Индуктивные и трансформаторные преобразователи

К этому типу относятся разно­видности электромагнитных преобра­зователей, у которых под воздействием измеряемой неэлектрической величи­ны изменяются коэффициенты само­индукции или взаимоиндукции в элек­тромагнитной системе. Естественной входной величиной является линейное или угловое перемещение, а выходной — индуктивность или напряжение пе­ременного тока.

Простейшие электромагнитные преобразователи малых перемещений представлены на рис. 2.4 и состоят из неподвижного П-образного магни-топровода 1 с обмоткой 2 и подвижной части магнитопровода — якоря 3.

В преобразователе на рис. 2.4,о под воздействием входной величины Х_н._эл изменяется зазор 8 между по­движной и неподвижной частями маг­нитопровода, а в преобразователе на рис. 2.4,5 изменяется площадь s₀ воз­душного зазора при горизонтальном перемещении якоря 3.

Электрическое сопротивление об­мотки

где r₀ — сопротивление постоянному току;

Z_M = R₀ + jZ_M — магнитное со­противление магнитопровода;

ω — ча­стота тока, проходящего через обмотку W₁ — число витков обмотки;

Так как R_м, магнитное сопротивле­ние магнитопровода будет равно

где l _ст — средняя длина магнитных си­ловых линий в ферромагнитных участ­ках магнитопровода;

μ _ст — магнитная проницаемость материала магнитопро­вода;

S _ст — поперечное сечение магни­топровода;

δ, μ ₀ и S₀ — то же для воз­душных зазоров. Тогда

Из последнего уравнения можно найти выражение для коэффициента самоиндукции

Изменение величины зазора δ или площади S₀ приводит к изменению L. Такие преобразователи называют индуктивными.

Если кроме обмотки W₁ на магнитопроводе расположить обмотку W₂ (рис. 2.5), то коэффициент взаимоиндукции между ним

Преобразователи этого типа из­вестны как взаимоиндуктив­ные или трансформаторные. Если в обмотку W₁ подать переменный ток I₁ и поддерживать постоянным его значение, то ЭДС во вторичной (изме­рительной) обмотке W₂ будет функци­онально зависеть от положения якоря, т.е.

где ω — частота питающего напряже­ния;

К — коэффициент, учитывающий параметры обмотки W₁ и магнитное со­противление магнитопровода.

Как следует из выражений для коэффициентов самоиндукции и взаи­моиндукции, функции преобразования L — f(δ) или М = f(δ) простейших ин­дуктивных и трансформаторных пре­образователей имеют гиперболический характер (рис. 2.6). Поэтому они при­меняются только при преобразовании малых перемещений при начальной ве­личине зазора δ ₀ < 1 мм.

Существенное уменьшение нели­нейности достигается в дифференци­альных схемах рассматриваемых преобразователей. При перемещении яко­ря в индуктивном преобразователе на рис. 2.7 величина L₁ будет увели­чиваться, а величина L ₂ уменьшать­ся. Если включить W₁ и W₂ в со­седние плечи мостовой схемы, то на­пряжение на выходе моста переменного тока будет пропорционально разно­сти ΔL = L₁ — L₂, причем зависимость ΔL = f(δ) значительно более линейна, чем L = f(δ)

Тот же эффект можно получить в трансформаторных датчиках с дву­мя вторичными обмотками W₁ и W₂ (рис. 2.8), если включить их навстре­чу друг другу. При симметричном рас­положении якоря выходное напряже­ние будет равно нулю, при смещении якоря в ту или иную сторону на выхо­де преобразователя появится выходное напряжение Δ U = U₁ — U ₂

Чувствительность индуктивных и трансформаторных преобразователей в соответствии с уравнениями l = f(δ) и m = f(δ) будет

Для трансформаторных преобра­зователей

Мощность индуктивного преобра­зователя, являющаяся в основном ре­активной, определяется по формуле

где К_ф — коэффициент формы;

WI — число ампер-витков;

f — частота пи­тания в герцах;

R_м — активная соста­вляющая магнитного сопротивления.

Основной составляющей погреш­ности современных индуктивных и трансформаторных преобразователей является температурная погрешность. Под влиянием температуры изменя­ется активное сопротивление обмоток преобразователя, магнитная проницае­мость материала магнитопровода, гео­метрические размеры магнитопровода (начальная величина воздушного за­зора) и упругость элементов крепле­ния якоря. Наиболее радикальным способом уменьшения этих погрешно­стей является применение дифферен­циальных преобразователей с двумя или четырьмя обмотками, соединенны­ми по полумостовой схеме или схеме четырехплечевого моста. Теоретиче­ски, при условии полной идентичности обмоток и симметричных частей маг­нитопровода, можно полностью исклю­чить погрешности от внешних влияю­щих факторов.

Частота напряжения питания ин­дуктивных и трансформаторных пре­образователей выбирается из следу­ющих соображений. С одной сто­роны желательно повышать частоту напряжения питания трансформатор­ных преобразователей, так как при этом увеличивается чувствительность. Кроме того, расширяется частотный диапазон работы преобразователей из-за устранения вероятности возникно­вения биений между частотой преобра­зуемого процесса и частотой напряже­ния питания. Однако увеличение ча­стоты тока, проходящего через обмот­ки преобразователя, вызывает увели­чение потерь на гистерезис и вихре­вые токи и усиливает поверхностный эффект. Исходя из этих соображе­ний можно считать оптимальной ча­стоту питающего напряжения в преде­лах 10... 12 кГц. При изготовлении магнитопроводов из порошковых мате­риалов эта цифра может быть увели­чена до 40... 100 кГц [30].

