ИНДУКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Принцип работы индуктивных преобразователей (рис. 9.1.) основан на изменении индуктивного сопротивления катушки, намотанной на ферромагнитном сердечнике в результате изменения воздушного зазора между якорем и сердечником. При этом существуют две группы индуктивных преобразователей:

1) с изменяющейся индуктивностью;

2) с изменяющимся активным сопротивлением.

     Для преобразователей первого типа (рис.9.1. а) естественной входной величиной является изменение воздушного зазора , т. е. перемещение якоря.

а)                                  б)

 

Рис. 9.1. Индуктивные преобразователи: с изменяющейся индуктивностью (а), с изменяющимся активным сопротивлением (б)

 

Для второй группы индуктивных преобразователей (рис. 9.1. б) в зазор магнитопровода вводится пластина с высокой электропроводностью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увеличению потерь активной мощности катушки, что эквивалентно увеличению ее активного сопротивления. Достоинствами индуктивных преобразователей являются:

1) простота и надежность конструкции;

2) долговечность, обусловленная отсутствием механически связанных подвижных частей;

3) достаточно высокая чувствительность при относительно широком диапазоне измерения.

Простейшей нереверсивной схемой является последовательное включение катушки преобразователя с сопротивлением нагрузки (рис. 9.2).

а)                                      б)

 

 

Рис. 9.2. Схема последовательного включения однокатушечного
индуктивного измерительного преобразователя и нагрузки (а) и
зависимость индуктивности L преобразователя от величины
воздушного зазора (б)

Так как в этих преобразователях изменяемыми переменными являются реактивные сопротивления, то они должны питаться только от источников переменного тока. При изменении воздушного зазора  изменяется индуктивность катушки L, следовательно и ее сопротивление z_L переменному току.

Полное сопротивление индуктивного преобразователя и нагрузки:

                          ; ,     

где L и L_н – индуктивность преобразователя и нагрузки, соответственно;

j – мнимая единица;

ω – частота питающего напряжения.

       Напряжение  на нагрузке можно определить как:          

 ;

в случае чисто активного характера нагрузки ( ) и чисто индуктивного характера преобразователя ( ):                                                      

                          ;                                       

Индуктивность  таких преобразователей определяется по формуле:

,                                          

где  - число витков катушки, - общее магнитное сопротивление магнитного преобразователя,  - магнитное сопротивление стального магнитопровода,  - магнитное сопротивление воздушного зазора.

     Так как << , то можно учитывать лишь ,         

где – зазор, – магнитная проницаемость воздуха  Гн/м,
– площадь поперечного сечения воздушного зазора магнитопровода.

     Однокатушечные индуктивные преобразователи имеют существенную нелинейность выходного сигнала  (рис. 9.2. б). Кроме того, в них якорь испытывает усилие притяжения к сердечнику – эффект электромагнита. Для устранения этих недостатков применяются индуктивные преобразователи с дифференциальным включением двух симметричных катушек, которые получили широкое распространение на практике из-за более высокой чувствительности, меньшей нелинейности функции преобразования и отсутствия эффекта притяжения якоря.

9.1. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ИНДУКТИВНЫХ
 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

 

Дифференциальные двухкатушечные индуктивные преобразователи включаются в дифференциальные мостовые схемы и имеют две цепи, благодаря чему значительно уменьшается аддитивная погрешность (погрешность нуля), обеспечивается линейность функции преобразования, в два раза возрастает чувствительность и уменьшается сила притяжения якоря.

Мостовые схемы (рис. 9.3.) обычно проектируются так, чтобы напряжение на измерительной диагонали отсутствовало, когда на дифференциальный индуктивный преобразователь не воздействует входная величина. При этом сопротивления плеч  и  дифференциального индуктивного преобразователя равны между собой и принимаются равными .

а)                                         б)      

 

, , ,

Рис. 9.3. Дифференциальная схема включения индуктивного
измерительного преобразователя

 

Очевидно, что при изменении воздушного зазора, то есть при перемещении якоря сопротивления секций индуктивного преобразователя будут равны:

                                                                               

             а                                                           б

             в                                                 г

Рис. 9.4. Схемы включения индуктивных измерительных
преобразователей (а) и (б) с активными балластными сопротивлениями R
и с заменой местами источника питания и нагрузки R_н;
в – с индуктивными балластными сопротивлениями L;
г – с симметричным трансформаторным питанием

Изменение сопротивления .

Изменения сопротивлений  обычно невелики, и можно считать, что напряжение на измерительной диагонали моста изменяется пропорционально величине . В этом случае функция преобразования будет характеризоваться только чувствительностью:

,                               

где  – напряжение на измерительной диагонали.

Существуют различные схемы включения индуктивных преобразователей (рис. 9.4). В качестве примера определим чувствительность для схемы, показанной на рис. 9.4, а. 

