Электромагнитные преобразователи

 

Такие преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и в зависимости от принципа действия бывают параметрическими и генераторными.

К параметрическим относятся те, в которых преобразуется выходное механическое воздействие в изменение параметров магнитной цепи – магнитной проницаемости m, магнитного сопротивления R _М, индуктивность обмотки L.

К генераторным – преобразователи индукционного типа, использующие закон электромагнитной индукции для получения выходного сигнала. Они могут быть выполнены на базе трансформаторов и электрических машин. Последняя группа – это тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы.

Значения L и М можно изменять, уменьшая или увеличивая зазор d, изменяя положение якоря, изменяя сечение S магнитного потока, поворачивая якорь относительно неподвижной части магнитной цепи, вводя в воздушный зазор пластину из ферромагнитного материала, соответственно уменьшая d₀ и магнитное сопротивление зазора.

Измерительные преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности называют индуктивными.

Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности М, принято называть трансформаторными.

; . В трансформаторных преобразо-вателях изменение взаимоиндуктив-ности М можно получить не только при изменении магнитного сопро-тивления, но и при перемещении одной из обмоток вдоль или поперек магнитной цепи. Если к замкнутой магнитной цепи преобразователя приложить сжи-

мающие, растягивающие или скручивающие усилия, то под их воздействием изменится магнитная проницаемость m₀ сердечника, что приведет к изменению магнитного сопротивления сердечника  и соответственно к изменению L или М.

Преобразователи, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленного изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называются магнитоупругими. Их широко применяют для измерения сил, давлений, моментов.

Если в зазоре постоянного магнита, или электромагнита, через обмотку которого пропускается постоянный ток, перемещать обмотку, то согласно закону электромагнитной индукции в обмотке появляется ЭДС, равная

,

где  – скорость изменения магнитного потока, сцепляющегося с витками обмотки W.

Поскольку скорость изменения магнитного потока определяется скоростью перемещения обмотки в воздушном зазоре, то преобразователь имеет естественную входную величину в виде скорости линейных или угловых перемещений, а выходная в виде индуктируемой ЭДС. Такие преобразователи называют индукционными.

 

Индуктивные датчики

 

статическая характеристика

Выходной сигнал получается в виде переменного напряжения, снимаемого с R н. Питание от сети. Зазор d меняется под воздействием перемещения якоря. Индуктивность обмотки L является функцией размера зазора. . ,  - коэффициент преобразования   Наклон характеристики   Индуктивность обмотки и ток в ней могут изменяться за счет изменения зазора или его площади. Погрешность определяется стабиль-ностью напряжения и частоты источника питания, влиянием температуры на актив-ное сопротивление обмотки и размеры рабочего зазора.

Чувствительность является нелинейной функцией – .

Анализ принципа действия и рассмотрения статической характеристики однотактного измерительного индуктивного преобразователя позволяет выявить его следующие недостатки:

- фаза выходного сигнала не зависит от направления перемещения якоря;

- для измерения перемещения в обоих направлениях необходим начальный зазор d₀, что приводит к наличию остаточного (начального значения) напряжения U _вых.о;

на якорь постоянно действует электромагнитная сила, стремящая притянуть якорь. При большой мощности выходного сигнала она может принимать существенные значения, что требует введение компенсирующих сил, создаваемых противодействующими пружинами, что усложняет устройство.

Из-за указанных недостатков однотактные индуктивные датчики используют только в качестве вспомогательных элементов.

Непосредственно для измерений применяют двухтактные датчики, которые включают по дифференциальной или мостовой схемам.

 

Дифференциальная схема включения индуктивного преобразователя требует использование трансформатора TV со средней точкой.

Оба сердечника идентичны по конструктивным и магнитным характеристикам. Расположенные на них обмотки W ₁ и W ₂ имеют также одинаковые параметры и включены последовательно – встречно.

В такой схеме ток нагрузки равен разности токов

, .