С конструктивной точки зрения индуктивные и трансформаторные преобразователи можно разделить на преобразователи малых (от 0,01 до 10 мм) или больших (до 100 мм) ли­нейных или угловых (до 10° или до 45...60°) перемещений, преобразова­тели с замкнутым или разомкнутым магнитопроводом и преобразователи с подвижным элементом магнитопрово­да или подвижной катушкой

Для преобразования малых ли­нейных или угловых перемещений ча­ще всего используются преобразовате­ли с замкнутым магнитопроводом с по­движным якорем (рис. 2.4, 2.5, 2.7-2.9). Магнитный поток в этих преобразова­телях замыкается в основном по феромагнитным участкам магнитопровода. Ограниченное применение для из­мерения малых перемещений находят преобразователи с разомкнутым маг­нитопроводом индуктивного (рис. 2.10) и трансформаторного (рис. 2.11) типа, когда магнитный поток замыкается в основном через воздух.

Примером трансформаторного преобразователя с замкнутой магнит­ной системой и подвижной катушкой

является конструкция на рис. 2.12. При симметричном расположении ка­тушки 1 с обмоткой возбуждения отно­сительно вторичных обмоток 2 и 3 на­пряжение на этих обмотках одинаково и выходной сигнал с преобразователя при встречном включении обмоток ра­вен нулю. При смещении катушки 1 симметрия величин взаимоиндукции нарушается и на выходе появляется электрический сигнал.

Схема преобразователя с распре­деленными магнитными параметрами для измерения больших линейных пе­ремещений дана на рис. 2.13. Пре­образователь состоит из магнитопровода 1 с двумя длинными полюсны­ми наконечниками, катушки возбужде­ния W₁ и подвижной измерительной катушки W₂ При перемещении катуш­ки W₂ в направлении катушки W₁ воз­растает напряженность магнитного по­ля и, следовательно, величина индуци­рованной ЭДС.

В преобразователе больших пере­мещений с подвижным элементом маг-нитопровода (рис. 2.14) использует­ся эффект изменения взаимоиндукции между обмотками W₁₁, и W₂₁, W₁₂ W₂₂ . При симметричном расположении по­движного элемента 1 взаимоиндукция одинакова и ЭДС на концах соединен­ных встречно обмоток W₂₁ и W₂₂ рав­на нулю. При перемещении подвиж­ного элемента магнитопровода симме­трия магнитных потоков нарушается и на выходе преобразователя появляется сигнал, равный разности ЭДС е₂₁ и е₂₂.

Все рассмотренные выше кон­структивные схемы относятся к ана­логовому режиму работы индуктив­ных и трансформаторных преобразо­вателей. Однако эти преобразователи применяются и в дискретном режиме, который в принципе обеспечивает не­зависимость точности преобразования входной величины от погрешности, в частности температурной, собственно индуктивного или трансформаторного преобразователя.

Пример конструкции индуктивно­го дискретного преобразователя для измерения числа оборотов представлен на рис. 2.15. Преобразователь со­стоит из магнитопровода с катушкой, индуктивность которой меняется.

Все рассмотренные выше кон­структивные схемы относятся к ана­логовому режиму работы индуктив­ных и трансформаторных преобразо­вателей. Однако эти преобразователи применяются и в дискретном режиме, который в принципе обеспечивает не­зависимость точности преобразования входной величины от погрешности, в частности температурной, собственно индуктивного или трансформаторного преобразователя.

Пример конструкции индуктивно­го дискретного преобразователя для измерения числа оборотов представлен на рис. 2.15. Преобразователь со­стоит из магнитопровода с катушкой, индуктивность которой меняется за счет углового перемещения в непосред­ственной близости от торца магнито­провода ферромагнитной детали с вы­ступами. При этом изменение ин­дуктивности имеет импульсный харак­тер, а информативной частью выход­ного сигнала с мостовой схемы, в одно из плеч которой включен преобразова­тель, является число импульсов в еди­ницу времени.

Повышение чувствительности и точности достигается также примене­нием так называемых линейных или круговых зубчатых преобразователей (рис. 2.16) [31]

На неподвижном магнитопроводе 1 помещены обмотки W₁ и W₂, включенные по дифференциальной схеме. При перемещении якоря 2 на расстояние, равное ширине одного зуб­ца, магнитное сопротивление меняет­ся от минимального до максимального значения. Периодическое изменение магнитного сопротивления приводит к периодическому изменению выходного сигнала преобразователя, информаци­онной составляющей которого являет­ся число периодов и долей периода.

В заключение следует отметить, что к преимуществам индуктивных и трансформаторных преобразователей относятся надежность, значительная чувствительность и мощность выход­ного сигнала, возможность работы с напряжением промышленной частоты, возможность работы при температу­рах окружающей среды от —200 до +500 °С.

Дата добавления: 2014-01-07