Индуктивные преобразователи

Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности,полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопрово- да. На рис. 4.46 изображен самый распространенный преобразо- ватель с малым воздушным зазором б, длина которого изменяется под действием измеряемой величины Р (сосредоточенная сила, давление, линейное перемещение).

Вследствие изменения зазора изменяется магнитное сопро- тивление магнитной цепи, а следовательно, и индуктивность ка- тушки, надетой на сердечник и включенной в цепь переменного тока. Индуктивность L этой обмотки

2

w² w

2

^R_м ^Rм.чт ^R

^Rм.чт ^

₀Q

где w – число витков катушки; R_м – полное сопротивление маг- нитной цепи; R_м.ст – магнитное сопротивление участков из стали; R_δ – магнитное сопротивление воздушных зазоров; δ – величина воздушного зазора; μ₀ – магнитная проницаемость воздушного зазора,μ₀ =1,26·10^-6 Гн/м; Q – площадь воздушного зазора.

Таким образом, у данного преобразователя естественной входной величиной является перемещение сердечника 1, а вы- ходной – изменение индуктивности обмотки 2. Подобные преоб- разователи, преобразующие значение измеряемой (механической) величины в значение индуктивности, называют индуктивными. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к изме- нению ее полного сопротивления Z. Таким образом, возникает функциональная зависимость между измеряемой механической величиной Р и электрическим полным сопротивлением Z преоб- разователя:

Z=f(P) и ∆Z=f(∆P).

^P 1

δ

2

Рис. 4.46. Устройство индуктивного преобразователя: 1 – сердечник; 2 – обмотка

На рис. 4.47, а представлен преобразователь с изменяющейся в соответствии со значением измеряемой величины площадью воздушного зазора. Преобразователи такого типа применяются при измерении перемещений порядка 5...20 мм.

На рис. 4.47, б представлен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он состоит из катушки 1, внутри которой по- мешен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника, а следо- вательно, и изменение индуктивности катушки является функци- ей измеряемой механической величины.

Δl

1

Δl _{2 1}

~

~

~

a б в

2

α

1

1

_~ α

г д

Рис. 4.47. Разновидности индуктивных преобразователей:

а – с изменяющейся площадью воздушного зазора; б – с разомкнутой магнитной цепью: 1 – катушка; 2 – сердечник; в – разновидность преобразователя

при введении в воздушный зазор витка: 1 – виток; г – с изменяющимся профилем диска; д – для измерения угловых перемещений до 90^º:

1 – неподвижный сердечник; 2 – подвижный сердечник

В преобразователе, представленном на рис. 4.47, в, при введении в воздушный зазор короткозамкнутого витка 1 индуктированные в витке токи создают активные потери, что эквивалентно введению в магнитную цепь реактивного магнитного сопротивления. Введение Х_м наряду с уменьшением плошади рабочего воздушного зазора вы- зывает увеличение общего магнитного сопротивления, пропорцио- нального перемещению витка.

Изменяя профиль диска в преобразователе (рис. 4.47, г), мож- но получить любой вид зависимости индуктивности от угла по- ворота диска. Преобразователи данного типа используются для измерения угловых перемещений до 180...360º.

В преобразователе, применяемом для измерения угловых пе- ремещений до 90º (рис. 4.47, д), магнитопровод состоит из непо- движного сердечника 1 и подвижного, поворачиваемого, сердеч- ника 2. Оба сердечника выполняются из шихтованной стали. При совпадении направлений шихтовки в сердечниках вторичные то- ки в пластинах сердечника 2 будут минимальными, а индуктив- ность обмотки – максимальной. Если повернуть сердечник 2 от- носительно сердечника 1, то размагничивающее действие вто- ричных токов будет возрастать, а индуктивность обмотки умень- шаться.

Н е д о с т а т к и : функции преобразования нелинейны, адди- тивные погрешности (например, температурная погрешность, связанная с изменением активного сопротивления обмотки) ве- лики, и сила притяженияякоря значительна.

Дифференциальные преобразователи. Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи, которые состоят из двух одинаковых одинарных преобразователей, имеющих общий подвижный элемент. Примеры схем таких преобразователей при- ведены на рис. 4.48.

