2. Дифференциально-трансформаторные преобразователи и схемы дистанционной передачи

Дифференциально - трансформаторные преобразователи (ДТП) предназначены для преобразования линейного перемещения сердечника (связанного с чувствительным элементом) в выходной электрический сигнал.

Принцип действия их основан на зависимости взаимной индуктивности между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой от положения сердечника. Преобразователь представляет собой трансформатор (рис. 2,а), имеющий обмотку возбуждения 3 и две секции / и 2 вторичной обмотки, включенные встречно, дифференциально (отсюда название — дифференциально-трансформаторный).

Создаваемый током возбуждениямагнитный поток обмотки возбуждения пронизывает обе секции вторичной обмотки. Часть этого потокапронизывает секцию /, индуцируя в ней ЭДС, часть потока Ф₂ пронизывает секцию 2, индуцируя в ней ЭДСЗначения этих ЭДС (по модулю) могут быть легко определены через взаимные индуктивностиимежду обмоткой возбуждения и секциями / и2 (потоки Φ₁ и Ф₂ однозначно связаны со значениями и) в соответствии с выражениями

где—ток возбуждения;—его частота.

Рис. 2. Схема невзаимозаменяемого дифференциально-трансформаторного преобразователя

При изменении давления ρ прогибается мембрана 5, которая перемещает ферромагнитный сердечник (плунжер) 4. При перемещении сердечника вверх уменьшается сопротивление магнитному потоку между обмотками 3 и 1 и, наоборот, увеличивается между обмотками 3 и 2. Это приводит к увеличению потокаи соответственно ЭДСи уменьшению Ф₂ и. При перемещении сердечника вниз уменьшаетсяи увеличивается. Поскольку секции вторичной обмотки включены встречно, то ЭДСΕ всей вторичной обмотки будет определяться как разностьи:

(1)

где —взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой преобразователя.

В среднем положении сердечника (когда он поровну перекрывает обе секции) потоки Ф₂ и, а следовательно, и взаимные индуктивностии М₂ равны между собой, т. е. Μ0 и 0. При смещении сердечника от среднего положения вверх ЭДСΕ будет увеличиваться. При смещении сердечника от среднего положения вниз ЭДС также будет увеличиваться (по модулю), но фаза ее будет обратной (рис. 2,б).

Рис. 3. Схема взаимозаменяемого дифференциально-трансформаторного преобразователя

Из-за допусков, принятых при изготовлении, обычно оказывается, что ЭДС Ε вторичной обмотки для различных экземпляров ДТП различна при одинаковых перемещениях. Очевидно, что это вызывает невзаимозаменяемость ДТП. Для унификации выходных сигналов (строго определенной для всех преобразователей зависимости выходного сигналаот входного) в цепь вторичной обмотки введен делитель,(рис. 3). Смещением движка резистораможно добиться одинаковой зависимости. Обычновыражается через взаимную индуктивностьмежду обмоткой возбуждения и выходной цепью, а не между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой, которая использована в выражении (1). Для модуляэто выражение имеет вид

При рассмотрении метрологии ДТП обычно пользуются относительным перемещением сердечника, где—номинальное перемещение сердечника (перемещение сердечника при значении измеряемого параметра, соответствующем верхнему пределу измерения прибора). Для разновидностей ДТП(1,6; 2,5; 4 мм) ±25 %. Для унифицированных ДТП в предположении отсутствия магнитных потерь существует следующая зависимость междуи относительным перемещением сердечника:

(2)

где— номинальная (соответствующая) взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и выходной цепью. Следовательно,

, (З)

Очевидно, что для унифицированных ДТП зависимости (2), и (10,3), должны быть одинаковыми, что достигается установлением одинакового значения = 10 мГн для всех преобразователей. При этом графики зависимостей (2) и (3) для всех преобразователей должны совпадать (рис. 4).

Рис. 4. Статические характеристики взаимозаменяемых ДТП

В приборах с взаимозаменяемыми ДТП при начальном значении измеряемой величины плунжер устанавливается в среднем положении и с ее увеличением перемещается вверх, т. е. при изменении измеряемой величины в пределах диапазона измерения фаза выходного сигнала не изменяется (рис. 4).

В реальных дифференциально-трансформаторных преобразователях, как и во всех трансформаторах, существуют магнитные потери, которые обычно учитываются путем представления выражений (2) и (3) в комплекснойформе с использованием аргумента взаимной индуктивности или угла потерь. Значения этих величин должны находиться в определенных пределах. В качестве статической характеристики ДТП можно было бы принять зависимость (3), т.е. при проверке ДТП экспериментально определять зависимость и сравнивать ее с идеальной (рис. 4,б). Однако при этом необходима стабилизация частотыи тока возбуждения, что представляет определенные трудности. Поэтому практически оказывается более целесообразным в качестве статической характеристики принять зависимость (2), так, как взаимная индуктивность отf и не зависит. При этом за выходной сигнал преобразователей принимается взаимная индуктивность М_вых между выходной цепью и обмоткой возбуждения, изменяющаяся в пределах 0—10 мГн.

Схема дистанционной передачи с использованием унифицированныхДТП представлена на рис. 5.

Вторичный прибор содержит дифференциально-трансформаторный преобразователь, сердечник, которого перемещается профилированным кулачком (линейным или квадратичным), поворачиваемым реверсивным двигателем РД. Двигатель управляется усилителем УС, подключенным между обмотками ДТП первичного преобразователя и вторичного прибора. В схему прибора включен корректор нуля , состоящий из обмоткиДО, намотанной поверх вторичной обмотки ДТП, и регулируемого резистора

Дифференциально - трансформаторный преобразователь первичного преобразователя обычно называется передающим преобразователем, ДТП вторичного прибора — компенсирующим преобразователем. При рассмотрении действия схемы будем считать, что сигнал корректора нуля равен нулю. Вторичные обмотки ДТП передающего и компенсирующего преобразователей включены встречно и, следовательно, на вход усилителя поступает сигнал, равный разности выходных напряжений преобразователей:

Рис. 5. Схема дистанционной передачи показаний с использованием взаимозаменяемых ДТП

Предположим, что в первоначальный момент сердечники обоих ДТП находятся в среднем положении, т. е.

При этом =0 и указатель прибора стоит на начальной отметке. При увеличении измеряемой величиныначинает возрастать, на входе усилителя появляется отличный от нуля сигнал небаланса, который усиливается усилителем и приводит в движение реверсивный двигательРД. Двигатель, поворачивая кулачок, перемещает сердечник ДТП вторичного прибора, который будет установлен в такое положение, при котором . При этом=0 и двигатель остановится. Очевидно, что приодинаковых статических характеристиках (рис. 4, б) в момент компенсации относительные перемещения преобразователей будут равны (при этом равными также будут взаимные индуктивности передающегои компенсирующегопреобразователей в соответствии с рис. 4,а). Это означает, что каждому положению сердечника ДТП первичного преобразователя соответствует определенное положение сердечника ДТП вторичного прибора и жестко связанного с ним указателя.

Так как положение сердечника первичного преобразователя определяется значением измеряемой величины, положение указателя вторичного прибора будет однозначно определяться значением измеряемой величины. Шкалы таких приборов градуируются в единицах измеряемой величины.

Применение корректора нуля не изменяет принципа действия прибора, однако в этом случае относительные положениясердечников уже не будут равными.

Из выражения (3) видно, что статические характеристики преобразователей (рис. 4, б) будут одинаковыми при одинаковой частоте и силе тока возбуждения. Для обеспечения этого обмотки возбуждения передающего и компенсирующего ДТП включаются последовательно (рис. 5). В этом случае изменение частоты или силы тока возбуждения не повлияет на состояние компенсации измерительной схемы, так как они в равной степени изменят и, т. е. напряжение на входе усилителя останется нулевым.

