Лекция №5. Магнитомодуляционные измерительные преобразователи

Магнитомодуляционными называются преобразователи, действие которых основано на изменении магнитного состояния ферромагнит­ного материала при одновременном намагничивании в постоянном и переменном полях. Модуляция магнитным потоком возможна за счет нелинейных свойств магнитной цепи.

Магнитомодуляционные преобразователи (ММП) широко исполь­зуются в счетно-решающей технике в качестве логических элементов и запоминающих устройств. В измерительной технике ММП приме­няются для измерения напряженности постоянного магнитного поля (феррозонды), для преобразования постоянного тока в переменный с уменьшением абсолютного значения тока (измерительные трансфор­маторы постоянного тока), для преобразования постоянного тока в пе­ременный с увеличением абсолютного значения тока (магнитные усилители), для измерения перемещения объекта, с которым связывается подвижная часть преобразователя, несущая постоянный магнит (магнитомодуляционные преобразователи перемещения).

На рис. 5.1, а представлена упрощенно в виде ломаной линии 1 основная кривая намагничивания В = f (Н) ферромагнитного мате­риала; там же показана кривая 2 магнитной проницаемости μ (Н) = B/H и кривая 3 дифференциальной магнитной проницаемости μ_д (Н) = dB/dH.

Рис. 5.1

На этом же рисунке даны кривые 4, 5, и 6 напряженностей переменного магнитного поля Н= Н_т sin ωt, наложенного на постоянное с напряженностью H_. При этом напряженность пере­менного поля может быть много меньше напряженности постоянного поля (кривая 4), сравнима с ней по значению (кривая 5) или больше ее (кривая 6), а напряженность постоянного магнитного поля H_ может быть как меньше, так и больше напряженности насыщения H_нас.

Для магнитной цепи ММП характерны три различных режима работы: а) H_m~ и H_ меньше H_нас; б) H_ ≥ H_нас, H_m~ ≥ H_; в) H_m~> H_нас, H_ < H_m~. В первом режиме, показанном на рис. 5.1, а, магнитное сопротивление переменному потоку зависит от величины H_ и при H_m~< H_ может быть определено дифферен­циальной магнитной проницаемостью μ_д. При сравнимых величинах H_m~ и H_ для анализа работы магнитной цепи используются харак­теристики двойного намагничивания В_т = f (H_m, В₌), приводимые ниже на рис. 5.2.

Во втором режиме (рис. 5.1, б) модулирующим является постоян­ное поле, сердечник находится в режиме насыщения и выходит из него лишь в те полупериоды переменного напряжения, когда напряжен­ность H_~, направлена навстречу Н_ и достигает такого значения, что результирующая напряженность оказывается меньше напряженности насыщения. Таким образом, для переменного магнитного поля сер­дечник работает в ключевом режиме, включаясь на отрезке времени aб, когда Н_ + H_~ ≈ 0. Всю остальную часть периода магнитная проницаемость сердечника, показанная на рис. 5.1, б кривой μ (t), мала; обмотка, по которой проходит переменный ток, имеет малую индуктивность L = w²/Z_M = μw²S/l_M, и лишь на участке аб магнитная проницаемость и индуктивность резко возрастают.

В третьем режиме модулирующим является переменное поле. Для постоянного магнитного поля сердечник работает в ключевом режиме,

включаясь дважды за каждый период, когда напряженность пере­менного поля находится в диапазоне, ограниченном штриховыми прямыми (рис. 5.1, в). Действительно, в ту часть периода, когда H_~< H_нас, магнитная проницаемость сердечника велика и он явля­ется для постоянного потока нормальным ферромагнетиком с магнит­ной проницаемостью μ= (10³÷10⁵) μ ₀, а в ту часть периода, когда H_~> H_нас, магнитная проницаемость сердечника падает до значе­ния) μ = (10÷1) μ ₀ и он как бы отсутствует для постоянного маг­нитного поля. Кривая μ = f (t) также показана на рис. 5.1, в.

Рис. 5.2

Магнитомодуляционные преобразователи перемещения. Принцип действия преобразователя показан на рис. 5.2, а. Между двумя сердечниками 1 и 2 из листовой стали расположен постоянный маг­нит 3. Поток, создаваемый магнитом, замыкается через сердечники. При симметричном положении магнита потоки через сердечники равны и, следовательно, в каждом из сердечников действуют одинаковые индукции постоянного подмагничивания, равные В = О,5σФ_/(2S_серд), где Ф_ — поток магнита; σ — коэффициент рассеяния и S_серд — пло­щадь сечения сердечника. На сердечник 1 намотана обмотка с числом витков w, а сердечник 2 служит магнитным шунтом. Обмотка через ре­зистор подключена к источнику переменного тока 50 Гц. При перемещении магнита влево индукция в сердечнике 1 увеличивается и маг­нитная проницаемость материала падает. Магнитное сопротивление переменному потоку возрастает, индуктивность обмотки падает, ток й падение напряжения на резисторе R_н увеличиваются. Таким образом, входной величиной преобразователя является перемещение магнита, а выходной — падение напряжения на резисторе R_н. Характеристики двойного подмагничивания для листовой стали приведены на рис. 5.2,б.

