Индуктивные и трансформаторные преобразователи

К этому типу относятся разновидности электромагнитных преобразователей, у которых при воздействии 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 10.

Простейшие электромагнитные преобразователи малых перемещений представлены на рис. 2.1 и состоят из неподвижного П-образного магнитопровода 1 с обмоткой 2 и подвижной части магнитопровода – якоря 3.

В преобразователе на рис. 2.1,а под воздействием входной величины Х_{Н. ЭЛ.} изменяется зазор δ между подвижной и неподвижной частями магнитопровода, а в преобразователе на рис. 2.1,б изменяется площадь S₀ воздушного зазора при горизонтальном перемещении якоря 3.

Электрическое сопротивление обмотки

(2.1)

где R₀ – сопротивление постоянному току; Z_M=R_M+jX_M – магнитное сопротивление магнитопровода; ω – частота тока, проходящего через обмотку; W₁ – число витков обмотки.

Так как R_M>>jX_M, магнитное сопротивление магнитопровода будет равно

(2.2)

где l_СТ – средняя магнитных силовых линий в ферромагнитных участках магнитопровода; μ_СТ – магнитная проницаемость материала магнитопровода; S_СТ – поперечное сечение магнитопровода; δ, μ₀ и S₀ – то же для воздушных зазоров.

Тогда

(2.3)

Из последнего уравнения можно найти выражение для коэффициента самоиндукции

(2.4)

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. 2.2), то коэффициент взаимоиндукции между ними

(2.5)

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.

(2.6)

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 M=f(δ) простейших индуктивных и трансформаторных преобразователей имеют гиперболический характер (рис. 2.3). Поэтому они применяются только при преобразовании малых перемещений при начальной величине зазора δ₀ < 1 мм.

Существенное уменьшение нелинейности достигается в дифференциальных схемах рассматриваемых преобразователей. При перемещении якоря в индуктивном преобразователе на рис. 2.4 величина L₁ будет увеличиваться, а величина L₂ 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. 2.5), если включать 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 ΔU=U₁ – U₂.

Чувствительность индуктивных и трансформаторных преобразователей в соответствии с уравнением L=f(δ) и M=f(δ) будет и

Для индуктивных преобразователей при переменной площади при переменном зазоре.

Аналогично определяется чувствительность при дифференциальной схеме включения индуктивного преобразователя с двумя обмотками. При условии, что и , где Δδ – изменение воздушного зазора,

(2.6)

где U и ω – напряжение и частота источника питания мостовой схемы.

Для трансформаторных преобразователей

(2.7)

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

(2.8)

где К_ф – коэффициент формы; WI – число ампер-витков; f – частота 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 погрешность является применение дифференциальных преобразователей с двумя или четырьмя обмотками, соединенными по полумостовой схеме или схеме четырехплечного 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.

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 магнитопроводов 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. 2.1, 2.2, 2.4 – 2.6). Магнитный поток в этих преобразователях замыкается в основном по ферромагнитным участкам магнитопровода. Ограниченное применение для измерения малых перемещений находят преобразователи с разомкнутым магнитопроводом индуктивного (рис. 2.7) и трансформаторного (рис.2.8) типа, когда магнитный поток замыкается в основном через воздух.

Примером трансформаторного преобразователя с замкнутой магнитной системой и подвижной катушкой является конструкция, показанная на рис. 2.9. 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. 2.10. 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 магнитопровода (рис. 2.11) используется эффект изменения взаимоиндукции между обмотками W₁₁, W₂₁ и 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. 2.12. 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. 2.13) [11].

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 температуре окружающей среды от минус 200 до плюс 500 °С.