Технические измерения и приборы

тра х однозначно связано с давлением в соответствии со статической характеристикой x = f (p). При дистанционном измерении необходимо преобразовать механическую величину – перемещение х – в пропорциональный электрический сигнал для передачи его по линии связи 4 к вторичному прибору 5. Преобразование осуществляется передающим преобразователем 2.

Для преобразования линейного перемещения в унифицированный выходной сигнал наибольшее распространение получили преобразователи дифференциально-трансформаторные и с магнитной компенсацией, для преобразования усилия – преобразователи с силовой компенсацией. Для преобразования деформации в электрический сигнал используются тензопреобразователи.

Применяются преобразователи со следующими унифицированными выходными сигналами: постоянный ток; напряжение постоянного тока; частотный сигнал. Сигналы переменного тока: изменения взаимной индуктивности (0…10 мГн); напряжения переменного тока.

5.1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Дифференциально-трансформаторные преобразователи (ДТП) предназначены для преобразования линейного перемещения сердечника в выходной электрический сигнал. Принцип действия основан на зависимости взаимной индуктивности между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой от положения сердечника.

Преобразователь представляет собой трансформатор (рис. 5.2, а), имеющий обмотку возбуждения 3 и две секции 1 и 2 вторичной обмотки, включенные встречно, т.е. дифференциальное включение (отсюда название – дифференциально-трансформаторный).

Создаваемый током возбуждения Iв магнитный поток обмотки возбуждения пронизывает обе секции вторичной обмотки. Часть этого потока Ф1 пронизывает секцию 1, индуцируя в ней ЭДС е1, часть потока Ф2 пронизывает секцию 2, индуцируя в ней ЭДС e2.

141

В среднем положении сердечника потоки Ф1 и Ф2, а следовательно, и взаимные индуктивности М1 и M2 равны между собой, т.е. M = 0 и E = 0. При смещении сердечника от среднего положения вверх ЭДС E будет увеличиваться. При смещении сердечника от среднего положения вниз ЭДС также будет увеличиваться (по модулю), но фаза ее будет обратной (рис. 5.2, б).

Из-за допусков, принятых при изготовлении, обычно оказывается, что ЭДС Е вторичной обмотки для различных экземпляров ДТП различна при одинаковых перемещениях х, это вызывает невзаимозаменяемость ДТП. Для унификации выходных сигналов (строго определенной для всех преобразователей зависимости выходного сигнала Uвых от входного х) в цепь вторичной обмотки введен делитель R1, R2 (рис. 5.3).

Смещением движка резистора R1 можно добиться одинаковой зависимости Uвых = f (x). Обычно Uвых выражается через взаимную индуктивность Мвых между обмоткой возбуждения и выходной цепью, а не между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой, которая использована в выражении (5.1). Для модуля Uвых это выраже-

ние имеет вид Uвых = 2 fIвMвых.

При рассмотрении метрологии ДТП обычно пользуются относительным перемещением сердечника х/хн, где хн – номинальное перемещение сердечника (перемещение сердечника при значении измеряемого параметра, соответствующем верхнему пределу измерения прибора). Для разновидностей ДТП хн = (1,6; 2,5; 4 мм) ±25 %.

Для унифицированных ДТП, в предположении отсутствия магнитных потерь, существует следующая зависимость между Мвых и относительным перемещением сердечника:

Mвых Mн x / xн , (5.2)

143

Следовательно,

Для унифицированных ДТП зависимости (5.2) и (5.3) должны быть одинаковыми, что достигается установлением одинакового значения Mн = 10 мГн для всех преобразователей. При этом графики зависимостей (5.2) и (5.3) для всех преобразователей должны совпадать (рис. 5.4).

В приборах с взаимозаменяемыми ДТП при начальном значении измеряемой величины плунжер устанавливается в среднем положении и с ее увеличением перемещается вверх, т.е. при изменении измеряемой величины в пределах диапазона измерения фаза выходного сигнала не изменяется (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Статические характеристики взаимозаменяемых ДТП

В реальных дифференциально-трансформаторных преобразователях, как и во всех трансформаторах, существуют магнитные потери, значение которых должно находиться в определенных пределах.

Схема дистанционной передачи с использованием унифицированных ДТП представлена на рис. 5.5.

Вторичный прибор содержит дифференциально-трансформатор- ный преобразователь, сердечник которого перемещается профилированным кулачком, поворачиваемым реверсивным двигателем (РД).