В том случае, если сердечник 1 находится по переменному потоку в режиме заданной индукции, т. е. R = R_H + R_w = 0 (R_w — актив­ное сопротивление обмотки) и все напряжение питания уравновеши­вается противо-ЭДС обмотки, напряженность в материале и, следо­вательно, определяющий ее ток характеризуются при изменении В_ точками пересечения прямой 1 с семейством приведенных характери­стик. Если сердечник 1 находится в режиме заданной напряженности, т. е. R_H >>ωL и ток через обмотку не зависит от изменения ее противо-ЭДС, то переменная индукция в сердечнике и связанная с ней противо-ЭДС определяются точками пересечения прямой 2 с семейством харак­теристик. В реальном случае нагрузочная кривая описывается урав­нением эллипса

(5.1)

где B’_m = √2U/(ω w S_серд); H'_m = √2 Iw/l _серд = √2 Uw/(l _серд R); B'_m — амплитудное значение индукции в режиме заданного напряжения; H'_m — амплитудное значение напряженности в режиме заданного тока; U — действующее напряжение питания; w — число витков обмотки; ω— частота; S_серд и l _серд — площадь поперечного сечения сердечника и длина магнитной линии по сердечнику.

Измерительные трансформаторы постоянного тока (ИТПТ) применяются для измерения больших постоянных токов, а также токов и напряжений в высоковольтных цепях постоянного тока.

ИТПТ (рис. 5.3, а) состоит из двух одинаковых замкнутых ферромагнитных сердечников из магнитомягкого материала с прямоуголь­ной кривой намагничивания, которые имеют общую первичную обмотку с числом витков w₁ = 1, представляющую собой шину, по которой проходит измеряемый постоянный ток, и отдельные вторичные обмотки с числом витков w₂, равномерно намотанные на свои сердечники. Вто­ричные обмотки включаются последовательно-встречно к вспомога­тельному источнику переменного тока, а протекающий по ним ток i ₂ обычно выпрямляется и измеряется магнитоэлектрическим ампермет­ром.

Рис. 5.3

Магнитная цепь ИТПТ работает в режиме насыщения по постоян­ному магнитному потоку и выходит из этого режима, только когда

напряженность встречно направленного переменного магнитного поля компенсирует напряженность постоянного магнитного поля (рис.5.1,в).

На рис. 5.3, б изображена идеализированная прямоугольная кри­вая намагничивания сердечников и показаны МДС, действующие в сер­дечниках. Под действием МДС I₁w₁ оба сердечника насыщаются. Току I₁ соответствует начальная рабочая точка А на участке насыщения кривой намагничивания. Если ток I₁ увеличивается, точка А смещается вправо (А"); при уменьшении I₁ точка А смещается влево (A'). Ось времени для переменной МДС i₂w₂ совмещена с вертикальной линией, прохо­дящей через точку А.

Рассмотрим полупериод тока, когда в сердечнике I первичная I₁w₁ и вторичная i₂w₂ МДС вычитаются, а в сердечнике II — суммируются. При суммировании МДС индукция в сердечнике остается неизменной, равной индукции насыщения В _нас. При вычитании МДС индукция остается неизменной, лишь пока i₂w₂ < I₁w₁. При равенстве МДС происходит изменение индукции и в обмотке сердечника I индуктиру­ется ЭДС, встречная приложенному напряжению и уравновешиваю­щая его. Таким образом, во вторичной обмотке ток не может превы­сить значения i₂ = I₁w₁/w₂. Если допустить, что активные сопротивле­ния полуобмоток, надетых на сердечники I и II, равны нулю, то ток независимо от значения приложенного напряжения мгновенно воз­растает до значения i ₂ = l₁w₁/w₂, при котором «включается» противо-ЭДС, и кривая вторичного тока, как и показано на рис. 5.3, б, имеет прямоугольную форму. В следующий полупериод вследствие встреч­ного включения вторичных обмоток вычитание МДС происходит в сер­дечнике II, в обмотке которого индуктируется ЭДС, уравновешиваю­щая приложенное напряжение.

Как видно из принципа действия ИТПТ, никакой трансформации энергии не происходит, а имеет место уравновешивание МДС. Среднее значение выпрямленного тока I _2ср, протекающего через амперметр, определяется из равенства МДС: I _2ср = I₁w₁/w₂.

Форма вторичного тока не зависит от формы и частоты вспомога­тельного напряжения, а также от его значения, если оно выбрано таким образом, чтобы изменение магнитной индукции ΔВ в сердечни­ках было меньше двойного значения индукции насыщения В_нас. Последнее эквивалентно условию В_т < В_нас, где В_т — амплитуда переменной индукции в сердечниках при I₁ = 0, определяемая из выражения В_т = √2 U₂/(4πfw₂S _cерд ), где S_cepд, — площадь сечения сердечника; U₂ — действующее напряжение вспомогательного источника.

