На чем основана работа дифференциально трансформаторного преобразователя

Дифференциально-трансформаторная система дистанционной передачи показаний

Дистанционная передача измерительной информации

Для дистанционной передачи измерительной информации широко применяют электрические системы с электромеханическими преобразователями, входная электрическая величина которых определяется положением их подвижных частей. Такие преобразователи, наряду с простотой их устройства и высокой надёжностью, позволяют преобразовать многие технологические параметры в электрический сигнал. К таким параметрам относятся: линейное и угловое перемещения, скорость и ускорение перемещаемых изделий, давление, разрежение, расход, уровень жидкости и т.д.

Большое распространение в системах дистанционного контроля получил дифференциально-трансформаторный преобразователь (ДТП), который представляет собой два совмещённых трансформатора с общим подвижным якорем (рис. 1) [1, 2, 3].

Рис. 1. Общий вид цилиндрического ДТП (а); схема соединения его обмоток (б)

дифференциальный трансформаторный преобразователь дистанционный

Принцип действия ДТП основан на изменении взаимоиндуктивности двух систем обмоток при перемещении элемента магнитопровода.

На пластмассовой катушке размещены одна первичная W₁ и две вторичные W₂, W₃ обмотки. Катушка заключена в цилиндрический стальной кожух-магнитопровод для защиты от внешних магнитных полей. Первичная обмотка размещена равномерно по всей длине катушки. К её концам 1 и 2 подводится напряжение питания переменного тока. Вторичные обмотки выполнены в виде секций, каждая из которых занимает половину катушки по длине, имеют одинаковое число витков и включены встречно.

При питании обмотки W₁ переменным напряжением U создаётся магнитный поток Ф₁, охватывающий обе вторичные обмотки, и потоки Ф₂ и Ф_3, связанные с обмотками W₂ и W₃ соответственно.

Во вторичных обмотках индуцируется ЭДС.

Если плунжер 2 находится в среднем положении, то ЭДС Е₂= Е₃ и при последовательном и встречном соединениях вторичных обмоток на зажимах 3 и 4 напряжение будет равно нулю, т. е. ∆Е = Е₂—Е₃ = 0.

Дифференциально-трансформаторная система дистанционной передачи показаний

В схему входят две одинаковые катушки ДТ₁ (установленная в датчике) и ДТ₂ (установленная во вторичном приборе).

Рис. 2. Принципиальная схема дифференциально-трансформаторной системы передачи показаний

Первичные обмотки ДТ₁ и ДТ₂ соединены последовательно и питаются переменным током от силового трансформатора прибора. Вторичные обмотки ДТП включены встречно.

Исправность прибора проверяют с помощью кнопки контроля S, при замыкании которой цепь вторичной обмотки ДТ₁ отключается и на вход усилителя подается сигнал со вторичной обмотки ДТ₂. В этом случае М установит указатель в среднее положение, отмеченное на шкале прибора, при котором ∆Е₂ = 0. Если при этом стрелка не устанавливается в указанное положение, прибор настраивают перемещением катушек относительно сердечника ДТ₂. Резистор R₂ выполняется медным для компенсации температурных погрешностей вторичной обмотки прибора.

Для дистанционной передачи давления применяют манометры МЭД, снабженные ДТП [1, 2]. Упругим чувствительным элементом манометра является трубчатая пружина (трубка Бурдона), закрепленная на держателе, на котором находится планка с ДТП. Внутрь трубки Бурдона подводится измеряемое давление. Трубка разгибается и перемещает закрепленный на ее конце плунжер.

Литература

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений (LVDT-датчик) и как он работает

Принцип работы LVDT-датчика

Дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений (LVDT) представляет собой электромеханический преобразователь, который определяет механическое смещение сердечника и выдает пропорциональное переменное напряжение на выходе. Высокое разрешение (теоретически бесконечное), высокая линейность (0,5% или лучше), высокая чувствительность и нулевое механическое трение – вот некоторые из важных характеристик LVDT-датчиков.

В этой статье мы рассмотрим структуру и принципы работы LVDT-датчика. Мы также рассмотрим три важных параметра этих датчиков: линейный диапазон, погрешность линейности и чувствительность.