При отсутствии входного сигнала зазоры d₁ = d₂. Равны и индуктивности L ₁ = L ₂, определяемые размерами зазоров. Выходное напряжение равно нулю.

При перемещении якоря на расстояние Х d₁ и d₂ становятся неравными, что приводит к изменению индуктивностей, а, следовательно, к дисбалансу токов I ₁ и I ₂, в результате через R _н течет ток I _н и появляется выходное напряжение.

Если изменяется направление перемещения якоря, фаза выходного напряжения сдвигается на 180⁰ относительно напряжение питания, являющегося опорным.

 

d1 = d2 = d0 I 1 = I 2	d1 > d2 I 1 > I 2	d1 < d2 I 1 < I 2

 

Статическая характеристика двухтактного индуктивного измерительного преобразователя представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат под углом a = arctg К.

С увеличением входного сигнала выходная характеристика отклоняется от линейной, что объясняется уменьшением индуктивного сопротив-ления w L и приближение его к сопротивлению нагрузки. В связи с этим значение D Х для реверсивных датчиков этого типа не должно быть больше (0,3¸0,4)d0. В этом случае выходную характеристику можно считать линейной.

Чувствительность таких датчиков зависит от напряжения и частоты источника питания, сопротивление нагрузки, индуктивности обмотки и начального зазора между якорем и ярмом.

Максимальная чувствительность будет, если индуктивное сопротивление катушки равно активному сопротивлению нагрузки. В этом случае .

Мостовая схема по сравнению с дифференциальной имеет примерно в 2,8 раза меньшую относительную чувствительность при согласованной нагрузке.

Повышение питающего напряжения повышает чувствительность, но при этом растут размеры. Рост частоты уменьшает размеры датчика, но при больших значениях частот начинает сказываться влияние межвитковых емкостей, что затрудняет балансировку датчика в нейтральном положении.

Воздушный зазор в таких датчиках – от долей микрона до 3-5 мм.

 

Трансформаторные датчики

 

На сердечнике располагают две обмотки w ₁ и w ₂, они одинаковы и включены таким образом, что когда по ним протекает ток, создаваемые ими магнитные потоки Ф ₁ и Ф ₂ направлены встречно в центральном сердечнике, на котором расположена выходная обмотка w ₀.

В этом случае выходное напряжение , где f – частота сети. , . Здесь d0 = const, а якорь перемещается вдоль зазора, значение L зависит от сечения магнитного сердечника, опре-деляемого площадью S, кото-рая изменяется при перемеще-нии якоря. В нейтральном поло-жении при Х = 0 S 1 = S 2 = S 0, Ф 1 = Ф 2, U вых = 0. При перемещении якоря влево на расстояние Х

, .

Выходное напряжение датчика опишется линейной зависимостью , так как площадь перекрытия пропорциональна перемещению якоря Х, коэффициент преобразования

.

Трансформаторные датчики выгодно отличаются от индуктивных отсутствием гальванических связей между цепью питания и выходной цепью, а также простотой измерительных схем. Имеют относительно большую мощность, применяются в мостовых измерительных схемах для измерения перемещений, деформаций, контроля размеров.

Погрешность индуктивных трансформаторных датчиков определяется точностью исполнения геометрических размер сердечника, качеством материала, колебаниями напряжения и частоты питающего напряжения, изменениями температуры.

Достоинства:

- достаточно высокая выходная мощность, позволяющая обойтись без усилительных устройств;

- высокие чувствительность и разрешающая способность;

- простота конструкции;

- высокая надежность;

- малая масса и размеры при расчете на напряжение повышенной частоты;

- невысокая стоимость.

Недостатки:

- трудность регулировки и компенсации начального напряжения на выходе;

- необходимость экранирования, чтобы уменьшить уровень помех, что увеличивает размеры и массу;

- возможность работы только на переменном токе;

- ограниченность диапазона линейной статической характеристики.