Определение оптимальных соотношений параметров преобразователя механических напряжений с дискретным выходом

(TPMN); magnetoprovod, preobrazovatel, chuvstvitelnost, pogreshnost, elektricheskaya provodimost, kommutatsiya, kommutator, soprotivlenie, optimizatsiya, pulse, elektromagnitnaya volna, magnitouprugost.

При разработке методики расчета трансформаторного преобразователя механических напряжений (ТПМН) с дискретным выходом исходным уравнением является статистическая характеристика которая необходима, в первую очередь, для определения оптимальных соотношений геометрических параметров магнитопровода, число обмоток и оптимального режима работы преобразователя. В качестве критериев оптимизации параметров преобразователя используется обычно следующие [1,7]: максимальная чувствительность, минимальная погрешность и максимальное быстродействие.

Рассмотрим выбор оптимальных соотношений параметров магнитопровода и обмоток трансформаторного преобразователя механических напряжений (ТПМН). При питании магнитной цепи ТПМН импульсным магнитным напряжением, изменяющимся во времени по квадратичному закону: що = и.Т выражение статистической характеристики после постановки и обратного преобразования Лапласа, будет иметь вид:

t

7                                         ,           _

Uэ1(t)=^ и*^K^ ^[t-T^a - е тс)](1)

^{где     Т}Д1   с +С я ’    ^^д = ^^д0 ± ^^и м С ц ^^им •

^С+^С$

После обратного преобразования Лапласа получим в следующем виде:

Uэ2(t)=2•и;; •К,с„э [К1е“' + К2е^ + К3 + ^( ^е« + ^2е₽' + К3 • t + К,)](2)

V

Из формул (1) и (2) следует, что для увеличении чувствительности преобразователя необходимо, чтобы магнитная проводимость исследуемой детали См была меньше магнитной проводимости воздушного зазора См^:

Св» = ДЪац > 1

^С ^     Ч мб 'Н^

Анализ формулы (3) показывает, что при проектировании ТПМН необходимо выбирать магнитопровод с максимальной базой I и шириной полюса 11 (рис.1). При этом с увеличением базы необходимо увеличивать высоту магнитопровода h с тем расчетом, чтобы не увеличивались потоки рассеяния.

Рис.1 Конструкция ТПМН с изменяющейся эффективной площадью поперечного сечения полюсов

Для уменьшения погрешности преобразования необходимо обеспечение максимума параметра Ryk.   Значение электрической проводимости многовитковой обмотки определяется по формуле:

Ryk = ^1эим • RMiB

Количество витков управляющей обмотки Куп определяется площадью окна магнитопроводов и зависит от размеров 12 и h:

Куп = ^

^и п

В то же время, электрическая проводимость одного витка:

О Си ^Л П

Ryie = ттг

Подставив формулы (5) и (6) в (4), получим после преобразования:

nl₂ha К,.

Ryk =  2^ ‘(7)

Анализ формулы (7) показывает, что величина Ryk не зависит практически от диаметра провода, которым намотана управляющая обмотка, за исключением зависимости коэффициента заполнения от диаметра провода, однако величина коэффициента К5 в большой степени зависит от типа намотки [2], а именно, обмотку следует выполнять с шахматным расположением витков, а не рядовым. Второй вывод, вытекающей из формулы (7) можно сформулировать следующим образом. Эффективность работы управляющей обмотки возрастает с увеличением площади окна, однако одну и ту же площадь окна магнитопровода можно получить различным сочетанием размеров 12 и h, при этом эффективность обмоток будет различной. Необходимо максимально использовать размер h магнитопровода.

Из формулы (7) следует, что желательно полюса магнитопровода делить на стержни с неравными поперечными площадями сечения, а именно, стержень с управляющей обмоткой должен быть меньшим для уменьшения средней длины одного витка обмотки. Кроме параметров управляющих обмоток ТПМН решающее значение имеет выбор способа коммутации управляющих обмоток. Наиболее оптимальным вариантом коммутатора следует считать коммутатор, обеспечивающий требуемое быстродействие и минимум вносимого сопротивления в режиме короткого замыкания управляющей обмотки.

Наибольшим быстродействием обладают транзисторные ключи, однако сопротивление открытого транзисторного ключа в сотни раз больше сопротивления замкнутых контактов электромагнитного реле. Одним из параметров, требующих оптимизации, является длительность импульса квадратично изменяющегося тока. С одной стороны, известно [3,4], что с увеличением длительности импульса увеличивается глубина проникновения электромагнитной волны, что снижает требования к качеству поверхностного слоя материала исследуемого объекта, но при этом снижается быстродействие и чувствительность преобразователя. С другой стороны, при уменьшении длительности импульса чувствительность увеличивается, но при некотором значении длительности импульса начинает уменьшатся из-за уменьшения коэффициента магнитоупругой чувствительности.

Как показали экспериментальные исследования для стали 17Г1С [5] наиболее оптимальную длительность импульса питания следует выбирать в диапазоне 1^2,5 мс. Учитывая требования ГОСТ 26.013-80 (Средства измерения и автоматизации. Сигналы электрические с дискретным изменением параметров входные и выходные. - Февраль, 1980, - 8 с.), оптимальной длительностью квадратичного импульса следует считать следущие три значения: 1 мс; 1,6 мс и 2,6 мс.