Лекция №9. Индуктивные измерительные преобразователи

Типы индуктивных преобразователей. На рис. 9.1, а изображен наиболее распространенный преобразователь с малым воздушным зазо­ром δ, который изменяется под действием измеряемой величины Р. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором со­ставляет 0,01—10мм. В этих преобразователях могут быть использо­ваны ферритовые элементы 2 (рис. 9.1, б), выпускаемые промышлен­ностью; для изготовления подвижного сердечника 1 используется основание такого же элемента 2, стенки которого ошлифовываются. На рис. 9.1, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 1, внутри которой помещен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется для измерения значительных перемещений сердечника (10—100 мм).

 

Рис. 9.1

Одним из основных достоинств индуктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1—5 В∙А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувст­вительным указателем на выходе измерительной цепи и регистриро­вать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления. Лишь при малогаба­ритных преобразователях приходится прибегать к включению уси­лителя.

Электрическое сопротивление индуктивного преобразователя (рис. 9.1, а), если считать, что все сопротивление утечки R_ут вклю­чено параллельно зазору, выразится формулой (9.1).

Из этой формулы видно, что Z связано с длиной δ воздушного за­зора зависимостью, близкой к гиперболической. С увеличением за­зора и, следовательно, сопротивления R₀ полное электрическое со­противление уменьшается так, как показано на рис. 9.2, a: oт Z_max = |R_о + jωw²/(R_м + jX_м)| при бесконечно малом зазоре до Z_min = |R_о + jωw²/(R_м + jX_м+R_ут)| при бесконечно большом зазоре. Линейный участок характеристики преобразователя с начальным за­зором δ₀ ограничен значением ∆ δ, равным (0,1÷0,15) δ₀.

(9.1)

 

Относи­тельное изменение сопротивления ∆Z/Z из-за наличия активного со­противления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления магнитопровода в 2—5 раз меньше относительного изменения зазора ε_δ = ∆ δ/δ₀. Кроме того, следует обратить внимание на то, что при изме­нении сопротивления зазора R_δизменяется не только реактивная X=ωw²⁽R_м+R_δ||R_ут)/Z_м², но и активная R = R_o + ωw²X_м/Z_м²составляющая сопротивления Z, и вектор сопротивления изменяется так, как показано на рис. 9.2, б.

Рис. 9.2

Расширения линейного участка характеристики можно добиться, если выбрать в качестве выходной величины преобразователя не со­противление Z, а проводимость Y, которая (если пренебречь сопро­тивлением R) связана с изменением зазора как

(9.2)

Изменение проводимости при относительном изменении зазора ε_δ = ∆ δ/δ₀ составит

(9.3)

и будет почти линейно связано с изменением зазора, в особенности при R_ут>R_утУравнение можно представить как

(9.4)

и очевидно, что в векторной диаграмме (рис. 9.2, в) приращению проводимости ∆b в комплексной плоскости соответствует вектор, параллельный мнимой оси и сохраняющий свое направление независимо ни от размера рабочего зазора δ, ни от частоты питающего напряжения (при изменении и одинаково изменяются обе составляющие проводи­мости).

Существенно уменьшить погрешности и увеличить линейный уча­сток характеристики позволяет применение дифференциальных преобразователей. Поэтому в практике индуктивные преобра­зователи всегда выполняются дифференциальными. На рис. 9.3, а показана схематическая конструкция преобразователя для измерения малых перемещений, на рис. 9.3, б — для измерения больших пере­мещений. В том и другом преобразователе происходит перемещение сердечника 1 и при перемещении в направлении стрелки — увеличе­ние сопротивления Z₂ и уменьшение сопротивления Z₁.

Измерительные цепи индуктивных преобразователей. Наиболее распространенной измерительной цепью является неравновесный измерительный мост, в два пле­ча которого включены две по­ловины дифференциального преобразователя (рис. 9.3). Как было показано выше, с измеряемой величиной линей­но связана проводимость пре­образователя. Поэтому опти­мальным является включение преобразователей параллельно источнику и пи­тание моста от источника на­пряжения. Уравновешивание моста в начальном положе­нии, т. е. при отсутствии входной величины (технологически трудно получить точ­ное равенство сопротивлений двух половин преобразователя), произ­водится по двум составляющим — изменением сопротивления нера­бочего плеча Z₃ или Z₄ и изменением сопротивления r₀, включаемого в плечо, имеющее меньшее активное сопротивление. Если при ∆ δ = 0 цепь была уравновешена, то при ∆ δ ≠ 0 через указатель потечет ток, равный I_ук = U∆Y, где ∆Y — приращение электрической проводимости преобразователя.

Ток I_ук,сдвинут по фазе относительно напряжения питания. Угол сдвига φ= 90°, если R_ук → 0, и φ = 0 при R_ук → ∞; при .согласо­вании сопротивления указателя с выходным сопротивлением моста φ = 45°. Это обстоятельство необходимо учитывать при наличии в из­мерительной цепи фазочувствительных устройств.

 

 

Рис.9.3

Индуктивные делители напряжения (ИДН)в настоящее время широко применяются в измерительных устройствах. Лучшие индуктивные делители имеют погрешность коэффициента деления 10^-3—10^-4 % при фиксированной частоте. Частотный диапазон ИДНдости­гает f_верх / f_нижн =10⁴, однако в этом диапазо­не погрешности существенно возрастают. На­иболее широко распространенная схема ИДН, схема Кельвина — Варлея, представлена на рис. 9.9. ИДН с регу­лируемым в десятичной системе счисления коэф­фициентом деления т составлен из нескольких ступеней, каждая сту­пень состоит из 10 сек­ций. Для показанного на рис. 9.9 трехступенчатого делителя выход­ное напряжение U₂ = (0,1 т₁ + 0,01 m₂ + 0,001 т₃) U₁. Одним из основных достоинств ИДН является то, что на его коэффициент деле­ния мало влияет подключаемое к выходным зажимам сопротивление нагрузки.

Для идеально выполненного ИДН коэффициент деления опреде­ляется только отношением числа витков, и поэтому ИДН принци­пиально может обладать меньшей погрешно­стью, чем резистивный делитель. Что­бы обеспечить это условие, коэффициент де­ления в каждой ступени должен определять­ся основными индуктивностями L каждой сек­ции. В соответствии с этим к выполнению ИДН предъявляются следующие требования: возможно большая основная индуктивность, малая индуктивность рассеяния, малые межвитковые и межсекционные емкости, малые потери в сердечнике и в обмотке, т. е. боль­шое R_пот и малое r, и, наконец, идентичность всех перечисленных пара­метров для всех секций. Высокой идентичности добиваются примене­нием жгутовой обмотки с равномерным расположением витков жгута на тороидальном сердечнике. Концы жгута соединяются последовательно, при 10 проводах в жгуте получается ступень ИДН с 10 секциями. Применение тороидального сердечника обеспечивает относительно большую индуктивность L и высокую помехозащищенность ИДН.

 

Рис. 9.9