3. ИНДУКТИВНЫЕ И ИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Индуктивные преобразователи служат для преобразования перемещения в изменение индуктивности. Принцип действия простейшего индуктивного преобразователя поясняет рис. XVI.21, а.

Рис. XVI.21. Принципиальные схемы индуктивных преобразователей а — с односторонним зазором, б — дифференциальный (с двухсторонним зазором), в, г — с переменным сечением магнитного потока

Индуктивный преобразователь представляет собой магнитную цепь, состоящую из катушки 1 со стальным сердечником 2, подвижного якоря 3 и двух воздушных зазоров При питании катушки переменным током, ее полное сопротивление

где R — активное сопротивление катушки преобразователя; — круговая частота питающего напряжения;

— индуктивность преобразователя.

Индуктивность катушки в рассматриваемом преобразователе приближенно может быть определена по формуле

где — магнитное сопротивление стальных участков цепи; — магнитное сопротивление воздушных зазоров.

Как видно из последней формулы, индуктивность может изменяться в результате изменения и Для преобразования перемещений используют зависимость от при этом остается неизменным. Перемещение преобразуется в изменение либо за счет увеличения (уменьшения) воздушного зазора либо путем изменения площади воздушного зазора. При этом используется зависимость

где — величина зазора в ;

— площадь воздушного зазора в

— магнитная проницаемость воздушного зазора.

При изменении зазора входной величиной преобразователя (см. рис. XVI.21, а) является перемещение х якоря 3, а выходной — индуктивность или индуктивное сопротивление катушки.

Зависимость индуктивности от перемещения х для преобразователя, показанного на рис. XVI.21, а, выражается формулой

где — начальный зазор между якорем и сердечником в — перемещение якоря.

В индуктивных преобразователях величины зазоров находятся в таких пределах, что можно принять . В связи с этим для модуля полного сопротивления преобразователя можно применить приближенную формулу:

Чувствительность рассматриваемого индуктивного преобразователя

не является постоянной, что определяется нелинейностью зависимости Это один из существенных недостатков таких преобразователей. Кроме того, магнитный поток Ф в зазоре вызывает появление электромеханических сил, притягивающих якорь к сердечнику. Для рассматриваемого преобразователя величина силы Р притяжения в соответствии с формулой Максвелла будет [15]:

где — коэффициент пропорциональности;

а — коэффициент рассеиваний потока.

Для получения более линейной характеристики преобразователя и значительного уменьшения сил притяжения якоря к сердечнику применяют дифференциальный индуктивный преобразователь (рис. XVI.21, б). При перемещении якоря индуктивность одной обмотки увеличивается, а другой обмотки уменьшается. Обмотки включают в дифференциальную или мостовую электрическую схему таким образом, чтобы сигнал на выходе в среднем (нулевом) положении якоря был равен нулю. При переходе якоря через среднее положение фаза выходного напряжения изменяется на 180°. Чувствительность дифференциального преобразователя примерно в 2 раза выше по сравнению с рассмотренным простым преобразователем (см. рис. XVI. линейность характеристики наблюдается для большей величины преобразуемого перемещения. У дифференциальных преобразователей значительно уменьшается притяжение якоря к сердечникам, определяемое равнодействующей двух сил действующих на якорь со стороны сердечников:

В среднем положении якоря эта сила равна нулю.

Преобразователи с переменным зазором применяют при малых перемещениях, составляющих десятые, сотые и тысячные доли миллиметра. Значительно большими пределами преобразуемых перемещений отличаются индуктивные преобразователи с переменной площадью воздушного зазора. Преобразователи этого типа являются более универсальным.

На рис. XVI.21, в, г приведены принципиальные схемы индуктивных преобразователей для относительно больших перемещений (до нескольких десятков миллиметров).