1

Р

Z1 Z2

Ук

Z3 Z4

~

Ук

Z3 Z4

~

а б

α

P ^{1 1} ₁

Ук

Z3 Z4

~ в

Z1 Z2

Ук

Z3 Z4

~ г

Ук ~

д

Рис. 4. 48. Разновидности дифференциальных преобразователей:

а – с подвижным сердечником; б – с разомкнутой магнитной цепью; в – с подвижной катушкой; г – с изменяющимся профилем диска;

д – для измерения угловых перемещений; 1 – якорь

При перемещении якоря 1 индуктивность плеча Z1 возрастает, а плеча Z2 уменьшается. Благодаря использованию дифференци- альных цепей уменьшается аддитивная погрешность, улучшается линейность функции, в два раза возрастает чувствительность и уменьшается сила притяжения якоря.

Электрическое сопротивление индуктивного преобразователя можно выразить ввиде:

2

L R j

w

^Z м.ст ^

_ ,

₀ S

где Z_м.ст – комплексное магнитное сопротивление стали.

Для дифференциальных преобразователей при Р= 0 (рис. 4.48, а) якорь 1 расположен симметрично относительно обеих катушек и магнитные сопротивления для потоков, создава- емых катушками, одинаковы. Изменения магнитных сопротивле- ний, происходящие под воздействием измеряемой величины, имеют противоположные знаки. Сила тока в измерительной диа- гонали моста

I _ук k( Z₁Z ₄ Z ₂ Z₃ ),

где к – постоянный множитель, В/Ом²; Z₁ и Z₂ – полные сопро- тивления катушек преобразователя, Ом.

Широкое применение дифференциальных преобразователей объясняется не только большей линейностью функции преобра- зования, но значительно меньшими погрешностями.

Трансформаторные преобразователи. Преобразователи, преобразующие значение измеряемой величины в значение вза- имной индуктивности,называютсявзаимоиндуктивнымиили трансформаторными.

При наличии двух обмоток на магнитной цепи при изменении магнитного сопротивления R_м будет изменяться взаимная индук- тивность М между обмотками катушек:

M w₁w₂ / l_M .

Различаютдва вида трансформаторных преобразователей: с изменяющимся магнитным сопротивлением и постоянным маг- нитным сопротивлениеми подвижной обмоткой.

На рис. 4.49, а представлен трансформаторный преобразова- тель с подвижным сердечником. Обмотка питается переменным током (частотой ω).

_Р Р

1

w₂

w₁ ^Ук

w₁ ~

w₂

2

~

а б

^{1 a 2} b

^{~ 1} 2

^α2 _w1 3

^{~ w1} Δl

^w2 ^α0 4

3

α₁

в г

Рис. 4.49. Разновидности трансформаторных преобразователей:

а – с подвижным сердечником; б – с подвижной обмоткой:

1, 2 – обмотки трансформатора; в – для измерения больших линейных перемещений: 1 – обмотка возбуждения; 2 – магнитопровод;

3 – подвижная обмотка; г – для измерения больших угловых перемещений:

3, 4 – обмотки; 2 – магнитная цепь

Если магнитодвижущую силу F₁, т.е. ток I₁ поддерживать по- стоянным, то величина потока Ф и индуцированная во вторичной обмотке ЭДС будут функциями длины воздушного зазора, свя- занной с величиной силы Р соотношением:

E w Ф w

^F1 f ( P ).

2 2 2 _ZМ

В преобразователе на рис. 4.49, б под воздействием измеряе- мой величины перемешается короткозамкнутый виток, с которым

сцепляется определенная часть потока. Поток, сцепляющийся с витком, индуцирует в нем токи, зависящие от положения витка в зазоре, создает активные потери, т.е. вносит дополнительное ре- активное магнитное сопротивление При этом поток сцепления обмоток 1 и 2 изменяется и изменяет ЭДС во вторичной обмотке.

Преобразователь (рис. 4.49, в) предназначен для измерения больших линейных перемещений ∆l и состоит из магнитопровода 2 с рабочей частью в виде двух параллельных полос, обмотки возбуждения 1 и подвижной обмотки 3. При перемещении об- мотки 3 от положения а до положения b индуцированная в об- мотке 3 ЭДС возрастает.

