Раздел 1. Индуктивные преобразователи

Индуктивными называют такой преобразователь, который преобразует значение измеряемой величины в значение индуктивности. Он представляет собой катушку индуктивности, полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода.

На рис. 4.39 изображен самый распространенный преобра­зователь с малым воздушным зазором d, длина которого из­меняется под действием измеряемой величины Р (сосредото­ченная сила, давление, линейное перемещение).

Рис. 4.39. Устройство индуктивного преобразователя.

Вследствие изменения зазора изменяется магнитное сопротивление маг­нитной цепи, а следовательно, и индуктивность катушки, на­детой на сердечник, и включенной в цепь переменноготока.Индуктивность L этой обмотки равна

(4.13)

где R_М - полное сопротивление магнитной цепи;

Rм.ст - магнитное сопротивление участков из стали; R_d - магнитное сопротивление воздушных за­зоров; d - величина воздушного зазора; S - площадь воздушного зазора; m₀ =1,26×10^-6 Гн / м - магнитная проницаемость воздушного зазора; w - число витков катушки.

Таким образом, у данного преобразователя естественной входной величиной является перемещение сердечника 1, а вы­ходной - изменение индуктивности обмотки. Подобные пре­образователи, преобразующие значение измеряемой (механи­ческой) величины в значение индуктивности, называют индук­тивными. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к изменению ее полного сопротивления Z. Таким обра­зом, возникает функциональная зависимость между измеряе­мой механической величиной Р и электрическим сопротивле­нием Z преобразователя

Z=f(P) и D Z=f(DP).

Типы индуктивных преобразователей. На рис. 4.40, а представлен преобразователь с изменяющей­ся в соответствии со значением измеряемой величины пло­щадью воздушного зазора.

Рис. 4.40. Разновидности индуктивных преобразователей.

Преобразователи такого типа применяются при измерений перемещений порядка 5…20 мм.

На рис. 4.40,б представлен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он состоит из катушки 1, внутри которой помещен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника, а следовательно, и изменение индуктивности катушки является функцией измеряемой механической величины.

В преобразователе (рис. 4.40, в) при введении в воздушный зазор коротко замкнутого витка 1 индуктированные в витке токи создают активные потери, что эквивалентно введению в магнитную цепь реактивного магнитного сопротивления Х_М. Введение Х_М наряду с уменьшением площади рабочего воз­душного зазора вызывает увеличение общего магнитного со­противления, пропорционального перемещению витка.

Изменяя профиль диска в преобразователе (рис. 4.40, г), можно получить любой вид зависимости индуктивности от угла поворота диска. Преобразователи данного типа исполь­зуются для измерения угловых перемещений до 180…360°.

В преобразователе, применяемом для измерения угловых перемещений до 90° (рис. 4.40, д), магнитопровод состоит из не­подвижного сердечника 1 и подвижного, поворачиваемого сердечника 2. Оба сердечника выполняются из шихтованной: стали, при совпадении направлений шихтовки в сердечниках вторичные токи в пластинах сердечника 2 будут минимальны­ми, а индуктивность обмотки — максимальной. Если повер­нуть сердечник 2 относительно сердечника 1, то размагничи­вающее действие вторичных токов будет возрастать, а индук­тивность обмотки уменьшаться.

В практике нашли применение почти исключительно диф­ференциальные преобразователи. На рис. 4.41 представлены разновидности дифференциальных преобразователей.

Рис. 4.41. Разновидности дифференциальных преобразователей.

Электрическое сопротивление индуктивного преобразова­теля можно выразить в виде

(4.14)

где Z_М.СТ - комплексное магнитное сопротивление стали.

Нетрудно видеть, что Z связано с длиной d воздушного зазора гиперболической зависимостью (рис. 4.42), вследствие чего при начальном зазоре d₀ линейный участок характеристики ограничен значением D d, равным (0,1…0,15) d₀..

Рис. 4.42. Изменение магнитного сопротивления стали от величины воздушного зазора.

