4.8.2. Трансформаторные (взаимоиндуктивные) пип

Принцип действия, конструкции, достоинства и недостатки

Принцип действия трансформаторных (взаимоиндуктивных) ПИП основан на изменении взаимной индуктивности между двумя обмотками под действием входного сигнала. Одна из обмоток является намагничивающей, а с другой снимается напряжение.

Конструкции магнитной цепи трансформаторных и индуктивных преобразователей одинаковы, отличаются они числом обмоток. Трансформаторные ПИП с изменяющимся воздушным зазором (рис. 4.37а) и переменной площадью воздушного зазора (рис. 4.37б) состоят из магнитопровода 1, на который намотаны две обмотки, одна из которых 2 является намагничивающей, а с другой 3 снимается выходное напряжение, и подвижного якоря 4 из ферромагнитного материала. Перемещение якоря 4 изменяет полное сопротивление магнитной цепи Z_М и соответственно взаимную индуктивность М между обмотками. При протекании тока J₁ по намагничивающей обмотке 2 в обмотке 3 индуктируется напряжение:

, (4.91)

где n₁ и n₂ – число витков обмотки возбуждения и вторичной обмотки;  – частота.

Подставив в (4.90) выражение для магнитного сопротивления (4.87), получим уравнение преобразования трансформаторного преобразователя с переменным воздушным зазором (рис. 4.37а):

. (4.92)

В преобразователе (рис. 4.37в) обмотка 3 выполнена в виде рамки, которая может поворачиваться в зазоре полюсных наконечников 4. При включении обмотки 2 в цепь переменного тока в обмотке 3 наводится ЭДС Е₂. При повороте рамки 3 значение выходного напряжение U_вых изменяется. Функция преобразования трансформаторного преобразователя с подвижной обмоткой может быть записана в виде [15]

, (4.93)

где  – угол поворота рамки относительно горизонтального положения ₀.

В крайних положениях рамки (₁ и ₂) индуктированное в обмотке 3 напряжение имеет максимальное значение. В горизонтальном положении рамки (₀) ЭДС Е₂ равна нулю, причем при переходе рамки через горизонтальное положение ЭДС меняет фазу на 180^О. Для сдвига характеристики преобразования последовательно с обмоткой 3 включают дополнительную обмотку 5. В данных преобразователях могут быть использованы ферродинамические измерительные механизмы и сами преобразователи иногда называют ферродинамическими.

а б в

г д

Рис. 4.37

В преобразователе с распределенными параметрами (рис. 4.37г) [15] при перемещении подвижной обмотки в воздушном зазоре изменяется полный поток, сцепляющийся с витками подвижной обмотки. Если магнитное сопротивление участка магнитопровода 1, по которому перемещается подвижная обмотка 3, мало по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора, то зависимость индуктированного напряжения практически линейно зависит от перемещения обмотки 3. Изменяя профиль магнитопровода, можно получить заданную функцию преобразования трансформаторного ИП.

К достоинствам трансформаторных ИП можно отнести: 1) отсутствие гальванической связи между цепями питания и выхода; 2) возможность их использования без измерительных схем.

К недостаткам относится влияние перемещения подвижного якоря на ток в первичной цепи.

Область применения трансформаторных ПИП аналогична области применения индуктивных ИП.

Погрешности трансформаторных ПИП

Погрешности трансформаторных ИП обусловлены теми же причинами, что и индуктивных ИП. Кроме этих погрешностей трансформаторные преобразователи имеют погрешности: 1) обусловленные протеканием тока во вторичной обмотке и изменением ее сопротивления; 2) изменением тока в первичной цепи при перемещении якоря.

Для уменьшения погрешности, вызванной изменением тока в первичной цепи, необходимо включить в цепь высокоомный добавочный резистор. Уменьшение погрешности из-за тока во вторичной цепи достигается использованием измерительного прибора или вторичного преобразователя с большим входным сопротивлением.

Для улучшения характеристик трансформаторных датчиков используются дифференциальные преобразователи. На рис. 4.37д показан пример преобразователя с переменной длиной воздушного зазора. Первичные обмотки включены между собой последовательно, а вторичные включены встречно. Последовательное соединение первичных обмоток позволяет существенно уменьшить погрешность, обусловленную изменением тока в первичной цепи. При таком включении сопротивление одной первичной обмотки возрастает, а второй уменьшается примерно на ту же величину, и в целом сопротивление остается неизменным, т. е. ток в первичной цепи остается постоянным.

В дифференциальных трансформаторных датчиках суммарное напряжение на выходе

, (4.94)

где и – магнитные сопротивления 1 и 2 преобразователя.

При ²₀  ² функция преобразования практически линейна.

, (4.95)

где δ₀ = δ₁ = δ₂ – начальный зазор между якорем и магнитопроводом; Δδ – смещение якоря.

Свойства дифференциальных трансформаторных датчиков аналогичны свойствам дифференциальных индуктивных датчиков.