывается магнитоупругая анизотропия, вызванная дополнительным магнитным взаимодействием атомов вследствие искажения атомной решетки кристалла.

Энергия магнитоупругой анизотропии зависит от вектора намагниченности насыщения в кристалле и создает дополнительные выгодные энергетические направления областей в решетке. Упругие напряжения, действующие на ферромагнетик, приводят к изменению ориентации магнитных моментов доменов в решетке (без изменения абсолютного значения вектора намагниченности насыщения). Это приводит к изменению намагниченности ферромагнетика. Магнитоупругая энергия непосредственно связана с магнитострикцией.

Устойчивые направления областей в ферромагнетике определяются минимальным значением магнитной энергии кристалла, включающей в себя три составляющие: 1) энергию магнитной анизотропии Wk; 2) магнитоупругую энергию Wd; 3) энергию внешнего магнитного поля WH.

В зависимости от вида упругой деформации намагниченность в различных ферромагнитных материалах изменяется различно. Характер изменения зависит от величины и знака магнитострикции материала.

Например, для случая сильных упругих растяжений, действующих в направлении магнитного поля Н, намагниченность М может быть определена из выражения

 (1.1)

где α – численный коэффициент, равный

λs– магнитострикция насыщения.

Магнитоупругий эффект зависит от материала, величины и знака его магнитострикций, температуры окружающей среды, упругой деформации и напряженности магнитного поля. Вокруг образца существует магнитное поле. При положительной магнитострикции материала направление результирующей намагниченности совпадает с направлением действия силы и магнитного поля. При отрицательной магнитострикции материала направление результирующей намагниченности перпендикулярно к направлению действия силы и магнитного поля.

Принцип действия и конструкция. Работа магнитоупругого. преобразователя основана на магнитоупрутом эффекте. Как известно, ферромагнитные вещества имеют области самопроизвольного намагничивания (домены). В ненамагниченном состоянии вещества домены ориентированы хаотично и магнитные моменты отдельных доменов компенсируют друг друга. При помещении ферромагнитного тела в магнитное поле домены ориентируются в его направления. В слабом поле ориентация частичная; в сильном поле при магнитном насыщении материала ориентируются все домены. Ориентация доменов вызывает увеличение магнитной индукции, характерное для ферромагнитных материалов.

Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействовать внешней механической силой, то тело деформируется, домены изменят свою ориентацию и индукция в материале изменяется. Явление имеет упругий характер. Если силу снять, то индукция примет прежнее значение.

μ_а = μ_r μ₀ = В/Н,                                         (1.2)

Поскольку абсолютная магнитная проницаемость вещества то при заданной напряженности поля H изменение индукции В эквивалентно изменению магнитной проницаемости.

Изменение индукции или магнитной проницаемости в ферромагнитных телах при действии на них силы называется магнитоупругим эффектом.

Рассмотренное явление используется для преобразования механической силы в электрическую величину.

Один из возможных типов магнитоупругого преобразователя представлен на рисунке 1.1, а. Он представляет собой ферромагнитный сердечник с намотанной на нем катушкой. При действии силы – F в материале сердечника возникает механическое напряжение σ, изменяется μ_rследовательно, и магнитное сопротивление сердечника R_M, а также индуктивность катушки L. Формула преобразований имеет вид

F → σ →μ →R_M →L.                                   (1.2)

Магнитоупругие преобразователи могут иметь две обмотки (рисунок 1.1,б). Такие преобразователи являются трансформаторными. При действии силы вследствие изменения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность М между обмотками и ЭДС вторичной обмотки Е. Формула преобразования имеет вид

F → σ → μ_r →R_M →М→Е. (1.3)

При расчете преобразователя и его чувствительности нужно в соответствии с законами и правилами механики рассчитать механические напряжения σ в элементах конструкции и их зависимость от измеряемой силы σ = σ (F).

Рисунок 1.1-Магнитоупругие преобразователи

Зависимость μ_r=μ_r(σ) в ферромагнитных веществах в общем случае нелинейна. Однако при небольших механических напряжениях можно считать, что относительное изменение магнитной проницаемости пропорционально σ:

η=Δμ/ μrном=Sμσ, (1.4)

где Δμ = μ_r — μ_rном;

μ_r - значение магнитной проницаемости при воздействии σ;

μ_rном - номинальная магнитная проницаемость при σ = 0;

S_μ - чувствительность материала.

