Електромагнітні перетворювачі План Індуктивні перетворювачі Вимірювальні кола індуктивних перетворювачів Взаємоіндуктивні перетворювачі Вимірювальні кола взаємоіндуктивних перетворювачів Магнітопружні перетворювачі 6. Індукційні перетворювачі 1. Індуктивні перетворювачі Індуктивні перетворювачі широко застосовуються для перетворень переміщень та інших механічних величин, котрі попередньо перетворюються в переміщення. За конструктивним виконанням ці перетворювачі дуже різноманітні. Основними їх різновидами є перетворювачі зі змінною довжиною повітряного проміжку і перетворювачі плунжерного типу. Інформативним параметром індуктивного перетворювача є повний електричний опір Z намагнічу вального кола, або еквівалентна індуктивність цього кола. Перетворювач зі змінною довжиною повітряного проміжку. Найпростішим різновидом індуктивного перетворювача такого типу є перетворювач малих переміщень (рис.1). Такий перетворювач має високу чутливість до вхідної величини (мається на увазі велику відносну зміну індуктивності при зміні повітряного проміжку), незначну чутливість до дії зовнішніх магнітних полів, порівняно невелику власну ємність (необхідне значення індуктивності досягається, якщо кількість витків порівняно невелика. Такі перетворювачі застосовують для перетворень малих переміщень (0,01...10 мм). Рис.1. – Структура індуктивного перетворювача Значного покращання лінійності з одночасним збільшенням чутливості можна досягнути, створюючи диференціальні перетворювачі..
Рис. 2 – Диференціальний індуктивний перетворювач У диференціальному перетворювачі (рис.2) вимірювальні обмотки 2 розміщуються в пазах осердя 1 циліндричної форми. Якорі 3 та 4 кріпляться нерухомо до стержня 5, що служить для передачі перетворюваного переміщення Перетворювачі плунжерного типу. Індуктивні перетворювачі плунжерного типу з розімкненим магнітним колом (рис. 3) застосовують для перетворень переміщень від 10 до 100 мм.
Рис.3. – Структура індуктивного перетворювача плунжерного типу В основу принципу дії таких перетворювачів покладена зміна магнітного опору кола магнітного потоку, створюваного намагнічувальними обмотками під час переміщення плунжера. Плунжерний індуктивний перетворювач складається з нерухомої котушки 1 та феромагнітного стержня (плунжера) 2. Індуктивність котушки є функцією глибини переміщення плунжера усередину котушки. Перетворювачі плунжерного типу, у зв'язку з тим, що магнітний потік замикається в основному через повітря, мають значно меншу чутливість, ніж перетворювачі зі змінним повітряним проміжком. Крім цього, вони чутливі до впливу зовнішнього магнітного поля і потребують екранування. Ці недоліки можна усунути, якщо котушки розмістити на феромагнітному осерді. 2. Вимірювальні кола. індуктивних перетворювачів Найпоширенішими вимірювальними колами індуктивних перетворювачів є мостові кола з диференціальними перетворювачами (рис. 3, а), де два плеча моста становлять повні опори секцій диференціального перетворювача та , а два інші плеча моста – активні опори R3=R4 =R. Такі мости звичайно спроектовані так, що при відсутності вхідної дії (значення вимірюваного переміщення дорівнює нулю) якір диференціального перетворювача знаходиться в середньому положенні, а вихідна напруга моста . При цьому . Під час переміщення якоря в результаті появи вхідної дії опори секцій дорівнюватимуть відповідно та . Зміни опорів та у загальному випадку дещо різні через не лінійність функції перетворення. Однак, якщо переміщення якоря відносно середнього положення малі, з достатньою для практики точністю ці зміни можна вважати однаковими, тобто .
Рис. 3 – Вимірювальні кола індуктивних перетворювачів Ці зміни опорів секцій диференціального перетворювача звичайно невеликі, і можна вважати, що напруга у вимірювальній діагоналі моста змінюється пропорційно до ?Z/Z і дорівнює.
