Электрические датчики в современной металлургии

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.

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 Pl, P2,…, Рп, 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

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 Kd, который устанавливает зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F:

Q = KdF.

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.

Кроме того, при работе привода через шестеренную клеть, когда, например, оба валка четырехвалкового стана имеют привод от одного двигателя, распределение моментов между валками может существенно отличаться. Причин такого отличия много. Основным из них является различие диаметров рабочих валков и коэффициентов трения о полосу верхнего и нижнего рабочих валков.

Тензорезисторные измерители крутящего момента

При передаче крутящего момента круглым валом траектории главных деформаций (растяжение и сжатие) направлены под углом 45° к оси вала (рис. 8, а, б). Поэтому для измерения деформации кручения вала, а следовательно, и крутящего момента тензорезисторы наклеиваются на поверхность вала, как показано на рис. 8, в.

Четыре тензорезистора моста являются активными по отношению к измеряемому напряжению. Направление деформации зависит от направления действия скручивающего момента. Если момент приложен в направлении против часовой стрелки, как показано на рис. 8, а, сопротивления R1 и RЗ увеличиваются, а R2 и R4 уменьшаются, вызывая дисбаланс моста. Если момент действует в направлении по часовой стрелке, как показано на рис. 8, б, сопротивления R1, RЗ уменьшаются, а R

2и R4 увеличиваются, обусловливая дисбаланс моста в другую сторону.

Рис. 8. Тензорезисторные измерители крутящего момента

Питание тензомоста напряжением U1 осуществляется через контактные кольца 1, закрепленные через изолирующие втулки 2 па вращающемся валу. Токосъемниками в данном случае могут быть графитовые щетки 3 или ртутные контакты. Сигнал дисбаланса моста U подается на теизоусилитель 4 и далее на устройство индикации или регистрации 5. Работа измерительных устройств, сигналы с которых передаются через трущиеся контакты, дает частые сбои из-за потери этого контакта. Кроме того, трущиеся контакты являются источником т. ЭДС, появление которой обусловливает дополнительную погрешность. Для ликвидации этой погрешности применяют различные бесконтактные системы питания и передачи информации с вращающегося вала на «наземную» аппаратуру.

Погрешность измерителей с помощью тензорезисторного моста не превосходит 1% от полной шкалы.

Магнитоупругие измерители момента

Принцип действия магнитоупругих измерителей крутящего момента основан на рассмотренном явлении возникновения анизотропии магнитной проницаемости под действием измеряемого момента (рис. 9). Под действием вращающего момента вал скручивается. В нем возникают растягивающие и сжимающие напряжения. Магнитные сопротивления участков вала R1, R2, R3, R4, расположенные между катушками возбуждения A, B и измерительными катушками C и D, изменяются под действием механических напряжений, что приводит к дисбалансу магнитного моста, состоящего из этих сопротивлений. Напряжение дисбаланса является мерой измеряемого момента.

Валы шпинделей главных приводов прокатных станов обычно имеют значительные размеры и вращаются с переменной скоростью при частом реверсировании. Поэтому простейший измеритель, приведенный на рис. 9, имеет значительную скоростную погрешность и погрешность, связанную с изменением расстояния от поверхности вала до возбуждающего и измерительного магнитопроводов. Изменение расстояния может быть вызвано эксцентриситетом, температурными деформациями, погрешностями монтажа и т.п.

Рис. 9. Магнитоупругий измеритель момента

Промышленные измерители изготавливаются в виде кольца, расположенного вокруг вала, момент на котором контролируется. Такая конструкция представляет собой несколько магнитоупругих датчиков, что позволяет существенно снизить дополнительные погрешности. Имеются магнитоупругие измерители крутящего момента, выпускаемые шведской фирмой ACEA, известные под названием «тордукторы», измерители Института автоматики (г. Киев) и Южно-Уральского государственного университета.

3.3 Измерение натяжения полосы

Натяжение полос и лент на станах холодной прокатки и других агрегатах по их холодной обработке создается двигателями. Доля мощности, затрачиваемая на упругое растяжение полосы, различна.

Тем не менее, в ряде случаев именно по мощности двигателя судят о натяжении полосы. Погрешность в этих случаях относительно невелика, если, кроме создания натяжения, ток двигателя затрачивается на компенсацию аэродинамических потерь, потерь на трение и т.п. и можно применять электрические измерители натяжения, работающие, как правило, по току двигателя.

Если мощность двигателя расходуется на пластическую деформацию изменение скорости металла или на ускорение маховых масс узлов прокатного оборудования, то выделить долю тока, создающую натяжение, трудно, и погрешность измерения становится значительной.

Страницы: 1, 2, 3, 4