Увеличить линейный участок характеристики можно путем использова­ния дифференциальных преобразователей, обе катушки кото­рых включены обычно в два соседних плеча. При Р=0 (рис. 4.41, а) якорь 1 расположен симметрично относительно обеих катушек и магнитные сопротивления для потоков, соз­даваемых катушками, одинаковы. Изменения магнитных со­противлений, происходящие под воздействием измеряемой величины, имеют противоположные знаки. Ток в измеритель­ной диагонали моста может быть выражен как

(4.15)

где k - постоянный множитель, имеющий размерность В / Ом²; Z₁ и Z₂ - полные сопротивления катушек преобразова­теля.

При начальном значении измеряемой неэлектрической ве­личины мост уравновешен (Z₁ = Z₂). При использовании симметричного моста (Z_{3 =} Z₄) под действием измеряемой вели­чины ток изменяется согласно выражению

(4.16)

На рис. 4.43 изображены функции Z₁ = f₁ (d); Z₂ = f₂ (d) и (Z₁ - Z₂)= f₃ (d) применительно к рис. 4.41, а. Из характера функций видно, что линейный участок характеристики диф­ференциального преобразователя расширился по сравнению с одинарным преобразователем.

Рис. 4.43. Зависимости Z = f(d) при дифференциальном включении преобразователей.

Это позволяет увеличить рабочее перемещение D d якоря, до
D d = 0,3…0,4 (рис. 4.43). Широкое применение дифференциальных преобразователей объясняется не только большей линейностью, но значительно меньшими погрешностями.

Взаимоиндуктивные трансформаторные преобразователи. При наличии двух обмоток на магнитной цепи при измене­нии магнитного сопротивления Rм будет изменяться взаимная индуктивность М между обмотками катушек, равная

(4.17)

Преобразователи, преобразующие значение измеряемой ве­личины в значение взаимной индуктивности, называются взаи­моиндуктивными или трансформаторными.

На рис. 4.44 представлены разновидности трансформаторных преобразователей.

Рис. 4.44. Разновидности трансформаторных преобразователей.

На рис. 4.44 а) представлен транс­форматорный преобразователь с подвижным сердечником. Обмотка w₁ питается переменным током. Если э.д.с. F, т.е. ток I₁, поддерживать постоянным, то величина потока Ф и индуктированная во вторичной обмотке э.д.с. будут функция­ми длины воздушного зазора, связанной с величиной силы Р.

В преобразователе рис. 4.44 б) под воздействием измеряемой величины перемещается коротко замкнутый виток, с которым сцепляется определенная часть потока. Поток, сцепляющийся с витком, индуктирует в нем токи, зависящие от положения витка в зазоре, создает активные потери, т. е. вносит дополни­тельное реактивное магнитное сопротивление. При этом поток сцепления обмоток 1 и 2 изменяется и изменяет э.д.с. во вто­ричной обмотке.

Преобразователь (рис. 4.44 в) предназначен для измерения больших линейных перемещений и состоит из магнитопровода 3 с рабочей частью в виде двух параллельных полос, об­мотки возбуждения 1 и подвижной обмотки 2.

При перемещении обмотки 2 от положения 4 до положе­ния 5 индуктированная в обмотке 2 э. д.с. возрастает.

Преобразователи типа (рис. 4.44 г) можно применять для изме­рения больших угловых перемещений. Обмотка 2 в таком пре­образователе выполнена в виде рамки, имеющей возможность поворачиваться в кольцевом зазоре магнитной цепи 4, При крайних положениях рамки (a₁, и a₂) индуктированная в ней э.д.с. Е₂ имеет максимальное значение. По мере поворо­та рамки в горизонтальное положение э.д.с. Е₂ линейно уменьшается до нуля. Для расширения линейного участка ха­рактеристики E=f(d) трансформаторные преобразователи с подвижным сердечником и подвижным короткозамкнутым витком выполняют в виде дифференциальных.

Расчет индуктивных и взаимно индуктивных преобразова­телей складывается из определения полного магнитного со­противления R_Ì т.е. расчета его магнитной цепи и последую­щего вычисления электрических параметров (L, М) преобра­зователя.

Выбор м.д.с. катушки определяется рядом факторов, так как от м.д.с. зависят, по крайней мере, 4 величины, учет которых необходим при проектировании преобразователя:

а) значение полной мощности преобразователя, которую в первом приближении можно принять равной его реактивной мощности

(4.18)

где Р_ПР - полная мощность преобразователя; F - м. д. с.; w - круговая частота; Ф - магнитный поток.