Преобразователи, изображенные на рис. 4.49, г, можно приме- нять для измерения больших угловых перемещений. Обмотка w₁ включается в цепь переменного тока, имеющего частоту ω, и со- здает магнитный поток. Часть его проходит через обмотку 4 и наводит в ней Е₂ Обмотка 4 в таком преобразователе выполнена в виде рамки, имеющей возможность поворачиваться в кольцевом зазоре магнитной цепи 2. При крайних положениях рамки (α₁ и α₂) индуцированная в ней ЭДС E₂ имеет максимальное значение. По мере поворота рамки в горизонтальное положение ЭДС Е₂ линейно уменьшается до нуля. При переходе рамки через гори- зонтальное положение фаза Е₂ изменяетсяна 180°. Обмотка3 включается последовательно с обмоткой 4 рамки для получения изменения ЭДС преобразователя от нуля до максимума при по- вороте рамки отα₁ до α₂.

Для расширения линейного участка характеристики Е = f(δ) трансформаторные преобразователи с подвижным сердечником (рис. 4.50, а) и подвижным короткозамкнутым витком (рис. 4.50, б) выполняют в виде дифференциальных трансформаторных преоб- разователей.

Ук

Ук

^w2 ^w2

^w1 ^w1

~

^w2 w₂

^w1

~

Рис. 4.50. Дифференциальные трансформаторные преобразователи: а – с подвижным сердечником; б – с подвижным витком

Расчет индуктивных и взаимно индуктивных преобразовате- лей складывается из определения полного магнитного сопротив- ления R_м, т. е. из расчета его магнитной цепи и последующего вычисления электрических параметров (L, М) преобразователя.

Выбор МДС катушки определяется рядом факторов, так как от МДС зависят, по крайней мере, четыре величины, учет которых необходим при проектировании преобразователя:

• значение полной мощности преобразователя, которую в пер- вом приближении можно принять равной его реактивной мощности:

Р_Пр=ωФF,

где Р_Пр – полная мощность преобразователя; ω – угловая частота;

Ф – магнитный поток; F – МДС.

Если мощность указателя задана, то мощность преобразовате- ля должна быть в десятки, сотни раз больше мощности указателя:

• габаритные размеры преобразователя, так как ток в прово- локе и число витков катушки определяют габаритные размеры катушки;

• температура нагрева катушки, так как эта температура опреде- ляется удельной потерей активной мощности Р’ в преобразователе:

P’=P/S,

где P – активная мощность преобразователя; S – поверхность охлаждения катушки.

Так как относительное изменение сопротивления ∆Z/Z катуш- ки, обусловленное рабочим перемещением якоря, не превосходит практически 10...20%, то изменение сопротивления постоянному току вследствие нагрева должно быть минимальным, поэтому величину Р рекомендуется ограничивать значением 50...100 Вт/м²;

• электромеханическая сила F притяжения якоря к сердечнику:

₂ _

F_Э ( Iw ) _,

где γ_δ – магнитная проводимость воздушного зазора,

 ^S0 .

 _

Отсюда:

F ^S0 ( Iw )² .

Э _

Необходимо, чтобы электромеханическая сила была много меньше усилия, вызывающего измеряемое перемещение. В про- тивном случае работе преобразователя будет неустойчивой.

В зависимости от конкретных технических условий значение МДС определяется по одной из перечисленных выше величин. Выбранное значение МДС может быть обеспечено либо малым током при большом числе витков, либо большим током при ма- лом числе витков.

При определении числа витков катушки заданными величи- нами являются МДС и площадьсечения окна катушки. Ни полная мощность, ни относительная чувствительность преобразователя от числа витков не зависят:

P I ²Z;k ^{Z / Z}

^.

 

Решение вопроса о выборе числа витков катушки определяет- ся необходимостью правильного сочетания сопротивлений указа- теля и цепи, элементом которой является преобразователь.

Погрешности индуктивных преобразователей. В основном они обусловлены колебаниями напряжения и частоты источника питания, а также колебаниями температуры преобразователя. Для дифференциальных преобразователей с идеальной симметрией равновесного моста отсутствуют погрешности, вызванные внеш- ними факторами. Однако идеальной симметрии обеих половин преобразователя достигнуть практически невозможно, поэтому те погрешности имеют место и в дифференциальных преобразова- телях.