Если ΔВ > 2B_нас, может произойти повторное насыщение рабо­тающего сердечника в нижней части цикла перемагничивания и оба сердечника окажутся в состоянии насыщения. При этом вторичный ток перестает зависеть от измеряемого первичного тока и ограничивается только сопротивлением вторичных обмоток. Обычно U₂ выбирают из условия В_т = (0,9 ÷0,75) В_нас.

Погрешности ИТПТ с последовательным соединением вторичных обмоток главным образом обусловлены отличием реальной петли перемагничивания сердечников от идеальной прямоугольной петли и в меньшей степени конечным значением сопротивления вторичной цепи ИТПТ.

Для работы в низковольтных цепях до 1000 В в СССР выпускаются ИТПТ с номинальным первичным током 5; 7,5; 10; 15; 25 и 35 кА, с основной погрешностью 0,5%. Номинальный вторичный ток 5 А. Для измерения постоянных токов в высоковольтных цепях выпуска­ются ИТПТ с номинальным первичным током 1; 2 и 4 кА. Известны также ИТПТ с пределами измерений до 100 кА и разъемным магнитопроводом, что дает возможность производить их монтаж без разрыва цепи измеряемого тока.

Феррозонды. Феррозондами называют чувствительные к воздействию внешних полей устройства, содержащие ферромагнитные сердечники и охватывающие их обмотки, в одну из которых подают переменный ток, а с другой снимают ЭДС, по которой и судят об измеряемом значении поля.

Феррозонды относятся к индукционным преобразователям активного типа. Происходящие в них процессы преобразования всегда связаны с существованием, по крайней мере, двух магнитных полей: измеряемого (обычно постоянного или медленно изменяющегося) поля Н_х и вспомогательного переменного поля Н_~, создаваемого переменным током. Взаимодействие этих полей в объеме двух ферромагнитных сердечников в конечном счете и приводит к появлению в другой (измерительной) обмотке ЭДС, несущей информацию об измеряемом поле.

На рис. 5.4 изображена схема дифференциального феррозонда, состоящего из двух ферромагнитных источников 1 и 2 из железоникелевого сплава, на каждом из которых имеется модулирующая обмотка с числом витков w₁. Обмотки питаются от источника переменного тока. Обмотки включены последовательно, но встречно, так что создаваемые или переменные магнитные потоки сдвинуты на 180⁰. Оба сердечника с модулирующими обмотками охватывает измерительная обмотка с числом витков w₂. При идентичности сердечников вследствие встречного включения модулирующих обмоток в измерительной обмотке не будет индуктироваться ЭДС. Напряженность переменного магнитного поля H_1m = (3÷5) H_нас. Таким образом, материал сердечников работает в режиме, соответствующем рис. 5.1, в. Магнитная проницаемость обоих сердечников изменяется одинаково и, как видно из рис. 5.1, в, в два раза за период возрастает до максимального значения.

Рис. 5.4

Если феррозонд поместить в постоянное магнитное поле с индукцией B_x, то условно можно считать, что в это поле дважды за период вносится концентратор поля и возникающие импульсы индукции наводят ЭДС в измерительной обмотке.

На рис. 5.5 показаны кривые, поясняющие работу четногармонического феррозонда. μ^*_д периодически изменяется от максимального (при H_1m<H_нас) до минимального (при H_1m>H_нас) значения. Проницаемость сердечников меняется с удвоенной частотой, в результате чего в измерительной обмотке возникает ЭДС удвоенной частоты, пропорциональная индукции B_x и скорости изменения μ^*_д. При изменении полярности B_x выходная ЭДС изменяет фазу на 180⁰.

Обычно в качестве информативного параметра используется амплитуда второй гармоники выходной ЭДС.

Рис. 5.5

Наиболее широкое применение получили феррозонды с продольным возбуждением с разомкнутой (рис. 5.4,а) или замкнутой (рис. 5.4,б) магнитной цепью.

ЭДС, наводимую в измерительной обмотке, можно найти на основе закона электромагнитной индукции:

где W ₂ – число витков измерительной обмотки;

Ф = B*S – магнитный поток в сердечниках;

S – суммарная площадь поперечного сечения сердечников феррозонда.

Д ва частных случаев:

1) α = 0;: с взаимно параллельными полями

2) α = 90⁰;: с взаимно перпендикулярными полями

1. Будем считать зависимость В (Н) линейной, т.е. В = аН.

Тогда

- после аппроксимации

Отсюда видно, что нелинейность зависимости B(H) является принципиальным фактором, ответственным за появление ЭДС.

2. Рассмотрим теперь работу феррозонда с взаимно перпендикулярными полями

После аппроксимации получим:

Н_~ может быть представлено в виде двух полей от независимых источников.

,

где Н₂ – напряженность постоянного (неизмеренного) поля

e ~ ω, следовательно, можно осуществить модуляцию.

Режим 1: H_m<<H₂

Режим 2: H_m>>H₂ и H₂=0

Рис. 5.6

На следующем рисунке представлен графический дифференциал от первого сердечника

H_X ≠0

Рис. 5.7