§ 2. Электрические системы и преобразователи с естественными сигналами

В системах дистанционной передачи этой группы сигнал измери­тельной информации, подаваемый в линию связи от передающего преобразователя, не приводится к унифицированному виду. Такие преобразователи широко применяют на практике, так как в ряде случаев при выполнении локальных задач, например при измерении давления, уровня, температуры, при передаче специальной инфор­мации в процессе бурения и при глубинных измерениях в нефтяных и газовых скважинах, они оказываются проще и дешевле систем с унифицированными сигналами.

Дифференциально-трансформаторная система. Принцип действия этой системы основан на компенсации разности напряжений, создаваемых в первичной Л и вторичной Б катушках (рис. 4.2). В полости катушки А находится сердечник 3, соединенный с чувствительным элементом измерительного устройства 1. В поло­сти катушки Б находится сердечник 8, соединенный с механической системой вторичного прибора. Каждая из катушек имеет первичные 2 и 9 и вторичные 4 и 7 обмотки. Первичные обмотки имеют оди­наковые характеристики, включены последовательно и питаются на­пряжением переменного тока. Вторичные обмотки (по две в каждой катушке) включены встречно, и выходные концы их подключены к входу усилителя 5.

При изменении измеряемого параметра перемещение сердечни­ка 3 приводит к пропорциональному изменению напряжения электри­ческого тока во вторичных обмотках вследствие изменения взаимо­индукции между первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками. Дифференциальное действие заключается в том, что перемеще­ние сердечника в одном направлении вызывает увеличение напряже­ния в одной из вторичных обмоток и уменьшение в другой. При обратном перемещении сердечника изменение напряжений на вто­ричных обмотках будет иметь обратный знак.

Когда сердечник 3 катушки Л находится в среднем положении, эдс е₁ и e₂, индуцируемые во вторичных обмотках, будут равны и направлены навстречу друг другу. Разность напряжений во вторич­ных обмотках будет равна нулю, т. е.

Если сердечник 8 катушки Б также находится в среднем положе­нии, то разность напряжений на вторичных обмотках этой катушки тоже равна нулю:

При одинаковых параметрах катушек напряжение на входе уси­лителя 5 равно нулю, т. е.

Поэтому система находится в равновесном состоянии.

Изменение измеряемого параметра приведет к перемещению сер­дечника 3 от среднего положения. При этом изменится распределе­ние магнитных потоков во вторичных обмотках и индуцируемые в них напряжения не будут равны друг другу. В цепи вторичных об­моток возникает ток, напряжение которого составит ΔU. Напряже­ние будет пропорционально линейному перемещению сердечника, а его фаза—функции направления перемещения сердечника. Напряжение ΔU небаланса поступает на вход электронного усилителя 5, с выхода которого — на управляющую обмотку реверсивного двигате­ля 11. Выходная ось реверсивного двигателя соединена с кулачком 10, который перемещает сердечник 8 до тех пор, пока не займет то же положение относительно катушек 7, что и сердечник 3 относи­тельно катушек 4. При этом разности напряжений ΔU₁ и ΔU₂ во вторичных обмотках будут равны, а напряжение небаланса ΔU равно нулю. Выходная ось двигателя 11 вращаться не будет, и система бу­дет в равновесии.

Т

аким образом, положение сер­дечника 8 в процессе измерения бу­дет соответствовать положению сер­дечника 3, система будет работать в следящем режиме и стрелка 6 будет по шкале показывать значе­ние измеряемого параметра.

Индукционная система представляет собой самоуравнове­шивающийся мост переменного тока, состоящий из двух пар индук­ционных катушек, соединенных в мостовую схему (рис. 4.3). Одна пара катушек 1, 2 установлена в передающем преобразователе, вто­рая пара 4, 5—во вторичном приборе. Внутри катушек 1, 2 находит­ся сердечник 3, механически связанный с чувствительным элементом первичного измерительного преобразователя. Внутри катушек 4, 5 расположен сердечник 6, механически связанный с движущимися частями вторичного прибора.

При равновесии системы падения напряжения в катушках 1 и 2, а также 4 и 5 равны по величине и фазе. Следовательно

где U —напряжение, В; /—сила тока, A; Z—полное омическое со­противление катушек, Ом.