Примеры конструктивных схем дифференциальных индуктивных преобразователей для измерения небольших перемещений даны на рис. XVI. 22, а и б. Индуктивные преобразователи не содержат увеличивающих рычажных механизмов. Это объясняется тем, что их чувствительность в большей степени зависит от выбора электрической схемы, частоты питающего тока и в меньшей степени от механического увеличивающего устройства. Основными узлами преобразователя являются: корпус 1, индуктивные катушки 2, измерительный

стержень 4, якорь 3. Особенностью преобразователя (см. рис. XVI.22, б) является то, что катушки 2 закреплены не в корпусе 1, а на измерительном стержне якорем служит прилив 4 внутри корпуса, относительно которого катушки смещаются при перемещении стержня. Корпус преобразователя, помимо своего основного назначения, служит экраном для индуктивных катушек от внешних электрических и магнитных полей.

Рис. XVI.22. Конструкции безрычажных индуктивных преобразователей: а — с подвижным якорем; б — с подвижными катушками

Измерительный стержень подвешивается к корпусу на пружинах мембранного типа.

В табл. XVI.4 приведены основные технические характеристики серийно выпускаемых индуктивных преобразователей небольших перемещений.

Индукционные преобразователи предназначаются для преобразования линейного или углового перемещения в изменение взаимной индукции между двумя или несколькими катушками.

Принцип действия такого преобразователя можно пояснить с помощью рис. XVI.23. На сердечнике установлены две катушки с обмотками, содержащими и витков. При изменении магнитного сопротивления цепи,

Таблица XVI. 4 Технические характеристики индуктивных преобразователей

например, при изменении зазора 6, будет изменяться взаимоиндукция М между катушками, которая определяется по формуле

Обмотка одной из катушек является первичной, и к ней подводится переменный ток от источника питания. Во вторичной обмотке наводится э. д. с., величина которой изменяется в зависимости от изменения взаимоиндукции.

Таким образом, выходной величиной преобразователя такого типа является коэффициент взаимоиндукции М. У дифференциального трансформаторного преобразователя, применяемого для преобразования малых угловых перемещений (рис. XVI.24), обмотки Г и 1" являются первичными и питаются переменным током. Когда якорь 3 находится в нейтральном положении, э. д. с., наведенные во вторичной обмотке, равны нулю, так как магнитные потоки обмоток Г и 1" в этом случае равны и противоположны по направлению. При повороте якоря баланс магнитных потоков во вторичной обмотке 2 нарушается и в ней наводится э. д. с., фаза которой при переходе якоря через нуль изменяется на 180°.

Рис. XVI.23. Принципиальная схема индукционного преобразователя

Рис. XVI.24. Индукционный преобразователь угла поворота

Рис. XVI.25. Микросин

К трансформаторным преобразователям, предназначенным для измерения углов поворота, относится также микросин (рис. XVI.25). Цепь возбуждения микросина состоит из четырех последовательно соединенных первичных обмоток. Обмотки располагаются на двух парах взаимно перпендикулярных полюсов статора 7, причем магнитные потоки в каждой паре имеют одинаковое направление. На этих же полюсах расположены четыре вторичные обмотки,

соединенные последовательно. Э. д. с., которые наводятся в противоположных обмотках, складываются, причем э. д. с., наведенная в вертикальной паре обмоток, направлена навстречу э. д. с., наведенной в горизонтальной паре.

Нейтральным или нулевым называется такое положение ротора 2, когда он располагается под углом 45° к полюсам статора. В этом случае магнитная проводимость цепи для вертикального и горизонтального потоков возбуждения одинакова, а наводимые в вертикальной и горизонтальной парах вторичных обмоток э. д. с. равны, но противоположны по знаку. Выходной сигнал при этом равен нулю.

Когда ротор поворачивается, например, по часовой стрелке, горизонтальный поток усиливается, вертикальный ослабляется и на выходе микросина возникает напряжение, амплитуда которого в некоторых пределах пропорциональна углу поворота ротора, а фаза при переходе ротора через нуль изменяется на 180°. Соединение обмоток возможно и по другой схеме. Микросин обладает двузначной характеристикой: положениям ротора, отличающимся на 180°, соответствуют одинаковые выходные сигналы.

Существуют трансформаторные преобразователи с однозначной характеристикой, позволяющие вводить неограниченные углы поворота (до 360° и более).