Передающие преобразователи с магнитной компенсацией

Передающие преобразователи с магнитной компенсацией предназначены для преобразования линейного перемещения чувствительного элемента в унифицированный выходной сигнал постоянного тока. Принцип действия таких преобразователей заключается в том, что управляющий магнитный поток, создаваемый в специальном устройстве – индикаторе магнитных потоков, при перемещении подвижного элемента – постоянного магнита компенсируется магнитным потоком обратной связи, создаваемым в этом же индикаторе током обратной связи. При этом устанавливается определенная зависимость между выходным током и перемещением подвижного элемента, а значит, и значением измеряемой величины. Структурная схема преобразователя приведена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Структурная схема преобразователя с магнитной компенсацией:

1 – чувствительный элемент; 2 – постоянный магнит; 3 – индикатор магнитных потоков;

4 – усилитель; 5 – устройство обратной связи

Упругий чувствительный элемент 1 первичного преобразователя преобразует измеряемую величину y в линейное перемещение х постоянного магнита 2 преобразователя. При перемещении магнита изменяется управляющий магнитный поток Ф_М, который в индикаторе магнитных потоков 3 сравнивается с магнитным потоком обратной связи F_о.с. На выходе индикатора появляется напряжение U, пропорциональное разности магнитных потоков DF = F_М – F_о.с, которое усилителем4 преобразуется в выходной токовый сигнал I _вых.

Выходной ток I _вых поступает в линию дистанционной передачи и одновременно в устройство обратной связи 5, выходной ток которого I _о.с, создает магнитный поток Ф_о.с, компенсирующий магнитный поток Ф_М. Таким образом, при увеличении измеряемой величины у увеличивается смещение магнита х, увеличивается управляющий магнитный поток F_М и, следовательно, необходимы большие выходной ток I _вых и ток обратной связи I _о.с для создания магнитного потока Ф_о.с, компенсирующего Ф_М.

Магнитная система преобразователя состоит из двух магнитопроводов, двух индикаторов магнитных потоков и расположенного между ними подвижного магнита. Для упрощения рассмотрения принципа образования магнитного потока Ф _М рассмотрим схему магнитных потоков лишь в одном магнитопроводе (рис. 5.7), поскольку схема потоков в другом магнитопроводе аналогична. Основной магнитный поток Ф₁ постоянного магнита 1 замыкается через магнитопровод 2. Меньшие потоки Ф₂ и Ф₃ замыкаются через магнитопровод индикатора магнитных потоков 3. Потоки Ф₂ и Ф₃ направлены навстречу друг другу. Магнитный поток Ф _М представляет собой разность потоков Ф₂ и Ф₃, т. е. результирующий поток, протекающий по магнитопроводу индикатора, Ф _М = Ф₂ – Ф₃.

В среднем положении магнита (рис. 5.7, а) потоки Ф₂ и Ф₃ равны и противоположно направлены, поэтому результирующий поток Ф _М = Ф₂ – Ф₃ практически отсутствует. При смещении магнита, например, вправо (рис. 5.7, б) от нейтрального положения, поток Ф₂ становится больше потока Ф₃ и по магнитопроводу индикатора 3 начинает протекать результирующий магнитный поток Ф _М = Ф₂ – Ф₃. определенного направления. Интенсивность этого потока зависит от степени смещения магнита, следовательно, это смещение определяется значением измеряемой величины, Ф _М также зависит от этого значения. На магнитопроводе индикатора размещены обмотка возбуждения, питаемая пульсирующим током, и обмотка обратной связи, по которой протекает постоянный ток обратной связи.

а б

Рис. 5.7. Схема образования управляющего магнитного потока

Преобразователь с магнитной компенсацией содержит один подвижный магнит, два вспомогательных магнитопровода и два индикатора магнитных потоков I и II (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Конструктивная схема преобразователя с магнитной компенсацией

Таким образом, электрическая схема преобразователя содержит по две обмотки возбуждения и обратной связи, расположенные на двух разных индикаторах магнитных потоков. Магнитные потоки постоянного магнита Ф _М и обмотки обратной связи Ф_о.с в каждом индикаторе направлены навстречу друг другу, а магнитный поток обмотки возбуждения Ф_в в одном индикаторе (например, I) складывается с Ф _М, а в другом они вычитаются (см. рис. 5.8).

