4.2.7. Індукційні перетворювачі

Принцип дії й конструкція.Індукційним перетворювачем називається перетворювач, принцип дії якого заснований на законі електромагнітної індукції. Перетворювач має котушку. При впливі вхідної величини на перетворювач змінюється потокосцепление ψ котушки із зовнішнім стосовно котушки магнітним полем. При цьому в котушці наводиться ЕРС

e=-dψ/dt (4.131)

де w — число витків котушки; ψ- минаючий через неї потік; Q — площа, через яку проходить цей потік; В — індукція магнітного поля.

THCу котушці може наводитися при зміні в часі кожної з перерахованих величин w, В, Q,

Як приклад розглянемо перетворювач, що являє собою магнітну систему з постійним магнітом, у повітряному зазорі якої переміщається котушка (мал. 4.30). При русі котушки зі зміною хзмінюється площа котушки, що перебуває в магнітному полі,

Q = bх.Це приводить до зміни потокосцепленияψ = wBbx

і в котушці наводиться ЭДС

Індукційні перетворювачі служать для перетворення лінійної dx/dt або кутової dα/dt швидкості переміщення котушки відносно магнітного поля в ЕРС. Вони є генераторними перетворювачами й перетворюють механічну енергію в електричну.

Розрізняють ряд типів перетворювачів. Розглянемо їх.

Перетворювачі швидкості вібрації. Індукційні перетворювачі генерують ЕРС тільки при переміщенні котушки в магнітному полі. Із цієї причини перетворювачі цього типу можуть служити для перетворення лінійної швидкості в ЕРС на невеликих довжинах шляху. Звичайно вони застосовуються для виміру швидкості вібрації, коли її амплітуда не перевищує декількох сантиметрів. Одна з конструктивних схем перетворювача вібраційної швидкості показана на мал. 4.31,а. Перетворювач має кільцевий магніт 1, вставлений у сталеве ярмо 2. Магнітний потік від постійного магніту проходить по центральному циліндричному сердечнику через повітряний зазор і кільцевий полюсний наконечник 3. У циліндричному повітряному зазорі перебуває намотана на каркас котушка 4. Вона може переміщатися в повітряному зазорі уздовж осі перетворювача.

Котушку умовно можна розділити на три частини /-/// (мал. 4.31,а): / - перебуває поза магнітопроводом, і магнітний потік у неї не заходить, // - перебуває в повітряному зазорі, утвореному полюсними наконечниками й циліндричним сердечником. Магнітний потік, що пронизує витки цієї частини котушки, не міняється в часі, число витків також залишається постійним. У цій частині котушки ЕРС не наводиться.

Частина /// котушки перебуває поза повітряним зазором, але усередині магнітної системи. Магнітний потік, що проходить через витки цієї котушки, також постійний, але при вібрації котушки змінюється число витків. Зміна числа витків приводить до зміни потокосцепления й наводить ЕРС. Витки котушки звичайно намотуються рівномірно. При цьому ЕРС перетворювача пропорційна швидкості вібрації.

Індукційні перетворювачі можуть застосовуватися й для виміру кутової віброшвидкості. Схема такого перетворювача показана на мал. 4.31,б. Він складається з постійного магніту 1, полюсних наконечників 2, циліндричного сталевого сердечника 3 і котушки 4. Пристрій перетворювача аналогічно пристрою магнітоелектричного вимірювального механізму. При повороті котушки навколо осі сердечника її потокосцепление змінюється й у ній індукується ЕРС, пропорційна кутовій швидкості.

Імпульсні перетворювачі. Перетворювач цього типу (мал. 4.33) являє собою котушку 1 з розімкнутим феромагнітним сердечником, встановлену біля валу 2, частота обертання якого вимірюється; на валу монтується один або кілька феромагнітних зубців 3. Сердечник котушки попередньо намагнічується. При обертанні вала зуб проходить поблизу котушки й зменшує магнітний опір RM сердечника, як показано на графіку. Відповідно до цього змінюється магнітний потік, що проходить через котушку, і в ній індукується ЕРСе. З виводів котушки знімається послідовність двуполярных імпульсів, частота яких дорівнює частоті проходження зубців поблизу котушки, тобто пропорційна частоті обертання вала.

