Индуктивные преобразователи

Принцип действия. Принцип действия преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи. Пример использования индуктивного датчика для регистрации крышки бутылки приведен на рис. 5.41. Преимуществами индуктивного метода измерений являются: непрерывность измерения; возможность регистрации непрерывно изменяющихся величин; возможность отсчета действительных отклонений измеряемой величины по шкале прибора; дистанционность измерений; высокая чувствительность и простота конструкции датчиков. Недостатками метода являются сравнительная сложность электрических схем включения датчиков и влияние отклонений параметров схемы на результаты измерения.

Рис. 5.41. Индуктивный датчик определяет бутылки с отсутствующими или ослабленными крышками

Индуктивный метод контроля может быть бесконтактным и контактным. В бесконтактных индуктивных измерительных системах контролируемая деталь (только из ферромагнитных материалов) непосредственно включена в магнитную цепь, образуя участок магнитопровода. В контактных индуктивных датчиках положение измерительного стержня, зависящее от контролируемого параметра, определяет взаимное положение якоря и катушек датчика и индуктивность системы. Контактные индуктивные датчики могут быть простыми или дифференциальными.

Взаимная индуктивность двух обмоток, расположенных на одном и том же магнитопроводе:

М= w ₁ w ₂/ Z _M,

где w ₁ и w ₂ – число витков первой и второй обмоток. Магнитное сопротивление определяется выражением

L_i=w /Z _M,

где R _М – активная составляющая магнитного сопротивления (рассеиванием магнитного потока пренебрегаем); l_i, s_i, μ _i– соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость i -го участка магнитопровода; μ₀ – магнитная постоянная; δ – длина воздушного зазора; s – площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода; X _M= P /(w Ф²) – реактивная составляющая магнитного сопротивления, Р– потери в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом; w – угловая частота; Ф – магнитный поток в магнитопроводе.

Рис. 5.42.Индуктивный преобразователь

Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, например, воздействия на длину δ, сечение воздушного участка магнитопровода s, на потери в магнитопроводе и другими путями.

На рис. 5.42 представлен простейший индуктивный преобразователь, состоящий из неподвижного магнитопровода 2, на котором расположена катушка 4 с числом витков w ₁, и подвижной пластины 1. Пластина 1 и магнитопровод 2 выполнены из ферромагнитного материала. Последовательно с обмоткой 4 включен миллиамперметр 3. К концам обмотки подано напряжение переменного тока U = const

Индуктивность обмотки датчика

(5.17)

где Ф – магнитный поток, I – ток, протекающий по катушке.

В индуктивных датчиках переменной величиной является индуктивное сопротивление:

X =w L_x,

где w – частота переменного тока; L_x – переменная индуктивность датчика.

Индуктивность катушек при ненасыщенном магнитопроводе:

L_x =(4p10^–9 w ² s)/d,

где w –число витков катушки; s –площадь поперечного сечения воздушного зазора, см²; d–переменная длина воздушного зазора, см.

Величину магнитного потока можно определить, используя выражение

(5.18)

где – магнитное сопротивление магнитопровода; – число витков катушки; – магнитное сопротивление участков из стали; – магнитное сопротивление воздушных участков магнитопровода; – реактивная составляющая сопротивления магнитной цепи, обусловленная потерями на вихревые токи и гистерезис.

С учетом (5.18) уравнение (5.17) примет вид

(5.19)

где –величина воздушного зазора между подвижной и неподвижной частями магнитопровода; s –площадь воздушного зазора; –магнитная проницаемость воздуха;

,

здесь –длина неподвижной и подвижной частей магнитопровода, определенная по средней линии; –магнитная проницаемость материала магнитопровода; –площадь сечения неподвижной и подвижной частей магнитопровода.

Если подвижный магнитопровод жестко соединить с объектом, перемещение x которого измеряется (рис. 5.42), то при изменении x изменяется и величина воздушного зазора , что приведет к изменению магнитного сопротивления , а следовательно, и индуктивности катушки (см. уравнение 5.19)

При изменении индуктивности катушки будет изменяться и ее индуктивное сопротивление , а следовательно, и величина тока, протекающего по катушке, имеет вид

,

где –активное сопротивление цепи; –частота переменного напряжения, питающего катушку преобразователя.

Если на магнитопровод (рис. 5.42) поместить не одну, а две обмотки с числом витков w ₁ и w ₂ соответственно, то при изменении магнитного сопротивления магнитопровода будет изменяться взаимная индуктивность М между обмотками:

.