Преобразование магнитного потока Ф _М в постоянный выходной ток рассмотрим, используя электрическую схему преобразователя (рис. 5.9). Обмотки возбуждения w _в индикаторов I и II и резисторы R ₁ и R ₂ образуют измерительный мост. В одну диагональ этого моста подводится напряжение питания U _в, а с другой снимается выходной сигнал U _вых.

Работа преобразователя основана на использовании явления магнитного насыщения материала магнитопровода индикатора магнитных потоков. Предположим, что первоначально потоки Ф_о.с и Ф_М равны нулю. В этом случае в магнитопроводе индикаторов присутствуют только магнитные потоки Ф_в, создаваемые токами возбуждения I ₁ и I ₂. Рассмотрим изменение этих токов во времени. Из-за наличия

Рис. 5.9. Электрическая схема преобразователя с магнитной компенсацией

диодов токи I ₁ и I ₂ проходят через обмотку возбуждения только в положительный полупериод напряжения U _в.

В промежутке t ₀… t ₁ (рис. 5.10, а, б) с возрастанием U _в возрастают токи возбуждения I ₁ и I ₂, при этом также увеличиваются магнитные потоки Ф_в.

В момент t ₁ магнитные потоки Ф_в насыщают магнитопроводы индикаторов, при этом индуктивность и полное сопротивление обмоток резко уменьшаются и значения токов резко возрастают. В интервале t ₁… t ₂ токи изменяются по синусоиде, в интервале t ₂… t ₃, токи равны нулю из-за запирания диодов, в момент t ₃ процесс изменения токов повторяется. Таким образом, в любой момент времени I ₁ = I ₂, поэтому сигнал U _вых, снимаемый с балластных сопротивлений R ₁ и R ₂,
в любой момент также равен нулю, U _вых = I ₁ R ₁ – I ₂ R ₂ и R ₁ = R ₂. При смещении магнита в обоих магнитопроводах появляется поток Ф_М постоянного магнита. Предположим, что в индикаторе I он складывается с потоком Ф_в обмотки возбуждения, а в индикаторе II вычитается (см. рис. 5.8). Это приводит к тому, что в магнитопроводе индикатора I состояние насыщения наступает раньше (момент t ₁ на рис. 5.10, в), чем в магнитопроводе индикатора II (момент t ₂ на рис. 5.10, в).

Вследствие этого резкое увеличение тока I ₁ происходит раньше, чем тока I ₂. Следовательно, в интервале t ₁÷ t ₂ ток I ₁ > I ₂ и, следовательно, падение напряжения на R ₁ будет больше, чем на R ₂, т.е. U _вых ¹ 0. Это напряжение усредняется емкостью C и поступает на вход усилителя, который преобразует его в выходной ток I _вых. Пропорциональный току I _вых ток обратной связи I _о.с вызовет появление потока Ф_о.с, компенсирующего поток Ф_М. При этом восстановится приближенное равенство I ₁ @ I ₂ для любого момента времени.

Увеличение Ф_М, при увеличении значения измеряемой величины, ведет к увеличению Ф_о.с, что обеспечивается увеличением I _вых и I _о.с. Таким образом, устанавливается однозначная зависимость между значениями измеряемой величины и выходного тока.

Рис. 5.10. Временная диаграмма токов и напряжений в схеме преобразователя с магнитной компенсацией

Достоинства: возможность подключения нескольких вторичных приборов к одному преобразователю, достаточно высокая устойчивость к вибрации и надежность.

Недостатки: высокая температурная погрешность, большое влияние на погрешность первичного преобразователя погрешностей чувствительного элемента и индикатора магнитных потоков, так как они не охвачены обратной связью. Это ограничивает возможность создания точных приборов с такими преобразователями.

Преобразователи этого типа имеют класс точности 1 и 1,5. В качестве вторичных приборов используются миллиамперметры с соответствующим диапазоном измерения.