Дифференциально-трансформаторные преобразователи

Дифференциально-трансформаторные преобразователи (ДТП) предназначены для преобразования линейного перемещения сердечника в выходной электрический сигнал. Принцип действия основан на зависимости взаимной индуктивности между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой от положения сердечника.

Преобразователь представляет собой трансформатор (рис. 5.2, а), имеющий обмотку возбуждения 3 и две секции 1 и 2 вторичной обмотки, включенные встречно, т.е. дифференциальное включение (отсюда название – дифференциально-трансформаторный).

Создаваемый током возбуждения I_в магнитный поток обмотки возбуждения пронизывает обе секции вторичной обмотки. Часть этого потока Ф₁ пронизывает секцию 1, индуцируя в ней ЭДС е₁, часть потока Ф₂ пронизывает секцию 2, индуцируя в ней ЭДС e₂.

Рис. 5.2. Схема невзаимозаменяемого ДТП

Значения этих ЭДС (по модулю) определяются через взаимные индуктивности М₁ и М₂ между обмоткой возбуждения и секциями 1 и 2. Потоки Ф₁ и Ф₂ однозначно связаны со значениями M₁ и M₂ в соответствии с выражениями

, (5.1)

где I_в – ток возбуждения; f – частота тока возбуждения.

При изменении давления р прогибается мембрана 5, которая перемещает ферромагнитный сердечник (плунжер) 4. При перемещении сердечника вверх уменьшается сопротивление магнитному потоку между обмотками 3 и 1 и, наоборот, увеличивается между обмотками 3 и 2. Это приводит к увеличению потока Ф₁ и, соответственно, ЭДС е₁ и уменьшению Ф₂ и е₂. При перемещении сердечника вниз уменьшается е₁ и увеличивается e₂. Поскольку секции вторичной обмотки включены встречно, то ЭДС Е всей вторичной обмотки будет определяться как разность e₁ и e₂,

,

где М – взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой преобразователя.

В среднем положении сердечника потоки Ф₁ и Ф₂, а следовательно, и взаимные индуктивности М₁ и M₂ равны между собой, т.е. M = 0 и E = 0. При смещении сердечника от среднего положения вверх ЭДС E будет увеличиваться. При смещении сердечника от среднего положения вниз ЭДС также будет увеличиваться (по модулю), но фаза ее будет обратной (рис. 5.2, б).

Из-за допусков, принятых при изготовлении, обычно оказывается, что ЭДС Е вторичной обмотки для различных экземпляров ДТП различна при одинаковых перемещениях х, это вызывает невзаимозаменяемость ДТП. Для унификации выходных сигналов (строго определенной для всех преобразователей зависимости выходного сигнала U_вых от входного х) в цепь вторичной обмотки введен делитель R₁, R₂ (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема взаимозаменяемого ДТП

Смещением движка резистора R₁ можно добиться одинаковой зависимости U_вых = f (x). Обычно U_вых выражается через взаимную индуктивность М_вых между обмоткой возбуждения и выходной цепью, а не между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой, которая использована в выражении (5.1). Для модуля U_вых это выражение имеет вид U_вых = 2pfI_вM_вых.

При рассмотрении метрологии ДТП обычно пользуются относительным перемещением сердечника х/х_н, где х_н – номинальное перемещение сердечника (перемещение сердечника при значении измеряемого параметра, соответствующем верхнему пределу измерения

прибора). Для разновидностей ДТП х_н = (1,6; 2,5; 4 мм) ±25 %. Для унифицированных ДТП, в предположении отсутствия маг­нитных потерь, существует следующая зависимость между М_вых и относительным перемещением сердечника:

, (5.2)

где M_н – номинальная (соответствующая х_н) взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и выходной цепью.

Следовательно,

. (5.3)

Для унифицированных ДТП зависимости (5.2) и (5.3) должны быть одинаковыми, что достигается установлением одинакового значения M_н = 10 мГн для всех преобразователей. При этом графики зависимостей (5.2) и (5.3) для всех преобразователей должны совпадать (рис. 5.4).

