Лабораторна робота №5

Індуктивні перетворювачі лінійних переміщень

Лабораторна робота №5

Індуктивні перетворювачі лінійних переміщень

Мета роботи: вивчити принцип дії, вимірювальні схеми індуктивних вимірювальних перетворювачів лінійних переміщень і дослідити їх.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Індуктивні перетворювачі знайшли широке застосування для перетворення різноманітних механічних величин, які попередньо перетворюються в переміщення. Індуктивні перетворювачі переміщень за своєю конструкцією дуже різноманітні. Основними їх типами є перетворювачі з змінною довжиною повітряного зазору, перетворювачі з змінною площиною магнітного потоку, перетворювачі плунжерного типу, взаємоіндуктивні перетворювачі.

Перетворювач з змінною довжиною повітряного зазору. Найпростіший індуктивний перетворювач малих переміщень з змінною довжиною повітряного зазору наведено на рис. 1. Він складається з котушки індуктивності з феромагнітним осердям і рухомого якорю. Між якорем та осердям є повітряний зазор, при зміні якого змінюється повний електричний опір намагнічуючого кола.

Рис. 1. Індуктивний перетворювач переміщень

з змінною довжиною повітряного зазору

Такий перетворювач має високу чутливість до вхідної величини (мається на увазі велика відносна зміна індуктивності, яка зумовлена відповідним переміщенням), незначну чутливість до зовнішніх магнітних полів, порівняно невелику ємність (отримання необхідної індуктивності досягається при порівняно невеликій кількості витків, що зумовлює малу паразитну ємність).

Інформативним параметром індуктивного перетворювача з змінним повітряним зазором є повний електричний опір Z намагнічуючого кола, який в першому наближенні визначається

, (1)

де - циклічна частота намагнічуючого струму; - складова опору, що відображає втрати на гистерезис та вихорові струми у феромагнетику; W- кількість витків; - електричний опір обмотки постійному струму; , - площа магнітопроводу та повітряного зазору; - початкова довжина повітряного зазору; - магнітна постійна; - середня довжина магнітопроводу; - питомий магнітний активний опір магнітопроводу.

Якщо ввести позначення та , то рівняння (1) матиме вигляд

. (2)

Параметр називається еквівалентною індуктивністю перетворювача. При рівності площини перерізу магнітопроводу і повітряного зазору, тобто коли = =S, еквівалентна індуктивність визначається

. (3)

При зміні повітряного зазору на еквівалентна індуктивність змінюється на величину

. (4)

Відносна зміна еквівалентної індуктивності при зміні повітряного зазору на :

, (5)

де - номінальна чутливість перетворювача переміщення.

Вимірявши зміну індуктивності перетворювача можна визначити лінійне переміщення досліджуваного об’єкту

. (6)

Диференційний перетворювач з змінним повітряним зазором. Значного підвищення лінійності перетворення при одночасному збільшенні чутливості досягається за допомогою диференційних перетворювачів. На практиці, як правило, використовують саме такі перетворювачі. Диференційний перетворювач наведено на рис. 2.

Рис. 2. Диференційний індуктивний перетворювач

Диференційний перетворювач складається з двох однакових індуктивних перетворювачів. Під дією вхідної величини повний опір обох перетворювачів змінюється дзеркально, тобто на одну і ту саму величину, але з протилежним знаком. Диференційний перетворювач включають в таку вимірювальну схему, яка реагує на алгебричну різницю повних опорів перетворювачів, що входять до складу диференційного перетворювача. За рахунок цього чутливість диференційного перетворювача підвищується в два рази у порівнянні з одинарним. На рис. 3 наведено залежність індуктивності одинарного (крива 1) і диференційного вимірювального перетворювача (крива 2) від лінійного переміщення.

Рис.3. Залежність індуктивності одинарного та диференційного

перетворювача від лінійного переміщення

Перетворювач з змінною площиною магнітного потоку. На рис. 4 наведено найпростіший індуктивний перетворювач з змінною площиною магнітного потоку.

Рис. 4. Індуктивний перетворювач з

змінною площиною магнітного потоку

Принцип дії індуктивного перетворювача з змінною площиною магнітного потоку заснований на зміні індуктивності перетворювача при зміні площини повітряного зазору s яка функціонально пов’язана з лінійним переміщенням l і довжиною повітряного зазору . При зміні площини зазору змінюється і магнітний потік через переріз магнітопроводу, що зумовлює зміну індуктивності. Залежність індуктивності від площини зазору дуже складна і залежить від конфігурації перерізу магнітопроводу, неоднорідності його матеріалу і багатьох інших факторів. Наближено ця залежність описується такою формулою

, (7)

де , , - відповідно довжина, площа, магнітна проникливість ділянок магнітного осердя.

Перетворювач плунжерного типу. Принцип дії індуктивних перетворювачів плунжерного типу заснований на зміні магнітного опору ділянок розсіювання магнітного потоку при переміщенні плунжера. Схематичне креслення найпростішого плунжерного перетворювача наведено на рис.5.

Рис. 5. Індуктивний перетворювач плунжерного типу

У цього перетворювача індуктивність є функцією глибини введення плунжера у котушку. Точний теоретичний опис функції перетворення такого перетворювача дуже складний. Однак, якщо знехтувати нерівномірністю розподілу поля у котушці обмеженої довжини, можна записати наближену функцію перетворення

, (8)

де - середня довжина котушки; - середній діаметр котушки; - ефективна магнітна проникливість кола перетворювача.

Перетворювачі плунжерного типу, внаслідок того, що магнітний потік замикається через повітря, мають відносно нижчу чутливість, ніж перетворювачі з змінним повітряним зазором.

Взаємоіндуктивні перетворювачі. Принцип дії взаємоіндуктивних перетворювачів заснований на явищі зміни наведеної у вторинному колі ЕРС при зміні повітряного зазору. Взаємоіндуктивні перетворювачі виконують головним чином диференційними, що дозволяє отримати нульовий вихідний сигнал при нульовому переміщенні. Взаємоіндуктивний одинарний перетворювач лінійних переміщень наведено на рис. 6 а, взаємоіндуктивний диференційний перетворювач – на рис. 6 б.

Рис. 6. Взаємоіндуктивні перетворювачі

Для одинарного взаємоіндуктивного перетворювача залежність вихідної ЕРС від довжини повітряного зазору наближено визначається

, (9)

де , - кількість витків відповідно у первинних та вторинних обмотках; - струм у первинній обмотці.

Функція перетворення диференційного взаємоіндуктивного перетворювача в першому наближенні має вигляд:

, (10)

Для того, щоб обробити вихідний сигнал індуктивного перетворювача, як правило проводять вторинне перетворення індуктивності в струм або напругу. Для цього застосовуються наступні способи включення індуктивних перетворювачів : просте послідовне включення; включення в міст змінного струму; включення в коливальну систему.

На рис. 7 наведено просте послідовне включення індуктивного перетворювача з змінною довжиною повітряного зазору.

Рис. 7. Просте послідовне включення індуктивного перетворювача

На вхід послідовного кола, яке складається з активного опору R та комплексного опору індуктивного перетворювача, який визначається (2), подається змінна синусоїдальна напруга U_ВХ. При початковому повітряному зазорі

. (11)

Зміна цієї напруги, що зумовлена зміною комплексного повного опору перетворювача , визначається

. (12)

Якщо виконується умова , то ця залежність стає практично лінійною

. (13)

Найбільш розповсюдженим вимірювальним колом індуктивних перетворювачів є включення в мостове коло, що дозволяє досить ефективно використовувати диференційні перетворювачі. Включення одинарного перетворювача в мостове коло наведено на рис. 8 а, включення диференційного перетворювача на рис. 8 б.

Рис. 8. Включення індуктивних перетворювачів в мостове коло

При нульовому зміщенні міст є зрівноваженим і його вихідна напруга дорівнює нулю. При наявності лінійного переміщення і відповідно при зміні еквівалентної індуктивності перетворювача, відбувається розбалансування моста і його вихідна напруга відрізняється від нуля. За величиною приросту вихідної напруги знаходять лінійне переміщення.

Індуктивні перетворювачі також вмикають в коливальну систему автогенератора. У цьому випадку при зміні вхідної величини індуктивного перетворювача змінюється частота або амплітуда коливань, що генеруються. Зміна частоти або амплітуди фіксується частотним або амплітудним детектором, а вихідна напруга детектора, що характеризує значення перетворюваної неелектричної величини, вимірюється електричним приладом, шкала якого може градуюватися в одиницях вхідної величини перетворювача.

Лабораторна установка призначена для дослідження двох індуктивних перетворювачів – плунжерного перетворювача, який включений в вимірювальний міст (схема 1), і одинарного взаємоіндуктивного перетворювача, який ввімкнено в коливальну систему генератора (схема 2). На рис. 9 наведено розташування тумблерів, затискачів та вимірювальних приладів лабораторної установки.

Рис. 9. Лабораторна установка

На рис. 10 наведено схему електричну принципову лабораторної установки. Для ввімкнення схеми 1 тумблер В1 необхідно встановити в верхнє положення, тумблер В2 в нижнє, а для ввімкнення схеми 2 В1 встановлюється в нижнє положення, а В2 – в верхнє.

Принцип роботи схеми 1 полягає у наступному. Плунжерний індуктивний перетворювач Lx ввімкнено в плече мостової схеми, яка побудована на елементах R1, R2, R3, C1. Напруга генератора G подається в одну з діагоналей моста. В іншу діагональ підключено мікроамперметр 1. Переміщення плунжера здійснюється шляхом обертання диску 1 з мітками. При обертанні диска 1 переміщується плунжер, змінюється індуктивність перетворювача і, відповідно, змінюється струм у вимірювальній діагоналі. При відповідному градуюванні мікроамперметра схема може використовуватися для визначення лінійного переміщення плунжера. Перемикач П1 в положенні 1 підключає індуктивний перетворювач до вимірювального мосту, за допомогою якого вимірюється його індуктивність. В положенні 2 перемикача П1, індуктивний перетворювач вмикається в вимірювальне мостове коло.

Рис.10. Схема лабораторної установки

На рис. 11 наведена графік залежності лінійного переміщення плунжера від поділок диску 1, а в таблиці 1 представлено числові значення цієї залежності.

Рис. 11. Графік залежності переміщення плунжера

від поділок диску 1 для схеми № 1

Таблиця 1

В схемі 2 взаємоіндуктивний перетворювач T включено в коло зворотного зв’язку автогенератора, який побудовано на елементах C2, C3, C4, R4, R5, VT. При обертанні диску 2 змінюється повітряний зазор взаємоіндуктивного перетворювача і відповідно змінюється коефіцієнт зворотного зв’язку автогенератора. При зміні повітряного зазору перетворювача змінюється індуктивність коливального контуру, його резонансна частота і резонансний опір. Внаслідок цього змінюється частота генерації і амплітуда коливань. Ці параметри знаходяться в певному зв’язку з величиною повітряного зазору перетворювача. Вихідна напруга генератора детектується амплітудним детектором, підсилюється підсилювачем постійного струму ППС і вимірюється за допомогою мікроамперметра 2. Показання мікроамперметра 2 залежать від лінійного переміщення, що зумовлює зміну повітряного зазору перетворювача. На рис. 12 наведено графік залежності лінійного переміщення від поділок диску 2, а в таблиці 2 представлено числові значення цієї залежності.

Рис. 12. Графік залежності повітряного зазору взаємоіндуктивного

перетворювача від диску для схеми №2.

Таблиця 2

Поділка диску, d	Переміщення l (мм)
0	0
10	0.5
20	1.0
30	1.5
40	2.0
50	2.5
60	3.0
70	3.5
80	4.0
90	4.5
100	5.0

ХІД РОБОТИ

1. Дослідити мостову схему з плунжерним індуктивним перетворювачем лінійних переміщень.

1.1. Включити міст змінного струму Р591, заздалегідь встановивши перемикач "Запуск" в положення "Ручний", а перемикач "Рід роботи" в положення "L".

1.2. Індуктивний перетворювач підключити до моста змінного струму Р591 (перемикач "П1" в положення 1).

1.3.  Включити тумблер "Мережа" на лабораторному макеті. Подати живлення на схему 1, для цього тумблер В1 встановити в верхнє положення, тумблер В2 – в нижнє.

1.4. Встановивши на диску 1 поділки від 150 до 500 з кроком 50 поділок виміряти залежність індуктивності перетворювача від поділок диску за допомогою моста Р591. Запуск вимірювального моста відбувається після натискання кнопки «Пуск». Результати вимірювань занести в табл. 3.

Таблиця 3

1.5. За допомогою графіка на рис. 11 або таблиці 2 визначити лінійне переміщення плунжеру відповідне поділкам диску, в яких проводилися вимірювання. Результати занести в табл. 3.

1.6. Індуктивний перетворювач ввімкнути в плече мостової схеми (перемикач П1 в положення 2).

1.7. Зняти показання мікроамперметру 1 в тих самих точках, в яких було проведено вимірювання у попередньому пункті. Результати занести в табл. 3.

1.8. За результатами табл. 3. побудувати залежність індуктивності перетворювача від лінійного переміщення плунжеру L_Е =f (l).

1.9. Знайти чутливість індуктивного перетворювача на початку, всередині і в кінці отриманої статичної характеристики

, (14)

де S_L – чутливість; - приріст лінійного переміщення; - приріст індуктивності перетворювача, відповідний . При розрахунку чутливості необхідно обирати таким малим, наскільки дозволяє масштаб побудованої залежності.

2. Дослідити взаємоіндуктивний перетворювач лінійних переміщень, ввімкнений в коло зворотного зв’язку автогенератору.

2.1. Подати живлення на схему 2, для цього тумблер В1 встановити в нижнє положення, тумблер В2 – в верхнє.

2.2. Диск 2 встановити на 0. Потенціометром "Уст. 0" встановити стрілку мікроамперметра 2 на 0.

2.3. Встановлюючи диск 2 на оцифровані поділки знімати показання мікроамперметру 2. Результати вимірювань занести в табл. 4.