Трансформаторные преобразователи перемещения

В информационно-измерительных и вычислительных системах широко используются преобразователи перемещения. В настоящее время разработано большое разнообразие типов и конструкции трансформаторных преобразователей. Принцип действия трансформаторных (взаимоиндуктивных) преобразователей состоит в том, что изменение положения подвижного органа, воспринимающего измеряемое перемещение, вызывает изменение взаимной индукции (коэффициента взаимоиндуктивности) между двумя системами обмоток. К одной из них (первичной, или обмотки возбуждения) подводится переменное напряжение питания U_~, а с другой (вторичной, или сигнальной) обмотки снимается индуцированное в ней напряжение U_вых, зависящее от коэффициента взаимоиндукции. В качестве подвижных частей таких преобразователей чаще всего используются сердечник, обмотка и экран. Простейший трансформаторный преобразователь изображен на рисунке 2.

Якорь такого преобразователя может перемещаться вертикально, либо поворачиваться горизонтально. Так как принцип работы трансформаторных преобразователей основан на изменении взаимной индуктивности между обмоткой питания и генераторной обмоткой, изменение положения якоря приводит к изменению сопротивления магнитной цепи.

 

E_г = jωMI₁

где ω – частота питающего напряжения; M – взаимная индуктивность обмоток; I₁ – ток, протекающий в цепи первичной обмотки.

Рисунок 5.8 Простейший трансформаторный преобразователь

 

Взаимную индуктивность можно определить по формуле:

где W₂ – количество витков; Ф₂ – магнитный поток.

Ток, протекающий в первичной обмотке:

где F₁ – магнитодвижущая сила в первичной обмотке, W₁ – количество витков в первичной обмотке.

,

где  - приведенное магнитное сопротивление; Ф₂ – магнитный поток, пронизывающий вторичную обмотку.

Пренебрегая потоками рассеяния, потоками выпучивания, можно допустить, что магнитный поток, создаваемый обмоткой питания, будет равен магнитному потоку, пронизывающему вторичную обмотку. В этом случае эквивалентное сопротивление равно магнитному сопротивлению всей цепи: .

Учитывая вышеизложенные допущения, можно определить зависимость выходного напряжения от различных влияющих параметров:

,

где μ₀ – постоянная магнитной проницаемости воздуха; Q_ст – площадь поперечного сечения сердечника и якоря; δ – величина воздушного зазора.

Полученная зависимость верна при условии, что R_{м δ} = R_{м ст}.

Для поддержания постоянства величины тока возбуждения в таких преобразователях при значительных перемещениях сердечника необходимо увеличить общее активное сопротивление цепи возбуждения по сравнению с его индуктивным сопротивлением, для чего обмотка возбуждения включается в сеть последовательно через значительное активное сопротивление.

Чувствительность преобразователя можно увеличить за счет:

· увеличения ампер-витков обмотки возбуждения (до индукции в стали магнитопровода 1 – 1,5 Тл);

· увеличения удельного числа витков измерительной обмотки;

· увеличения площади зазора между подвижным сердечником и стержнем, для чего подвижный сердечник может охватить один из стержней магнитопровода;

· увеличения частоты ω;

· уменьшения зазора δ

Регулировка чувствительности производится за счет тока возбуждения и добавочного сопротивления. Чувствительность отдельных преобразователей достигает 100 В/см.

Источники основной погрешности:

· влияние магнитного сопротивления стали;

· непостоянство величины и площади зазора между стержнями вдоль их длины;

· неравномерность намотки измерительной обмотки, сказывающаяся наиболее сильно в начальной части характеристики;

· влияние собственной температуры на активную составляю­щую сопротивления обмотки, размеры зазора и магнитное сопротивление стали;

· влияние поперечных смещений сердечника.

Источники дополнительной погрешности:

· влияние внешней температуры (при изменении температуры на 10 градусов погрешность не превышает 0,033%);

· изменение частоты ω (при изменении частоты на 0,5 Гц погрешность составляет 0,001%), влияет незначительно;

· колебание напряжения питающей сети;

· влияние вибрации, приводящей к появлению дополнительной ЭДС с частотой вибрации;

· влияние внешних магнитных полей и ферромагнитных масс.

 

 5.5 Дифференциальные трансформаторные преобразователи перемещений

Конструкции трансформаторных преобразователей (ТП) перемещения с подвижным сердечником могут быть самыми разнообразными. Наиболее часто трансформаторные преобразователи выполняются по дифференциальной схеме. Рассмотрим принцип работы на примере трехстержневого ТП (рис.5.9.), состоящего из подвижного ротора 1, статора 2 с первичной обмоткой W1 и двумя вторичными обмотками W2, соединенными встречно-последовательно.

