Электрические датчики в современной металлургии (стр. 2 из 8)

Способы преобразования деформации в электрический сигнал можно разделить на две основные группы.

К первой группе относятся способы, основанные на измерении деформации какой-либо базовой длины нагружаемого элемента под действием измеряемой силы. Для этого на поверхности этого элемента закрепляют тем или иным способом преобразователи деформации в электрический сигнал.

Ко второй группе относятся способы, основанные на изменении каких-либо свойств нагружаемого элемента. К этой группе относятся все типы магнитоупругих преобразователей, в которых под действием механических напряжений происходит изменение магнитных свойств, а также полупроводниковые и тензорезисторные преобразователи, если они непосредственно воспринимают нагрузку, а не деформацию какого-то узла. В настоящее время в прокатном производстве нашли место прецизионные датчики усилия, которые используют такие физические явления, как магнитострикция, прямой и обратный пьезоэффект и др.

Датчики усилия на тензометрическом преобразователе. В основе работы тензометрических датчиков (тензорезисторов) лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых или полупроводниковых материалов при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствителъности S, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

,

где

; – приращение сопротивления при изменении длины l на ; Е – модуль упругости материала; – механическое напряжение.

Изменение сопротивления составляет

,

где

– относительное удлинение тензорезистора;

R – начальное сопротивление тензорезистора.

Для высокоомных проводников, например, коэффициент тензочувствительности считается постоянным и равен S = 1,9…2,9 [3].

Для обеспечения длительной работы без разрушения относительные деформации упругого элемента не должны превышать одной – двух тысячных, при которых измерение сопротивления составляет 0,1…0,2%. Точное измерение таких величин является сложной задачей. Такой датчик относится к параметрическим датчикам и поэтому наиболее распространена мостовая схема измерения (рис. 1).

Измерители усилия прокатки с упругими цилиндрическими элементами с тензорезисторными преобразователями изготавливает английская фирма, «Davy Instruments». Эти датчики имеют относительно большую высоту, что зачастую препятствует их применению. Для упругого цилиндрического элемента погрешность, связанная с изменением распределения нагрузки на его рабочей поверхности при работе на стане, укладывается в приемлемые рамки, если отношение высоты цилиндра к его диаметру не меньше двух. При неравномерном нагружении рабочей поверхности боковые поверхности цилиндра и его центр деформируются неодинаково: в одном случае более загруженным может быть центр, а в другом – периферия.

Для уменьшения погрешности, связанной с изменением характера распределения удельных нагрузок, канадская фирма «Kelk» применяет распределение тензорезисторных преобразователей по поперечному сечению цилиндра.

Подобного распределения можно добиться, если изготавливать упругий элемент в виде кольца и наклеивать тензорезисторы на его внешних и внутренних поверхностях. Измерители усилия с упругими элементами в форме кольца изготавливает ВНИИметмаш.

Датчики ВНИИметмаша серии М выпускаются на усилия 0,1…20 МН.

В качестве тензорезистивного материала можно использовать сплавы с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) (манганин, константан, нихром, никелин), платиносеребрянные и платиновольфрамовые полупроводниковые материалы (германий, кремний). Наиболее распространены тензорезисторы, выполненные из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые.

Проволочные тензорезисторы выполняют из проволоки диаметром 0,002…0,05 мм, которую укладывают частыми петлями на тонкую бумагу или лаковую пленку и приклеивают к ней (рис. 4, а). К концам проволоки припаивают или приваривают медные выводы. Сверху преобразователь покрывают лаком. Материал для пленки выбирают в зависимости от условий эксплуатации. Резисторы на пленке из клея БФ-2 работают в диапазоне температур от -40 до 70 °С, а на бакелитовом лаке – до 200 °С. Для более высоких температур используют специальные высокотемпературные клеи или цементы.

Рис. 4. Проволочные (а) и фольговые(б) тензорезисторы

Наиболее часто используют преобразователи с базой (длиной петель) 5…20 мм, обладающие сопротивлением 30…500 Ом. Их номинальный рабочий ток, определяемый условиями отвода выделяемых в них потерь энергии, находится в пределах десятков миллиампер. Максимально допустимые относительные деформации не превышают 0,3%.

Фольговые преобразователи (рис. 4, б) более совершенны, чем проволочные. Они имеют решетку из тонкой фольги прямоугольного сечения толщиной 4…12 мкм. Благодаря большей площади контакта полосок фольгового тензорезистора с объектом измерения его теплоотдача значительно выше, чем у проволочного, что позволяет увеличить ток до 0,5 А, и тем самым повысить чувствительность тензопреобразователя.

Полупроводниковые тензорезисторы имеют ряд существенных преимуществ: их чувствительность в 50…60 раз превышает чувствительность проволочных, размеры их существенно малы, а уровень выходного сигнала позволяет использовать его без дополнительных дорогостоящих усилителей. Основным их отличием от проволочных является их большое (до 50%) изменение сопротивления чувствительного элемента при деформации.

Поскольку изменение сопротивления тензорезисторов, вызванное деформацией, весьма мало и колеблется от единиц миллиом до нескольких десятых долей ома, то для измерений применяют высокочувствительные потенциометрические и мостовые схемы (рис. 1). Чтобы повысить чувствительность тензорезисторов, их можно включать в два и даже четыре плеча мостовой схемы. Датчики усилия на тензометрическом преобразователе имеют достоинства и недостатки.

Достоинства: высокие метрологические характеристики, особенно по линейности.

К недостаткам тензометрических датчиков следует отнести: малую механическую прочность и гибкость (для полупроводниковых), малая выходная мощность (для тензорезисторных), которая не превышает обычно 5 10^-6Вт. Высокая влажность, наличие паров и изменение температуры агрессивных сред обусловливают постепенное уменьшение сопротивления изоляции как самих тензорезисторов, так и кабелей, соединяющих тензометрический мост с устройствами питания и измерения. Это все ведет к снижению технических показателей датчика силы.

Перечисленные факторы практически не сказываются на точности и работоспособности магнитоупругих силоизмерительных датчиков.

Магнитоупругие силоизмерители

Магнитоупругие силоизмерители основаны на явление магнитострикция, которая проявляется в изменении размеров ферромагнитного тела под действием внешнего магнитного поля. Магнитострикция бывает объемная и линейная. Линейная характеризуется коэффициентом линейного расширения ., а объемная объемным. Существуют материалы, как с положительной, так и с отрицательной магнитострикцией.

Изменение магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием упругих напряжений, возникающих, в частности, вследствие нагружения измеряемой силой, называется магнитоупругим эффектом. Для ферромагнитных материалов, работающих при малых значениях напряженности магнитного поля Н, т.е. при отсутствии насыщения, относительное изменение магнитной проницаемости выражается формулой

,

где

– механическое напряжение; – начальная магнитная проницаемость;

– начальный коэффициент магнитострикции; – магнитная проницаемость в материале при наличии механических напряжений.

Магнитоупругий эффект проявляется векторно и обусловливает изменение анизотропии в ферромагнетике. Направление изменения магнитных свойств определяется свойствами ферромагнетика и знаком механических напряжений. Например, в сплавах железа, имеющих положительную магнитострикцию, отрицательные (сжимающие) механические напряжения приводят к уменьшению магнитной проницаемости в направлении действия напряжений и к росту проницаемости в перпендикулярном направлении.