Лабораторна робота №4

Дослідження диференційного індуктивного давача (регулятора)

I. ТЕМА: Дослiдження диференцiйного iндуктивного давача (перетворювача) і використання його для активного контролю розмiрiв деталей.

II. Мета роботи

1. Ознайомитися з конструкцiєю та принципом дiї iндуктивного давача.

2. Зняти дослiдним шляхом вихiдну характеристику давача при двох значеннях напруги живлення (Iн=f()).

3. Визначити цiну подiлки i чутливiсть, а також встановити вплив напруги на точнiсть роботи давача.

III. Загальні відомості

Принцип дiї iндуктивних давачів полягає в змiнi їх iндуктивностi i взаємоiндукцiї. Iндуктивнi давачі працюють на змiнному струмi i широко використовуються в приладах автоматики для вимiрювання малих кутових i лiнiйних механiчних перемiщень. Вони можуть використовуватись також для вимiрювання та контролю рiдини, газу, температури, зусилля, швидкостi, прискорення та iн.

До переваг iндуктивних давачів вiдносяться: простота конструкцiї i надiйнiсть в роботi, так як вiдсутнiй ковзаючий контакт; відносна велика величина потужностi на виходi давача, що дає можливiсть безпосередньо до давача пiдключати контрольний прилад; можливiсть живлення промисловою частотою. Недоліком простого iндуктивного давача є залежнiсть його характеристики вiд частоти джерела живлення, що впливає на точнiсть роботи.

Простий індуктивний давач, виконаний на одному осерді являє собою магнiтний ланцюг з повiтряним зазором ₀ (мал.1а). Цифрами позначено: 1- магнiтопровiд; 2- якір; 3- котушка iндуктивностi; 4- навантаження (вимiрювальний прилад). Магнiтопровiд i якiр виготовлений з магнiтом'якого матерiалу. Вихiдним параметром iндуктивного давача є змiна iндуктивностi L (або повного опору Z) обмотки осердя при змiнi величини повiтряного зазору (і як результат, змiна струму I_н або напруги U_н на виходi).

При наявностi невеликого зазору  iндуктивнiсть котушки L (дроселя) iз змiнним зазором без врахування реактивного опору, обумовленого втратами на вихровi струми й гiстерезис:

(1)

де - кiлькiсть виткiв котушки;

Ф- магнiтний потiк, Вб;

I_н- струм котушки, А;

Магнiтний потiк:

(2)

де, R_м.ц=R_м.ст+R_м. - магнiтний опiр кола, котрий являє собою суму магнiтного опору магнiтопровода R_м.ст=l_ст./(S_м) та магнiтного опору двох повiтряних зазорiв.

(3)

тобто

де , ₀- магнiтна проникливiсть матерiалу осердя i повiтряного зазору;

δ - величина повiтряного зазору, м;

S_м=δ_б- площа перерiзу магнiтопровода або повiтряного зазору, м.

Пiдставивши (2) i (3) в (1), одержимо значення iндуктивностi дроселя:

(4)

Величина струму в котушцi:

(5)

де Z- повний опiр котушки;

R, R_н- активний опiр котушки iндуктивностi i навантаження;

ω- кругова частота змiнного струму.

Таким чином:

(6)

Н а основi аналiзу отриманого виразу можна зробити висновок, що при незмiнних конструктивних параметрах давача та при постiйнiй напрузi джерела живлення струм в колі навантаження залежить вiд величини повiтряного зазору . Ця залежнiсть відображається графiчно i називається вихiдною характеристикою давача I_н=f(δ) (мал. 1,б).

Змiнити повiтряний зазор  можна шляхом перемiщення якоря, що використовується в давачах перемiщення. Якщо в повiтряний зазор помiстити феромагнiтне тiло, розмiри якого незмiннi, а змінюються тiльки властивостi матерiалу, то такий давач може бути використаний для визначення складу даного матерiалу.

У бiльшостi конструкцiй індуктивних давачів при ненасиченому магрiтопроводi має мiсце нерiвнiсть R_ст.<<R_м.δ. При цьому активний опiр кола котушки значно менший, нiж її iндуктивний опiр, тобто (R+R_м)<<ωL.Тодi величинами R_ст та (R+R_м) в виразi (6) можна знехтувати, записавши його в спрощеному виглядi,

(7)

звідки

(4.8)

де - крутизна характеристики давача або коефiцiєнт передачі давача по струму.

