2.3. Електромагнітні вимірювальні перетворювачі

2.3.1. Індуктивні вп

Індуктивні ВП призначені для вимірювання порівняно малих кутових або лінійних переміщень.

В основу роботи індуктивного ВП покладена властивість дроселя з повітряним зазором змінювати індуктивність при зміні величини повітряного зазору. Найпростіший індуктивний ВП складається із ярма 1, на якому розміщена обмотка 2, та якоря 3, що утримується пружинами (рис. 2.3.1.).

Рис. 2.3.1. Електрична схема індуктивного ВП

Ярмо та якір виробляються з шихтованого магнітом’якого матеріалу. Обмотка намотуєтъся мідним проводом з малим активним опором.

Принцип дії однотактного індуктивного ВП полягає в наступному.

На обмотку 2 через опір навантаження R_н подається напруга живлення змінного струму з частотою від 50 Гц до декількох кілогерц. Струм, що протікає в колі обмотки, визначається як

(2.3.1)

де r_д - активний опір дроселя,  - частота напруги живлення, L - індуктивність ВП.

Оскільки активний опір

є постійна величина, то зміна струму I може відбуватися тільки за рахунок зміни індуктивної складової опору

,

яка в свою чергу залежить від величини повітряного зазору .

Таким чином, кожному значенню зазора  відповідає визначене значення струму І, який утворює падіння напруги на опорі R_н:

(2.3.2)

що є вихідним сигналом ВП.

Зв’язок між вхідним сигналом – механічним переміщенням і вихідним сигналом- електричною напругою U_вих можна характеризувати за допомогою статичної характеристики

(2.3.3)

Аналітичний вираз функції (2.3.3) можна отримати, використовуючи співвідношення (2.3.1) (2.3.2) встановлюючи при цьому зв’язок між індуктивністю L та величиною зазору . Будемо вважати повітряний зазор достатньо малим. Тоді потоками розсіювання можна знехтувати і величина потокощеплення  визначається як

(2.3.4)

де Ф - магнітний потік, що утворюється обмоткою, w- кількість витків обмотки.

З іншого боку

(2.3.5)

Прирівнюючи (2.3.4) і (2.3.5.) отримаємо

(2.3.6)

Магнітний потік Ф прямо пропорційний намагнічувальній силі і обернено пропорційний магнітному опору

(2.3.7)

де R_м.з. – магнітний опір зазору; R_м.м. – магнітний опір магнітопроводу.

Отже, намагнічувальна сила

(2.3.8)

а магнітний опір зазору набагато більший ніж опір заліза, то вираз для індуктивності можна представити у вигляді

(2.3.9)

де – магнітна проникність повітря,– площа поперечного перерізу магнітопроводу

Враховуючи вираз (2.3.9) і послідовно підставляючи в (2.3.1.) і (2.3.2), отримаємо

(2.3.10)

В реальних ВП активний опір обмотки , а також опір навантаження набагато менші індуктивного опору, тому можна записати

(2.3.11)

Тут , оскільки всі величини, що входять до виразу (2.3.11), крім, є сталими.

Таким чином, напруга на виході ВП при зміні зазору змінюється за лінійним законом, тобто статична характеристика є прямою, що проходить через початок координат з кутом нахилу до осі абсцис (рис. 2.3.1.). Це ідеальна статична характеристика.

Реальна характеристика наведена на рис. 2.3.1. суцільною лінією. Її відхилення від ідеальної при малих значеннях пояснюється прийнятим припущенням

Якщо достатньо мале, то магнітний опір заліза стає співвимірним з магнітним опором зазору, отже, припущення додає відповідну похибку.

Відхилення реальної характеристики від лінійної функції при великих значеннях пов’язано з іншим припущенням, згідно з яким опір навантаженнявважається занадто малим в порівнянні з індуктивним опором. Але при великих значенняхвеличина індуктивності L стає малою, тому індуктивна складоваспіввимірна з величиною, що і визначає викривлення характеристики.

Аналіз принципу дії і статичної характеристики однотактного індуктивного ВП дозволяє відмітити такі недоліки.

• Фаза вихідного сигналу не залежить від напрямку переміщення якоря.

• Для виміру переміщення в обох напрямках необхідний початковий зазор , що призводить до наявності початкового значення напруги(рис. 2.3.1.).

• На якір постійно діє електромагнітна сила, що прагне притягнути його до ярма. При великій потужності сигналу вихідного кола вона може приймати суттєві значення, що потребує введення компенсувальних сил за допомогою протидіючих пружин. Це значно ускладнює пристрій. Без компенсації цієї сили ВП може нормально працювати тільки при великій потужності вхідного сигналу, а це не завжди можливо.

Оскільки однотактні індуктивні ВП мають вказані недоліки, то їх використовують тільки як допоміжні елементи систем. В основних колах систем управління використовують двотактні індуктивні ВП.