Преобразователи, преобразующие значение изменяемого механического перемещения x в значение взаимной индуктивности обмоток, называются трансформаторными.

Очевидно, что с ростом зазора величина будет возрастать, взаимная индуктивность будет уменьшаться, следовательно, будет уменьшаться и величина ЭДС, наводимая в обмотке .

Преобразователь, изображенный на рис. 5.42, называется преобразователем с замкнутой магнитной цепью или преобразователем с малым воздушным зазором. Измеряемое перемещение таких преобразователей обычно лежит в пределах 1–5 мм.

Рис.5.43. Преобразователь с разомкнутой магнитной цепью

На рис. 5.43, а представлен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 1, внутри которой может перемещаться сердечник 2, выполненный из магнитно-мягкого материала. Сердечник связан с объектом, перемещение x которого измеряется. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Такой тип преобразования применяется для измерения перемещений от 5 до 100 мм.

Для вышерассмотренных преобразователей характерно, что сопротивление магнитных участков магнитопровода и реактивная составляющая сопротивления магнитной цепи много меньше, чем сопротивление воздушного участка магнитопровода, т.е.

и .

В связи с этим уравнение (5.19) можно представить в виде

. (5.20)

Из уравнения (5.20) видно, что индуктивность L и индуктивное сопротивление катушки w ₁ c ростом зазора изменяется по гиперболическому закону (рис. 5.44), т.е. функция преобразования нелинейна, что затрудняет ее практическое использование в измерительных приборах. На рис. 5.44 представлена зависимость комплексного сопротивления обмотки индуктивного преобразователя от величины воздушного зазора . Для уменьшения погрешности нелинейности рабочий диапазон измеряемых перемещений ограничивают величиной , где –начальное значение воздушного зазора в магнитной цепи. В этом диапазоне функцию преобразования z ₁=j(d) с погрешностью порядка 1% можно аппроксимировать прямой линией.

Рис.5.44. Зависимость индуктивного сопротивления z катушки w от зазора d

Описанный одинарный индуктивный преобразователь является электромагнитом, якорь в котором испытывает усилие притяжения со стороны электромагнита. Сила притяжения определяется производной от энергии магнитного поля по перемещению якоря и возрастает с увеличением чувствительности, нелинейно зависит от перемещения якоря и может явиться причиной погрешности преобразователя, предшествующего индуктивному. Таким образом, данный тип индуктивных преобразователей имеет ряд недостатков: их функции преобразования нелинейны; аддитивные погрешности, в частности погрешность реального преобразователя, вызванная температурным изменением активного сопротивления обмотки, велики; сила притяжения якоря значительна.

Для устранения этих недостатков используют дифференциальные индуктивные преобразователи. Они состоят из двух одинаковых одинарных преобразователей, которые имеют общий подвижный элемент. На рис. 5.43, б представлена схема такого преобразователя.

Две идентичные по параметрам катушки с числом витков и имеют общий стальной сердечник 1, симметрично расположенный внутри катушек. В этом случае индуктивные сопротивление катушек и равны, равны и их комплексные сопротивления и . При включении этих катушек в качестве плеч мостовой схемы (рис.5.43, б), в которой z₃=z₄ – постоянные комплексные сопротивления, напряжение между точками "а" и "б" измерительной диагонали моста будет равно нулю, и ток указателя УК будет также равен нулю.

При перемещении якоря одна индуктивность L ₁ возрастает, другая L ₂– уменьшается. Так, при смещении сердечника 1 на величину измеряемого перемещения x вправо индуктивное сопротивление катушки уменьшится, а катушки – возрастет, что приведет к разбалансу мостовой измерительной схемы и появлению тока в измерительной диагонали моста «а–б». Ток указателя для дифференциальной схемы включения определяется выражением

,

где , – комплексные сопротивления катушек w ₁ и w ₂ дифференциального индуктивного преобразователя перемещений; K ₁–коэффициент, зависящий от величины комплексных сопротивлений плеч мостовой схемы и от внутреннего сопротивления указателя.

Благодаря использованию этих цепей уменьшается аддитивная погрешность, улучшается линейность функции преобразования, в 2 раза возрастает чувствительность и уменьшается сила притяжения якоря. Графики изменения комплексных сопротивлений z₁ и z₂ катушек w ₁ и w ₂ дифференциального индуктивного преобразователя от перемещения х представлены на рис. 5.44. На этом же рисунке изображена функция, характеризующая закономерность изменения разности z ₁- z₂ от измеряемого перемещения x.