У мостовому колі (рис. 3, б) індикатором вимірюваних переміщень є магнітоелектричний міліамперметр, увімкнений на виході фазочутливої кільцевої схеми випрямлення. Резистор Rp змінного опору призначений для встановлення нульового показу при нульовому значенні вимірюваного переміщення. Нехтуючи еквівалентним активним опором обмоток перетворювача та прямим опором випрямлячів, можна визначити вихідний струм
3. Взаємоіндуктивні перетворювачі Взаємоіндуктивними називають електромагнітні перетворювачі, що мають первинну намагнічувальну обмотку та вторинну вимірювальну обмотку, взаємна індуктивність між якими може змінюватись під дією вхідної вимірюваної величини. Є два види взаємоіндуктивних перетворювачів: зі змінним магнітним опором і нерухомою обмоткою та з незмінним магнітним опором і рухомою обмоткою. У звичайних (одинарних) взаємоіндуктивних перетворювачах зі змінним повітряним проміжком (рис. 4, а) залежність e=f(?) таких взаємоіндуктивних перетворювачів є нелінійною. Крім цього, на виході вимірювальної обмотки діє ЕРС при відсутності вхідної дії, значення якої відповідає початковому проміжку. Тому взаємоіндуктивні перетворювачі зі змінним повітряним проміжком виконуються, здебільшого, диференціальними, що дає змогу за відсутності вхідної дії мати нульовий вихідний сигнал, збільшити чутливість та лінійність функції перетворення.
Рис. 4 – Взаємоіндуктивні перетворювачі зі змінним повітряним проміжком Дві секції первинної обмотки, через які пропускається змінний струм І, включені узгоджено, а дві секції вторинної – зустрічно(рис. 4, б). Зменшення опору однієї з обмоток, викликане переміщенням рухомого осердя, компенсується збільшенням опору другої обмотки. Переміщення осердя викликає сигнал ?Е=f(x). 4. Вимірювальні кола взаємоіндуктивних перетворювачів Вторинна напруга взаємоіндуктивних перетворювачів може бути виміряна вольтметром змінного струму з відповідною границею вимірювання. Така схема відрізняється простотою, однак застосовується дуже рідко, оскільки покази такого вольтметра залежать від значення напруги в намагнічувальній обмотці, а також від вихідного опору вимірювальної обмотки перетворювача. Кращі метрологічні характеристики має схема, зображена рис. 5, а. Тут вторинним перетворювачем служить феродинамічний вимірювальний механізм, який відрізняється від звичайних механізмів такої системи тим, що у ньому відсутні пружини для створення протидіючого моменту. Обмотка збудження w1 вторинного перетворювача живиться тією ж напругою, що й намагнічувальна обмотка первинного взаємоіндуктивного перетворювача. Вимірювана напруга подається на рухому рамку. При проходженні через рамку струму І2 виникає крутний момент, під дією рамка буде повертатись до положення, за якого електрорушійна сила ех та компенсувальна ЕРС ек стануть однаковими. Покази такого вторинного приладу можуть бути проградуйовані в значеннях вимірюваної величини.
Рис. 5 – Вимірювальні кола взаємо індуктивних перетворювачів Однак найпоширенішими вимірювальними колами засобів вимірювань з диференціальними взаємоіндуктивними (трансформаторними) первинними перетворювачами є кола, шо містять відповідні вторинні диференціально-трансформаторні компенсуючі перетворювачі (рис. 5, б). Під дією вимірюваного переміщення х плунжер первинного диференціально-трансформаторного перетворювача переміщується, змінюючи значення вихідної ЕРС ех. Вторинний прилад має аналогічний компенсувальний диференціально-трансформаторний перетворювач, положення плунжера якого регулюється за допомогою ексцентрика, вісь якого механічно з'єднана з ротором реверсивного двигуна. Якщо вимірювана ЕРС ех та компенсувальна ЕРС ек не дорівнюють одна одній за абсолютним значенням, тобто, якщо виникає розбаланс, підсилена за допомогою підсилювача напруга подається на реверсивний двигун і його ротор буде обертатись до моменту, поки ех =ek. Після урівноваження за шкалою приладу, проградуйованого в значеннях вимірюваного переміщення, можна встановити значення вимірюваної величини. 5. Магнітопружні перетворювачі Принцип дії магнітопружного перетворювача базується на використанні магнітопружного ефекту, суть якого полягає в зміні магнітної проникності та інших магнітних властивостей феромагнітного тіла під дією механічних пружних деформацій (рис. 1). Магніто пружні перетворювачі за принципом використання магнітопружного ефекту можуть бути індуктивними чи взаємоіндуктивними. У перших зміна магнітної проникності викликає в остаточному результаті зміну індуктивності намагнічувального кола, яке складається з однієї або декількох з’єднаних послідовно обмоток, намотаних на робочий стержень (стержень, який піддається деформації) магнітопроводу. Особливою умовою нормальної роботи магнітопружного перетворювача є відсутність у матеріалі магнітопроводу повітряних проміжків, магнітний опір яких настільки великий, що навіть незначна зміна повітряного проміжку може призвести до значно більшої зміни магнітного опору кола, ніж зміна, викликана магнітопружним ефектом.