Зависимость параметров преобразователя от величины и ча- стоты питающего напряжения обусловлена нелинейностью маг- нитного сопротивления стальной части магнитной цепи и резко зависит от величины индукции и режима работы преобразовате- ля. При работе преобразователя в цепи равновесного моста зна- чение индукции в сердечнике целесообразно выбирать соответ- ствующим, так как в этом случае работа измерительной цепи преобразователя практически не зависит от колебания напряже- ния источника питания (±50 %).

При измерении динамических процессов частота источника питания должна быть в восемь-десять раз больше частоты изме- ряемого процесса, чтобы запись измеряемой величины проводи- лась без искажений. При низких частотах измеряемого процесса преобразователи питаются током промышленной частоты.

При использовании сердечника, сделанного из листовой ста- ли, можно увеличить частоту питания до 1...2 кГц, а при исполь- зовании ферритовых сердечников – до 100...300 кГц.

Радикальное средство уменьшения погрешностей от внешних факторов – увеличение относительной чувствительности преоб- разователя к измеряемой величине, так как чувствительность преобразователя к внешним факторам не зависит от измеряемой величины.

Индуктивные преобразователи широко применяют в основном для измерения линейных и угловых перемещений. Рассмотрим принцип использования индуктивных преобразователей для из- мерения различных неэлектрических величин.

Индуктивный микрометр. Предназначен для измерения ли- нейных размеров и для измерения отклонения от заданных раз- меров. Преобразователи индуктивных микрометров можно вы- полнить как с рычажной передачей от измерительного штока к якорю, так и без нее.

Преобразователи безрычажной передачи конструктивно проще, но обладают малой относительной чувствительностью, а следовательно, большими погрешностями, так как здесь пере- мещение якоря равно измеряемому перемещению. В преобразо- вателе с рычажной передачей перемещение якоря в десятки раз больше, чем измеряемое перемещение, что приводит к большим значениям относительной чувствительности и к малым погреш- ностям измерения. Наименьший предел измерения у подобных микрометров достигает 100 мкм, в то время как у безрычажных микрометров наименьший предел измерения составляет 300...400 мкм.

Индуктивный толщиномер. Предназначен для измерения толщины гальванических покрытий. На рис. 4.51 представлена схема прибора для измерения толщины гальванических покрытий в диапазоне 2...60 мкм.

TV3

Ук

TV1

Б TV2

~

1

Рис. 4.51. Схема прибора для измерения толщины гальванических покрытий: 1 – испытуемая деталь

Преобразователь представляет собой трансформатор TV1 с разомкнутой магнитной цепью, магнитный поток которого замы- кается через испытуемую деталь 1. Величина магнитного потока трансформатора при заданной МДС первичной обмотки зависит от толщины ее покрытия, следовательно, индуцированная во вто- ричной обмотке ЭДС будет функцией толщины покрытия. Маг- нитоэлектрический измеритель включен через выпрямительный узел. Реостат позволяет регулировать равновесие цепи. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В через трансформаторы TV2, TV3 и бареттер Б.

Индуктивный манометр. Его применяют для измерения ма- лых давлений воздуха (от 15 Н/м², т.е. 1,5 мм вод. ст.), изменяю- щихся с частотой до 800 Гц. Устройство индуктивного датчика манометра представлено на рис. 4.52. Измеряемое давление дей- ствует через трубку 1 натонкуюгофрированную мембрану 6, припаянную к корпусу преобразователя 2. Магнитный поток, со- здаваемый катушкой 5, замыкается через сердечник 3, стаканы 4

и мембрану 6.

4

5

3

6

2

1

Рис. 4.52. Устройство индуктивного датчика манометра: 1 – трубка;

2 – корпус преобразователя; 3 – сердечник; 4 – стакан; 5 – катушка;

6 – мембрана

При воздействии измеряемого давления на мембрану с одной стороны мембрана прогибается и магнитное сопротивление для потока одной катушки уменьшается, а для потока другой катуш- ки увеличивается. Катушки преобразователя включаются в со- седние плечи моста, благодаря чему устраняются погрешности, обусловленные влиянием изменения окружающей температуры.

Существуют индуктивныеуровнемеры, виброметры, акселе- рометры и др.