Из приведенных равенств видно, что в момент равновесия потен­циалы средних точек обеих катушек равны и, следовательно, тока в диагонали моста не будет,

Условие равновесия моста—равенство отношений полных сопро­тивлений его плеч:

Полное сопротивление каждого плеча моста

где Rа—активное сопротивление катушки, Ом; л: — реактивное со­противление катушки, Ом;

где ω=2πf — угловая частота, с^-1; f—частота, Гц; L — индуктив­ность, Г; М— взаимная индукционность, Г.

При среднем положении сердечников, когда полные сопротивле­ния катушек 1, 2, 4 и 5 равны и ток в диагонали моста отсутствует, можно записать

где φ—углы сдвига фаз между силой тока и напряжением, прило­женным к катушкам.

Таким образом, в положении равновесия разности фаз напряже­ния на плечах 1 и 2, а также 4 и 5 равны между собой.

При изменении измеряемого параметра сердечник 3 перемещает­ся, вследствие чего нарушается равновесие индукционной системы. В процессе перемещения сердечника вверх полное сопротивление катушки 1 увеличивается и напряжения в катушках 1 и 2 перерас­пределяются таким образом, что в катушке 1 оно возрастает, а в катушке 2 уменьшается. В результате потенциал точки n будет выше потенциала точки m. В диагонали моста пойдет уравнительный ток, а в катушке 4 сила тока увеличит­ся по сравнению с силой тока в ка­тушке 5. Втягивающее усилие ка­тушки 4 увеличится, и сердечник 6 будет перемещаться вверх до на­ступления нового равновесия мо­ста. При перемещении сердечника 3 вниз такое же перемещение бу­дет совершать и сердечник 6. Та­ким образом, сердечники 3 и 6 ра­ботают в следящем режиме, а стрелка 7 вторичного прибора по шкале показывает значение изме­ряемой величины.

С

ельсинные системы—индукционные самосинхронизирую­щиеся системы переменного тока, предназначенные для дистанцион­ной передачи угловых или линейных перемещений сравнительно боль­ших размеров (несколько оборотов или несколько метров). Сельсинная система состоит из двух электрически связанных друг с другом одинаковых малых трехфазных синхронных электромашин, у кото­рых обмотки возбуждения питаются переменным током. Такие элек­тромашины называются сельсинами. Принципиальная электрическая схема сельсинной системы дистанционной передачи приведена на рис. 4.4. Один сельсин СД является датчиком, другой СП—приемни­ком. Однофазные обмотки статоров сельсиндатчика СД и сельси­на-приемника СП подключены к напряжению питания с угловой частотой о, а трехфазные обмотки роторов Р обоих сельсинов соеди­нены соответствующими линиями связи. Переменное напряжение питания создает в статорных обмотках обоих сельсинов пульсирую­щие магнитные потоки.

Так как направления потоков совпадают с осями статорных обмо­ток, в фазных обмотках роторов индуцируются эдс, значения которых зависят от расположения их осей относительно осей обмоток статоров. При одинаковом положении роторов сельсина-датчика и сельсина-приемника по отношению к соответствующим статорным об­моткам, когда угол β равен углу α, эти эдс, индуцируемые в обмот­ках 1—1′ 2—2′, 3—3′, равны между собой и противоположны по направлению. Следовательно, результирующие эдс в каждой паре соединенных между собой фазных обмоток равны нулю и ток в це­пях роторов отсутствует: i₁=i₂=i₃=0. Если ротор сельсина-датчика повернуть относительно ротора сельсина-приемника на некоторый угол θ, то эдс в соответствующих фазовых обмотках обоих роторов не будут равны, так как обмотки роторов занимают относительно осей обмоток статоров неодинаковое положение. Результирующие эдс в фазовых обмотках роторов не будут равны нулю, и в их цепях возникнут уравнительные токи.

Так как уравнительные токи, протекающие в соответствующих цепях датчика и приемника, имеют противоположные направления, то и моменты, возникающие на их осях, действуют в противополож­ных направлениях. Таким образом, появившийся синхронизирующий момент на оси ротора сельсина-приемника стремится привести его в одинаковое положение с положением ротора сельсина-датчика, т.е. при возникновении угла рассогласования 6 синхронизирующий мо­мент поворачивает ротор сельсина-приемника в положение, сводящее значение 9 к нулю.