Электромагнитные первичные преобразователи

Электромагнитные первичные преобразователи предназначе­ны для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи. Возможно изменение магнитного сопротивления магнитной цепи датчика за счет перемещения сердечника или изменения воздушного за­зора в магнитной цепи. В том и другом случае меняются индук­тивность и реактивное сопротивление индуктивного датчика или взаимоиндуктивность и напряжение в выходной обмотке транс­форматорного датчика.

Индуктивный преобразователь имеет одну катушку перемен­ной индуктивности L. При приложении к преобразователю переменного напряжения с амплитудой U и частотой со в нем возник­нет ток с амплитудой

где — реактивное сопротивление катушки.

Изменение индуктивности катушки L в результате перемеще­ния или поворота элементов магнитопровода при перемещении щупа датчика при постоянном напряжении питания приводит к изменению тока в измерительной цепи, которое и контролирует­ся. Так как выходной величиной индуктивных датчиков является непрерывно меняющаяся величина реактивного сопротивления, эти датчики обычно относятся к параметрическим аналоговым.

На рис. 16.3.10, а изображен преобразователь с переменным воз­душным зазором d. Рабочее перемещение подвижного сердечника составляет 0,01... 10 мм. На рис. 16.3.10, б показан преобразователь с переменной площадью воздушного зазора. Рабочее перемещение в этом случае составляет 5...20 мм.

На рис. 16.5, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью — катушка с перемещающимся сердечником.

Рисунок 16.5 - Схемы индуктивных датчиков перемещений

Рисунок 16.6 - Трансформаторный

датчик перемещений: 1 — неподвижный сердечник; 2 — ферромагнитная вставка; 3 — под­вижный сердечник

Рабочее перемещение таких датчи­ков составляет 10... 100 мм. Извест­ны и другие схемы индуктивных преобразователей.

Трансформаторные (взаимоин­дуктивные) первичные преобразо­ватели действуют по принципу транс­форматора. На рис. 6 изображена схема трансформаторного преобра­зователя, в который входят две ка­тушки и и магнитопровод, со­стоящий из П-образного неподвиж­ного сердечника 1, подвижного сер­дечника 3 и воздушного зазора ши­риной между ними. К первичной обмотке приложено переменное напряжение , возбуждающее в ней переменный ток , который в свою очередь вызывает в ней переменный магнитный поток

у

где — число витков во входной обмотке; — взаимоиндук­тивность, определяемая геометрией катушек, числом витков ка­тушек и , геометрией и материалом магнитопровода.

Магнитное поле концентрируется в замкнутом магнитопроводе так, что магнитный поток одинаков во всех поперечных сечениях магнитопровода, в том числе и в выходной обмотке

Переменный магнитный поток через обмотку вызывает в ней ЭДС

и ток

В отличие от трансформатора в преобразователе сердечник имеет меньшую взаимоиндуктивность за счет воздушного зазора. При перемещении подвижного сердечника 3 по вертикали, его пово­роте или перемещении ферромагнитной вставки 2 меняются: гео­метрия сердечника, магнитное сопротивление и магнитный по­ток в магнитной цепи и, как следствие, взаимоиндуктивность , что ведет к изменению тока и напряжения на выходной обмотке . Таким образом, в трансформаторных преобразователях есте­ственной входной величиной является перемещение или поворот элементов сердечника, естественной выходной величиной — из­менение взаимоиндуктивности и, как следствие, изменения тока и напряжения на выходной обмотке. Так как выходной величиной этих датчиков является непрерывно меняющаяся величина выходного напряжения и тока, они обычно относятся к генератор­ным аналоговым датчикам.

Возможно построение индуктивного или трансформаторного датчика силы на основе эффекта изменения магнитной проница­емости материала сердечника в результате упругих деформаций растяжения, сжатия, кручения под действием приложенных сил (так называемого магнитоупругого преобразователя). В этом слу­чае естественными входной и выходной величинами чувствитель­ного элемента являются упругая деформация сердечника и взаи­моиндуктивность. Датчики этого типа являются дискретными, инкрементными, параметрическими.

Электромагнитные датчики имеют линейную характеристику с зонами насыщения. Погрешность преобразователей с перемен­ным воздушным зазором составляет 1... 1,5 %, погрешность магнитоупругих преобразователей достигает 4 %. Как правило, пита­ние измерительной цепи индуктивных и трансформаторных пре­образователей осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжение питания не превышает 300 В, диаметр прово­да обмоток составляет не менее 0,07 мм.

Одним из основных достоинств электромагнитных преобразова­телей является возможность получения мощного выходного сигнала (1... 5 Вт), что снижает чувствительность измерительного прибора к электромагнитным помехам и позволяет использовать на выходе измерительной цепи малочувствительный указатель, например са­мописец. Лишь для малогабаритных преобразователей необходимо включать усилитель между измерительной цепью и указателем.

Существенным преимуществом индуктивных и трансформатор­ных датчиков является высокая надежность и практически неогра­ниченный срок службы благодаря отсутствию механического кон­такта подвижных частей чувствительного элемента. Для уменьше­ния погрешности датчика и обеспечения линейности его характе­ристики часто используют дифференциальный преобразователь, состоящий из двух катушек и перемещающегося магнитного сер­дечника (рис. 7, а, б). Изменение индуктивностей катушек (ак­тивных плеч неравновесного моста) при перемещении щупа про­исходит в противоположных направлениях.

Для точного измерения больших перемещений (например, пе­ремещения суппорта токарного станка) применяют линейные и круговые индуктивные преобразователи с зубчатыми сердечника­ми (рис. 7, в). При совмещении выступов подвижного и непод­вижного сердечников индуктивность максимальна, при совмеще­нии выступов впадинами — минимальна.

При перемещении подвижного сердечника реактивное сопро­тивление чувствительного элемента и ток в цепи меняются пери­одически так, что импульс в цепи соответствует перемещению щупа и сердечника на шаг зубьев.

Рисунок 16.7 - Измерительные схемы индуктивных датчиков

Рисунок 16.8 - Индуктивный датчик перемещения

Дифференциальный преобразователь строится из двух пар зуб­чатых сердечников так, что при совпадении выступов первой пары во второй паре выступ совпадает с впадиной, и пары сердечников работают в противофазе.

На рис. 8 приведена конструкция дифференциального ин­дуктивного датчика перемещений, применяемого в динамометрах для определения усилия резания. Якорь датчика с диском укреп­лен на двух упругих мембранах между катушками и цилиндричес­кими элементами магнитопровода. При перемещении якоря в осе­вом направлении зазор между диском и одной из катушек растет (индуктивность этого датчика падает), зазор между диском и дру­гой катушкой падает (индуктивность растет). Катушки включены в мостовую схему.

Одинарные индуктивные датчики применяют в качестве бес­контактных датчиков положения и концевых выключателей. Диф­ференциальные датчики позволяют замерять перемещения в диа­пазоне от сотых долей миллиметра до десятков сантиметров и Широко применяются в системах управления разного назначения.

Дата добавления: 2015-04-29