- •1 Часть. Электромагнитные преобразователи информации Лекция №1.Определения магнитных величин. Эталоны. Параметры магнитного поля
- •Лекция № 2. Классификация электромагнитных измерительных преобразователей Преобразование параметров магнитного поля в электрический сигнал
- •Лекция №3. Индукционные измерительные преобразователи
- •5 Уравнение:
- •Лекция №4. Индукционные измерительные преобразователи (продолжение)
- •Лекция №5. Магнитомодуляционные измерительные преобразователи
- •Лекция №6. Феррозонд на основе магнитного компаратора
- •Лекция №7. Макроквантовые измерительные преобразователи
- •Лекция № 8. Вихретоковые индуктивные преобразователи
- •Лекция №9. Индуктивные измерительные преобразователи
- •Лекция №10. Трансформаторные измерительные преобразователи
- •Лекция №11. Магнитоупругие измерительные преобразователи
- •Лекция №12. Микроквантовые измерительные преобразователи на основе ядерно-магнитного резонанса
- •Лекция №13. Гальваномагнитные преобразователи, основанные на эффекте Холла
- •Лекция № 14. Магниторезистивные и гальваномагниторекомбинационные преобразователи
- •2 Часть. Лекции по фопи. Лекция 1. Резистивные преобразователи
- •Лекция 2. Тензодатчики
- •Лекция 3. Измерительные цепи тензорезисторов
- •Лекция 4. Пьезоэлектрические преобразователи
- •Лекция 5. Пьезоэлектрические преобразователи силы, давления и ускорения
- •Лекция 6. Пьезорезонансные преобразователи
- •Лекция 7. Измерительные преобразователи, Основанные на использовании Поверхностных акустических волн
- •Лекция 8. Электростатические преобразователи
- •Лекция 9. Емкостные преобразователи
- •Лекция 10. Измерительные цепи емкостных преобразователей
- •Лекция 1. Тепловые преобразователи
- •Лекция 2. Термоэлектрические преобразователи, их принцип действия и применяемые материалы
- •Лекция 3. Терморезисторы, основы их расчета и применяемые материалы
- •Лекция 4. Разновидности термочувствительных элементов и их применение
- •Лекция 5. Оптоэлектрические преобразователи
- •Лекция 6. Источники излучения. Каналы передачи световой энергии в оптических ип
- •Лекция 7. Приемники излучения
- •Лекция 8. Основные структурные схемы оптоэлектрических преобразователей и приборов
Лекция №10. Трансформаторные измерительные преобразователи
На рис. 10.1, а показан дифференциальный трансформаторный преобразователь с подвижным сердечником. Как видно из сравнения рис. 10.1,а и 9.3, а, конструкции магнитной цепи индуктивного и взаимоиндуктивного преобразователей одинаковы, отличаются они только числом обмоток. При центральном расположении сердечника ЭДС вторичных обмоток равны между собой и суммарная выходная ЭДС Е2 равна нулю, так как обмотки включены встречно. При смещении сердечника ЭДС Е2 определяется по формуле
(10.1)
Полагая, что Zm6 = ZM + ∆ZM, a ZMа = ZM — ∆ZM, можно упростить это выражение:
(10.2)
На рис. 10.1, б показан преобразователь угла поворота. Напряжение питания подводится к обмотке 1. Обмотка 2 в этом преобразователе выполнена в виде рамки, имеющей возможность поворачиваться в кольцевом зазоре магнитной цепи 4. При крайних положениях рамки (α1 и α 2) индуктированная в ней ЭДС Е2 имеет максимальное значение.
Рис. 10.1
По мере поворота рамки в горизонтальное положение ЭДС Е2 линейно уменьшается до нуля (рис. 10.1, б). При переходе рамки через горизонтальное положение фаза ЭДС Е2 изменяется на 180°. В тех случаях, когда хотят получить изменение ЭДС преобразователя от нуля до максимума при повороте рамки из одного крайнего положения α1 в другое α 2, последовательно с рамкой включают дополнительную обмотку 3. Зависимость ЭДС Е2, Е3 и (Е2 + Е3) от угла отклонения рамки приведена на рис.10.1, б. Преобразователи подобного типа можно применять для измерения больших угловых перемещений, и конструктивно для этих-целей можно использовать измерительные механизмы ферродинамических приборов. Поэтому и сами преобразователи иногда называют ферродинамическими.
Преобразователь (рис. 10.2, а) с распределенными магнитными параметрами предназначен для измерения больших линейных перемещений и состоит из магнитопровода 4 с рабочей частью в виде двух параллельных полос, обмотки возбуждения 1 и подвижной обмотки 2. При перемещении обмотки 2 от положения 3 до положения 5 индуктированная в обмотке 2 ЭДС возрастает, причем зависимость приращения ЭДС от перемещения обмотки 2 оказывается практически линейной, если магнитное сопротивление участка 3—5 магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора. Преобразователи подобного типа относительно просто выполнить и с требуемой функциональной зависимостью, применив для этого профилированный магнитопровод (рис. 10.2, б). Неподвижные обмотки преобразователя соединены так, чтобы их потоки в магнитопроводе были направлены встречно. Тогда в положении 0-0 ЭДС подвижной обмотки будет равна нулю. При смещении обмотки вправо или влево от нейтрали в ней наводится ЭДС, фаза которой отличается на 180°.
Рис. 10.2
В трансформаторном преобразователе с подвижным сердечником необходимо обеспечить такой режим питания, чтобы МДС первичной обмотки, а следовательно, и ток I1 первичной цепи не изменялись при перемещении сердечника. Для этого в одинарных преобразователях необходимо включить в первичную цепь высокоомный добавочный резистор, а в дифференциальных преобразователях — последовательно соединить первичные обмотки, сопротивления которых изменяются с обратным знаком.
Индуктосины. Для точного измерения угла поворота применяются круговые индуктосины с печатными обмотками. Принцип действия кругового индуктосина иллюстрируется рис. 10.3. На торцевых поверхностях, обращенных друг к другу и разделенных малым воздушным зазором (0,1-0,2мм) (рис. 10.3, а), ротор и статор несут печатные обмотки, имеющие вид радиального растра. Обмотка статора, к которой подводится напряжение питания высокой частоты (около 10 кГц), показана на рис. 10.3, б; обмотка ротора, в которой наводится ЭДС евых. — на рис. 10.3, в. На рис. 10.3, г изображено сечение обмоток и магнитное поле статора, напряженность которого Ну меняется вдоль оси х. Максимальная ЭДС наводится в обмотке ротора, когда ее витки находятся под витками статора. При смещении обмотки на угол φN = π/p, где р — число полюсных шагов статорной обмотки, угол сдвига индуктированной ЭДС изменяется на 180°. Симметрия ЭДС, наводимых в обмотке ротора в положениях а и б, нарушается из-за того, что электромагнитную связь имеют не только радиально расположенные проводники обмоток, но и их лобовые части, расположенные по окружности. ЭДС, индуктируемая в лобовых частях обмоток, не зависит от углового перемещения обмоток и дает постоянное смещение. Для того чтобы это смещение исключить, применяется секционная обмотка, отдельные секции которой смещены относительно друг друга на угол π/p и включены встречно, как показано на рис. 10.3, в. При таком включение, ЭДС радиальных участков обмотки складываются, а ЭДС дуговых участков вычитаются.
Рис. 10.3
Для однозначного определения направления поворота подвижного диска в пределах одного периода повторения кривой ЭДС вторичная обмотка выполняется многофазной, в простейшем случае — двухфазной, как показано на рис. 10.3, в. Фазовые обмотки смещаются относительно друг друга на угол (2n + 1) π/(2р). Тогда при смещении ротора относительно некоторого положения, в котором ЭДС обмотки 1 считаем условно положительной, ЭДС е1 и е2 в обмотках 1 и 2 вдоль угла поворота диска будут меняться так, как показано на рис. 10.3, д. Значение е1 определяет угол поворота, а угол сдвига е2 относительно е1 определяет направление угла поворота. Выходной величиной индуктосина может служить как ЭДС, индуктируемая во вторичной обмотке, так и ее фаза. Однако в том и другом случае измеряемое угловое перемещение не должно превышать полюсного деления, т. е. φN = ± π/p. Для того чтобы измерять большие углы поворота, индуктосин дополняется датчиком грубого отсчета угла, который также может быть выполнен с применением печатных обмоток.
Технологически представляется достаточно сложным выполнить печатную обмотку так, как показано на рис. 10.3, в, поскольку в ней шаг между проводниками неравномерный. Для того чтобы избежать этих технологических трудностей, обе обмотки ротора и статора выполняются с равномерным шагом, но с разным числом витков. Причем эта разность подбирается таким образом, чтобы на части ротора, занимаемой одной секцией обмотки первой фазы, набегало угловое смещение между обмотками ротора и статора, равное π/(2р). Тогда ЭДС следующей секции, которая принадлежит второй фазе, будет сдвинута относительно ЭДС первой секции на электрический угол π /2, ЭДС третьей секции, включаемая встречно с ЭДС первой, будет сдвинута относительно первой секции на угол π и т. д. Таким образом, осуществляются те же сдвиги, что и в обмотках, показанных на рис. 10.3, в. Вследствие веерного разнесения векторов ЭДС, индуктируемых в радиальных проводниках каждой секции, в пределах угла π /2 их суммарная ЭДС падает на 10%.
Полюсный шаг в существующих индуктосинах составляет 0,5— 1,5 мм, сопротивление обмоток небольшое (0,5—5 Ом), ток питания статорной обмотки 0,1—-0,5 А, выходная ЭДС 5—10 мВ.
Основными источниками погрешностей индуктосинов являются неточность выполнения обмоток по углу, неплоскостность токопроводящих слоев ротора и статора и радиальные эксцентриситеты обмоток, вызванные несовпадением геометрических осей вращения обмоток с реальной осью вращения. Суммарная погрешность измерения углов с помощью индуктосинов составляет 3—10".
Измерительные трансформаторы. Схема включения измерительных трансформаторов тока (ИТТ) и напряжения (ИТН) в цепь показана на рис. 10.4.
Измерительные трансформаторы позволяют расширить пределы измерения приборов, уменьшая в определенном соотношении ток и напряжение, и, кроме того, отделить и хорошо изолировать цепи измерительных приборов от силовой цепи, что дает возможность заземлить вторичные цепи и предохранить от опасности обслуживающий их персонал. Первичная цепь ИТН включается через предохранители, чтобы при неисправности трансформатора он не оказался причиной аварии. Предохранители, установленные во вторичной цепи, служат для защиты трансформатора от замыканий в нагрузке. Вторичный ток ИТТ равен 5 А, для специальных целей выпускаются трансформаторы на 1 и 2 А, вторичное напряжение ИТН может быть 100, 100/√3 и 150 В.
Рис. 10.4
Точность измерительного трансформатора характеризуется двумя величинами: погрешностью коэффициента трансформации, определяющей отличие действительных вторичных токов и напряжений от номинальных, γI=(Iном -I)/Iном и γU = (Uном — U)/Uном и угловой погрешностью φI или φU, определяющей фазовый сдвиг между векторами токов или напряжений в первичной и вторичной обмотках. Угловая погрешность должна учитываться при включении во вторичную цепь фазочувствительных приборов, например ваттметра, так как их показания, в частности ваттметра Р' = U2I2 cos [φ + (φI + φU)] зависят от алгебраической суммы (φI + φU). При включении фазочувствительных приборов важно также не изменить направление одного из векторов на 180° неправильным включением обмоток, поэтому концы первичных и вторичных обмоток трансформаторов маркируются, как показано на рис. 10.4.
По точности ИТТ и ИТН подразделяются на несколько классов. Характеристики наиболее точных лабораторных измерительных трансформаторов (ГОСТ 23624—79 и ГОСТ 23625—79) приведены в качестве примера в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Тип трансформатора |
Класс точности |
Предел допускаемой погрешности |
Нормальная область значений вторичной нагрузки, % |
|
Трансформатор тока |
0,01
0,05 |
тока, % |
угла, …0 |
95-100
50-100 |
±[0,01+0,002(Iном/I - 1)]
±[0,05+0,002(Iном/I - 1)] |
±[1+0,1(Iном/I - 1)]
±[3+0,3(Iном/I - 1)] |
|||
Трансформатор напряжения |
0,05 |
напряжения, % |
угла, …0 |
0-100 |
±0,05 Uном/U |
±3 Uном/U |
Причины погрешностей измерительных трансформаторов легко объяснимы из рассмотрения их эквивалентной схемы. Приведенная к первичной обмотке эквивалентная схема для диапазона частот, в котором еще можно пренебречь межвитковыми емкостями, представлена на рис. 10.5. При рассмотрении погрешностей в данном случае не учитываются также ЭДС помех еинд и шумовое напряжение Uш.
Для эквивалентной схемы (рис. 10.5) отношение токов
(10.3)
отношение напряжений
(10.4)
Рис.10.5
Для идеальных трансформаторов приведенный коэффициент трансформации должен равняться единице. Таким образом, вторые члены уравнений (10.3) и (10.4) характеризуют погрешность. Как видно из уравнений, значение погрешности зависит от сопротивления, включенного во вторичную цепь, и для ИТТ будет минимально при Z’H= 0, т. е. в режиме короткого замыкания, а для ИТН — при Zh = ∞, т. е. в режиме холостого хода. Значения погрешностей зависят также от Zxx — сопротивления холостого хода трансформатора и будут тем меньше, чем больше Zxx, т. е. чем меньше ток холостого хода трансформатора.
Если возможно скомпенсировать ток холостого хода, т. е. добиться I0 = 0, например, с помощью операционного усилителя, то принципиально погрешности ИТТ можно свести к нулю; таким же методом можно понизить погрешность ИТН.
Требования к конструкциям ИТ определяются в первую очередь необходимостью обеспечения возможно большего сопротивления Zx.x. Это сопротивление равно
(10.5)
и зависит от магнитной проницаемости материала сердечника. ИТН работает при относительно больших индукциях (В ≈ 0,8 ÷ 1,5 Тл) и желательно выбрать индукцию так, чтобы магнитная цепь работала: в режиме µ= µmах. ИТТ почти полностью размагничены, так как МДС первичной и вторичной обмоток направлены навстречу друг другу, индукция в сердечнике В ≈ 0,02 ÷ 0,15 Тл. В этой области магнитные проницаемости относительно невелики, и увеличения Zxx добиваются за счет увеличения площади сердечника S.
Аварийный режим, связанный с разрывом вторичной цепи ИТТ при включенной первичной, приводит к намагничиванию сердечника, изменению µ и соответственно изменению коэффициента трансформации. Поэтому ИТТ необходимо специально размагничивать, постепенно увеличивая ток в его вторичной обмотке изменением сопротивления от Z'n → ∞ до Z'H → 0.
Как видно из выражения (10.5), сопротивление Zxx при прочих равных условиях зависит от магнитного потока через сердечник, который изменяется при изменении преобразуемого тока или напряжения. Поэтому погрешности ИТ зависят от отношений I/Iном и U/Uном.
Для того чтобы разделить погрешности трансформации и угловые погрешности, удобно представить соответствующие сопротивления в виде Z=Zeiφ. В этой форме коэффициент трансформации ИТТ запишется в виде
Погрешности реального ИТТ относительно идеального ИТТ соответственно равны
Аналогично полученные погрешности ИТН составляют
Зависимости коэффициента трансформации ИТТ от значения нагрузки и относительного значения тока I/Iном представлены на рис. 10.6. Как видно из рис. 10.6, токовая погрешность (аналогично и погрешность напряжения для ИТН) может быть уменьшена, если приписать ИТТ номинальный коэффициент трансформации, несколько больший отношения витков, т. е. nIном > nIид=ω2/ω1.
Рис. 10.6