Индуктивные преобразователи

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи. Иными словами индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности или взаимной индуктивности, параметры которой изменяются под воздействием входной величины.

И

9 0

ндуктивность обмотки, расположенной на магнитопроводе определяется формулой

где Zm – магнитное сопротивление магнитопровода;

W – число витков обмотки.

В

заимная индуктивность двух обмоток, расположенных на магнитопроводе определяется как

где W1 и W2 – число витков первой и второй обмоток.

М

(1.4 )

агнитное сопротивление определяется выражением

где активная составляющая магнитного сопротивления;

li, Si, i – соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость i-го участка магнитопровода;

о – магнитная постоянная;

 - длина воздушного зазора;

S – площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода;

Хm=P/(Ф2) – реактивная составляющая магнитного сопротивления;

Р – потери в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом;

 - угловая частота;

Ф – магнитный поток в магнитопроводе.

Приведенные соотношения показывают, что изменение индуктивности катушки можно осуществить разными способами, что и вызвало существование различных типов индуктивных преобразователей.

Простейшим и вместе с тем наиболее распространенным типом таких преобразователей является преобразователь с малым воздушным зазором , длина которого изменяется под действием измеряемой механической величины Р (сосредоточенной силы, давления, линейного перемещения), Вследствие изменения воздушного зазора изменяется магнитное сопротивление этого зазора и всей магнитной цепи, а значит и индуктивность катушки, надетой на сердечник и включенной в цепь переменного тока. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к изменению ее полного сопротивления Z.

Возникает функциональная зависимость между измеряемой механической величиной Р и электрическим сопротивлением Z преобразователя:

Z = f (P).

Индуктивность катушки можно изменить также путем изменения площади воздушного зазора, изменением механического напряжения в ферромагнитном сердечнике и, следовательно, его магнитной проницаемости (магнитоупругие преобразователи, выполняемые с замкнутой ферромагнитной цепью).

Преобразователи с изменяющимися потерями на вихревые токи основаны на том, что при помещении проводящего тела в переменное магнитное поле преобразователя в этом теле возникают вихревые токи, создающие магнитное поле, направленное навстречу основному. В результате этого параметры катушки (индуктивность и активное сопротивление) изменяются и, между перемещением проводящего тела и параметрами катушки возникает функциональная зависимость. Преобразователи такого типа получили название вихретоковых.

Другим типом индуктивных преобразователей являются преобразователи с распределёнными параметрами, в которых конфигурацию магнитной системы делают такой, чтобы при перемещении подвижной катушки в воздушном зазоре изменялся магнитный поток, сцепляющийся с неподвижной катушкой или изменялся полный поток, сцепляющийся с подвижной катушкой при её перемещении. ЭДС, возникающая в катушке и является функцией её перемещения.

Индуктивные преобразователи широко используются для контроля размеров изделий, перемещений движущихся деталей, усилий, давлений, веса грузов и других физических величин. Такое широкое распространение эти преобразователи получили благодаря своим достоинствам: большой выходной мощности, не требующей дальнейшего усиления сигнала, высокой чувствительности к измеряемой величине, широким пределам измерений, достаточной точности контроля, долговечности в работе, удобству в эксплуатации, простоте конструкции и схемных реализаций.

Однако они имеют нелинейную характеристику зависимости выходной величины от входной, что обуславливает погрешность нелинейности, для уменьшения которой приходится работать на ограниченном участке характеристики.

Электрическое сопротивление индуктивного преобразователя Z связано с длиной  воздушного зазора зависимостью, близкой к гиперболической.

С увеличением зазора и сопротивления R полное электрическое сопротивление уменьшается, от Zmax=R+jW2/(Rm+jXm) при бесконечно малом зазоре до Zmin=R+jW2/(Rm+jXm+Ryт) при бесконечно большом зазоре.

Линейный участок характеристики преобразователя с начальным зазором 0 ограничен значением , равным (0,10,15) 0.

Основные погрешности этих преобразователей обусловлены колебаниями напряжения и частоты источника питания, а также колебаниями температуры преобразователя.

Из всего многообразия индуктивных преобразователей наибольшее применение получили преобразователи с изменяющейся длиной или площадью воздушного зазора и среди них дифференциальные преобразователи в силу присущих им преимуществ по сравнению с одинарными.