Электрические датчики в современной металлургии (стр. 3 из 8)

Магнитоупругие датчики, показания которых определяются степенью анизотропии магнитной проницаемости упругого элемента, называются магнитоанизотропными. Они применяются для измерения больших усилий. Такие датчики могут изготавливаться из одной или нескольких последовательно соединенных секций. Односекционный магнитоанизотропный датчик представлен на рис. 5. Через четыре отверстия в теле датчика намотаны две взаимно перпендикулярные обмотки, к одной из которых подводится напряжение переменного тока. Вторая обмотка служит измерительной. К ней подключается вольтметр или другое измерительное устройство.

При отсутствии измеряемого усилия материал датчика изотропен, магнитные силовые линии поля не пересекают плоскость вторичной обмотки и э. д. с. в ней не наводится (рис. 5, б). Иначе говоря, вектор магнитной индукции лежит в плоскости вторичной обмотки. Измеряемая сила Р, создавая механические напряжения в магнитопроводе, снижает магнитную проводимость в вертикальном направлении и увеличивает в горизонтальном. Вектор магнитной индукции при этом поворачивается, силовые линии искажаются (рис. 5, в), стремясь большую часть пути пройти в наиболее легком направлении, и во вторичной обмотке наводится ЭДС. Величина электродвижущей силы определяется углом поворота вектора магнитной индукции, который в свою очередь зависит от измеряемой силы.

Рис. 5. Магнитоанизотропный датчик усилия

Преимущества магнитоанизотропных датчиков определяются их конструкцией. Выходная мощность датчика зависит от многих факторов, однако даже датчик для измерения сравнительно малых усилий имеет выходную мощность не менее 0,1 Вт, т.е. в несколько тысяч раз больше, чем тензорезисторный датчик. Магнитоанизотропный датчик набирается из стандартных модулей – секций, как показано на рис. 6 а.

Первичные обмотки всех секций соединяются последовательно. Также последовательно соединяются и вторичные обмотки. При таком построении датчика каждая из секций измеряет силу P_l, P₂,…, Р_п, а общее выходное напряжение является суммой электродвижущих сил вторичных обмоток всех секций. Очень важно добиться, чтобы нагрузка между секциями распределялась по возможности равномерно.

Ни одна из секций не должна быть перегружена выше уровня сохранения линейности выходной характеристики. Причинами перегрузки могут быть неплоскостность прилегающих к датчику деталей клети, наличие концентраторов напряжения на поверхностях контакта датчика с клетью, а также смещение точки приложения равнодействующей усилия от вертикальной оси датчика.

а) б)

Рис. 6. Многосекционный магнитоупругий датчик (а) и схема емкостного измерителя усилия (б)

Упругие элементы датчиков измерителей усилия, разработанных ВНИИАчерметом, изготавливаются из монолитных брусков фехраля – железохромоалюминевого сплава. В Киевском институте автоматики упругие элементы изготавливают из склеенных между собой пластин, холоднокатаной трансформаторной стали.

Датчики усилия в измерителях ВНИИАчермета сокращенно называются ДМ (например, ДМ-7303.01, ДМ-157.01, ДМ-7174.01, ДМ-5806, ДМ-7091).

Фирма «Kelk» выпускает датчики кольцевого типа на номинальное усилие до 40 Мн. Внутренний диаметр датчика колеблется в пределах 222 …578 мм, наружный диаметр 285 … 895 мм, высота 66 … 190 мм. Внутренняя полость датчиков заполнена инертным газом.

Наибольших успехов в создании магнитоупругих датчиков для измерения усилия прокатки добилась, шведская фирма АСЕА. Работа этих датчиков основана на изменении магнитных свойств шихтованного сердечника при сжатии. Сравнительные характеристики приведены в таблице 1.

Емкостные силоизмератели

Схема измерителя усилия прокатки японской фирмы «Toshiba» приведена на рис. 6 б. Это, по существу, многосекционный конденсатор, зазор, между обкладками которого, определяет его электрическую емкость. При приложении измеряемой силы датчик деформируется, зазор между обкладками конденсатора уменьшается, а емкость соответственно увеличивается.

Величина емкости измеряется измерительной схемой, собранной в электронном шкафу, расположенном на расстоянии до 100 м от датчика. Наличие нескольких распределенных в объеме датчика конденсаторов-секций позволяет снизить погрешность при перераспределении нагрузок по поверхности датчика. Измерители усилия устанавливают под подушками нижних опорных валков. Технические характеристики измерителей усилия прокатки зарубежных фирм приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики измерителей усилия прокатки зарубежных фирм

Фирма, страна	Тип	Номинальное усилие, МН	Погрешность, %	Гистерезис, %	Температурный дрейф нуля, %/0С	Быстродействие, с
«Davy Instruments»» Англия	Тензорезисторный, М250	25	±1,0	–	–	1,0
«Kelk», Канада	Тензорезисторный, С-1041	24	–	0,5	0,005	0,03
«Toshiba», Япония	Емкостной, KL C10-s	20	–	0.5	0.05	–
ASEA, Швеция	Магнитоупругий	25	±0,5	0,2	0,01	32 10-3

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрического эффекта. Прямой пьезоэффект заключается в способности некоторых материалов образовывать электрические заряд U (рис. 7), на поверхности при приложении механической нагрузки F, обратный – в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.

Рис. 7. Пьезодатчик

В качестве пьезоэлектрических элементов обычно используют естественные материалы – кварц и турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (ВаTiO₃), титаната свинца (PbTiO₃) и цирконата свинца (PbZrO₃). Можно использовать и другие материалы.

Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем K_d, который устанавливает зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F:

Q = K_dF.

Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль, равный 2,3–10^-12 Кл/Н, практически не зависит от температуры до 200 °С, в диапазоне 200… 500 °С изменяется незначительно, а при 573 °С становится равным нулю; удельное электрическое сопротивление кварца порядка 10¹⁶ Ом/м; модуль упругости кварца Е=1,1 10¹⁰ Па.

Пьезокерамика представляет собой продукт отжига спрессованной смеси, содержащей мелко раздробленные сегнетоэлектрические кристаллы. Характерным отличием сегнетоэлектриков является их доменная структура с хаотически ориентированными полярными направлениями доменов. Пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектрическая пьезокерамика приобретает после поляризации в электрическом поле.

Механическая прочность пьезокерамики очень высока, но зависит от технологии и качества обработки соприкасающихся плоскостей. Пьезомодуль, диэлектрическая проницаемость и их стабильность зависят от выбора направления поляризации, направления действия силы F и съема заряда Q.

В настоящее время технология изготовления датчиков на пьезоэффекте сильно развивается.

3.2 Измерение крутящего момента

Момент двигателя расходуется на работу по пластической деформации, на ускорение самого двигателя, валков и прокатываемой полосы, а также на преодоление аэродинамических потерь и потерь трения. Поэтому, хотя момент двигателя при постоянстве потока возбуждения характеризуется током якоря, этот ток далеко не однозначно определяет момент, затрачиваемый на прокатку.