Магнитная проницаемость μ_rном зависит от напряженности поля Н. Для увеличения Δμ целесообразно работать при таких Н, при которых μ_rном максимальна. Наибольшую чувствительность Sμ имеют железоникелевые сплавы, меньшую — железокобальтовые сплавы и кремниевые стали.

Зная конфигурацию и размеры преобразователя и зависимость магнитной проницаемости μ_r от измеряемой силы F, можно определить зависимость сопротивления магнитной цепи, а также индуктивности L или коэффициента взаимоиндукции Μ преобразователя:

L = w²/R_M ; Μ = w₁w₂/R_M                             (1.5)

Магнитопровод преобразователя следует делать без воздушных зазоров. Даже пришлифованные друг к другу стыки магнитопровода имеют большое магнитное сопротивление и уменьшают чувствигель-ность преобразователя. При действии измеряемой силы воздушные зазоры изменяются, что приводит к возникновению погрешности.

Рисунок 1.2 - Магнитное поле создаваемое обмоткой питания

При низких частотах питающего напряжения или в случае, когда сердечник собран из достаточно тонких пластин, магнитное поле равномерно заполняет все сечение преобразователя и поверхностный эффект выражен слабо. При сильно выраженном поверхностном эффекте магнитное сопротивление увеличивается, а чувствительность уменьшается.

Лучшими метрологическими характеристиками обладает маг-нитоанизотропный трансформаторный преобразователь, схема которого показана на рисунке 1.1, в. Пока измеряемая сила не действует, магнитопровод такого преобразователя магнитоизотропен: его магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях. Под действием механических напряжений магнитная проницаемость изменяется в направлении напряжения. Это изменяет магнитное сопротивление материала в том же направлении. Под действием механических напряжений материал становится магнитоанизотропным.

Преобразователь собран из пакета пластин, имеющих четыре отверстия. В отверстии уложены две обмотки: питания w₁ и измерительная w₂. Они расположены под углом 45° к направлению действия силы и под углом 90 ° друг к другу. При отсутствии измеряемой силы F магнитное поле, создаваемое обмоткой питания w₁, направлено параллельно виткам измерительной обмотки w₂ и не заходит в нее (рисунок 1.2,а). В измерительной обмотке ЭДС не индуцируется. Под действием измеряемой силы магнитная проницаемость в направлении ёе действия изменяется и изменяется магнитное сопротивление в том же направлении. Это деформирует магнитное поле (рисунок 1.2,б). Магнитный поток пронизывает измерительную обмотку и индуцирует в ней ЭДС E₂, пропорциональную действующей силе.

Рисунок 1.3 - Схема включения трансформаторного магнитоанизотропного преобразователя

Схемы включения. Магнитоупругие индукционные преобразователи включаются в мостовые измерительные цепи. В плечо, смежное с измерительным преобразователем, включается такой же преобразователь для компенсации аддитивных, погрешностей. Он обычно не нагружается — прибор строится по дифференциальной схеме первого типа. Питание моста производится от феррорезонансного стабилизатора.

Схема включения трансформаторного магнитоанизотропного преобразователя приведена на рисунке 1.3. Первичная обмотка 1 питается от феррорезонансного стабилизатора 2. На выходе у ненагруженно-го преобразователя имеется некоторое остаточное напряжение. Для его компенсации в цепь включен резистор R, на который подается напряжение через фазосдвигающую цепочку 3. Напряжение питания преобразователя выбирается так, чтобы режим его работы был близок к режиму насыщения магнитной цепи. При этом на выходе преобразователя имеется напряжение верхних гармоник значительной величины. Для защиты от гармоник схема содержит фильтр верхних частот 4. Напряжение выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 5 и подается на магнитоэлектрический измерительный механизм 6. Фильтр нижних частот 7 служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. При измерении быетропеременных процессов в качестве измерительного механизма включается гальванометр све-толучевого осциллографа.

Магнитоупругие трансформаторные преобразователи могут работать также с автоматическими потенциометрами переменного тока.

