Трансформаторные датчики

Принцип действия трансформаторных датчиков основан на изменении коэффициента взаимоиндукции обмоток при перемещении якоря. Они относятся к электромагнитным датчикам генераторного типа. Магнитные системы трансформаторных датчиков такие же, как и у рассмотренных в предыдущем параграфе индуктивных датчиков. Отличие заключается лишь в том, что добавляется еще обмотка, с которой и снимается выходной сигнал. Благодаря этому в трансформаторных датчиках отсутствует непосредственная электрическая связь между цепью питания и измерительной цепью. Существует связь лишь за счет магнитного поля (трансформаторная связь), что позволяет выбором числа витков выходной обмотки получить любой уровень выходного напряжения.

На рис. 8 показан трансформаторный датчик с подвижным якорем. Обмотка возбуждения w₁, питается напряжением U₁, которое создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Во вторичной обмотке w₂ индуцируется ЭДС Е₂, значение которой зависит от величины воздушного зазора δ. Максимальная ЭДС Е₂ получается при δ = 0, поскольку при этом магнитное сопротивление замкнутого магнитопровода минимально и по нему проходит максимальный магнитный поток Ф. С увеличением δ уменьшаются магнитный поток и соответствующая ему ЭДС Е₂. Такой датчик используется для измерения малых линейных перемещений, но имеет серьезный недостаток: зависимость ЭДС Е₂ от перемещения якоря х нелинейна и не проходит через нуль.

На рис. 9, а показан трансформаторный датчик с поворотной обмоткой. Магнитопровод датчика неподвижен и состоит из ярма 1 и сердечника 2. Обмотка возбуждения w₁ размещена на ярме 1, запитана переменным напряжением U₁ и создает в зазоре между ярмом 1 и сердечником 2 переменный магнитный поток Ф, амплитудное значение которого неизменно. В зазоре с равномерным распределением индукции размещена поворотная рамка 3 с вторичной обмоткой w₂, в которой индуцируется ЭДС Е₂, являющаяся выходным сигналом датчика. В зависимости от угла поворота α Е₂ изменяется от нуля (при α = 0 плоскость рамки размещена вдоль направления магнитного потока) до максимального значения (при α = 90° плоскость рамки размещена поперек направления магнитного потока, весь магнитный поток сцеплен с витками вторичной обмотки w₂). При изменении знака угла поворота α фаза ЭДС Е₂ изменяется на 180°, т. е. датчик является реверсивным. В некотором диапазоне входного сигнала (угла поворота а) обеспечивается линейная зависимость . Статическая характеристика трансформаторного датчика с поворотной обмоткой показана на рис. 9, б. Такие датчики получили распространение для дистанционных передач показаний различных приборов под названием ферродинамических преобразователей. Недостатком ферродинамических преобразователей является зависимость выходного сигнала от колебаний напряжения и частоты питания.

Рис. 8. Трансформаторный датчик линейных перемещений

Если необходимо измерять большие угловые перемещения в одну сторону, то последовательно с вторичной обмоткой включается дополнительная обмотка смещения w_см, размещенная на ярме 1. Потокосцепление ее неизменно; следовательно, в ней индуцируется ЭДС Е_см с постоянным амплитудным значением. При последовательном соединении обмоток w₂ и w_см ЭДС Е₂ и Е_см суммируются (с учетом фазы). Результирующая статическая характеристика датчика с обмоткой смещения показана на рис. 9, б.

Трансформаторные датчики с входным сигналом в виде углового перемещения часто выполняют в виде электрических микромашин, известных под названием «вращающиеся трансформаторы» (ВТ). На статоре и роторе ВТ размещены по две взаимно перпендикулярные обмотки. Коэффициент взаимоиндукции статорных и роторных обмоток изменяется по синусоидальному закону в зависимости от угла поворота α. В зависимости от схемы соединения об моток различают синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) и линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ).

