Индукционные преобразователи
Принцип действия и конструкция. Индукционнымпреобразователем называется преобразователь, принцип действия которого основан на законе электромагнитной индукции. Преобразователь имеет катушку. При воздействии входной величины на преобразователь изменяется потокосцепление Y катушки с внешним по отношению к катушке магнитном полем. При этом вкатушке наводится ЭДС
(4.131)
Потокосцепление
(4.132)
где w – число витков катушки; Ф – проходящий через нее поток; Q – площадь через которую проходит этот поток; B индукция магнитного поля.
ЭДС в катушке может наводится при изменении во времени любой из перечисленных величин w, B, Q.
В качестве примера рассмотрим преобразователь, который представляет собой магнитную систему с постоянным магнитом, в воздушном зазоре которой перемещается катушка (рис. 4.30). При движении катушки с изменением х изменяется площадь катушки, находящейся в магнитном поле, Q = bx . Это приводит к изменению потокосцепления Ф = wBb х, и в катушке наводится ЭДС
(4.133)
Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной dx/dt или угловой da /dt скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Они являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.
Различают ряд типов преобразователей. Рассмотрим их.
Преобразователи скорости вибрации.Индукционные преобразователи генерируют ЭДС только при перемещении катушки в магнитном поле. По этой причине преобразователи этого типа могут служить для преобразования линейной скорости в ЭДС на небольших длинах пути. Обычно они применяются для измерения скорости вибрации, когда ее амплитуда не превышает нескольких сантиметров. Одна из конструктивных схем преобразователя вибрационной скорости показана на рис. 4.31, a . Преобразователь имеет кольцевой магнит 1, вставленный в стальное ярмо 2 . Магнитный поток от постоянного магнита проходит по центральному цилиндрическому сердечнику через воздушный зазор и кольцевой полюсной наконечник 3 . В цилиндрическом воздушном зазоре находится намотанная на каркас катушка 4. Она может перемещаться в воздушном зазоре вдоль оси преобразователя.
Катушку условно можно разделить на три части I – III (рис. 4.31, а): I – находится вне магнитопровода, и магнитный поток в нее не заходит, II – находится в воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и цилиндрическим сердечником. Магнитный поток, пронизывающий витки этой части катушки, не меняется во времени, число витков также остается постоянным. В этой части катушки ЭДС не наводится. Часть III катушки находится вне воздушного зазора, но внутри магнитной системы. Магнитный поток, проходящий через витки этой катушки, также постоянен, но при вибрации катушки изменяется число витков. Изменение числа витков приводит к изменению потокосцепления и наводит ЭДС. Витки катушки обычно наматываются равномерно. При этом ЭДС преобразователя пропорциональна скорости вибрации.
Индукционные преобразователи могут применяться и для измерения угловой виброскорости. Схема такого преобразователя показана на рис. 4.31, б. Он состоит из постоянного магнита 1, полюсных наконечников 2 , цилиндрического стального сердечника 3 и катушки 4. Устройство преобразователя аналогично устройству магнитоэлектрического измерительного механизма. При повороте катушки вокруг оси сердечника ее потокосцепление изменяется и в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная угловой скорости.
Тахомегрические преобразователи.Преобразователи этого типа представляют собой электромашинные генераторы. В качестве примера рассмотрим синхронный* преобразователь с вращающимся постоянным магнитом (рис. 4.32, a ): он состоит из статора 1, на котором помещена обмотка, и ротора 2 с закрепленным на нем постоянным магнитом. При вращении магнита изменяется поток, проходящий через обмотку, и в ней индуцируется переменная ЭДС. Амплитуда и частота ЭДС пропорциональны частоте вращения ротора. Частота ЭДС определяется соотношением f = nр/60, где n – частота вращения, об/мин; р – число пар полюсов.
На рис. 4.32, б приведена схема тахометрического преобразователя постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита, расположенного на статоре 1. Измерительная обмотка расположена на роторе 2 , и при его вращении в ней образуется переменная ЭДС, которая снимается с вращающегося ротора и подается на статор с помощью коллектора 3 и скользящих по нему щеток. При этом переменная ЭДС выпрямляется.
Если в нагрузке преобразователя течет ток, то преобразователь отдает визмерительную цепь некоторую электрическую мощность. Эта энергия образована из механической. Механическая мощность
(4.134)
где w – угловая частота вращения ротора; М – необходимый для этого момент, он связан с электрической мощностью соотношением
(4.135)
где h – КПД.
Из приведенных соотношений видно, что с увеличением тока, генерируемого преобразователем, увеличивается момент на его валу.
Импульсные преобразователи.Преобразователь этого типа (рис. 4.33) представляет собой катушку 1 с разомкнутым ферромагнитным сердечником, установленную возле вала 2, частота вращения которого измеряется; на валу монтируется один или несколько ферромагнитных зубцов 3 . Сердечник катушки предварительно намагничивается. При вращении вала зуб проходит вблизи катушки и уменьшает магнитное сопротивление R м сердечника, как показано на графике. В соответствии с этим изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, и в ней индуцируется ЭДС е. С выводом катушки снимается последовательность двуполярных импульсов, частота которых равна частоте прохождения зубцов вблизи катушки, т.е. пропорциональна частоте вращения вала.
Вторичным преобразователем импульсного индукционного преобразователя является частотомер, проградуированный в единицах частоты вращения.
Погрешность индукционных преобразователей. ЭДС индукционных преобразователей пропорциональна скорости перемещения катушки лишь при условии, что индукция В постоянна на протяжении всего пути ее перемещения. Непостоянство индукции вызывает возникновение погрешности.
Погрешность индукционных преобразователей также во многом зависит от тока, который потребляет вторичный преобразователь. Проходя по измерительной обмотке индукционного преобразователя, этот ток создает магнитное поле, которое согласно правилу Ленца направлено встречно направлению основного поля и производит размагничивающее действие. Вследствие этого суммарная индукция уменьшается, уменьшается и ЭДС преобразователя. Это явление, имеющее место в электрических машинах и, в частности, в тахометрических преобразователях называется реакцией якоря. Вследствие реакции якоря уменьшается чувствительность тахометрического преобразователя и его функция преобразования становится нелинейной, что приводит к погрешности. Для уменьшения погрешности следует уменьшить ток преобразователя. Имеются также конструктивные методы уменьшения этой погрешности.
Описанный вид погрешности присущ тахометрическим преобразователям, поскольку их вторичными приборами служат электромеханические приборы с большим потреблением мощности.
Влияние тока нагрузки на функцию преобразования преобразователей вибрации меньше, чем на функцию преобразования тахометрических преобразователей. Нагрузкой преобразователей вибрации обычно являются электронные усилители. Они имеют большое входное сопротивление, которое ограничивает ток преобразователя и тем самым уменьшает погрешность.
Если нагрузка индукционного преобразователя потребляет значительный ток, то может возникнуть погрешность вследствие изменения внутреннего сопротивления преобразователя, поскольку изменяется падение напряжения на его внутреннем сопротивлении. Изменение внутреннего сопротивления может быть обусловлено температурными изменениями сопротивления измерительной обмотки и сопротивления линии связи со вторичным прибором. Внутреннее сопротивление тахометрического преобразователя постоянного тока нестабильно также вследствие изменения сопротивления коллектора.
При изменении частоты вращения синхронного тахометрического преобразователя изменяется как ЭДС, так и ее частота. При изменении частоты меняются его входное сопротивление и входное сопротивление его нагрузки. Изменения сопротивлений могут привести к нелинейной функции преобразования прибора в целом, даже если ЭДС тахометрического преобразователя линейно зависит от измеряемой скорости.
Выходной величиной синхронных тахометрических преобразователей является либо значение генерируемой ЭДС, либо ее частота. В последнем случае в качестве вторичного преобразователя используется частотомер. Применяемые стрелочные частотомеры не должны изменять свои показания при изменении напряжения.
Таким образом, погрешность индукционных преобразователей в значительной степени зависит от режима, в котором они работают. Наибольшая погрешность возникает в режиме, при котором через нагрузку течет значительный ток. Однако для работы в таком режиме используют наиболее простой вторичный преобразователь. Меньшие погрешности имеют место в режиме холостого хода, когда ток в измерительной катушке практически отсутствует. При работе в таком режиме требуется более сложная и дорогая аппаратура, должны использоваться измерительные механизмы повышенной чувствительности или усилительные устройства.
При измерении частоты вращения вала наименьшую погрешность можно получить, если в качестве выходной величины тахометрического преобразователя используется частота изменения ЭДС, а в качестве вторичного преобразователя – цифровой частотомер. При этом исключается влияние нестабильности величины выходного напряжения преобразователя и используется высокая точность цифрового частотомера. Однако в этом случае требуется наиболее сложная и дорогая аппаратура.