Структура LVDT

На следующих рисунках показан вид в разрезе и схемная модель базового LVDT-датчика. Он состоит из одной первичной обмотки, соединенной с двумя вторичными обмотками через подвижный сердечник. Когда магнитопроницаемый сердечник движется, магнитная связь между первичной и каждой вторичной обмотками соответственно изменяется. Это создает зависящие от положения сигналы напряжения на двух обмотках, которые можно использовать для определения положения объекта.

Две вторичные обмотки соединены последовательно, но намотаны в противоположных направлениях. Сердечник, обычно через неферромагнитный стержень, прикрепляется к объекту, движение которого измеряется, и узел катушки обычно фиксируется в неподвижной форме.

Как работает LVDT-датчик

Когда сердечник смещается вверх, как показано на следующем рисунке, связь между первичной обмоткой и первой вторичной обмоткой становится сильнее. Это приводит к большему напряжению переменного тока на первой вторичной обмотке по сравнению со второй вторичной обмоткой (| Vs1 |> | Vs2 |) и ненулевому выходу (Vout). Обратите внимание, что выходной сигнал находится в фазе с Vs1, но его амплитуда относительно меньше. В примере, изображенном на нижеприведенном рисунке, выходной сигнал должен быть идеально синфазен с VEXC, когда сердечник смещается вверх.

Типичные формы сигналов для смещения сердечника вниз показаны на следующем рисунке.

В этом случае магнитная связь между первичной и второй вторичной обмотками увеличивается, что приводит к | Vs2 | > | Vs1 |. Как видите, у нас будет ненулевой выход Vout, который в идеале сдвинут по фазе на 180° по отношению к напряжению возбуждения.

Передаточная функция

На следующем рисунке показана передаточная функция стандартного LVDT-датчика. По оси абсцисс отложено смещение сердечника от центра. По оси ординат – амплитуда выходного переменного напряжения.

В начале координат (x = 0) выход в идеале равен нулю. Когда сердечник смещается от центра в любом направлении, амплитуда выходного сигнала увеличивается линейно с перемещением сердечника. Обратите внимание, что, измеряя только амплитуду выходного сигнала, мы не можем определить, смещен ли сердечник влево или вправо. Нам нужно знать как амплитуду, так и фазу выходного сигнала.

Линейный диапазон

Как показано на предыдущем рисунке, LVDT-датчик демонстрирует линейную передаточную функцию только в ограниченном диапазоне смещения сердечника. Это определяется как линейный диапазон LVDT. Почему устройство перестает иметь линейную зависимость за пределами этого диапазона?

Мы можем представить, что, когда смещение сердечника из нулевого положения превышает определенное значение, магнитный поток, который передается сердечнику от первичной обмотки, уменьшается. Следовательно, это приводит к снижению напряжения, которое появляется на соответствующей вторичной обмотке. Максимальное расстояние, на которое сердечник может пройти из своего нулевого положения при наличии линейной передаточной функции, называется полномасштабным смещением.

Доступны широкие диапазоны LVDT, охватывающие диапазон смещения от ±100 мкм до ±25 см. LVDT, способные измерять большие диапазоны, также находят применение в лабораторных, промышленных и подводных средах.

Ошибка линейности

График зависимости выхода LVDT-датчика от смещения сердечника не является идеальной прямой линией даже в линейном диапазоне. Выходные данные могут немного отклоняться от прямой линии, построенной для наилучшего соответствия выходным данным. Одним из механизмов, который может привести к нелинейности в номинальном линейном диапазоне устройства, является насыщение магнитного материала. Это может привести к возникновению 3-й гармонической составляющей, даже если сердечник находится в нулевом положении. Эту гармонику можно подавить, применив фильтр нижних частот к выходу LVDT-датчика. Максимальное отклонение выходного сигнала LVDT-датчика от ожидаемой аппроксимации прямой линии считается ошибкой линейности. Ошибка линейности обычно выражается как +/- процент от полного диапазона выходного сигнала. Например, E-100 LVDT от Measurement Specialties Inc имеет максимальную погрешность линейности ± 0,5% от полного диапазона.