Рис. 2 – Диференціальний магнітопружній перетворювач та його вимірювальне коло Магнітопружні перетворювачі виготовляють звичайно диференціальними (рис. 2). Магнітопружний перетворювальний елемент МП1 є тут робочим перетворювачем вимірювальної сили F, а ідентичний йому перетворювальний елемент МП2, що не піддається дії на нього робочого перетворювача, а також для компенсації впливу зовнішніх чинників, зокрема температури, частоти джерела живлення. При диференціальному (різницевому) увімкненні, наприклад, у мостове вимірювальне коло, покази вимірювального приладу будуть практично лінійною функцією вимірювальної сили. Незважаючи на порівняно низьку точність (сумарна похибка магнітопружного перетворювача досягає 3...4 %), внаслідок простоти конструкції магнітопружні перетворювачі широко застосовуються для перетворень великих механічних зусиль (105..106 Н) у складних умовах експлуатації (польові умови, бурові колонки). 6. Індукційні перетворювачі Принцип дії індукційних перетворювачів оснований на використанні явища електромагнітної індукції. Є дві головні групи індукційних перетворювачів. До першої належать перетворювачі, у яких зміна магнітного потоку, що зчеплюється з витками котушки, здійснюється переміщенням останньої в магнітному полі постійного магніту або переміщенням постійного магніту відносно нерухомої котушки. Це, по суті, генератори ЕРС, значення якої пропорційне до швидкості лінійних або кутових переміщень відповідно котушки в постійному магнітному полі або швидкості переміщення магнітного поля відносно витків нерухомої котушки. У другу групу входять перетворювачі, в яких магнітний потік, що зчеплюється з витками котушки, змінюється за допомогою зміни магнітного опору магнітного кола, наприклад, внаслідок зміни розташування рухомого феромагнітного елемента. Основними різновидами індукційних перетворювачів є перетворювачі швидкості лінійних переміщень, вібрацій, перетворювачі частоти обертання та перетворювачі витрат рідин. Перетворювачі частоти обертання можуть бути основані на принципі зміни потокозчеплення, здійснюваного від досліджуваного об'єкта обертанням рамки в магнітному полі постійного магніту із заданою індукцією. Будова давача віброметра показана на рис. 3.
Рис. 3 – Індукційний віброперетворювач Рухомою частиною такого давача є інерційна маса у вигляді постійного магніту 1 і полюсних наконечників 2, що може здійснювати під дією сили інерції поступальний рух в напрямку осі х-х. Пружна протидія цьому рухові створюється циліндричними пружинами 3, а заспокоєння за допомогою мідного каркаса 5 внаслідок наведення в ньому струмів при переміщенні постійного магніту. Вимірювальна обмотка 4, що складається з двох половинок, намотана на мідний каркас і закріплена сталевою обоймою 6, яка служить одночасно корпусом. До об'єкта досліджень давач кріпиться за допомогою фланця 7. Наведена ЕРС пропорційна швидкості переміщення. Звичайно індукційні давачі використовують для перетворень параметрів вібрацій частотою від 1 до 50 Гц при амплітуді вібрацій 1...5 мм. їх чутливість досягає 150 В/(м/с).
