Индуктивные преобразователи

Работа индуктивных преобразователей основана на явлении электромагнитной индукции. Согласно этому явлению, если катушку питать переменным током, в катушке индуцируется ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции создает дополнительное индуктивное сопротивление катушки, которое пропорционально произведению L∙ ω. Тогда полное сопротивление катушки складывается из омического сопротивления R и индуктивного сопротивления Z=√ R2+(L∙ ω )², где

L – индуктивность катушки, параметр любого электромагнита, связывающий магнитный поток и силу тока;

ω – угловая частота переменного тока питания катушки,

ω =2π f=2π ∙ 50 Гц.

Свойство катушки электромагнита – изменять свое полное сопротивление при изменении индуктивности, используется в индуктивных преобразователях.

На рисунке 4.18 показана схема простого индуктивного преобразователя с изменяющимся зазором. Такой преобразователь представляет собой электромагнит, у которого катушка 1 питается переменным током постоянного напряжения. Магнитопровод выполнен из ферромагнитного материала (железо) и состоит из двух частей: неподвижной (сердечника 2) и подвижной (якоря 3). Между сердечником и якорем устанавливается воздушный зазор S.

 

 

Рис. 4.18 Схема простого индуктивного         Рис 4.19 Характеристика                                                                         преобразователя                                                         индуктивного             

                                                                                              преобразователя

Измерительный стержень 4 перемещается в направляющих 7 и жестко связан с якорем электромагнита. Измерительное усилие создается пружиной 5.Все элементы преобразователя компануются в корпусе 6.

Величина воздушного зазора S с одной стороны зависит от контролируемого параметра Н^тн, а с другой, оказывает влияние на индуктивность катушки L. Следовательно, для пользования индуктивным преобразователем необходимо знать зависимость L=f(S), которая называется характеристикой преобразователя. Для данной схемы эта зависимость имеет следующий вид:

                                                                                                                     (4.3),

                                                      (Генри)

 

n – количество витков катушки;

ℓ - длина электропровода катушки;

 S и F – величина и площадь воздушного зазора;

S₁ и F₁ – длина магнитных линий и площадь сечения магнитопровода;

μ и μ ₁ – магнитная проницаемость воздуха и материала магнитопровода.

При измерениях переменными величинами являются S и S₁. Однако эти переменные взаимозависимы. Поэтому формула (4.2) позволяет для каждого преобразователя построить зависимость L=f(S). На рисунке 4.19 в качестве примера представлена характеристика индуктивного преобразователя.

Характеристика индуктивного преобразователя позволяет получить высокую точность измерения. С другой стороны, она является нелинейной, что ограничивает возможности применения этих преобразователей. Для работы выбирают участок характеристики ∆ S с наименьшей нелинейностью, т.е. участок с примерно равной чувствительностью (передаточным отношением ^dS/_dL= Const). Этот участок определяет диапазон и пределы измерений преобразователя Q. Относительная величина ^{∆ S}/_So является параметром характеристики:

∆ S = S_max – S_min,

 

где ∆ S – диапазон измерений;

   S_max и S_min – допустимые зазоры, пределы измерений;

   S₀ = ^{(Smax +Smin)}/₂ – средняя величина зазора.

Для индуктивных преобразователей с простой схемой измерение относительный диапазон составляет ^{∆ S}/_So нелинейность весьма большая ≈ 10%. На практике это приводит к уменьшению диапазона измерений или к погрешностям измерений.

 

Рис.4.20 Схема дифференциального преобразователя

 

С целью получения более линейной характеристики применяют преобразователи с дифференциальной схемой измерения. Дифференциальные преобразователи имеют две магнитные цепи (рисунок 4.20) с общим якорем. Под влиянием контролируемого параметра d^Td величина зазоров S₁ и S₂ изменяется одинаково, но с различным знаком:

 

S₁ = S + ∆ S

S₂ = S - ∆ S.

 

При этом сопротивление в катушках первой и второй магнитной цепи составят:  

                                        ______________            

Z₁ = √ ω ² ( L - ∆ L )² + R ² _

Z₂ = √ ω ²(L + ∆ L)² + R²

Не линейность характеристики дифференциальных преобразователей порядка 1% … 2%. Кроме того, такие преобразователи имеют более высокую точность измерения (≈ в 2 раза выше точности измерения простыми преобразователями), меньше чувствительны к окружающей среде и измерениям питающего напряжения.

Включение дифференциального преобразователя в измерительную схему осуществляется по мостовой схеме. Катушки Z₁ и Z₂ преобразователя и сопротивления Z₃ и Z₄ с блоком питания в 10 кГц образуют индуктивный мост. Для получения большей отдачи мощности от преобразователя сопротивления Z₃ и Z₄ делают первичной обмоткой трансформатора. Выходное переменное напряжение в точках “а” и “б” диагонали моста через трансформатор, а затем усилитель и выпрямитель, передается на исполнительный механизм и показывающий прибор.

К достоинствам индуктивных преобразователей относятся:

- непрерывность и дистанционность измерения;

- отсутствие электромеханических контактов, что повышает надежность преобразователей;

- один источник энергии;

- компактность;

- высокая точность измерения (±0, 5 мкм)

Применение индуктивных преобразователей ограничивается следующими факторами:

- сравнительная сложность электрических элементов;

- квалифицированное обслуживание в процессе эксплуатации;

- необходимость надежной герметизации преобразователя;

- требуется жесткая стабилизация напряжения источников питания, а также внешних температурных факторов;

- вследствие нелинейности характеристики имеют сравнительно небольшой диапазон измерений (∆ S ≈ 0, 6 мм) и небольшой ход измерительного стержня (1…1, 6мм). 

Типовой индуктивный преобразователь с дифференциальной схемой измерения имеет следующие показатели:

- рабочий участок характеристики ∆ S ±0, 3мм;

- ход измерительного стержня ±0, 5…±0, 8мм;

- чувствительность на рабочем участке 0, 1мВ/мкм

- нелинейность на рабочем участке 2%

- погрешность измерения ±0, 5мкм

- измерительное усилие ±2Н

- напряжение питания 10…30В

- частота питающего тока 50кГц

В качестве материала магнитопровода рекомендуется применять листовую кремневую сталь (марки Э21, Э31). Сердечник выполняется виде Ш – и П – образных магнитопроводов.

 

 

Рис. 4.21 Схема индуктивного преобразователя с переменной площадью

 

Наряду с преобразователями с изменяющейся величиной воздушного зазора S применяются индуктивные преобразователи с переменной площадью F воздушного зазора (рисунок 4.21), которые имеют линейную характеристику L = f(F). Однако точность измерения этих преобразователей невысока (~ в 10 раз ниже). Их используют для измерений больших перемещений и в труднодоступных местах. Они очень удобны в эксплуатации вследствие своей компактности.

 

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться: