4.6. Індуктивні перетворювачі

Устрій і принцип роботи простого індуктивного перетворювача. Індуктивні перетворювачі служать для перетворення кутових і лінійних переміщень в електричний сигнал. На мал. 4.20 показана схема простого індуктивного перетворювача, що складається з магнітного осерді 1 з обмоткою 2 і якорі 3, Між полюсами осерді і якорем є повітряний зазор д. Без урахування потоків розсіяння потокозчеплення W обмотки зраджується пропорційно протікаючому в ній струму i:

де L — індуктивність обмотки; i — миттєве значення струму.

Потокозчеплення рівне Ψ = wФ, де w — число витків обмотки; Ф — магнітний потік, створюваний обмоткою.

З урахуванням останнього виразу індуктивність обмотки рівна

Магнітний потік обмотки визначається магніторушійною силою F магнітним опором перетворювача R_M:

Вираз для потоку справедливий без урахування втрат в сердечнику і якорі перетворювача. Магнітний опір перетворювача визначається магнітним опором повітряного зазора R_MB і магнітним опором осерді і якоря, виконаних із сталі, Rм.ст:

де μ₀ — магнітна постійна; S — площа поперечного перетину магнітопровода; l_СТ — довжина магнітної силової лінії в сердечнику і якорі; μ_r — відносна магнітна проникність матеріалу магнітопроводу.

Оскільки магніторушійна сила рівна F=iw, то для індуктивності обмотки одержимо наступний вираз:

Індуктивний опір обмотки

де ω=2πf, f— частота живлячої мережі.

О пір електричного ланцюга перетворювача

де R = R_H + R_П; R_H — опір навантаження;

R_П — активний опір обмотки перетворювача.

Діюче значення вихідної напруги перетворювача

(4.5)

де I, U — діючі значення струму перетворювача і напруги живлення.

З (4.5) видно, що вихідна напруга при заданих параметрах мережі і незмінних конструктивних параметрах перетворювача залежить від величини повітряного зазору. У більшості конструкцій індуктивних перетворювачів величина повітряного зазору така, що R_МВ >> R_М.СТ. Тому опором R_М.СТ можна нехтувати.

Крім того, звичний індуктивний опір обмотки значно більше її активного опору і опору навантаження. В цьому випадку для вихідної напруги можна знайти інший вираз:

У одержаному виразі змінною величиною є δ. Графік даної залежності U_ВЫХ = f(δ) є прямою, що проходить через початок координат (рис. 4.21, штрихова лінія). Реальна характеристика, приведена на рис. 4.21, побудована на підставі виразу (4.5).

Відмінність реальної характеристики від лінійної при малих значеннях δ пояснюється тим, що при таких δ магнітний опір магнітопроводу перетворювача стає сумірним з магнітним опором повітряного зазору, тому нехтування величиною R_М.СТ призводить до появи погрішності. Відхилення реальної характеристики від лінійної функції при великих значеннях δ пояснюється іншим допущенням, відповідно до якого активний опір вважається дуже малим в порівнянні з індуктивним опором обмотки. При великих значеннях δ індуктивність значно зменшується, тому індуктивний опір стає сумірним з активним опором, що і викликає відхилення характеристики.

Розглянутий індуктивний перетворювач має наступні недоліки: 1) фаза вихідної напруги залежить від величини повітряного зазору; 2) на якір постійно діє електромагнітна сила, що прагне притягти його до полюсів осерді.

Через вказані недоліки розглянуті індуктивні перетворювачі застосовуються рідко.

Реверсивні індуктивні перетворювачі. Реверсивні індуктивні перетворювачі набули найширше поширення. Існують дві основні схеми включення реверсивних індуктивних перетворювачів: диференціальна і мостова. Диференціальна схема включення показана на рис. 4.22, а. Реверсивний індуктивний перетворювач складається з двох простих. Магнітна система має два однакові осердя I і I I і спільний якір I I I. Обмотки осердь містять однакове число витків. Опір навантаження включається між середньою точкою вторинної обмотки трансформатора TV і середньою точкою обмоток осердя. При такому включенні струм навантаження рівний різниці струмів верхньої і нижньої половин схеми:

При активному навантаженні Z_Н = R_H вихідна напруга рівна

(4.6)

У нейтральному положенні якоря (х = 0) зазори між полюсами осердя і якорем однакові: δ₁ = δ₂ = δ₀ Індуктивності обмоток також рівні: L₁ = L₂, тому струми I₁ і I₂ рівні по модулю, а струм навантаження I = 0. Отже, і вихідна напруга перетворювача рівна нулю. Таким чином, при вхідному сигналі, рівному нулю, вихідний сигнал також рівний нулю.

Переміщення якоря вгору приведе до зменшення верхнього повітряного зазору і збільшення нижнього:

де х — переміщення якоря.

Зміна зазорів спричинить збільшення індуктивного опору обмотки верхнього осердя і зменшення індуктивного опору обмотки нижнього осердя. При цьому струм I₁ зменшиться, а струм I₂ зросте. У навантаженні потече результуючий струм і з'явиться вихідна напруга. Зміна напряму переміщення якоря від нейтрального положення приведе до зростання струму I₁ і зменшення струму I₂, що спричинить появу результуючого струму, фаза якого на 180º відрізнятиметься від фази результуючого струму при первинному напрямі переміщення.

Залежність напруг U₁ і U₂ від переміщення можна одержати, скориставшись кривою на рис0. 4.21. При побудові кривих слід врахувати, що δ₁ змінюється від 0 до 2δ₀ при зміні х від х_max до –x_max, а δ₂ змінюється від 0 до 2δ₀ при зміні х від –х_max до х_max. На рис. 4.22, б показані криві U₁ =f(x), U₂ =f(x) і крива вихідної напруги, побудована відповідно до виразу (4.6). Характеристика U_ВЫХ = f(x) проходить через початок координат. Зміна знаку U_ВЫХ при зміні знаку х умовно позначає зміну фази вихідної напруги перетворювача на 180°.

У мостовій схемі реверсивного індуктивного перетворювача (рис. 4.23) обмотки осердь включаються в суміжні плечі моста. Вихідна напруга знімається з однією з діагоналей моста. Воно рівне різниці напруг:

(4.7)

де

Вираз (4.7) можна представити у вигляді

О держаний вираз співпадає з (4.6). У мостовій схемі переміщення якоря також призводить до зміни струмів і появи вихідної напруги. Зміна напряму переміщення якоря викликає зміну фази вихідної напруги на 180°.

Реверсивні індуктивні перетворювачі в порівнянні з нереверсивними мають наступні переваги: 1) лінійна частина вихідної характеристики має велику протяжність; 2) електромагнітне зусилля, діюче на якір, значно менше зусилля в нереверсивному перетворювачі. Це пояснюється частковою компенсацією електромагнітних зусиль, діючих із сторони осердь I і II. Повна компенсація відбувається в нейтральному положенні якоря.

Розглянуті реверсивні індуктивні перетворювачі дозволяють вимірювати переміщення від декількох мікрон до десятих часток міліметра. Нижня межа обумовлена технологічними труднощами створення малих повітряних зазорів. Верхня межа пояснюється значним зменшенням чутливості при великих повітряних зазорах через появу потоків розсіяння.

Для вимірювання великих переміщень застосовуються циліндрові реверсивні індуктивні перетворювачі. На рис. 4.24 показаний реверсивний індуктивний перетворювач, у якого робочий діапазон вимірюваних переміщень досягає декількох міліметрів.

Магнітопровід перетворювача 2 виконується у вигляді циліндрової трубки, яка разом з двома кришками 4 виконує роль ярма. Якір 3 також має циліндрову форму. Диск 1 з феромагнітного матеріалу призначений для збільшення магнітної провідності між трубкою і якорем. По обидві сторони від диска встановлюються дві циліндрові котушки 5. Як правило, перетворювач має дві однакові котушки. Принцип дії перетворювача аналогічний принципу дії реверсивного індуктивного перетворювача, розглянутого вище.

В ключення циліндрових реверсивних індуктивних перетворювачів може вироблятися як по диференціальній, так і по мостовій схемам. Основним недоліком розглянутих індуктивних перетворювачів є наявність гальванічного зв'язку вихідного ланцюга з ланцюгом живлення, що ускладнює включення декількох перетворювачів для виконання рахунково-вирішальних операцій без застосування яких-небудь проміжних елементів.

Через електричну і магнітну асиметрію нейтральне геометричне розташування якоря (х = 0) не відповідає дійсному нейтральному положенню. Реверсивні перетворювачі мають залишкову напругу, яка містить синфазну і квадратурну складові, а також вищі гармоніки. Синфазну складову можна звести до нуля переміщенням якоря в ту або іншу сторону. Квадратурна і вищі гармонійні складові переміщенням якоря не компенсуються. Тому при будь-якому положенні якоря вихідна напруга перетворювача не рівна нулю. Початок відліку визначають при мінімальному значенні U_ВЫХ.

Індуктивні перетворювачі знайшли застосування в датчиках рівня, тиску, стабілізаторах качання, системах кренування, системах контролю за збереженням поршневих кілець дизелів, датчиках переміщення рейки паливних насосів дизеля.