144

Двигатель управляется усилителем (УС), подключенным между обмотками ДТП первичного преобразователя и вторичного прибора. В схему прибора включен корректор нуля (КН), состоящий из дополнительной обмотки (ДО), намотанной поверх вторичной обмотки ДТП, и регулируемого резистора R3.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь первичного преобразователя обычно называется передающим преобразователем, ДТП вторичного прибора – компенсирующим преобразователем.

Рис. 5.5. Схема дистанционной передачи показаний с использованием взаимозаменяемых ДТП

При рассмотрении действия схемы будем считать, что сигнал корректора нуля равен нулю. Вторичные обмотки ДТП передающего и компенсирующего преобразователей включены встречно и, следовательно, на вход усилителя поступает сигнал, равный разности выходных напряжений преобразователей

145

U Uвых1 Uвых2 .

Предположим, что в первоначальный момент сердечники обоих ДТП находятся в среднем положении, т.е. Uвых1 = Uвых2 = 0.

При этом U = 0 и указатель прибора стоит на начальной отметке. При увеличении измеряемой величины Uвых1 начинает возрастать, на входе усилителя появляется отличный от нуля сигнал небаланса U, который усиливается усилителем и приводит в движение реверсивный двигатель (РД). Двигатель, поворачивая кулачок, перемещает сердечник ДТП вторичного прибора, который будет установлен в такое положение, при котором Uвых2 = Uвых1. При этом U = 0 и двигатель остановится.

При одинаковых статических характеристиках (рис. 5.4, б) в момент компенсации относительные перемещения х/хн преобразователей будут равны (при этом равными также будут взаимные индуктивности передающего Мп и компенсирующего Мк преобразователей в соответствии с рис. 5.4, а). Это означает, что каждому положению сердечника ДТП первичного преобразователя соответствует определенное положение сердечника ДТП вторичного прибора и указателя.

Поскольку положение сердечника первичного преобразователя определяется значением измеряемой величины, положение указателя вторичного прибора будет однозначно определяться значением измеряемой величины. Шкалы таких приборов градуируются в единицах измеряемой величины.

Применение корректора нуля (КН) не изменяет принципа действия прибора, однако в этом случае относительные положения х/хн сердечников уже не будут равными.

Из выражения (5.3) видно, что статические характеристики преобразователей (рис. 5.4, б) будут одинаковыми при одинаковой частоте и силе тока возбуждения. Для обеспечения этого обмотки возбуждения передающего и компенсирующего ДТП включаются последовательно (рис. 5.5). В этом случае изменение частоты или силы тока возбуждения не повлияет на состояние компенсации измерительной

схемы, так как они в равной степени изменят Uвых1 и Uвых2, т.е. напряжение на входе усилителя останется нулевым.

146

Кнопка КИ служит для контроля исправности прибора. При нажатии этой кнопки закорачивается ДТП первичного преобразователя и корректор нуля и на вход усилителя поступает сигнал только с вторичной обмотки ДТП вторичного прибора. При исправном приборе стрелка при этом должна стать на определенную отметку шкалы.

Достоинства ДТП: простое устройство, надежность в работе, малая погрешность от изменения напряжения питания и активного сопротивления линии связи, которое не должно превышать 5 Ом. Сигнал передается на расстояние до 250 м на частоте 50 Гц.

Недостатки ДТП: к первичному преобразователю с ДТП можно подключать только один вторичный прибор, необходим промежуточный нормирующий преобразователь, для конвертирования сигнала 0…10 мГн в сигнал 0…5 мА. Система дистанционной передачи с ДТП подвержена влиянию внешних магнитных полей и соседних линий связи, как и все системы передач на переменном токе, результатом такого влияния может быть значительная дополнительная погрешность. Поэтому в системах передач на переменном токе накладываются ограничения на емкость между каждой парой проводов, так как их чрезмерное увеличение также приводит к появлению дополнительной погрешности.

Указанных недостатков лишены преобразователи с магнитной компенсацией с передачей сигналов на постоянном токе.