Рис. 9. Трансформаторный датчик угловых перемещений

Схема соединения обмоток СКВТ показана на рис. 10. Напряжение питания U₁ подано на одну обмотку статора. С роторных обмоток снимаются два выходных сигнала U₂ и U₃, изменяющиеся соответственно по закону синуса и косинуса в функции угла поворота ротора. Если роторные обмотки подключить к каким-нибудь измерительным цепям, то по обмоткам пойдут токи нагрузки. Под влиянием токов нагрузки синусная и косинусная зависимости искажаются. Для устранения таких искажений выполняются так называемые операции симметрирования ВТ, заключающиеся в подборе соответствующих сопротивлений R₁ (первичное симметрирование) и R₂, R₃ (вторичное симметрирование).

Выходные напряжения вторичных напряжений СКВТ могут быть записаны в виде ; . Коэффициент пропорциональности k зависит от соотношения витков и при выполнении симметрирования не зависит от угла поворота а (обычно ).

Схема соединения обмоток ЛВТ показана на рис. 11. Зависимость выходного напряжения U₂ от угла поворота ротора имеет вид

Для малых углов а можно принять , a , и зависимость U₂ =f(α) принимает вид

т. е. выходное напряжение имеет линейную зависимость от угла α. Относительная приведенная погрешность ЛВТ при соответствующем выборе обмоточных данных в диапазоне углов а до 50° может не превышать 0,05 %.

Рис. 10. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор

Рис. 11. Линейный вращающийся трансформатор

Для дистанционных передач угловых перемещений широко применяются также электромашинные элементы автоматики — сельсины. Они имеют однофазную обмотку на статоре и трехфазную обмотку синхронизации на роторе (возможно и обратное расположение обмоток). Сельсины могут работать в индикаторном и трансформаторном режимах. На передающей стороне устанавливается сельсин-датчик, а на приемной — сельсин-приемник, который должен автоматически повторять угол поворота сельсина-датчика. В индикаторной схеме (рис. 12) обмотки возбуждения сельсина-датчика и сельсина-приемника подключаются к сети переменного тока, а обмотки синхронизации обоих сельсинов соединяются друг с другом проводами линий связи. ЭДС в каждой из фаз обмотки синхронизации изменяется пропорционально косинусу угла между осью обмотки возбуждения и осью этой фазы. ЭДС фаз синхронизации датчика, ротор которого повернут на угол а, будут определяться уравнениями

ЭДС фаз синхронизации приемника, ротор которого повернут на угол β, будут определяться уравнениями

;

;

Рис. 12. Индикаторная схема включения сельсинов

Под действием разности этих ЭДС по проводам линии связи между обмотками синхронизации пойдут токи

где z — сопротивление фаз приемника, датчика и линии связи. В сельсине-приемнике взаимодействие этих токов с магнитным потоком возбуждения вызывает появление вращающего момента

где k_M — постоянный коэффициент, определяемый обмоточными и конструктивными данными сельсина.

Под действием этого момента сельсин-приемник поворачивается в то же положение, что и датчик, поскольку только при β = α вращающий момент становится равным нулю. Вращающий момент воздействует и на вал сельсина-датчика, однако его угол поворота задан механизмом или чувствительным элементом, угловое перемещение которого подлежит контролю. Для сельсинной индикаторной схемы очень важной характеристикой является величина удельного синхронизирующего момента, т. е. момента на 1º рассогласования. Для сельсинов, используемых в промышленности, эта величина составляет (4÷50) 10^-4 м.

Для повышения вращающего момента используется трансформаторная схема включения сельсинов. В этой схеме обмотка возбуждения сельсина-приемника не подключается к сети, а с нее снимается напряжение, которое пропорционально синусу угла рассогласования. Это напряжение подается на усилитель, который питает электродвигатель, приводящий через редуктор сельсин-приемник в согласованное с сельсином-датчиком положение. Одновременно устанавливается в требуемое положение и нагрузка — тот производственный механизм, угловым перемещением которого требуется управлять на расстоянии. Такие автоматические устройства называются следящими системами: приемник как бы «следит» за датчиком.

Наряду с контактными сельсинами большое распространение получили бесконтактные сельсины. В контактных сельсинах подключение обмоток ротора во внешнюю цепь осуществляется с помощью контактных колец и щеток. В бесконтактных сельсинах обмотки возбуждения и синхронизации размещены на статоре, а изменение магнитной связи между ними по синусоидальному закону обеспечивается с помощью безобмоточного ротора с неодинаковым магнитным сопротивлением по взаимно перпендикулярным осям. Надежность бесконтактных сельсинов существенно выше, чем контактных.

