Электромагнитные первичные преобразователи

Электромагнитные первичные преобразователи предназначе­ны для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи. Возможно изменение магнитного сопротивления магнитной цепи датчика за счет перемещения сердечника или изменения воздушного за­зора в магнитной цепи. В том и другом случае меняются индук­тивность и реактивное сопротивление индуктивного датчика или взаимоиндуктивность и напряжение в выходной обмотке транс­форматорного датчика.

Индуктивный преобразователь имеет одну катушку перемен­ной индуктивности L. При приложении к преобразователю пере­менного напряжения с амплитудой U и частотой ω в нем возникает ток с амплитудой

где Z = ωL - реактивное сопротивление катушки.

Изменение индуктивности катушки L в результате перемеще­ния или поворота элементов магнитопровода при перемещении щупа датчика при постоянном напряжении питания приводит к изменению тока в измерительной цепи, которое и контролирует­ся. Так как выходной величиной индуктивных датчиков является непрерывно меняющаяся величина реактивного сопротивления, эти датчики обычно относятся к параметрическим аналоговым.

На рис. 3.10, а изображен преобразователь с переменным воздушным зазором d. Рабочее перемещение подвижного сердечника составляет 0,01...10 мм. На рис. 3.10, б показан преобразователь с переменной площадью воздушного зазора. Рабочее перемёщение в этом случае составляет 5... 20 мм.

На рис. 3.10, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью - катушка с перемещающимся сердечником.

Рабочее перемещение таких датчи­ков составляет 10...100 мм. Извест­ны и другие схемы индуктивных преобразователей.

Трансформаторные (взаимоин­дуктивные) первичные преобразо­ватели действуют по принципу транс­форматора. На рис. 3.11 изображена схема трансформаторного преобра­зователя, в который входят две ка­тушки w₁, и w₂ и магнитопровод, со­стоящий из П-образного неподвиж­ного сердечника 1, подвижного сер­дечника 3 и воздушного зазора ши­риной d между ними. К первичной обмотке w₁, приложено переменное напряжение е₁, возбуждающее в ней переменный ток I₁, который в свою очередь вызывает в ней переменный магнитный поток

где w₁, - число витков во входной обмотке; L₁₂ - взаимоиндук­тивность, определяемая геометрией катушек, числом витков ка­тушек w₁, и w₂, геометрией и материалом магнитопровода.

Магнитное поле концентрируется в замкнутом магнитопроводе так, что магнитный поток одинаков во всех поперечных сечениях магнитопровода, в том числе и в выходной обмотке w₂Ф₂ = Ф₁.

Переменный магнитный поток Ф₂ через обмотку w₂ вызывает в ней ЭДС

В отличие от трансформатора в преобразователе сердечник имеет меньшую взаимоиндуктивность L_2Z за счет воздушного зазора. При перемещении подвижного сердечника 3 по вертикали, его пово­роте или перемещении ферромагнитной вставки 2 меняются: гео­метрия сердечника, магнитное сопротивление и магнитный по­ток в магнитной цепи и, как следствие, взаимоиндуктивность L_1Z, что ведет к изменению тока и напряжения на выходной обмотке w₂. Таким образом, в трансформаторных преобразователях есте­ственной входной величиной является перемещение или поворот элементов сердечника, естественной выходной величиной - из­менение взаимоиндуктивности и, как следствие, изменения тока и напряжения на выходной обмотке. Так как выходной величиной этих датчиков является непрерывно меняющаяся величина вы­ходного напряжения и тока, они обычно относятся к генератор­ным аналоговым датчикам.

Возможно построение индуктивного или трансформаторного датчика силы на основе эффекта изменения магнитной проницаемости материала сердечника в результате упругих деформаций растяжения, сжатия, кручения под действием приложенных сил (так называемого магнитоупругого преобразователя). В этом случае естественными входной и выходной величинами чувствительного элемента являются упругая деформация сердечника и взаи­моиндуктивность. Датчики этого типа являются дискретными, и инкрементными, параметрическими.

Электромагнитные датчики имеют линейную характеристику с зонами насыщения. Погрешность преобразователей с переменным воздушным зазором составляет 1...1,5 %, погрешность маг­нитоупругих преобразователей достигает 4 % . Как правило, пита­ние измерительной цепи индуктивных и трансформаторных пре­образователей осуществляется от сети переменного тока частотой 5O Гц, напряжение питания не превышает 300 В, диаметр провода обмоток составляет не менее 0,07 мм.

Одним из основных достоинств электромагнитных преобразователей является возможность получения мощного выходного сигнала ( l ... 5 Вт), что снижает чувствительность измерительного прибора к электромагнитным помехам и позволяет использовать на выходе измерительной цепи малочувствительный указатель, например са­мописец. Лишь для малогабаритных преобразователей необходимо включать усилитель между измерительной цепью и указателем.

Существенным преимуществом индуктивных и трансформатор­ных датчиков является высокая надежность и практически неограниченный срок службы благодаря отсутствию механического кон­такта подвижных частей чувствительного элемента. Для уменьшения погрешности датчика и обеспечения линейности его характе­ристики часто используют дифференциальный преобразователь, состоящий из двух катушек и перемещающегося магнитного сер­дечника (рис. 3.12, а, б ). Изменение индуктивностей катушек (активных плеч неравновесного моста) при перемещении щупа про­исходит в противоположных направлениях.

Для точного измерения больших перемещений (например, перемещения суппорта токарного станка) применяют линейные и круговые индуктивные преобразователи с зубчатыми сердечника­ми (рис. 3.12, в). При совмещении выступов подвижного и непод­вижного сердечников индуктивность максимальна, при совмеще­нии выступов впадинами - минимальна.

При перемещении подвижного сердечника реактивное сопротивление чувствительного элемента и ток в цепи меняются пери­одически так, что импульс в цепи соответствует перемещению щупа и сердечника на шаг зубьев.

Дифференциальный преобразователь строится из двух пар зуб­чатых сердечников так, что при совпадении выступов первой пары во второй паре выступ совпадает с впадиной, и пары сердечников работают в противофазе.

На рис. 3.13 приведена конструкция дифференциального ин­дуктивного датчика перемещений, применяемого в динамометрах для определения усилия резания. Якорь датчика с диском укреп­лен на двух упругих мембранах между катушками и цилиндричес­кими элементами магнитопровода. При перемещении якоря в осе­вом направлении зазор между диском и одной из катушек растет (индуктивность этого датчика падает), зазор между диском и дру­гой катушкой падает (индуктивность растет). Катушки включены в мостовую схему.

Одинарные индуктивные датчики применяют в качестве бес­контактных датчиков положения и концевых выключателей. Диф­ференциальные датчики позволяют замерять перемещения в диа­пазоне от сотых долей миллиметра до десятков сантиметров и широко применяются в системах управления разного назначения.