Для режима холостого хода ( ):

,

где R – величина сопротивления балластных резисторов (при преобразованиях пренебрегаем значениями  как бесконечно малыми).

       Чувствительность схемы для режима холостого хода:

При <<1   .                      

Рис. 9.5. К теореме об активном двухполюснике

Когда сопротивление нагрузки R_н не бесконечно, а соизмеримо с другими сопротивлениями цепи, тогда для определения чувствительности схемы следует измерять падение напряжения U на нагрузке R_н. При этом используется теорема об активном двухполюснике (рис. 9.5).

,                                              

где  - сопротивление всей мостовой цепи со стороны нагрузки, то есть между точками а и b при закороченном источнике напряжения (рис. 9.5. б).

                    .                            

Найдём :

,                                                   

,                                                   

 = .

       Тогда чувствительность схемы определяется как:

.

 

10. СИНУСНО-КОСИНУСНЫЕ ВРАЩАЮЩИЕСЯ
ТРАНСФОРМАТОРЫ (СКВТ)

СКВТ широко применяются в станках с ЧПУ и в системах управления промышленными роботами как датчики угла поворота и перемещения. Они имеют малые габариты, хорошую разрешающую способность и высокую помехозащищённость.

СКВТ представляют собой индуктивную электрическую машину, с двумя обмотками на роторе (синусная и косинусная) и двумя обмотками на статоре (возбуждения и компенсационная). Обмотки сдвинуты друг относительно друга на 90^о. Выходные напряжения, снимаемые с роторных обмоток, являются функциями угла поворота ротора.

СКВТ имеют два режима работы: трансформаторный (амплитудный) и фазовый.

В трансформаторном режиме первичную статорную обмотку (возбуждения) запитывают переменным напряжением.

                                             

Вторичную статорную обмотку (компенсационную) или не используют, или закорачивают.

Под действием напряжения на статорной обмотке  в ней протекает ток, который создаёт магнитный поток , наводящий в роторных обмотках ЭДС.

 

 

Рис. 10.1. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор

     Выходные сигналы снимают либо с синусной, либо с косинусной, либо с обеих обмоток ротора:

                         ,

где ,  – амплитуды выходных сигналов, зависящие от угла α поворота ротора, k – коэффициент передачи.

     При подключении нагрузки, например, к синусной обмотке по ней будет протекать ток, который создает свой магнитный поток  (рис. 10.2).

 

Рис. 10.2. Искажение магнитного потока возбуждения при подключении
нагрузки к синусной обмотке СКВТ

     За счёт взаимодействия магнитных потоков возбуждения  и  происходит искажение их направления (рис. 10.2.).

Поперечная составляющая магнитного потока  синусной обмотки направлена против , тем самым изменяется его величина. Составляющая наведёт в синусной обмотке ЭДС , а составляющая ,где  – полная ЭДС в синусной обмотке.

     Суммарная ЭДС синусной обмотки не имеет идеальной синусной зависимости:

 ,

 где ,  - индуктивная составляющая полного сопротивления в синусной обмотке;  - полное сопротивление в синусной обмотке.

    Наибольшая погрешность возникает при углах α=36^о 16'; 144^о 44'; 215^о 16'. Для устранения этой погрешности в СКВТ применяют первичное и вторичное симметрирование.

     Первичное симметрирование осуществляют со стороны первичных, т. е. статорных обмоток. Для этого вторую статорную обмотку (компенсационную) замыкают накоротко. Это приводит к компенсации магнитного потока .

Вторичное симметрирование осуществляется со стороны вторичных, т. е. роторных обмоток. При этом синусные и косинусные роторные обмотки включают на общую симметрированную нагрузку (R_н= R_δ) по схеме (рис. 10.3. б).

 

         а)                                                                          б)

 

 

Рис. 10.3. Первичное (а) и вторичное (б) симметрирование СКВТ

 

Может осуществляться одновременно и первичное и вторичное симметрирование (рис. 10.3.).

В фазовом режиме работы СКВТ на обе статорные обмотки через фазорасщепитель Ф (рис. 10.4.) подключаются напряжения U_ст1 и U_ст2, сдвинутые друг относительно друга на угол . При этом напряжение, снимается с синусной или косинусной обмотки.

                                                        

                                                    

 

 

 

Рис. 10.4. Работа СКВТ в фазовом режиме

Последнее выражение справедливо только при выполнении условий: 1) равенстве амплитуд напряжения питания; 2) строгом соблюдении угла сдвига фаз на .

Комбинированное использование трансформаторного и фазовращательного режимов работы СКВТ эффективно используется в системах управления промышленными роботами для определения координат рабочей точки захватного устройства.

11. ЭЛЕКТРО-СТАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

 

К электро-статическим измерительным преобразователям относятся емкостные и пьезоэлектрические измерительные преобразователи.