Первичная обмотка создает магнитный поток Ф₀ , составляющие которого Ф₁ и Ф₂ перераспределяются примерно пропорционально площадям перекрытия ротором крайних стержней. Потоки Ф₁ и Ф₂ наводят во вторичных обмотках ЭДС, которые в силу встречного соединения вычитаются, следовательно, в среднем положении ротора и симметричной конструкции выходной сигнал равен нулю.

Данный вариант схемы является дифференциальным по напряжению. Схема может быть дифференциальной по току, если подать питание на вторичные обмотки, а сигнал снимать с первичной. В этом случае обмотка W1 будет сцеплена с потоками, направленными встречно в среднем стержне.

Проводимость воздушных зазоров определим без учета краевых потоков (т.е. потоков вне воздушного зазора), воспользовавшись геометрическими размерами ТП (рис.5.9), тогда

, ,    

где b – ширина воздушного зазора (одинаковая для всех зазоров).

Магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, замыкается помимо воздушных зазоров между средним и боковыми стержнями (потоки утечки). В первом приближении можно считать, что проводимость утечки G_0d не зависят от положения ротора.

Рисунок 5.9.Схема дифференциального трансформаторного преобразователя

 

Для приведенной схемы замещения составим уравнения для магнитных и электрических контуров. Решая их, получим выражение для выходного напряжения:

где  - относительное изменение входного сигнала в пределах ;

X ₀ = w W ₁ ² G – реактивное сопротивление, обусловленное потокосцеплением взаимоиндукции, замыкающимся через магнитопровод ротора;

X _об = w W ₁ ² G _об – сопротивление, обусловленное потокосцеплением взаимоиндукции, замыкающимся вне магнитопровода ротора;

 ,  – приведенные к вторичной обмотке реактивные сопротивления Х₀ и Х_0d

Рассмотренный тип ТП применяется для преобразования углового перемещения в электрический сигнал в пределах 7¸10⁰ и обладает достаточно линейной характеристикой.

Вследствие значительной краевой проводимости, изменяющейся нелинейно от положения ротора, этой конструкции присуще наличие реактивного момента. Для его уменьшения и увеличения чувствительности применяют круглый статор электромашинного типа, имеющий в обоих плечах разное количество пазов. Конструктивная схема ТП, по существу включает несколько трехстержневых ТП. По отношению к трехстержневому ТП такая конструкция имеет значительные преимущества, т.к. обладает меньшей чувствительностью к эксцентриситету ротора, удобством установки в приборы и значительно меньшими реактивными моментами вследствие существенного снижения краевых эффектов.

Для ТП не удается получить нулевое значение выходного сигнала при среднем положении ротора. В лучших конструкциях ТП “нулевой” сигнал составляет десятки милливольт.

В трансформаторном преобразователе с подвижным сердечником необходимо обеспечить такой режим питания, чтобы МДС первичной обмотки, а, следовательно, и ток первичной цепи не изменялись при перемещении сердечника. Для этого в ординарных преобразователях необходимо включить в первичную цепь высокоомный добавочный резистор, а в дифференциальных преобразователях – последовательно соединить первичные обмотки, сопротивления которых изменяются с обратным знаком. Увеличение частоты питающего напряжения позволяет уменьшить как габариты преобразователей, так и реактивный момент (усилия).

Наиболее широко применяются дифференциальные трансформаторные преобразователи линейных перемещений (LVDT-датчики). Диапазон измерений таких преобразователей - от сотых долей миллиметра до десятков сантиметров.

 

Рисунок 5.10

 

 

Рисунок 5.11

 

Конструктивно преобразователь состоит из трех соосных обмоток и подвижного ферромагнитного сердечника. Сердечник короче, чем трансформатор, поэтому при его осевом перемещении изменяется коэффициент магнитной связи обмоток. На центральную обмотку подается напряжение возбуждения, с боковых обмоток снимается наведенный сигнал, пропорциональный положению сердечника. На рисунке 5.11 приведена схема включения датчика в измерительную цепь. Частота изменения входного напряжения обычно составляет единицы килогерц.

К достоинствам преобразователей с подвижным сердечником относятся:

· высокая надежность, вследствие отсутствия подвижных обмоток и контактов,

· высокая чувствительность,

· высокая точность,

· направленность действия,

· высокая перегрузочная способность.

Недостатками преобразователей являются ограничение повторяемости характеристик от образца к образцу, вследствие трудности одинакового выполнения распределенных обмоток в ряде преобразователей, высокая стоимость.

Для повышения точности, а также для уменьшения реактивных моментов и механических взаимодействий между якорем и сердечником применяют круглый статор, имеющий кратное число полюсов (чаще кратное трём). Такой преобразователь не чувствителен к эксцентриситету, отсутствует реактивный момент.

 

⇐ Предыдущая35363738394041424344Следующая ⇒

Поделиться: