К этому типу относятся разновидности электромагнитных преобразователей, у которых под воздействием измеряемой неэлектрической величины изменяются коэффициенты самоиндукции или взаимоиндукции в электромагнитной системе. Естественной входной величиной является линейное или угловое перемещение, а выходной — индуктивность или напряжение переменного тока.
Простейшие электромагнитные преобразователи малых перемещений представлены на рис. 2.4 и состоят из неподвижного П-образного магни-топровода 1 с обмоткой 2 и подвижной части магнитопровода — якоря 3.
В преобразователе на рис. 2.4,о под воздействием входной величины Хн.эл изменяется зазор 8 между подвижной и неподвижной частями магнитопровода, а в преобразователе на рис. 2.4,5 изменяется площадь sq воздушного зазора при горизонтальном перемещении якоря 3.
Электрическое сопротивление обмотки
где rq — сопротивление постоянному току; ZM = Ru + jXM— магнитное сопротивление магнитопровода; ш — частота тока, проходящего через обмот-КУ! Wi — число витков обмотки; Так
как Дм ;Э> ]ХЫ, магнитное сопротивление магнитопровода будет равно
где /ст — средняя длина магнитных силовых линий в ферромагнитных участках магнитопровода; цст— магнитная проницаемость материала магнитопровода; sct — поперечное сечение магнитопровода; 6, цо и sq — то же для воздушных зазоров. Тогда
Из последнего уравнения можно найти выражение для коэффициента самоиндукции
Изменение величины зазора 6 или площади So приводит к изменению L. * Такие преобразователи называют ин-дуктивными.
Если кроме обмотки W\ на маг-нитопроводе расположить обмотку Wi (рис. 2.5), то коэффициент взаимоин-
дукции между ним
Преобразователи этого типа известны как взаимоиндуктивные или трансформаторные. Если в обмотку W\ подать переменный ток /1 и поддерживать постоянным его значение, то ЭДС во вторичной (измерительной) обмотке Wi будет функционально зависеть от положения якоря, т.е.
где ы — частота питающего напряжения; К — коэффициент, учитывающий параметры обмотки W\ и магнитное сопротивление магнитопровода.
Как следует из выражений для коэффициентов самоиндукции и взаимоиндукции, функции преобразования L — f(S) или М = f(6) простейших индуктивных и трансформаторных преобразователей имеют гиперболический характер (рис. 2.6). Поэтому они применяются только при преобразовании малых перемещений при начальной величине зазора sq < 1 мм.
Существенное уменьшение нелинейности достигается в дифференциальных схемах рассматриваемых пре-
образователей. При перемещении якоря в индуктивном преобразователе на рис. 2.7 величина L\ будет увеличиваться, а величина £2 уменьшаться. Если включить W\ и W% в соседние плечи мостовой схемы, то напряжение на выходе моста переменяо-го тока будет пропорционально разности AL = L\ — L2, причем зависимость AL = f(S) значительно более линейна, чем L = /(<$)•
Тот же эффект можно получить в трансформаторных датчиках с двумя вторичными обмотками W\ и W? (рис. 2.8), если включить их навстречу друг другу. При симметричном расположении якоря выходное напряжение будет равно нулю, при смещении якоря в ту или иную сторону на выходе преобразователя появится выходное напряжение АС/ = U\ — С/2-
Чувствительность индуктивных и трансформаторных преобразователей в соответствии с уравнениями / = f(8)
Для трансформаторных преобразователей
Мощность индуктивного преобразователя, являющаяся в основном реактивной, определяется по формуле
где Кф — коэффициент формы; WI — число ампер-витков; / — частота питания в герцах; Дм — активная составляющая магнитного сопротивления.