Чувствительность

Чувствительность или передаточный коэффициент позволяют связать выходное напряжение со смещением сердечника. Чтобы определить чувствительность, мы включаем первичную обмотку на рекомендуемом уровне привода (3 VRMS для E-100 LVDT) и перемещаем сердечник из нулевого положения с помощью полного смещения. Теперь мы измеряем напряжения на двух вторичных обмотках, чтобы определить общее выходное напряжение (Vout). Подставляя эти значения в следующее уравнение, мы можем найти чувствительность LVDT-датчика.

Чувствительность обычно указывается в выходных милливольтах на вольт возбуждения на тысячные доли дюйма смещения сердечника (мВ/В/мил). Например, чувствительность E-100 составляет 2,4 мВ/В/мил. Имея чувствительность, мы можем определить необходимый коэффициент усиления схемы преобразования сигнала.

LVDT-датчик – это электромеханический преобразователь, который можно использовать для определения механического смещения объекта. Высокое разрешение (теоретически бесконечное), высокая линейность (0,5% или лучше), высокая чувствительность и нулевое механическое трение прекрасно характеризуют эти датчики.

Источник

На чем основана работа дифференциально трансформаторного преобразователя

Дифференциально-трансформаторные преобразователи предназначены для преобразования линейного перемещения сердечника в выходной электрический параметр (сигнал). Переменным параметром у преобразователей этого типа является значение взаимной индуктивности между обмотками. Дифференциально-трансформаторные преобразователи широко применяются в первичных приборах (манометрах, дифманометрах и др.), рассматриваемых ниже, в качестве передающих и во вторичных приборах — в качестве компенсирующих.

Электрическая схема дифференциально-трансформаторного преобразователя ДТП приведена на рис. 8-4-1. Преобразователь состоит из двух секций первичной обмотки 3, намотанных согласно, двух секций 1 и 2 вторичной (выходной) обмотки, включенных встречно, и подвижного сердечника 4, Сердечник передающего

преобразователя соединен с чувствительным элементом первичного прибора (рис, 10-5-1, 12-5-1 и др.), а сердечник компенсирующего преобразователя, устанавливаемого во вторичном приборе, кинематически связан через рычаг и профилированный кулачок с валом реверсивного асинхронного двигателя.

Рис. 8-4-1. Схема дифференциально-трансформаторного преобразователя.

Создаваемый первичной обмоткой преобразователя магнитный поток индуктирует в секциях выходной обмотки значения которых зависят от тока питания обмотки частоты тока и взаимных индуктивностей между секциями 1 и 2 и первичной обмоткой. Взаимные индуктивности и равны между собой при среднем (нейтральном) положении сердечника внутри катушки преобразователя. При перемещении сердечника вверх из среднего положения значение взаимной индуктивности увеличивается, а уменьшается. Если сердечник из среднего положения перемещается вниз, то уменьшается, а увеличивается.

Так как секции 1 и 2 включены встречно, то взаимная индуктивность между выходной обмоткой и первичной обмоткой в зависимости от положения сердечников определяется выражением

Зависимость между значением взаимной индуктивности и относительным перемещением сердечника для неунифицированного дифференциально-трансформаторного преобразователя приведена на рис. 8-4-2.

Значение выходной э. д. с. Е дифференциально-трансформаторного преобразователя равно

где 1 — ток питания первичной обмотки преобразователя, здесь частота тока питания, Гц.

Значение и фаза выходного сигнала зависят от положения сердечника в катушке преобразователя по отношению к Нейтрали (рис. 8-4-1),

На рис. 8-4-3 показана принципиальная схема дистанционной передачи сигнала измерительной информации первичного прибора на вторичный прибор с помощью неуцифицированных дифференциально-трансформаторных преобразователей. На рис. 8-4-3 приняты следующие обозначения: первичный прибор; передающий преобразователь первичного прибора; ВП—вторичный прибор; компенсирующий преобразователь вторичного прибора; усилитель; реверсивный двигатель, выходной вал которого через профилированный кулачок и рычаг соединен с сердечником компенсирующего преобразователя; К — каретка с указателем, кинематически связанная с выходным валом реверсивного двигателя; корректор «нуля» — катушка с регулируемым сердечником, которая состоит из первичной обмотки и двух секций вторичной, включенных встречно; кнопка контроля исправности вторичного прибора.

Рис. 8-4-2. Характеристика неунифйцированного преобразователя ДТП.