5.2.ПЕРЕДАЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

СМАГНИТНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ

Передающие преобразователи с магнитной компенсацией предназначены для преобразования линейного перемещения чувствительного элемента в унифицированный выходной сигнал постоянного тока. Принцип действия таких преобразователей заключается в том, что управляющий магнитный поток, создаваемый в специальном устройстве – индикаторе магнитных потоков, при перемещении подвижного элемента – постоянного магнита компенсируется маг-

147

нитным потоком обратной связи, создаваемым в этом же индикаторе током обратной связи. При этом устанавливается определенная зависимость между выходным током и перемещением подвижного элемента, а значит, и значением измеряемой величины. Структурная схема преобразователя приведена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Структурная схема преобразователя с магнитной компенсацией: 1 – чувствительный элемент; 2 – постоянный магнит; 3 – индикатор магнитных потоков; 4 – усилитель; 5 – устройство обратной связи

Упругий чувствительный элемент 1 первичного преобразователя преобразует измеряемую величину y в линейное перемещение х постоянного магнита 2 преобразователя. При перемещении магнита изменяется управляющий магнитный поток ФМ, который в индикаторе магнитных потоков 3 сравнивается с магнитным потоком обратной связи о.с. На выходе индикатора появляется напряжение U, пропорциональное разности магнитных потоков = М – о.с, которое усилителем 4 преобразуется в выходной токовый сигнал Iвых.

Выходной ток Iвых поступает в линию дистанционной передачи и одновременно в устройство обратной связи 5, выходной ток которого Iо.с, создает магнитный поток Фо.с, компенсирующий магнитный поток ФМ. Таким образом, при увеличении измеряемой величины у увеличивается смещение магнита х, увеличивается управляющий магнитный поток М и, следовательно, необходимы большие выходной ток Iвых и ток обратной связи Iо.с для создания магнитного потока Фо.с, компенсирующего ФМ.

148

Магнитная система преобразователя состоит из двух магнитопроводов, двух индикаторов магнитных потоков и расположенного между ними подвижного магнита. Для упрощения рассмотрения принципа образования магнитного потока ФМ рассмотрим схему магнитных потоков лишь в одном магнитопроводе (рис. 5.7), поскольку схема потоков в другом магнитопроводе аналогична. Основной магнитный поток Ф1 постоянного магнита 1 замыкается через магнитопровод 2. Меньшие потоки Ф2 и Ф3 замыкаются через магнитопровод индикатора магнитных потоков 3. Потоки Ф2 и Ф3 направлены навстречу друг другу. Магнитный поток ФМ представляет собой разность потоков Ф2 и Ф3, т. е. результирующий поток, протекающий по магнитопроводу

индикатора, ФМ = Ф2 – Ф3.

В среднем положении магнита (рис. 5.7, а) потоки Ф2 и Ф3 равны и противоположно направлены, поэтому результирующий поток ФМ = Ф2 – Ф3 практически отсутствует. При смещении магнита, например, вправо (рис. 5.7, б) от нейтрального положения, поток Ф2 становится больше потока Ф3 и по магнитопроводу индикатора 3 начинает протекать результирующий магнитный поток ФМ = Ф2 – Ф3. определенного направления. Интенсивность этого потока зависит от степени смещения магнита, следовательно, это смещение определяется значением измеряемой величины, ФМ также зависит от этого значения. На магнитопроводе индикатора размещены обмотка возбуждения, питаемая пульсирующим током, и обмотка обратной связи, по которой протекает постоянный ток обратной связи.

Рис. 5.7. Схема образования управляющего магнитного потока

149

Преобразователь с магнитной компенсацией содержит один подвижный магнит, два вспомогательных магнитопровода и два индикатора магнитных потоков I и II (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Конструктивная схема преобразователя с магнитной компенсацией

Таким образом, электрическая схема преобразователя содержит по две обмотки возбуждения и обратной связи, расположенные на двух разных индикаторах магнитных потоков. Магнитные потоки постоянного магнита ФМ и обмотки обратной связи Фо.с в каждом индикаторе направлены навстречу друг другу, а магнитный поток обмотки возбуждения Фв в одном индикаторе (например, I) складывается с ФМ, а в другом они вычитаются (см. рис. 5.8).

Преобразование магнитного потока ФМ в постоянный выходной ток рассмотрим, используя электрическую схему преобразователя (рис. 5.9). Обмотки возбуждения wв индикаторов I и II и резисторы R1 и R2 образуют измерительный мост. В одну диагональ этого моста подводится напряжение питания Uв, а с другой снимается выходной

сигнал Uвых.

Работа преобразователя основана на использовании явления магнитного насыщения материала магнитопровода индикатора магнитных потоков. Предположим, что первоначально потоки Фо.с и ФМ

150