Основной составляющей погрешности современных индуктивных и трансформаторных преобразователей является температурная погрешность. Под влиянием температуры изменяется активное сопротивление обмоток преобразователя, магнитная проницаемость материала магнитопровода, геометрические размеры магнитопровода (начальная величина воздушного зазора) и' упругость элементов крепления якоря. Наиболее радикальным
способом уменьшения этих погрешностей является применение дифференциальных преобразователей с двумя или четырьмя обмотками, соединенными по полумостовой схеме или схеме четырехплечевого моста. Теоретически, при условии полной идентичности обмоток и симметричных частей магнитопровода, можно полностью исключить погрешности от внешних влияющих факторов.
Частота напряжения питания индуктивных и трансформаторных преобразователей выбирается из следующих соображений. С одной стороны желательно повышать частоту напряжения питания трансформаторных преобразователей, так как при этом увеличивается чувствительность. Кроме того, расширяется частотный диапазон работы преобразователей из-за устранения вероятности возникновения биений между частотой преобразуемого процесса и частотой напряжения питания. Однако увеличение частоты тока, проходящего через обмотки преобразователя, вызывает увеличение потерь на гистерезис и вихревые токи и усиливает поверхностный эффект. Исходя из этих соображений можно считать оптимальной частоту питающего напряжения в пределах 10... 12 кГц. При изготовлении магнитопроводов из порошковых материалов эта цифра может быть увеличена до 40... 100 кГц [30].
С конструктивной точки зрения индуктивные и трансформаторные преобразователи можно разделить на преобразователи малых (от 0,01 до 10 мм) или больших (до 100 мм) линейных или угловых (до 10° или до 45...60°) перемещений, преобразователи с замкнутым или разомкнутым магнитопроводом и преобразователи с подвижным элементом магнитопровода или под
вижной катушкой
Для преобразования малых линейных или угловых перемещений чаще всего используются преобразователи с замкнутым магнитопроводом с подвижным якорем (рис. 2.4, 2.5, 2.7-2.9). Магнитный поток в этих преобразователях замыкается в основном по фе-ромагнитным участкам магнитопрово-да. Ограниченное применение для измерения малых перемещений находят преобразователи с разомкнутым магнитопроводом индуктивного (рис. 2.10) и трансформаторного (рис. 2.11) типа, когда магнитный поток замыкается в основном через воздух.
Примером трансформаторного преобразователя с замкнутой магнитной системой и подвижной катушкой
является конструкция на рис. 2.12. При симметричном расположении катушки 1 с обмоткой возбуждения относительно вторичных обмоток 2 и 3 напряжение на этих обмотках одинаково и выходной сигнал с преобразователя при встречном включении обмоток равен нулю. При смещении катушки 1 симметрия величин взаимоиндукции нарушается и на выходе появляется электрический сигнал.
Схема преобразователя с распределенными магнитными параметрами для измерения больших линейных перемещений дана на рис. 2.13. Преобразователь состоит из магнитопро-вода 1 с двумя длинными полюсными наконечниками, катушки возбуждения W\ и подвижной измерительной катушки Wi- При перемещении катушки Wi в направлении катушки И^1 возрастает напряженность магнитного поля и, следовательно, величина индуцированной ЭДС.
В преобразователе больших перемещений с подвижным элементом маг-нитопровода (рис. 2.14) используется эффект изменения взаимоиндукции между обмотками Ю^п, W^i и Wia, wm-При симметричном расположении подвижного элемента 1 взаимоиндукция одинакова и ЭДС на концах соединенных встречно обмоток W-ц и WJ2 равна нулю. При перемещении подвижного элемента магнитопровода симметрия магнитных потоков нарушается и на выходе преобразователя появляется сигнал, равный разности ЭДС ец и е22-
Все рассмотренные выше конструктивные схемы относятся к аналоговому режиму работы индуктивных и трансформаторных преобразователей. Однако эти преобразователи применяются и в дискретном режиме, который в принципе обеспечивает независимость точности преобразования входной величины от погрешности, в частности температурной, собственно индуктивного или трансформаторного преобразователя.
Пример конструкции индуктивного дискретного преобразователя для измерения числа оборотов представлен на рис. 2.15. Преобразователь состоит из магнитопровода с катушкой, индуктивность которой меняется з