Первичные обмотки дифференциально-трансформаторных преобразователей и катушка корректора «нуля» соединены последовательно и питаются переменным током напряжением 33 В, частотой 50 Гц от специальной обмотки силового трансформатора усилителя. Вторичные обмотки преобразователей соединены по компенсационной схеме.

Рис. 8-4-3. Измерительная схема дистанционной передачи сигнала измерительной информации с использованием неунифицированных преобразователей ДТП.

При рассмотрении действия измерительной схемы будем полагать, что сердечник в катушке корректора «нуля» находится в среднем положении.

При рассогласованных положениях сердечников передающего и компенсирующего преобразователей выходная э. д. с. Е и компенсирующая не равны между собой и на вход усилителя поступает сигнал небаланса значение и фаза которого зависят от значения и направления рассогласования сердечников. Сигнал небаланса усиливается и приводит в действие реверсивный двигатель, выходной вал которого с помощью кинематической связи перемещает сердечник преобразователя до тех пор, пока

сигнал небаланса уменьшаясь, не станет меньше порога чувствительности усилителя. При достижении баланса измерительной схемы ротор реверсивного двигателя остановится, а сердечник компенсирующего преобразователя и каретка займут положение, соответствующее определенному ходу сердечника преобразователя ДТП первичного прибора, а следовательно, и измеряемой величине. В этом случае

Дифференциально-трансформаторный преобразователь является параметрическим преобразователем, в котором перемещение сердечника преобразовывается в параметр — взаимную индуктивность между первичной и вторичной обмотками. Неравенство взаимных индуктивностей обусловливает возникновение в измерительной схеме (рис. 8-4-3) сигнала небаланса.

В схеме вторичного прибора предусмотрено дополнительное устройство КО, позволяющее в случае необходимости производить корректировку нуля измерительного комплекта. Смещение нуля может происходить за счет перегрузки первичного прибора, его переноски и т. д. Корректировку нуля производят с помощью сердечника катушки КО, вращая его до тех пор, пока стрелка вторичного прибора не установится против нулевой отметки шкалы с нормированной погрешностью.

Для проверки исправности вторичного прибора предусмотрена перемычка с кнопкой («контроль»). При нажатии кнопки закорачиваются выходная цепь передающего преобразователя ДТП и вторичная обмотка катушки КО. Если прибор исправен, то стрелка его должна установиться против контрольной отметки на циферблате.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи с характеристикой, приведенной на рис. 8-4-2, используются в показывающих вторичных автоматических приборах типа ДП с вращающимся цилиндрическим циферблатом типа в показывающих и самопишущих миниатюрных типа ДСМ, малогабаритных типа ДС; в показывающих и самопишущих типа ЭПИД.

Если вторичный прибор из числа указанных типов в комплекте с дифманометром предназначен для измеренйя расхода жидкости, газа или пара по перепаду давления в сужающем устройстве, то он снабжается квадратичным кулачком, так как между расходом и перепадом давления существует квадратичная зависимость Во всех других случаях вторичные приборы имеют линейный кулачок.

Рассмотренные дифференциально-трансформаторные преобразователи невзаимозаменяемы и измерительные комплекты, состоящие из первичных приборов с такими преобразователями и указанных выше вторичных приборов, требуют индивидуальной градуировки.

Рассмотрим унифицированные взаимозаменяемые дифференциально-трансформаторные преобразователи, разработанные и освоенные московским приборостроительным заводом «Манометр». Унификация выполнена на базе проведенных на заводе «Манометр» под

руководством Ю. Я. Вострикова Исследований дистанционной дифференциально-трансформаторной измерительной системы [45, 463.

На рис. 8-4-4 показано устройство взаимозаменяемого дифференциально-трансформаторного передающего преобразователя ДТП и электрическая схема. Катушка преобразователя, выполненная на каркасе из лресспорошка, имеет две секции первичной обмотки 3, намотанные согласно, и две секции 1 и 2 вторичной (выходной) обмотки, намотанные встречно без разрыва провода. К выходной обмотке подключен делитель, состоящий из регулируемого резистора и постоянного резистора Внутри канала катушки преобразователя находится подвижный сердечник 4 из стали (марок соединяемый с чувствительным элементом первичного прибора. Для защиты сердечника от коррозии он заключен в оболочку из нержавеющей немагнитной стали

Рис. 8-4-4. Устройство (а) и электрическая схема (б) взаимозаменяемого передающего преобразователя ДТП.

В катушке преобразователя сердечник внутри защитной оболочки показан пунктиром. Сердечник из среднего нейтрального положения может перемещаться вверх или вниз на нормированное расстояние.

Катушка передающего преобразователя ДТП закрыта экраном, прикрепляемым к фланцу каркаса (на рис. 8-4-4, а экран и фланец не показаны). Передающие преобразователи ДТП могут применяться с разделительной немагнитной трубкой 5 (на рис. 8-4-4, а показана пунктиром) и без нее. Выбор того или иного варианта зависит от типа первичного прибора.

Взаимозаменяемые дифференциально-трансформаторные передающие преобразователи имеют модификации с номинальным рабочим ходом сердечника из среднего положения 1,6; 2,5 и 4 мм соответственно. Допускаемые отклонения рабочего хода сердечника для этих преобразователей не превышают ±25% номинального значения.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи модификации ДТП-4 с номинальным рабочим ходом сердечника устанавливаемые во вторичных приборах, устроены аналогично с передающими и снабжены дополнительной третьей обмоткой с подключенным к ней регулируемым резистором для корректировки нуля измерительного комплекта по шкале вторичного прибора. Дополнительная обмотка из двух секций размещается возле средней щеки каркаса катушки (на рис. 8-4-4, а обмотка показана пунктиром). Секции этой обмотки наматываются проводом поверх вторичной обмотки»

Электрическая схема дифференциально-трансформаторного преобразователя ДТП-4 с подключенным к нему корректором нуля КО, состоящим из обмотки и регулируемого резистора показана на рис. 8-4-5. К выходной обмотке преобразователя подключен делитель, состоящий из регулируемого резистора и постоянного резистора

Рис. 8-4-5. Схема взаимозаменяемого компенсирующего преобразователя ДТП-4.

Обмотки и сопротивления резисторов делителя передающих и компенсационного преобразователей выбраны так, что их характеристики при токе питания и частоте 50 Гц (напряжение 12 В) одинаковы. Номинальное значение взаимной индуктивности между выходной цепью и первичной обмоткой для всех модификаций взаимозаменяемых преобразователей ДТП принято равным Значение взаимной индуктивности между выходной цепью и первичной, обмоткой для этих преобразователей определяется выражением

из (8-4-3) выходное напряжение преобразователя

где — номинальное значение взаимной индуктивности , соответствующее номинальному рабочему ходу сердечника перемещение сердечника от нейтрали; номинальное значение угла потерь (угол сдвига фазы сигнала напряжения переменного тока по отношению к фазе тока питания, сдвинутой на 90°), рад или 7°.

Рис. 8-4-6. Характеристика взаимозаменяемых преобразователей ДТП.

При градуировке (поверке) первичного и вторичного приборов верхний предел выходного напряжения, а следовательно, и взаимной индуктивности преобразователей ДТП можно изменять (передающего на ±25%, компенсационного на ±15%) с помощью регулируемых резисторов делителей.

Зависимость между значением взаимной индуктивности и относительным перемещением сердечника взаимозаменяемого дифференциально-трансформаторного преобразователя приведена на рис. 8-4-6. Нелинейность зависимости преобразователя ДТП не превышает 0,5% номинального значения взаимной индуктивности.

Предел допускаемой основной погрешности преобразователя не должен превышать 1% номинального значения взаимной индуктивности. Относительное значение остаточной взаимной индуктивности преобразователя ДТП не должно превышать нормированного значения взаимной индуктивности.

Рассмотрим принципиальную схему дистанционной передачи сигнала измерительной информации первичного прибора на вторичный прибор с помощью унифицированных дифференциально-трансформаторных преобразователей, показанную на рис. 8-4-7.

Рис. 8-4-7. Принципиальная измерительная схема дистанционной передачи сигнала измерительной информации с использованием взаимозаменяемых преобразователей ДТП.

Первичные обмотки передающего ДТП и компенсирующего ДТП-4 преобразователей соединены последовательно и питаются

переменным током напряжением 24 В, частотой 50 Гц от специальной обмотки силового трансформатора усилителя. Вторичные обмотки преобразователей соединены по компенсационной схеме.