Трансформаторные датчики, так же как и индуктивные, часто используют с дифференциальной схемой включения обмоток. Если в дифференциальном индуктивном датчике с подвижным якорем использовалось два одинарных индуктивных датчика (см. рис. 3), а следовательно, и два сердечника, то в дифференциальном трансформаторном датчике возможно использование общего сердечника.

На рис. 13, а показана схема дифференциально-трансформаторного датчика с общим сердечником 1 и подвижным якорем 2, перемещающимися в горизонтальном направлении.

Сердечник Ш-образной формы набирается из тонких (толщиной 0,5 или 0,35 мм) листов электротехнической стали. На среднем сердечнике размещена первичная обмотка w₁, на двух крайних— вторичные обмотки w₂, которые включены встречно. Первичная обмотка w₁ включается на напряжение переменного тока и создает магнитный поток Ф. Этот поток проходит через средний стержень и разветвляется в правый и левый сердечники пропорционально магнитным проводимостям зазоров под этими стержнями.

Магнитная проводимость воздушного зазора пропорциональна площади s зазора и обратно пропорциональна его длине δ:

Рис. 13. Дифференциально-трансформаторный датчик с магнитопроводом

При перемещении якоря в горизонтальном направлении (рис. 13) изменяется не длина зазора, а его площадь s. При симметричном расположении якоря относительно сердечника магнитная проводимость зазора под левым стержнем сердечника (G₁) равна проводимости под правым стержнем (G₂). Следовательно, одинаковы и магнитные потоки в стержнях и соответствующие им ЭДС во вторичных обмотках: . Выходной сигнал датчика формируется в виде разности этих ЭДС, которая в данном случае равна нулю. При смещении сердечника под одним стержнем площадь зазора и соответствующая магнитная проводимость возрастают, а под другим — уменьшаются. Например, при перемещении якоря влево и через левый стержень проходит больший магнитный поток, чем через правый. Соответственно ЭДС вторичной обмотки на левом стержне становится больше ЭДС вторичной обмотки правого стержня: . Выходной сигнал датчика . При изменении направления смещения якоря относительно среднего положения фаза выходного сигнала меняется на 180°. Статическая характеристика дифференциально-трансформаторного датчика показана на рис. 13, б.

Дифференциально-трансформаторный датчик плунжерного типа показан на рис.14, а, б. На общем изоляционном каркасе размещены три катушечные обмотки: первичная w₁ и две вторичные и . Обе вторичные обмотки одинаковы, имеют одно и то же число витков, намотаны проводом одного и того же диаметра. Внутри катушек перемещается цилиндрический сердечник (плунжер) из ферромагнитного материала. Обмотка w₁ включена на напряжение переменного тока. Выходное напряжение снимается со встречно включенных обмоток и . При нейтральном (среднем) положении сердечника наведенные во вторичных обмотках ЭДС равны ( ) и выходное напряжение . При смещении сердечника от среднего положения равенство ЭДС нарушается и появляется выходное напряжение. Например, при перемещении сердечника вверх возрастает и убывает . При перемещении сердечника вниз фаза выходного сигнала изменяется на 180°. Статическая характеристика имеет такой же вид, как и для других конструкций дифференциально-трансформаторных датчиков (см. рис. 13, б). Дифференциально-трансформаторный датчик плунжерного типа может быть выполнен с разделительной трубкой (см. рис. 6), т. е. позволяет получить выходной сигнал о перемещении из зоны, где могут быть высокая температура, высокое давление или вакуум, вредные пары или излучение и т. п.

Рис. 14. Дифференциально-трансформаторный датчик плунжерного типа

Дифференциально-трансформаторные датчики могут работать в широком диапазоне перемещений: от малых долей миллиметра до десятков сантиметров. Они имеют высокую чувствительность, точность и надежность. Для питания датчиков обычно используется сеть с промышленной частотой 50 Гц, но можно использовать и источники повышенной частоты (до 10 кГц), что позволяет повысить чувствительность и коэффициент преобразования.

Поиск по сайту: