Электромагнитные преобразователи

Электромагнитные  преобразователи

Термин "электромагнитные преобразователи" объединяет четыре типа преобразователей: индуктивные, трансформаторные, магнитоупругие и индукционные. Для всех этих преобразователей характерно использование зависимости характеристик магнитной цепи (магнитного сопротивления Им, магнитной проницаемости ц, магнитного потока Ф и др.) от величины механического воздействия на элементы этой цепи. Индуктивные преобразователи.  
 
Индуктивный преобразователь представляет собой дроссель с изменяющимся воздушным зазором или изменяющейся площадью поперечного сечения. В качестве выходного параметра в нем выступает изменение индуктивности L (или кажущегося сопротивления Z) обмотки, одетой на сердечник, при изменении величины зазора б или площади F.  
 
При большем зазоре зависимость становится весьма нелинейной. Поэтому при измерении перемещений до 5-8 мм используют преобразователи с переменной площадью, имеющие большую линейность. Весьма распространены также индуктивные преобразователи соленоидного типа с разомкнутой магнитной цепью. В этих преобразователях изменение индуктивности обмотки вызывается перемещением в катушке ферромагнитного сердечника.  
 
Преимуществом соленоидных преобразователей является возможность измерения больших (до 50-60 мм) перемещений. Существенным недостатком описанных трех преобразователей является наличие на выходе значительного "нулевого" сигнала. Для компенсации начального сигнала применяются мостовые или дифференциальные схемы, в которых обмотки включаются встречно. Мостовые и дифференциальные схемы имеют более широкий линейный участок статической характеристики, большую чувствительность и меньшую погрешность.  
 
Недостатком индуктивных и трансформаторных преобразователей является трудность регулировки и компенсации начального напряжения на выходе преобразователя. Кроме того, для уменьшения помех оба типа преобразователей нуждаются в тщательной экранировке, что увеличивает размеры и вес преобразователей. Погрешности преобразователей вызываются в основном нестабильностью напряжения и частоты источников питания, а также влиянием изменения температуры.  
 
При этом следует иметь в виду, что симметричность обеих половин преобразователя уменьшает погрешность, возникающую за счет внешних воздействий. Достоинствами преобразователей рассмотренных типов являются достаточная мощность без усилительных устройств, высокая чувствительность, сравнительная простота конструкции и эксплуатации, а также невысокая стоимость. Электрическая схема включения преобразователя в простейшем случае состоит из последовательно включенных резистора R и дросселя-преобразователя, параллельно которому включен индикатор.  
 
Питание схемы при измерении статических или медленно изменяющихся сил осуществляется обычно от сети переменного тока частотой 50 гц. Иногда для повышения чувствительности преобразователя питание производят током повышенной частоты (до 10 кгц). В последнем -случае для уменьшения потерь сердечник делается не сплошным, а набирается из тонких, изолированных друг от друга и тщательно склеенных между собой пластин.  
 
Недостатком такой простой схемы является наличие большого начального напряжения Uo, что сужает динамический диапазон и разрешающую способность измерителя. Поэтому вместо этой схемы обычно применяют дифференциальную с компенсацией начального напряжения. В этой схеме используются две цепи, в которые включены по возможности идентичные элементы: измерительный дроссель ДпР и компенсационный дроссель.  
 
При одинаковых параметрах элементов схема будет сбалансирована и ток в измерительной цепи станет равным нулю. По мере пагружения внешней силой преобразователя его сопротивление уменьшается и на выходе схемы появится ток, пропорциональный нагрузке. В магнитоупругих преобразователях трансформаторного типа в качестве переменной выходной величины, являющейся функцией приложенной силы, используется взаимная индуктивность.  
 
Поэтому такие преобразователи являются по существу трансформаторами с переменным коэффициентом трансформации. Конструктивно магнитоупругие трансформаторы выполняются в виде магнитопроводов различной конфигурации и с различным числом обмоток. В средней части магнитопровода этого преобразователя, набранного из пластин электротехнической стали, имеются четыре отверстия для размещения обмоток.  
 
Отверстия сверлятся таким образом, чтобы плоскости обмоток пересекались под прямым углом и е осями преобразователя составляли угол 45 градусов. Такое расположение обмоток приводит к тому, что при отсутствии внешних механических нагрузок напряжение на выходе преобразователя должно быть равно нулю. Однако из-за неоднородности магнитных свойств магнитопровода и технологических неточностей при изготовлении на выходе всегда будет наблюдаться некоторое напряжение, которое компенсируют магнитным шунтом или дополнительной обмоткой.  
 
Первичная обмотка преобразователей питается от источника переменного тока, частота которого выбирается из условий применения преобразователя: при измерении статических и медленно изменяющихся процессов обычно используется промышленная частота. При измерении быстроизменяющихся воздействий преобразователь может питаться постоянным током. Другим источником погрешности является гистерезис. Погрешность этого вида при статических нагрузках достигает 4%, уменьшаясь при динамических нагрузках до 1%.  
 
Для уменьшения гистерезисной погрешности сердечник следует изготовлять из ферромагнитных материалов с узкой петлей магнитного гистерезисного цикла и высоким пределом упругости. В индукционных преобразователях для преобразования механических перемещений в электрический сигнал используется известное явление электромагнитной индукции-наведение э. д. с. в электрическом контуре, в котором меняется величина магнитного потока. Величина индуцированной в катушке э. д. с. определяется зависимостью где е мгновенное значение э. д. с; w число витков катушки; Ф величина магнитного потока. 
 
Из приведенного соотношения видно, что наводимая э. д. с. зависит не от абсолютного значения величины магнитного потока, а от скорости его изменения внутри контура. Поэтому индукционные преобразователи могут применяться непосредственно только для измерения скорости перемещений. Для измерения перемещений или ускорений в контур необходимо ввести соответственно интегрирующую или дифференцирующую схему.  

Индуктивные преобразователи

Типы  индуктивных преобразователей. На рис. 7.2, а изображен наиболее распространенный преобразователь с малым воздушным зазором , длина которого изменяется под действием измеряемой величины Р (сосредоточенной силы, давления, линейного перемещения). Вследствие изменения зазора изменяется магнитное сопротивление магнитной цепи, а значит и индуктивность катушки, надетой на сердечник и включенной в цепь переменного тока. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к соответствующему изменению ее полного сопротивления Z. Таким образом, возникает функциональная зависимость между измеряемой механической величиной Р и электрическим сопротивлением Z преобразователя: и .

Преобразователь с изменяющейся в соответствии со значением измеряемой величины площадью воздушного зазора приведен на рис. 7.2, б. Преобразователи такого типа можно применять при измерении перемещений порядка 5…20 мм.

Следующим типом  индуктивных преобразователей является преобразователь с разомкнутой  магнитной цепью, изображенный на рис. 7.2, в. Он представляет собой катушку 1, внутри которой помещен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника,  следовательно, и изменение индуктивности катушки является функцией измеряемой величины  Р.

Этот тип преобразователя  применим для измерения значительных перемещений сердечника. 
 
Преобразователь, показанный на рис. 7.2, г, основан на изменении магнитного сопротивления вследствие размагничивающего действия вторичных токов.

В преобразователе (рис. 7.2, г) экранирующее действие обусловлено вторичными токами в профилированном электропроводном диске 1 из меди или алюминия.

Введение в  воздушный зазор диска эквивалентно введению в магнитную цепь реактивного  магнитного сопротивления Х_м. Таким образом, введение Х_м вызывает изменение общего магнитного сопротивления, пропорционального профилю диска, и следовательно, углу поворота. Изменяя профиль диска, можно получить любой вид зависимости индуктивности от угла поворота диска.

Преобразователи этого типа используются для измерения  угловых перемещений до 180…360^о.

Основные  соотношения для  индуктивных преобразователей. Если записать выражение для электрического сопротивления катушки индуктивного преобразователя в виде

то нетрудно установить, что Z связано с длиной воздушного зазора гиперболической зависимостью (рис. 7.3), вследствие чего при начальном зазоре линейный участок характеристики практически ограничен значением , равным .

Увеличить линейный участок характеристики можно путем использования дифференциальных преобразователей (рис. 7.4), обе катушки  которых включены обычно в два  соседних плеча моста. При Р = 0 якорь 1   (рис. 7.4) расположен симметрично относительно обоих сердечников,  и магнитные сопротивления для потоков, создаваемых обеими катушками, одинаковы. Изменения магнитных сопротивлений, происходящие под воздействием измеряемой величины Р,   имеют противоположные знаки.

Как известно, ток  I_ук в измерительной диагонали моста может быть с известным приближением выражен как

,

где k – постоянный множитель, имеющий размерность ;  Z₁ и Z₂ – сопротивления катушек преобразователя.

Так как при начальном значении измеряемой неэлектрической величины мост уравновешен

(Z₁ = Z₂) и при использовании симметричного моста Z₃ = Z₄, то под действием измеряемой величины ток изменяется согласно выражению

Функции ; и изображены на рис. 7.5, из которого видно, что линейный участок характеристики преобразователя значительно расширился по сравнению с линейным участком  характеристики одинарного преобразователя, что позволяет увеличить рабочее перемещение якоря до .

В практике нашли  применение почти исключительно  дифференциальные индуктивные преобразователи.

Объясняется это  не только большей линейностью характеристики, но главным образом меньшей погрешностью этих преобразователей. Одним из основных достоинств индуктивных преобразователей является возможность получения  большой мощности преобразователя (до 1…5 В×А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи, а при необходимости – регистрировать измеряемою величину (возможно включение на выходе цепи самописца или вибратора осциллографа без предварительного усиления). В малогабаритных преобразователях, однако, часто приходиться прибегать к включению усилителя между измерительной цепью и указателем или регистратором.