Если мощность указателя задана, то мощность преобра­зователя должна быть в десятки - сотни раз больше мощности указателя;

б) габариты преобразователя, так как ток в проволоке и число витков катушки определяют габариты катушки;

в) температура нагрева катушки, так как эта температу­ра определяется удельной потерей активной мощности Р’ в пре­образователе, равной

где Р - активная мощность преобразователя; S - поверхность охлаждения катушки.

Так как относительное изменение сопротивления ка­тушки, 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;

г) электромеханическая сила F_Э притяжения якоря к сер­дечнику, которая равна

(4.19)

где g_d - магнитная проводимость воздушного зазора, рав­ная

отсюда

Необходимо, чтобы электромеханическая сила была много меньше усилия, вызывающего измеряемое перемещение. В противном случае работа преобразователя будет неустойчи­вой.

В зависимости от конкретных технических условий значе­ние м.д.с. определяется по одной из перечисленных величин.

Выбранное значение м.д.с. может быть обеспечено либо малым током при большом числе витков, либо большим током: при малом числе витков;

д) при определении числа витков катушки заданными ве­личинами являются м.д.с. и площадь сечения окна катушки. Ни полная мощность, ни относительная чувствительность преобразователя от числа витков не зависят

где Z - полное сопротивление.

Решение вопроса о выборе числа витков катушки опреде­ляется необходимостью правильного сочетания сопротивле­ний указателя и цепи, элементом которой является преобра­зователь.

Погрешности индуктивных преобразователей в основном обусловлены колебаниями напряжения и частоты источника питания, а также колебаниями температуры преобразователя. Для дифференциальных преобразователей с идеальной сим­метрией равновесного моста погрешности, вызванные внеш­ними факторами, отсутствуют. Однако идеальной симметрии обеих половин преобразователя достигнуть практически не­возможно, поэтому эти погрешности имеют место и в диффе­ренциальных преобразователях.

Зависимость параметров преобразователя от величины и частоты питающего напряжения обусловлена нелинейностью магнитного сопротивления стальной части магнитной цепи и резко зависит от величины индукции и режима работы пре­образователя. При работе преобразователя в цепи равновес­ного моста значение индукции в сердечнике целесообразно вы­бирать соответствующим m_макс, так как в этом случае работа измерительной цепи преобразователя практически не зависит от колебания напряжения источника питания (±50%).

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

При использовании сердечника из листовой стали можно увеличить частоту питания до 1…2 кГц, а при использовании ферритовых сердечников до 100…300 кГц.

Радикальным средством уменьшения погрешностей от внешних факторов является увеличение относительной чув­ствительности преобразователя к измеряемой величине, так как чувствительность преобразователя к внешним факторам не зависит от измеряемой величины.

Применение. Индуктивные преобразователи нашли широкое применение в практике в основном для измерения линейных и угловых перемещений.

Они применяются в таких приборах, как индуктивных толщиномер (для измерения толщины гальванических покрытий), индуктивный микрометр (для измерения линейных размеров и для отклонения от заданных размеров), индуктивный манометр (для измерения малых давлений воздуха).

Индуктивный манометр. Применяется для измерения малых давлений воздуха (от 15 Н/м², т. е. 1,5 мм вод. ст.), изме­няющихся с частотой до 800 Гц. Измеряемое давление воздей­ствует через трубку 1 на тонкую гофрированную мембрану 2, припаянную к корпусу преобразователя 8. Магнитный поток, создаваемый катушками 4, замыкается через сердечник 5, стаканы 4 и мембрану 2. При воздействии измеряемого давле­ния на мембрану с одной стороны мембрана прогибается, и магнитное сопротивление для потока одной катушки умень­шается, а для потока другой катушки увеличивается.

Катушки преобразователя включаются в соседние плечи моста, благодаря чему устраняются погрешности, обусловлен­ные влиянием изменения окружающей температуры.

Устройство индуктивного датчика манометра представлено на рис.4.45.

Рис. 4.45. Устройство индуктивного датчика манометра.

Существуют индуктивные уровнемеры, виброметры, акселе­рометры и др.