Погрешность магнитоупругих преобразователей. Функция преобразования магнитоупругих преобразователей, как правило, нелинейна. Имеется ряд методов уменьшения нелинейности. Нелинейность уменьшается при сокращении диапазона измерения измеряемой силы; если наряду с измеряемой силой преобразователь нагружается некоторой дополнительной постоянной силой; при соответствующем выборе магнитного режима преобразователя; при применении магнитоанизотроп-ных материалов, имеющих различную магнитную проницаемость в различных направлениях. Такие материалы получают в результате определенной технологической обработки — ковки, протяжки, прокатки и т. д. Применение этих мер позволяет уменьшить погрешность, происходящую вследствие нелинейности, до 1,5—2 %.

Функция преобразования при увеличении нагрузки магнитоупру-гих преобразователей отличается от функции преобразования при уменьшении нагрузки. Это отличие имеет гистерезисный характер и обусловлено магнитным и механическим гистерезисом. При статических измерениях гистерезис преобразователя больше, чем при динамических. Для уменьшения погрешности, вызванной гистерезисом, рекомендуется изготавливать преобразователи из материалов, имеющих возможно больший предел упругости и возможно меньшую петлю магнитного гистерезиса. Максимальные механические напряжения в магни-тоупругом материале должны быть в 6—7 раз меньше его предела упругости. Погрешность, обусловленная гистерезисом, уменьшается после тренировки преобразователя. Тренировка производится 5—1 Обратным нагружением силой, соответствующей пределу изменения преобразователя. Гистерезис может возникнуть также в результате сил трения, если, например, магнитопровод не сплошной, а составной. Приведенную погрешность, вызванную гистерезисом, можно снизить до 0,5-1 %.

Магнитоупругому преобразователю свойственно старение. При этом изменяется как магнитная проницаемость, так и внутреннее напряжение в материале преобразователя. Старение приводит к изменению электрических параметров (L, Л ) и к изменению чувствительности. Изменение характеристик уменьшается после естественного (в течение нескольких месяцев) или ускоренного искусственного старения. Характеристики стабилизируются путем термообработки магнитопровода. Погрешность, вызванную изменением параметров, можно уменьшить применением дифференциальных преобразователей и дифференциальных схем включения. Таким образом, погрешность, обусловленную старением, можно уменьшить до 0,5 %.

При изменении температуры изменяются магнитная проницаемость магнитопровода и электрическое сопротивление обмоток. При резко выраженном поверхностном эффекте изменение температуры оказывает меньшее влияние, чем при слабо выраженном. Для уменьшения температурной погрешности используются дифференциальные схемы и специальные схемы температурной компенсации.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТОУПРУГОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1 Измерение силы

Магнитоупругие датчики. Вопрос о максимальной точности, которая может быть достигнута при измерении усилий с помощью магнитоупругих датчиков, по существу, является вопросом о перспективности дальнейшего развития работ по широкому применению силоизмерителей этого вида. Техническая и экономическая целесообразность применения магнитоупругих датчиков в различных отраслях промышленности в случаях, когда допустимы погрешности, превышающие 2-3%, в настоящее время ни у кого не вызывает сомнений. С помощью магнитоупругих датчиков оказываются выполнимыми самые различные задачи измерения усилий, причем обеспечиваются они при высокой надежности, компактности и конструктивности устройств. По работоспособности, долговечности, устойчивости в работе устройства этого класса не имеют себе равных.

Погрешности измерений, не превышающие 1-0,5%, вполне достижимы.

Температурная погрешность (среднеквадратичное значение) при колебаниях температуры датчика до 100°С не выходит за пределы 0,5%, при сужении температурного диапазона — она соответственно уменьшается. Среднеквадратичное значение погрешности от магнитоупругого гистерезиса не превышает 0,2%.

Среднеквадратичная погрешность, возникающая вследствие нелинейности характеристики, во всем диапазоне измеряемых усилий (100%) не превышает 0,3%. В более узком диапазоне (80%) не выходит за пределы 0,1%. Если принять, что погрешность, возникающая вследствие нестабильности источника питания, составляет 0,2%, общая среднеквадратичная погрешность не выйдет за пределы 0,65%.

Преобразование измеряемого механического параметра в электрическую величину в магнитоупругом датчике (МД) осуществляется последовательно в три основных этапа.

На первом этапе происходит преобразование измеряемого параметра в механическое напряжение в материале чувствительного элемента датчика. Конструктивными элементами датчика, осуществляющими механическое преобразование, являются внешний механический преобразователь и чувствительный элемент.