Из приведенного графика следует, что зависимость z ₁–z₂=j(x) имеет более линейный характер, чем каждая из функции z ₁=j(x) и z₂=j(x). Поэтому при той же допустимой погрешности аппроксимации функции преобразования (~1%), что и в обычном индуктивном преобразователе, рабочий диапазон дифференциального преобразователя расширяется примерно в 4 раза (рис. 5.44): с до . Кроме того, в таком преобразователе существенно снижаются погрешности, обусловленные влиянием изменения температуры окружающей среды, поскольку при этом параметры w ₁ и w ₂ изменяются одинаково как по величине, так и по знаку и это не приводит к появлению дополнительной аддитивной погрешности.

Погрешность индуктивных преобразователей. Температурная погрешность индуктивных преобразователей в основном обусловлена изменением активной составляющей их сопротивления. Эта погрешность аддитивна и уменьшается при применении мостовых схем. Кроме того, при изменении температуры изменяется магнитная проницаемость стали, что приводит к некоторому дополнительному изменению аддитивной и мультипликативной погрешностей.

При изменении напряжения питания меняется магнитная проницаемость магнитопровода преобразователя, а следовательно, его сопротивление и чувствительность. Изменяется также чувствительность мостовой измерительной цепи. Изменение сопротивления приводит к аддитивной погрешности и компенсируется мостовой цепью. Изменение чувствительности создает мультипликативную погрешность. Для ее уменьшения либо стабилизируют напряжение источника питания моста, либо применяют компенсационные схемы измерения.

Изменение частоты питающего напряжения приводит к изменению сопротивления резисторов, включенных в мост, и меняет чувствительность. Малую погрешность имеют мостовые схемы (рис. 5.43), у которых чувствительность в режиме холостого хода S _{сх х} не зависит от параметров цепи. У других схем для уменьшения погрешности нужно стабилизировать частоту питающего напряжения.

При перемещении якоря преобразователя изменяется выходное напряжение моста. При среднем положении якоря должно быть U _вых=0. Однако практически имеется небольшое напряжение, что приводит к аддитивной погрешности измерительного моста. Для балансировки мостов переменного тока необходима раздельная регулировка действительной и мнимой составляющих его выходного напряжения. В мостах с индуктивными преобразователями одна составляющая регулируется перемещением якоря преобразователя, другая – путем регулировки других сопротивлений (например, сопротивлений z ₃ или z ₄ в схеме рис. 5.43, б). Если регулировка сделана недостаточно тщательно, то изменением положения якоря нельзя полностью сбалансировать схему. Другая причина погрешности моста заключается в том, что в питающем напряжении помимо напряжения с основной частотой имеются составляющие с кратными частотами и с частотой промышленной сети. Реальный мост переменного тока, питающийся таким напряжением, полностью сбалансировать трудно вследствие наличия несбалансированных составляющих с частотами, отличными от основной.

Конструкция. Конструкция преобразователя определяется главным образом значением измеряемого перемещения. Габариты преобразователя выбирают, исходя из необходимой мощности выходного сигнала и других технических требований.

Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Имеются две группы преобразователей: с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением. Пример схемы преобразователя первой группы показан на рис. 5.41. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором – 0,01 – 10мм. При реализации этих преобразователях могут быть использованы ферритовые элементы 2, выпускаемые промышленностью (рис. 5.45). Для изготовления подвижного сердечника 1 используется основание такого же элемента (2), стенки которого зашлифованы.

Рис. 5.45. Индуктивный преобразователь первого типа

Рис. 5.46. Индуктивный датчик плунжерного типа

Другая модификация индуктивных датчиков, которую применяют для измерения больших перемещений, в виде катушки с подвижным внутренним сердечником (плунжерный преобразователь) показана на рис. 5.46. Преобразователь представляет собой катушку 1,из которой может выдвигаться ферромагнитный сердечник 2 (плунжер). Если сердечник полностью введен внутри катушки, на которую намотана обмотка, то ее индуктивное сопротивление максимально, а ток в обмотке имеет минимальное значение. При выводе сердечника из катушки индуктивное сопротивление уменьшается, а ток соответственно увеличивается. Этот тип преобразователя применяется для измерений значительных перемещений сердечника (от 10 до 100 мм). Их также называют индуктивными датчиками с разомкнутым магнитопроводом, поскольку даже при максимальной индуктивности обмотки основной путь магнитный поток проходит по воздуху. С этой точки зрения рассмотренные выше датчики с обмоткой на неподвижном сердечнике и с перемещающимся якорем (рис. 5.45) называют индуктивными датчиками с замкнутым магнитопроводом.

