8-9. Частотные преобразователи со струнным вибратором

В системах автоматического технологического контроля, регулирования и управления в металлургической и некоторых других отраслях промышленности находят применение частотные преобразователи со струнным вибратором. Выходной частотный сигнал измерительной информации этих преобразователей может быть введен непосредственно в цифровые измерительные устройства и машины. Частотные преобразователи обладают малой погрешностью и позволяют передавать сигнал измерительной информации по каналам связи на большие расстояния.

Применяемый струнный вибратор с магнитоэлектрическим способом возбуждения представляет собой струну, расположенную между полюсами постоянного магнита. Один конец струны жестко закреплен, второй связан с кинематической системой, изменяющей натяжение струны. Известно, что частота первой гармоники собственных колебаний такой струны определяется выражением

где I — длина рабочей части струны, -сила натяжения струны, масса на единицу длины струны,

Если по струне пропустить переменный ток, то при взаимодействии его с магнитным полем постоянного магнита возникнут вынужденные колебания струны. При совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой возникают резонансные колебания струны.

Следует отметить, что свободные колебания струны из-за наличия трения о воздух, трения струны в местах закрепления, потерь на вязкость в материале струны являются затухающими, поэтому Для поддержания незатухающих колебаний к струне непрерывно должна подводиться энергия.

Для анализа работы и расчета струнного вибратора удобно использовать эквивалентную электрическую схему в виде

колебательного LC-контура (рис, 8-9-1, а) с параметрами, выраженными через параметры струнного вибратора:

где В магнитная индукция в зазоре магнита; коэффициент затухания свободно колеблющейся струны; эквивалентная индуктивность; С — эквивалентная емкость; активное сопротивление неподвижной струны; - динамическое сопротивление струны.

Рис. 8-9-1. Струнный вибратор преобразователя типа ПС. а — эквивалентная схема колебательной системы; б - схема устройства струнного вибратора.

Значение определяют обычно по формуле

где добротность резонансного контура, определяемая экспериментально.

При резонансной частоте эквивалентное сопротивление струны будет равно а на частотах, лежащих досгаточно далеко от резонансной, сопротивление приближается к значению

Рассмотрим в качестве примера частотный преобразователь со струнным вибратором типа ПС, выпускаемый Харьковским заводом КИП [17]. Этот преобразователь предназначен для преобразования угловых перемещений в унифицированный частотный выходной сигнал. Преобразователи типа ПС применяются в качестве передающих сигнал измерительной информации вторичных и других приборов (например, и компенсирующих узлов автоматических измерительных устройств, например, безреохордных потенциометров (§ 4-23). Преобразователь ПС изготовляют в виде отдельного блока. Схема устройства струнного вибратора преобразователя типа ПС показана на рис. 8-9-1, б. Он состоит из постоянного магнита между полюсами которого натянута струна 1 из немагнитного материала (вольфрама). Верхний конец струны жестко закреплен в зажиме на неподвижном основании, а нижний — на подвижном кронштейне 3. Регулировка начального натяжения струны осуществляется корректором нуля 2. В преобразователе типа ПС корректор нуля выполнен в виде эксцентрика. Подвижный кронштейн связан с входной осью 5 с помощью кулачка 6, гибкой ленты и двух пружин 4, образующих механический квадратор. Угол поворота входной оси, а следовательно, и кулачка ограничен упорами, которые на схеме не

показаны. Рабочий диапазон изменения угла поворота входной оси составляет 40°,

По данным [17] значение добротности такого струнного вибратора равно 400—800, а динамическое сопротивление колеблющейся струны на резонансной частоте Ом (при Ом), Необходимость введения в схему механического квадратора объясняется следующим. Из уравнения (8-9-1) видно, что струнный вибратор имеет нелинейную характеристику. Если бы зависимость силы натяжения струны от угла поворота а была линейной то очевидно, что характеристика преобразователя была бы нелинейной:

где коэффициент, определяемый геометрическими размерами и материалом струны,

Квадратор позволяет преобразовать угловое перемещение входной оси а (предварительно преобразованное с помощью кулачка и гибкой ленты в поступательное перемещение) в растягивающее усилие в соответствии с зависимостью

где постоянный коэффициент,

В этом случае характеристика преобразователя будет иметь вид:

т. е. механический квадратор дает возможность линеаризовать характеристику струнного вибратора и, следовательно, всего преобразователя. Пр актически линеаризация характеристики достигается изменением жесткости пружин и подбором необходимого угла между ними.

Рис. 8-9-2. Схема частотного преобразователя со струнным вибратором типа ПС.

Электрическая схема преобразователя ПС представлена на рис. 8-9-2. С выходной диагонали моста сигнал через согласующий трансформатор поступает на транзисторный усилитель У, питаемый напряжением 24 В, частотой 50 Гц через выпрямитель В. С верхней части вторичной обмотки выходного трансформатора усилителя подается напряжение питания на возбуждающую диагональ моста. Поскольку мост включен в цепь положительной обратной связи усилителя, то система «мост—усилитель» представляет

собой автогенератор. Выходной частотный сигнал, зависящий от силы натяжения струны и, следовательно, угла поворота входной оси преобразователя, снимается с нижней части вторичной обмотки трансформатора

В рассматриваемой схеме преобразователя мост, состоящий из резисторов с активными сопротивлениями Ом, Ом и струны Ом, предназначен для разделения цепей возбуждения и съема сигнала. При неподвижной струне мост сбалансирован и напряжение питания, поданное на возбуждающую диагональ его, не проходит на диагональ съема сигнала. При возбуждении автоколебаний увеличивается эквивалентное сопротивление струны мост разбалансируется, и в диагонали съема сигнала появляется напряжение.

Для стабилизации работы моста в ширком интервале температур резистор изготовлен из медной проволоки, так как температурный коэффициент электрического сопротивления меди примерно такой же, как и вольфрама.

Преобразователь типа ПС имеет рабочие пределы изменения частоты выходного сигнала от 4 до Пределы допускаемой основной погрешности не превышают диапазона изменения частоты выходного сигнала, что составляет Нелинейность выходного сигнала не более 0,5% рабочего диапазона изменения частоты. Вариация частоты выходного сигнала не превышает рабочего диапазона частоты.

Изменение частоты выходного сигнала преобразователя, вызванное изменением температуры окружающего воздуха от до любой температуры в пределах от 5 до на каждые 10°С не превышает 0,05% нормирующего значения измеряемой величины.

Амплитудное значение э. д. с. выходного сигнала преобразователя ПС равно при сопротивлении нагрузки не менее 100 Ом. Выходной трансформатор преобразователя ПС имеет вторую вторичную обмотку для съема выходного сигнала (на рис. 8-9-2 не показана). Амплитудное значение э. д. с. выходного сигнала на второй обмотке равно 0,6 ±0,1 В. при сопротивлении нагрузки не менее 50 Ом,