Вторинним перетворювачем імпульсного індукційного перетворювача є частотомір, проградуйований в одиницях частоти обертання.

Погрішність індукційних перетворювачів. ЕРС індукційних перетворювачів пропорційна швидкості переміщення котушки лише за умови, що індукція В постійна протягом усього шляху її переміщення. Мінливість індукції викликає виникнення погрішності.

Похибка індукційних перетворювачів також багато в чому залежить від струму, що споживає вторинний перетворювач. Проходячи по вимірювальній обмотці індукційного перетворювача, цей струм створює магнітне поле, що відповідно до правила Ленца спрямовано зустрічно напрямку основного поля й робить дію, що розмагнічує. Внаслідок цього сумарна індукція зменшується, зменшується й ЕРС перетворювача. Це явище, що має місце в електричних машинах і, зокрема, у тахометричних перетворювачах називається реакцією якоря. Внаслідок реакції якоря зменшується чутливість тахометричного перетворювача і його функція перетворення стає нелінійною, що приводить до погрішності. Для зменшення погрішності варто зменшити струм перетворювача. Є також конструктивні методи зменшення цієї погрішності.

Описаний вид погрішності властивий тахометричним перетворювачам, оскільки їхніми вторинними приладами служать електромеханічні прилади з більшим споживанням потужності.

Вплив струму навантаження на функцію перетворення перетворювачів вібрації менше, ніж на функцію перетворення тахометричних перетворювачів. Навантаженням перетворювачів вібрації є електронні підсилювачі. Вони мають великий вхідний опір, що обмежує струм перетворювача й тим самим зменшує погрішність.

Якщо навантаження індукційного перетворювача споживає значний струм, то може виникнути погрішність внаслідок зміни внутрішнього опору перетворювача, оскільки змінюється спадання напруги на його внутрішньому опорі. Зміна внутрішнього опору може бути обумовлено температурними змінами опору вимірювальної обмотки й опору лінії зв'язку із вторинним приладом. Внутрішній опір тахометричного перетворювача постійного струму нестабільно також внаслідок зміни опору колектора.

При зміні частоти обертання синхронного тахометричного перетворювача змінюється як ЕРС, так і її частота. При зміні частоти міняються його вхідний опір і вхідний опір його навантаження. Зміни опорів можуть привести до нелінійної функції перетворення приладу в цілому, навіть якщо ЕРС тахометричного перетворювача лінійно залежить від вимірюваної швидкості.

Вихідною величиною синхронних тахометричних перетворювачів є або значення генеруємої ЕРС, або її частота. В останньому випадку як вторинний перетворювач використовується частотомір. Застосовувані стрілочні частотоміри не повинні змінювати свої показання при зміні напруги.

Таким чином, погрішність індукційних перетворювачів у значній мірі залежить від режиму, у якому вони працюють. Найбільша погрішність виникає в режимі, при якому через навантаження тече значний струм. Однак для роботи в такому режимі використовують найбільш простий вторинний перетворювач. Менші погрішності мають місце в режимі холостого ходу, коли струм у вимірювальній котушці практично відсутній. При роботі в такому режимі потрібно більше складна й дорога апаратури, повинні використовуватися вимірювальні механізми підвищеної чутливості або підсилювальні пристрої.

При вимірі частоти обертання вала найменшу погрішність можна одержати, якщо в якості вихідної величини тахометричного перетворювача використовується частота зміни ЕРС, а в якості вторинного перетворювача - цифровий частотомір. При цьому виключається вплив нестабільності величини вихідної напруги перетворювача й використається висока точність цифрового частотоміра. Однак у цьому випадку потрібно найбільш складна й дорога апаратура.