У плунжерных датчиков есть одна очень важная особенность: они позволяют получить информацию о перемещении из замкнутого, изолированного пространства. Пусть, например, надо измерить уровень какой-либо очень вредной жидкости, пары которой ядовиты, да еще находятся под большим давлением. Тогда катушку 1 плунжерного датчика (рис. 5.46) надевают на разделительную трубку 3из нержавеющей немагнитной стали, внутри которой и перемещается сердечник 2из ферромагнитного материала. Перемещение сердечника изменяет индуктивность катушки, а разделительная трубка не экранирует магнитное поле, поскольку материал трубки имеет очень малую магнитную проницаемость. Таким образом, обмотка датчика, все другие электрические элементы измерительной схемы размещены в обычных, нормальных условиях. В связи с этим про плунжерные датчики говорят, что они позволяют вывести перемещение из замкнутого объема. В этом основное преимущество плунжерных датчиков перед датчиками с замкнутым магнитопроводом. А вот по чувствительности, мощности выходного сигнала плунжерные датчики уступают индуктивным датчикам с замкнутым магнитопроводом. С помощью плунжерных датчиков могут быть реализованы такие же дифференциальные и мостовые схемы, какие были рассмотрены.

На рис. 5.47 схематически показаны конструкции различных типов индуктивных преобразователей. Индуктивный преобразователь (рис. 5.47, а) с переменной длиной воздушного зазора δ характеризуется нелинейной зависимостью L = f (δ). Такой преобразователь применяется при перемещениях якоря на расстояние 0,01 – 5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f (δ)отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рис. 5.47, б). Эти преобразователи используются при перемещениях якоря до 10– 15 мм.

Рис. 5.47. Индуктивные преобразователи с изменяющейся длиной зазора (а), с изменяющимся сечением зазора (б), плунжерный дифференциальный (в)

В индуктивных дифференциальных преобразователях (рис. 5.47, б) под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора двух электромагнитов. Верхний торец измерительного стержня 1 воздействует на якорь 2, подвешенный на плоской пружине 3. Изменение положения якоря, определяемое размером контролируемой детали 6, вызовет изменение воздушного зазора между якорем 2 и катушкой 5 простого датчика или перераспределение воздушного зазора между катушками 5 и 7 и якорем 2 дифференциального датчика. При уменьшении зазора между якорем и катушкой 5 зазор между якорем и катушкой 7 увеличивается. Изменяется одновременно индуктивность обеих катушек, поэтому чувствительность дифференциального датчика вдвое выше, чем простого. Измерительное усилие создается пружиной 4.

На рис. 5.47, в изображена принципиальная схема дифференциального индуктивного датчика плунжерного типа с экранирующими кольцами. На измерительном стержне 1 датчика, перемещающемся в направляющих 3, закреплены ферритовый якорь 2 и два медных экранирующих кольца 8 и 9. Этот датчик обладает высокой чувствительностью, так как изменение индуктивности L ₁ и L ₂ обеих катушек зависит от совместного действия двух факторов: положений сердечника и колец. Датчик питается высокочастотным напряжением 50 – 100 кГц.

Сила магнитного притяжения в простом датчике может быть значительной и измерительному стержню, перемещающему якорь, приходится ее преодолевать, что вызывает необходимость увеличения измерительного усилия и является одним из недостатков простого индуктивного датчика. В дифференциальном датчике результирующая сила магнитных притяжений якоря в воздушных промежутках со стороны электромагнитов уравновешивается, т.е. оказывается меньше, чем в недифференциальных, и измерительный стержень должен преодолевать лишь силу тяжести подвижной системы датчика и усилие в пружинном шарнире. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей схемой (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, чем обычные преобразователи, дают возможность уменьшить нелинейность функции преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов.

Индуктивные преобразователи используются для преобразования перемещения и других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент и т. д.) и характеризуются простотой и надежностью в работе. По сравнению с другими преобразователями индуктивные преобразователи отличаются большой мощностью преобразователя 1 – 5 ватт, что позволяет использовать сравнительно малочувствительный указатель на выходе измерительной цепи. Недостатком их является наличие обратного воздействия преобразователя на измеряемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную характеристику прибора.

Дата добавления: 2014-12-16