Кнопка служит для контроляисправности прибора. При нажатии этой кнопки закорачивается ДТП первичного преобразователя и корректор нуля и на вход усилителя поступает сигнал только со вторичной обмотки ДТП вторичного прибора. При исправном приборе стрелка при этом должна стать на начальную отметку шкалы. Существует несколько типов взаимозаменяемых вторичных приборов с дифференцально-трансформаторной схемой, различающихся размерами, типом кулачка, видом диаграммы. Однако все они имеют измерительную схему, аналогичную изображенной на рис, 5. Квадратичный кулачок используется только во вторичных приборах-расходомерах, для которых положение указателя пропорционально квадратному корню из перемещения сердечника передающего преобразователя. В приборах-уровнемерах, перепадомерах, манометрах устанавливаются линейные кулачки, т.е. имеется линейная зависимость между положением указателя и перемещением сердечника передающего первичного преобразователя.

Выпускаются следующие типы приборов: миниатюрные показывающие КПД 1, ВМД и показывающие и самопишущие КСД 1; малогабаритные показывающие с вращающимся цилиндрическим циферблатом КВД 1 и показывающие и самопишущие КСД 2; приборы с дисковой диаграммой КСД 3. Приборы КСД 1 и КСД 2 имеют прямоугольную шкалу, ширина диаграммы — соответственно 100 и 160 мм. Класс всех приборов I. Приборы могут быть снабжены либо дополнительными выходными преобразователями (ферродинамическими, частотными, пневматическими, реостатными), либо регулирующими устройствами. В приборах-расходомерах часто используется встроенное интегрирующее устройство. В эксплуатации находятся также приборы, снабженные невзаимозаменяемыми дифференциально-трансформаторными преобразователями. Электрическая схема таких преобразователей представлена на рис. 2,а.

Особенностью таких преобразователей является то, что при нулевом значении измеряемой величины сердечник находится не в среднем положении (как у взаимозаменяемых ДТП), а в крайнем нижнем, в большей степени перекрывая секцию 2. При значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу измерения, сердечник находится в крайнем верхнем положении, в большей степени перекрывая секцию 1. В обоих случаях выходной сигнал максимален по значению, но фазы его противоположны (рис. 2,б).

Кроме того, у таких преобразователей отсутствует выходной делитель напряжения, в силу чего статические характеристики отдельных экземпляров преобразователей не совпадают. Это вызывает необходимость индивидуальной градуировки измерительного комплекта, состоящего из первичного преобразователя и вторичного прибора, снабженных невзаимозаменяемыми преобразователями. При замене, например, первичного измерительного преобразователя необходимо перенастраивать кинематическую схему вторичного прибора.

Схема дистанционной передачи показаний с использованием невзаимозаменяемых ДТП аналогична представленной на рис. 5 с учетом того, что схемы и характеристики передающего и компенсирующего ДТП должны соответствовать рис. 2. Несколько иную схему может иметь корректор нуля. Невзаимозаменяемые преобразователи используются в показывающих автоматических приборах типа ДП, ЭИВ (с вращающимся цилиндрическим циферблатом), в показывающих и самопишущих приборах ДСМ (миниатюрные), ДС (малогабаритные), ЭПИД.

Дифференциально - трансформаторные преобразователи просты по устройству, надежды в работе. Из-за компенсационного принципа действия система дистанционной передачи показаний с их использованием имеет малую погрешность от изменения напряжения питания и активного сопротивления линии связи (если оно не превышает 5 Ом). Однако им присущи и недостатки. Так, к первичному преобразователю с ДТП можно подключать одновременно только один вторичный прибор. При использовании ДТП с управляющими машинами необходимо применение промежуточных нормирующих преобразователей, преобразующих сигнал 0—10 мГн в сигнал 0—5 мА. Кроме того, система дистанционной передачи с ДТП, как и все системы передач на переменном токе, подвержена влиянию внешних магнитных полей и соседних линий связи (например, при совместной прокладке их в одном кабеле). Результатом такого влияния может быть значительная дополнительная погрешность. Следует также отметить, что в системах передач на переменном токе накладываются ограничения на емкость между каждой парой проводов, так как их чрезмерное увеличение также приводит к появлению дополнительной погрешности. Указанных недостатков лишены преобразователи с магнитной компенсацией с передачей сигналов на постоянном токе.