4.4.2 Индуктивные преобразователи
Работа индуктивных преобразователей основана на явлении электромагнитной индукции. Согласно этому явлению, если катушку питать переменным током, в катушке индуцируется ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции создает дополнительное индуктивное сопротивление катушки, которое пропорционально произведению L∙ω. Тогда полное сопротивление катушки складывается из омического сопротивления R и индуктивного сопротивления Z=√R2+(L∙ω)2 , где
L – индуктивность катушки, параметр любого электромагнита, связывающий магнитный поток и силу тока;
ω – угловая частота переменного тока питания катушки,
ω=2πf=2π∙50 Гц.
Свойство катушки электромагнита – изменять свое полное сопротивление при изменении индуктивности, используется в индуктивных преобразователях.
На рисунке 4.18 показана схема простого индуктивного преобразователя с изменяющимся зазором. Такой преобразователь представляет собой электромагнит, у которого катушка 1 питается переменным током постоянного напряжения. Магнитопровод выполнен из ферромагнитного материала (железо) и состоит из двух частей: неподвижной (сердечника 2) и подвижной (якоря 3). Между сердечником и якорем устанавливается воздушный зазор S.
Рис. 4.18 Схема простого индуктивного Рис 4.19 Характеристика преобразователя индуктивного
преобразователя
Измерительный стержень 4 перемещается в направляющих 7 и жестко связан с якорем электромагнита. Измерительное усилие создается пружиной 5.Все элементы преобразователя компануются в корпусе 6.
Величина воздушного зазора S с одной стороны зависит от контролируемого параметра Нтн, а с другой, оказывает влияние на индуктивность катушки L. Следовательно, для пользования индуктивным преобразователем необходимо знать зависимость L=f(S), которая называется характеристикой преобразователя. Для данной схемы эта зависимость имеет следующий вид:
(4.3),
(Генри)
n – количество витков катушки;
ℓ - длина электропровода катушки;
S и F – величина и площадь воздушного зазора;
S1 и F1 – длина магнитных линий и площадь сечения магнитопровода;
μ и μ1 – магнитная проницаемость воздуха и материала магнитопровода.
При измерениях переменными величинами являются S и S1. Однако эти переменные взаимозависимы. Поэтому формула (4.2) позволяет для каждого преобразователя построить зависимость L=f(S). На рисунке 4.19 в качестве примера представлена характеристика индуктивного преобразователя.
Характеристика индуктивного преобразователя позволяет получить высокую точность измерения. С другой стороны, она является нелинейной, что ограничивает возможности применения этих преобразователей. Для работы выбирают участок характеристики ∆S с наименьшей нелинейностью, т.е. участок с примерно равной чувствительностью (передаточным отношением dS/dL= Const). Этот участок определяет диапазон и пределы измерений преобразователя Q. Относительная величина ∆S/So является параметром характеристики:
∆S = Smax – Smin ,
где ∆S – диапазон измерений;
Smax и Smin – допустимые зазоры, пределы измерений;
S0 = (Smax +Smin)/2 – средняя величина зазора.
Для индуктивных преобразователей с простой схемой измерение относительный диапазон составляет ∆S/So нелинейность весьма большая ≈10%. На практике это приводит к уменьшению диапазона измерений или к погрешностям измерений.
Рис.4.20 Схема дифференциального преобразователя
С целью получения более линейной характеристики применяют преобразователи с дифференциальной схемой измерения. Дифференциальные преобразователи имеют две магнитные цепи (рисунок 4.20) с общим якорем. Под влиянием контролируемого параметра dTd величина зазоров S1 и S2 изменяется одинаково, но с различным знаком:
S1 = S + ∆S
S2 = S - ∆S.
При этом сопротивление в катушках первой и второй магнитной цепи составят:
______________
Z1 = √ω2(L - ∆L)2 + R2_
Z2 = √ω2(L + ∆L)2 + R2
Не линейность характеристики дифференциальных преобразователей порядка 1% … 2%. Кроме того, такие преобразователи имеют более высокую точность измерения (≈ в 2 раза выше точности измерения простыми преобразователями), меньше чувствительны к окружающей среде и измерениям питающего напряжения.
Включение дифференциального преобразователя в измерительную схему осуществляется по мостовой схеме. Катушки Z1 и Z2 преобразователя и сопротивления Z3 и Z4 с блоком питания в 10 кГц образуют индуктивный мост. Для получения большей отдачи мощности от преобразователя сопротивления Z3 и Z4 делают первичной обмоткой трансформатора. Выходное переменное напряжение в точках “а” и “б” диагонали моста через трансформатор, а затем усилитель и выпрямитель, передается на исполнительный механизм и показывающий прибор.
К достоинствам индуктивных преобразователей относятся:
- непрерывность и дистанционность измерения;
- отсутствие электромеханических контактов, что повышает надежность преобразователей;
- один источник энергии;
- компактность;
- высокая точность измерения (±0,5 мкм)
Применение индуктивных преобразователей ограничивается следующими факторами:
- сравнительная сложность электрических элементов;
- квалифицированное обслуживание в процессе эксплуатации;
- необходимость надежной герметизации преобразователя;
- требуется жесткая стабилизация напряжения источников питания, а также внешних температурных факторов;
- вследствие нелинейности характеристики имеют сравнительно небольшой диапазон измерений (∆S ≈ 0,6 мм) и небольшой ход измерительного стержня (1…1,6мм).
Типовой индуктивный преобразователь с дифференциальной схемой измерения имеет следующие показатели:
- рабочий участок характеристики ∆S ±0,3мм;
- ход измерительного стержня ±0,5…±0,8мм;
- чувствительность на рабочем участке 0,1мВ/мкм
- нелинейность на рабочем участке 2%
- погрешность измерения ±0,5мкм
- измерительное усилие ±2Н
- напряжение питания 10…30В
- частота питающего тока 50кГц
В качестве материала магнитопровода рекомендуется применять листовую кремневую сталь (марки Э21, Э31). Сердечник выполняется виде Ш – и П – образных магнитопроводов.
Рис. 4.21 Схема индуктивного преобразователя с переменной площадью
Наряду с преобразователями с изменяющейся величиной воздушного зазора S применяются индуктивные преобразователи с переменной площадью F воздушного зазора (рисунок 4.21), которые имеют линейную характеристику L = f(F). Однако точность измерения этих преобразователей невысока (~ в 10 раз ниже). Их используют для измерений больших перемещений и в труднодоступных местах. Они очень удобны в эксплуатации вследствие своей компактности.