2. Дифференциально-трансформаторные преобразователи и схемы дистанционной передачи

Дифференциально - трансформаторные преобразователи (ДТП) предназначены для преобразования линейного перемещения сердечника (связанного с чувствительным элементом) в выходной электрический сигнал.

Принцип действия их основан на зависимости взаимной индуктивности между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой от положения сердечника. Преобразователь представляет собой трансформатор (рис. 2,а), имеющий обмотку возбуждения 3 и две секции / и 2 вторичной обмотки, включенные встречно, дифференциально (отсюда название — дифференциально-трансформаторный).

Создаваемый током возбуждения магнитный поток обмотки возбуждения пронизывает обе секции вторичной обмотки. Часть этого потока пронизывает секцию /, индуцируя в ней ЭДС , часть потока Ф₂ пронизывает секцию 2, индуцируя в ней ЭДС Значения этих ЭДС (по модулю) могут быть легко определены через взаимные индуктивности и между обмоткой возбуждения и секциями / и 2 (потоки Φ₁ и Ф₂ однозначно связаны со значениями и ) в соответствии с выражениями

где —ток возбуждения; —его частота.

Рис. 2. Схема невзаимозаменяемого дифференциально-трансформаторного преобразователя

При изменении давления ρ прогибается мембрана 5, которая перемещает ферромагнитный сердечник (плунжер) 4. При перемещении сердечника вверх уменьшается сопротивление магнитному потоку между обмотками 3 и 1 и, наоборот, увеличивается между обмотками 3 и 2. Это приводит к увеличению потока и соответственно ЭДС и уменьшению Ф₂ и . При перемещении сердечника вниз уменьшается и увеличивается . Поскольку секции вторичной обмотки включены встречно, то ЭДС Ε всей вторичной обмотки будет определяться как разность и :

(1)

где —взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой преобразователя.

В среднем положении сердечника (когда он поровну перекрывает обе секции) потоки Ф₂ и , а следовательно, и взаимные индуктивности и М₂ равны между собой, т. е. Μ 0 и 0. При смещении сердечника от среднего положения вверх ЭДС Ε будет увеличиваться. При смещении сердечника от среднего положения вниз ЭДС также будет увеличиваться (по модулю), но фаза ее будет обратной (рис. 2,б).

Рис. 3. Схема взаимозаменяемого дифференциально-трансформаторного преобразователя

Из-за допусков, принятых при изготовлении, обычно оказывается, что ЭДС Ε вторичной обмотки для различных экземпляров ДТП различна при одинаковых перемещениях . Очевидно, что это вызывает невзаимозаменяемость ДТП. Для унификации выходных сигналов (строго определенной для всех преобразователей зависимости выходного сигнала от входного ) в цепь вторичной обмотки введен делитель , (рис. 3). Смещением движка резистора можно добиться одинаковой зависимости . Обычно выражается через взаимную индуктивность между обмоткой возбуждения и выходной цепью, а не между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой, которая использована в выражении (1). Для модуля это выражение имеет вид

При рассмотрении метрологии ДТП обычно пользуются относительным перемещением сердечника , где —номинальное перемещение сердечника (перемещение сердечника при значении измеряемого параметра, соответствующем верхнему пределу измерения прибора). Для разновидностей ДТП (1,6; 2,5; 4 мм) ±25 %. Для унифицированных ДТП в предположении отсутствия магнитных потерь существует следующая зависимость между и относительным перемещением сердечника:

(2)

где — номинальная (соответствующая ) взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и выходной цепью. Следовательно,

, (З)

Очевидно, что для унифицированных ДТП зависимости (2), и (10,3), должны быть одинаковыми, что достигается установлением одинакового значения = 10 мГн для всех преобразователей. При этом графики зависимостей (2) и (3) для всех преобразователей должны совпадать (рис. 4).

Рис. 4. Статические характеристики взаимозаменяемых ДТП

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. 4).

В реальных дифференциально-трансформаторных преобразователях, как и во всех трансформаторах, существуют магнитные потери, которые обычно учитываются путем представления выражений (2) и (3) в комплексной форме с использованием аргумента взаимной индуктивности или угла потерь. Значения этих величин должны находиться в определенных пределах. В качестве статической характеристики ДТП можно было бы принять зависимость (3), т.е. при проверке ДТП экспериментально определять зависимость и сравнивать ее с идеальной (рис. 4,б). Однако при этом необходима стабилизация частоты и тока возбуждения , что представляет определенные трудности. Поэтому практически оказывается более целесообразным в качестве статической характеристики принять зависимость (2), так, как взаимная индуктивность от f и не зависит. При этом за выходной сигнал преобразователей принимается взаимная индуктивность М_вых между выходной цепью и обмоткой возбуждения, изменяющаяся в пределах 0—10 мГн.

Схема дистанционной передачи с использованием унифицированных ДТП представлена на рис. 5.

Вторичный прибор содержит дифференциально-трансформаторный преобразователь, сердечник, которого перемещается профилированным кулачком (линейным или квадратичным), поворачиваемым реверсивным двигателем РД. Двигатель управляется усилителем УС, подключенным между обмотками ДТП первичного преобразователя и вторичного прибора. В схему прибора включен корректор нуля , состоящий из обмотки ДО, намотанной поверх вторичной обмотки ДТП, и регулируемого резистора

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

Рис. 5. Схема дистанционной передачи показаний с использованием взаимозаменяемых ДТП

Предположим, что в первоначальный момент сердечники обоих ДТП находятся в среднем положении, т. е.

При этом =0 и указатель прибора стоит на начальной отметке. При увеличении измеряемой величины начинает возрастать, на входе усилителя появляется отличный от нуля сигнал небаланса , 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 . При этом =0 и двигатель остановится. Очевидно, что при одинаковых статических характеристиках (рис. 4, б) в момент компенсации относительные перемещения преобразователей будут равны (при этом равными также будут взаимные индуктивности передающего и компенсирующего преобразователей в соответствии с рис. 4,а). Это означает, что каждому положению сердечника ДТП первичного преобразователя соответствует определенное положение сердечника ДТП вторичного прибора и жестко связанного с ним указателя.

Так как 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 не изменяет принципа действия прибора, однако в этом случае относительные положения сердечников уже не будут равными.

Из выражения (3) видно, что статические характеристики преобразователей (рис. 4, б) будут одинаковыми при одинаковой частоте и силе тока возбуждения. Для обеспечения этого обмотки возбуждения передающего и компенсирующего ДТП включаются последовательно (рис. 5). В этом случае изменение частоты или силы тока возбуждения не повлияет на состояние компенсации измерительной схемы, так как они в равной степени изменят и , т. е. напряжение на входе усилителя останется нулевым.

Кнопка служит для контроля исправности прибора. При нажатии этой кнопки закорачивается ДТП первичного преобразователя и корректор нуля и на вход усилителя поступает сигнал только со вторичной обмотки ДТП вторичного прибора. При исправном приборе стрелка при этом должна стать на начальную отметку шкалы. Существует несколько типов взаимозаменяемых вторичных приборов с дифференцально-трансформаторной схемой, различающихся размерами, типом кулачка, видом диаграммы. Однако все они имеют измерительную схему, аналогичную изображенной на рис, 5. Квадратичный кулачок используется только во вторичных приборах-расходомерах, для которых положение указателя пропорционально квадратному корню из перемещения сердечника передающего преобразователя. В приборах-уровнемерах, перепадомерах, манометрах устанавливаются линейные кулачки, т.е. имеется линейная зависимость между положением указателя и перемещением сердечника передающего первичного преобразователя.

Выпускаются следующие типы приборов: миниатюрные показывающие КПД 1, ВМД и показывающие и самопишущие КСД 1; малогабаритные показывающие с вращающимся цилиндрическим циферблатом КВД 1 и показывающие и самопишущие КСД 2; приборы с дисковой диаграммой КСД 3. Приборы КСД 1 и КСД 2 имеют прямоугольную шкалу, ширина диаграммы — соответственно 100 и 160 мм. Класс всех приборов I. Приборы могут быть снабжены либо дополнительными выходными преобразователями (ферродинамическими, частотными, пневматическими, реостатными), либо регулирующими устройствами. В приборах-расходомерах часто используется встроенное интегрирующее устройство. В эксплуатации находятся также приборы, снабженные невзаимозаменяемыми дифференциально-трансформаторными преобразователями. Электрическая схема таких преобразователей представлена на рис. 2,а.

Особенностью таких преобразователей является то, что при нулевом значении измеряемой величины сердечник находится не в среднем положении (как у взаимозаменяемых ДТП), а в крайнем нижнем, в большей степени перекрывая секцию 2. При значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу измерения, сердечник находится в крайнем верхнем положении, в большей степени перекрывая секцию 1. В обоих случаях выходной сигнал максимален по значению, но фазы его противоположны (рис. 2,б).

Кроме того, у таких преобразователей отсутствует выходной делитель напряжения, в силу чего статические характеристики отдельных экземпляров преобразователей не совпадают. Это вызывает необходимость индивидуальной градуировки измерительного комплекта, состоящего из первичного преобразователя и вторичного прибора, снабженных невзаимозаменяемыми преобразователями. При замене, например, первичного измерительного преобразователя необходимо перенастраивать кинематическую схему вторичного прибора.

Схема дистанционной передачи показаний с использованием невзаимозаменяемых ДТП аналогична представленной на рис. 5 с учетом того, что схемы и характеристики передающего и компенсирующего ДТП должны соответствовать рис. 2. Несколько иную схему может иметь корректор нуля. Невзаимозаменяемые преобразователи используются в показывающих автоматических приборах типа ДП, ЭИВ (с вращающимся цилиндрическим циферблатом), в показывающих и самопишущих приборах ДСМ (миниатюрные), ДС (малогабаритные), ЭПИД.

Дифференциально - трансформаторные преобразователи просты по устройству, надежды в работе. Из-за компенсационного принципа действия система дистанционной передачи показаний с их использованием имеет малую погрешность от изменения напряжения питания и активного сопротивления линии связи (если оно не превышает 5 Ом). Однако им присущи и недостатки. Так, к первичному преобразователю с ДТП можно подключать одновременно только один вторичный прибор. При использовании ДТП с управляющими машинами необходимо применение промежуточных нормирующих преобразователей, преобразующих сигнал 0—10 мГн в сигнал 0—5 мА. Кроме того, система дистанционной передачи с ДТП, как и все системы передач на переменном токе, подвержена влиянию внешних магнитных полей и соседних линий связи (например, при совместной прокладке их в одном кабеле). Результатом такого влияния может быть значительная дополнительная погрешность. Следует также отметить, что 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.