Звичайно, що K₁=tgα (мал. 1,б). Дiйсна характеристика давача ВС вiдрiзняється вiд iдеальної характеристики побудованої за формулою (8). Дiлянку ОВ дiйсної характеристики iндуктивного давача визначає струм холостого ходу І_х.х. Формула (8) не враховує наявностi струму холостого ходу, так як при її виведенi не враховувалось, що матерiал магрiтопроводу не є iдеальним, тобто його магнiтний опiр R_м.ст.0. На вiдмiну вiд iдеальної характеристики дiйсна характеристика мiстить дiлянку насичення, яка визначається струмом насичення І_нас (крива ВС), тобто при великому повiтряному зазорi струм в котушцi давача не може перевищувати встановленого значення (коли ωLR+R_м).

Звичайно робочу точку iндуктивного давача вибирають посерединi прямолiнiйної характеристики (див. мал. 1,б, точка В). Цiй точцi вiдповiдає початковий струм навантаження І_н.0 i початковий зазор δ₀.

Iндуктивні давачі iз змiнним зазором мають високу чутливiсть i реагують на дуже малу змiну зазору (0,1...0,5 мм). Чутливiсть iндуктивного давача (S_д=L/δ) можна визначити з формули (4), вважаючи в нiй R_м.ст.<<R_м.δ

(4.9)

При збiльшенні зазору  рiзко падає чутливiсть, тому датчик зображений на мал.1а, може використовуватись тiльки при малих перемiщеннях якоря (0,1...0,5 мм). При бiльшому повiтряному зазорi залежнiсть L=() є суттєво нелiнiйною. При змiнi перемiщення до 5...15 мм використовують датчик iз змiною площею, повітряного зазору ( мал. 4.1 в), який має меншу нелiнiйнiсть.

Перевагами розглянутих вище iндуктивних датчикiв є:

1. висока чутливiсть;

2. надiйнiсть роботи;

3. великий строк служби;

4. велика потужнiсть на виходi ( до сотень вольт-ампер).

Недолiки:

1. нелiнiйнiсть характеристики;

2. наявнiсть струму холостого ходу на виході датчика при нульовому положенні якоря тобто при _вх=0;

3. необхiднiсть значних зусиль для перемiщення якоря, так як в процесi роботи датчика на якiр дiє тягове зусилля зi сторони електромагнiта.

Вказанi недолiки вiдсутнi в реверсивних (двотактових) датчиках, якi можуть бути виконанi або по диференцiйнiй (мал. 2,а), або по мостовiй (мал. 2,б) схемi. В принципi датчик являє собою сукупнiсть двох нереверсивних датчикiв з загальним якорем. При використаннi Ш-подiбного сталевого магнiтопроводу розмiри датчика зменшуються, крiм того, полегшуються технологiя намотки котушки. Диференцiйний iндуктивний датчик потребує два окремих джерела напруги U~/2, для чого в схемi (див.мал.2,а) використовується трансформатор ТР. Схема приведена на мал.2,б виконана по принципу мостової схеми на змiнному струмi.

При середньому положенні якоря ₀=₀, iндуктивний опiр обох котушок однаковий i струм, який протiкає в колi навантаження I_н=0. Тяговi зусилля, якi дiють на якiр вiд двох котушок взаємно компенсуються по всьому робочому дiапазонi перемiщення якоря. Однак, треба вiдмiтити, що повна компенсацiя сил можлива тiльки при середньому положеннi якоря. При найменшому вiдхиленнi якоря в ту чи iншу сторону вiд середнього положення змiнюється величина iндуктивного опору котушок i в навантаженнi з'являється струм, амплiтуда якого пропорцiйна змiщенню якоря вiд середнього положення.

Використання мостових i диференцiйних схем дозволяє значно розширити лiнiйну дiлянку статичної характеристики iндуктивного давача. Крiм того цi давачі мають бiльшу чутливiсть і меншу температурну похибку, бiльшу точнiсть.

Статична характеристика реверсивного давача зображена на мал.2,в (крива 3). Ця характеристика (загальна) побудована шляхом алгебраїчного сумування ординат характеристик кожного з нереверсивних давачів (1 i 2). Чутливiсть реверсивної схеми в два рази бiльша нiж нереверсивної. При використанi фазочутливих детекторiв можна фiксувати не тiльки величину, але й напрям змiщення якоря за допомогою приладу нульовою вiдмiткою посерединi шкали.

До недолiкiв реверсивних давачів вiдносяться:

1. технологiчна складнiсть установки на нуль (I_н.0). Пояснюється тим, що в процесi налагодження схеми важко забезпечити рiвнiсть активних i реактивних опорiв.

2. наявнiсть струму розбалансу через неповну симетрiю схеми (при _вх.=0);

3. зменшення чутливостi схеми при збiльшенi _вх.;

4. низький к.к.д. через втрати в опорах R₁ i R₂ мостових давачів (їх чутливiсть в 2 рази менша, нiж диференцiйних).