Индуктивные преобразователи

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов магнитной цепи.

На рис. 2.4 представлена конструкция простейшего индуктивного преобразователя, где 1 и 2 – подвижный и неподвижный сердечники соответственно; 3 ­ – немагнитная металлическая пластина; w ₁ и w ₂ – число витков первичной и вторичной обмоток.

Коэффициент самоиндукции (индуктивность) обмотки, расположенной на магнитопроводе, ,где  – магнитное сопротивление магнитопровода, причем . Здесь  и  – активная и реактивная составляющие магнитного сопротивления магнитопровода.

Активная составляющая определяется по формуле

,

где – относительная магнитная проницаемость, длина и площадь поперечного сечения i- го участка магнитопровода соответственно;  – длина воздушного зазора; S – площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода;  Гн/м – магнитная постоянная.

   Реактивная составляющая магнитного сопротивления определяется по формуле

,

где P – потери мощности в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи; ω – угловая частота; Ф – магнитный поток в магнитопроводе.

   Взаимная индуктивность двух обмоток может быть найдена из выражения .

   Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять меняя значения  и S, перемещая подвижный сердечник в том или ином направлении, а также воздействуя на потери в магнитопроводе, перемещая немагнитную металлическую пластину.

   Полное электрическое сопротивление Z преобразователя связано с длиной воздушного зазора  зависимостью, близкой к гиперболической. Линейный участок характеристики преобразования с начальным зазором  ограничен значением (0.1…0.2)  с погрешностью линейности 1 %. Относительное изменение полного сопротивления Δ Z / Z из-за наличия активного сопротивления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления магнитопровода в 2...5 раз меньше относительного изменения длины воздушного зазора .

   Расширить линейный участок характеристики преобразования можно, если в качестве выходной величины выбрать не сопротивление Z, а проводимость  [3]. При этом зависимость изменения проводимости Δ Y будет линейно связана с относительным изменением длины воздушного зазора  (  должно быть много меньше единицы).

При включении индуктивного преобразователя в цепь переменного тока преобразователь превращается в некотором смысле в электромагнит с подвижным якорем. Сила притяжения якоря со стороны электромагнита и соответственно дополнительное перемещение якоря должны быть пренебрежимо малы по сравнению с измеряемыми значениями, что необходимо учитывать при конструировании ИП.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис. 2.5), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются 2 воздушных зазора  и . Дифференциальные преобразователи имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования (линейный участок расширяется до 0,5 ), меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнитов.

Широкое распространение получили трансформаторные индуктивные преобразователи (на самом деле это взаимно-индуктивные преобразователи). На рис. 2.6 показан дифференциальный трансформаторный индуктивный преобразователь, в котором первичные обмотки  и  включены последовательно и согласно в цепь источника питания U.

Вторичные обмотки  и  включены встречно, вследствие чего при перемещении сердечника на выходе ИП появляется разность . Если сердечник находится строго симметрично по отношению к обеим половинам ИП, т. е. при x = 0, то  и Δ E = 0.              

По типу магнитной цепи индуктивные преобразователи делят на ИП с разомкнутой магнитной цепью и ИП с замкнутой магнитной цепью.

ИП с разомкнутой магнитной цепью представляют собой катушку 1 внутри которой помещен стальной сердечник 2 (рис. 2.7). Такие ИП отличаются малыми габаритами и массой, но подвержены сильному влиянию внешних магнитных полей. Данные преобразователи используются для измерения относительно больших перемещений (до 100 мм).

ИП с замкнутой магнитной цепью (рис. 2.4 – 2.6) имеют сердечники, набранные из листов трансформаторной или электротехнической стали, иногда из пермаллоя. В ИП, работающих на высоких частотах, используются ферритовые сердечники. Выбор материала сердечника определяется частотой напряжения питания. При увеличении частоты питания повышается индуктивное сопротивление, однако при этом растут потери на перемагничивание. Если материалом сердечника является электротехническая сталь, то частота напряжения питания должна находиться в диапазоне 50…800 Гц. При использовании пермаллоевых сердечников частота питания может быть повышена до 2000 Гц. ИП с ферритовыми сердечниками могут иметь частоту питания до 100…300 кГц. Частота питания ИП непосредственно связана с частотным диапазоном преобразуемого процесса. Если частота  исследуемого процесса задана, то частота  питания (рабочая частота) должна быть .

Индуктивные ИП с замкнутой магнитной цепью обычно используют для измерения относительно малых перемещений, не превышающих нескольких миллиметров. 

Источниками статической погрешности индуктивных ИП являются колебания напряжения и частоты питания, нелинейность характеристики, а также влияние температуры и внешних магнитных полей. Влияние температуры, в частности, сказывается в изменении свойств ферромагнитного сердечника и изменении активного сопротивления катушки. При этом, как уже отмечалось, все указанные погрешности существенно уменьшаются благодаря использованию дифференциальных преобразователей.

Динамические свойства индуктивных ИП зависят в основном от массы движущихся частей (якоря).

Выходной параметр индуктивных ИП (нетрансформаторных) измеряют с помощью мостов переменного тока, а также с помощью специальных резонансных схем. Выходной параметр трансформаторных ИП измеряют с помощью стрелочных индикаторов или компенсационных схем.

Достоинством индуктивных ИП считается высокая чувствительность, значительная выходная мощность, простота и надежность устройства.

К недостаткам можно отнести наличие обратного влияния подвижного якоря на измеряемую величину и ограниченные динамические свойства.

Основное применение индуктивные ИП находят при измерении малых перемещений и других величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (сила, давление, механические моменты).