Принцип действия измерительной схемы ничем не отличается от рассмотренного выше.

Линия связи между первичным и вторичным приборами, имеющая сопротивление каждой жилы не более 5 Ом и емкость между каждой парой жил не более 0,02 мкФ, не вносит дополнительной погрешности. Для рекомендуемых заводом-изготовителем приборов к применению типов кабелей это соответствует длине линии примерно Увеличение длины линии связи вызывает изменение выходного сигнала не более 0,1% на каждые последующие Корректировку нуля производят с помощью движка регулируемого резистора Для поверки исправности вторичного прибора кнопкой закорачивают выходную цепь преобразователя первичного прибора и цепь корректора нуля. Если прибор исправен, то стрелка его должна установиться на начальную отметку шкалы.

Рис. 8-4-8. Схема устройства взаимозаменяемого передающего преобразователя типа

Дифференциально-трансформаторные преобразователи ДТП-4 используются во взаимозаменяемых вторичных приборах показывающих и самопишущих с ленточной диаграммной бумагой шириной типа КСД2, в показывающих типа КЦЦ1, КВД1 и в других приборах типа КСД, изготовляемых с линейным или квадратичным кулачком. Вторичные приборы указанных типов выпускаются также с пределами изменения взаимной индуктивности между выходной цепью и первичной обмоткой преобразователя, равными

Кроме рассмотренных выше взаимозаменяемых дифференциальнотрансформаторных преобразователей изготовляются также унифицированные передающие преобразователи других типов.

Схема устройства дифференциально-трансформаторного передающего преобразователя типа ПД Харьковского завода КИП показана на рис. 8-4-8. Передающий преобразователь состоит из двух раздельных катушек, закрепленных на немагнитной разделительной трубке 4 с некоторым зазором Я. На этих катушках размещены две секции 1 и 3 первичной обмотки, включенные согласно, и две секции 5 и 7 вторичной (выходной) обмотки, включенные встречно, В зазоре Я между катушками находится пружина 2, которая обеспечивает определенное фиксированное их положение. Внутри немагнитной трубки имеется подвижный сердечник 6, который с помощью немагнитного штока 8 соединяется с чувствительным элементом первичного прибора. Сердечник из среднего (нейтрального) положения может перемещаться вверх и вниз на нормированное

расстояние. Катушки преобразователя ПД снабжены экранами (на- рис. 8-4-8 не показаны),

Передающие преобразователи типа ПД изготовляют в трех модификациях: с номинальным рабочим ходом сердечника из среднего положения ±1,5; ±2 и ±2,5 мм соответственно. Параметры обмоток катушек этих преобразователей выбраны так, что их характеристики при токе питания Гц (напряжение 12 В) одинаковы. Пределы изменения модуля взаимной индуктивности между первичной и вторичной обмотками преобразователей ПД в диапазоне рабочего. хода сердечника равны Припринятых значениях для этих преобразователей пределы изменения выходной э. д. с. в диапазоне рабочего хода сердечника равны 1—0—1 В.

Рис. 8-4-9. Характеристика взаимозаменяемого передающего преобразователя типа

Для преобразователей типа ПД зависимость взаимной индуктивности между первичной и вторичной обмотками и значения выходной э. д. с. Е от положения сердечника определяются уравнениями вида (8-4-1) и (8-4-2).

На рис. 8-4-9 показаны зависимости между значением взаимной индуктивности и относительным перемещением сердечника Нелинейность зависимости преобразователей ПД в пределах рабочего хода сердечника не превышает 0,5% номинального значения модуля взаимной индуктивности, При градуировке взаимозаменяемых первичных приборов значение передающего преобразователя ПД можно изменять, воздействуя на зазор между катушками. На рис. 8-4-9 характеристика 1 соответствует некоторому среднему зазору между катушками, характеристика -зазору меньше среднего, а -зазору больше среднего.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи типа ПД используются только в первичных приборах, например в мембранных дифманометрах ротаметрах и т. п.

Первичные приборы с передающими преобразователями типа ПД комплектуются с взаимозаменяемыми вторичными приборами типов и снабженными ферродинамическйми преобразователями типа ПФ2 (§ 8-5),

Источник