С помощью внешнего механического преобразователя измеряемый параметр может изменяться по величине, знаку или виду. Так, например, в некоторых датчиках, измеряющих растягивающее усилие, измеряемый параметр преобразуется в усилие сжатия чувствительного элемента, а в датчиках, измеряющих сжимающее или растягивающее усилие, параметр преобразуется в усилие скручивания чувствительного элемента и т. п.

На втором этапе происходит преобразование напряжения, возникающего в материале чувствительного элемента, в изменение его магнитных характеристик. На третьем этапе изменения магнитных характеристик материала чувствительного элемента преобразуются с помощью электромагнитного преобразователя в изменение выходных электрических параметров датчика.

В катушечном магнитоанизотропном датчике (рисунок 2.1) суммарный вектор магнитного потока, сцепленного с катушкой возбуждения 1, направлен внутри чувствительного элемента 3 под углом 45° к векторам главных механических напряжений. Магнитная ось измерительной катушки 2 расположена перпендикулярно к оси катушки возбуждения, благодаря чему при отсутствии измеряемой нагрузки и полной магнитной изотропности материала чувствительного элемента потокосцепление с измерительной катушкой 2, а следовательно, и коэффициент взаимоиндукции равны нулю.

Рисунок 2.1 – Катушечный магнитоанизотропный датчик.

При действии измеряемого усилия магнитное поле внутри чувствительного элемента становится асимметричным, поэтому появляется составляющая магнитного потока, сцепленная с измерительной катушкой, в которой наводится э. д. с., являющаяся функцией измеряемого усилия.

Конструктивное исполнение и основные типы

Магнитоупругий динамометр может быть выполнен в виде катушки с замкнутым сердечником из магнитомягкого материала.

Рисунок 2.2 Схема включения магнитоупругого динамометра

Рисунок 2.3. Картина силовых линий магиит-вого поля в магннтоупругом тензометре; в — без нагрузки; б — под нагрузкой

Изменение измерено с помощью известных электрических схем (рисунок 2.2). Получающиеся при этом большие измерительные сигналы исключают необходимость применения измерительных усилителей. Другая возможность использования магнитоупругого эффекта показана на рисунке 2.3. В пластинах из листовой стали имеются четыре отверстия. В этих отверстиях помещены две пересекающиеся обмотки, одна из которых включена в цепь питания, другая — в цепь измерения. При нагружении этого чувствительного измерительного элемента ранее симметричное магнитное поле искажается и в измерительной обмотке возбуждается напряжение, пропорциональное нагружение (рисунок 2.3,б).

Некоторые характерные особенности

1 Магнитоупругие динамометры предназначены преимущественно для грубых квазистатических промышленных измерений.

2 Вследствие не очень большой удельной нагрузки деформация чувствительного элемента меньше 0,1 мм.

3 Магнитоупругие динамометры изготовляют на номинальные силы от 1 до 2,5 Н. Выходное напряжение ~0,2 В; измерительный усилитель не требуется. Класс точности от 0,1 до 0,2 %.

4 Измерительные элементы динамометров могут быть в любом количестве наложены один на другой или расположены рядом. Они могут быть выполнены в виде четырехугольных измерительных пластин для сил до 50 МН. Равным образом могут быть также изготовлены круглые и кольцевые динамометры. Поэтому эти магнитоупругие динамометры обычно пригодны для применения в тяжелой промышленности, особенно в прокатных цехах, для измерения больших сил. Особым их преимуществом является малая высота. Их выходное напряжение может составлять 10 В, измерительный усилитель не требуется. Класс точности — от 0,1 до 2 %.

Первые отечественные конструкции МД сжимающих усилий были разработаны Ф. В. Майоровым. За последнее десятилетие в нашей стране и за рубежом получили промышленное применение десятки различных конструкций МД. Многообразие конструкций объясняется не только поисками наилучшего варианта исполнения МД, но также и различными требованиями, предъявляемыми к их выходным характеристикам при работе в той или иной электрической схеме.

Для контроля целого ряда параметров на шахтном подъеме и транспорте институтом автоматики (Киев) разработаны магнитоупругие датчики сжимающих усилий дроссельного типа МДУ.

Чувствительный элемент 1 этого датчика (рисунок 2.4) выполнен в виде прямоугольного пакета с окном и собран на заклепках из листов электротехнической стали Э41 толщиной 0,35 мм.