В приборах с взаимозаменяемыми ДТП при начальном значении измеряемой величины плунжер устанавливается в среднем положении и с ее увеличением перемещается вверх, т.е. при изменении измеряемой величины в пределах диапазона измерения фаза выходного сигнала не изменяется (рис. 5.4).

а б

Рис. 5.4. Статические характеристики взаимозаменяемых ДТП

В реальных дифференциально-трансформаторных преобразователях, как и во всех трансформаторах, существуют магнитные потери, значение которых должно находиться в определенных пределах.

Схема дистанционной передачи с использованием унифицированных ДТП представлена на рис. 5.5.

Вторичный прибор содержит дифференциально-трансформаторный преобразователь, сердечник которого перемещается профилированным кулачком, поворачиваемым реверсивным двигателем (РД). Двигатель управляется усилителем (УС), подключенным между обмотками ДТП первичного преобразователя и вторичного прибора. В схему прибора включен корректор нуля (КН), состоящий из дополнительной обмотки (ДО), намотанной поверх вторичной обмотки ДТП, и регулируемого резистора R₃.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь первичного преобразователя обычно называется передающим преобразователем, ДТП вторичного прибора – компенсирующим преобразователем.

Рис. 5.5. Схема дистанционной передачи показаний с использованием взаимозаменяемых ДТП

При рассмотрении действия схемы будем считать, что сигнал корректора нуля равен нулю. Вторичные обмотки ДТП передающего и компенсирующего преобразователей включены встречно и, следовательно, на вход усилителя поступает сигнал, равный разности выходных напряжений преобразователей

.

Предположим, что в первоначальный момент сердечники обоих ДТП находятся в среднем положении, т.е. U_вых1 = U_вых2 = 0.

При этом DU = 0 и указатель прибора стоит на начальной отметке. При увеличении измеряемой величины U_вых1 начинает возрастать, на входе усилителя появляется отличный от нуля сигнал небаланса DU, который усиливается усилителем и приводит в движение реверсивный двигатель (РД). Двигатель, поворачивая кулачок, перемещает сердечник ДТП вторичного прибора, который будет установлен в такое положение, при котором U_вых2 = U_вых1. При этом DU = 0 и двигатель остановится.

При одинаковых статических характеристиках (рис. 5.4, б) в момент компенсации относительные перемещения х/х_н преобразователей будут равны (при этом равными также будут взаимные индуктивности передающего М_п и компенсирующего М_к преобразователей в соответствии с рис. 5.4, а). Это означает, что каждому положению сердечника ДТП первичного преобразователя соответствует определенное положение сердечника ДТП вторичного прибора и указателя.

Поскольку положение сердечника первичного преобразователя определяется значением измеряемой величины, положение указателя вторичного прибора будет однозначно определяться значением измеряемой величины. Шкалы таких приборов градуируются в единицах измеряемой величины.

Применение корректора нуля (КН) не изменяет принципа действия прибора, однако в этом случае относительные положения х/х_н сердечников уже не будут равными.

Из выражения (5.3) видно, что статические характеристики преобразователей (рис. 5.4, б) будут одинаковыми при одинаковой частоте и силе тока возбуждения. Для обеспечения этого обмотки возбуждения передающего и компенсирующего ДТП включаются последовательно (рис. 5.5). В этом случае изменение частоты или силы тока возбуждения не повлияет на состояние компенсации измерительной схемы, так как они в равной степени изменят U_вых1 и U_вых2, т.е. напряжение на входе усилителя останется нулевым.

Кнопка КИ служит для контроля исправности прибора. При нажатии этой кнопки закорачивается ДТП первичного преобразователя и корректор нуля и на вход усилителя поступает сигнал только с вторичной обмотки ДТП вторичного прибора. При исправном приборе стрелка при этом должна стать на определенную отметку шкалы.

Достоинства ДТП: простое устройство, надежность в работе, малая погрешность от изменения напряжения питания и активного сопротивления линии связи, которое не должно превышать 5 Ом. Сигнал передается на расстояние до 250 м на частоте 50 Гц.

Недостатки ДТП: к первичному преобразователю с ДТП можно подключать только один вторичный прибор, необходим промежуточный нормирующий преобразователь, для конвертирования сигнала 0…10 мГн в сигнал 0…5 мА. Система дистанционной передачи с ДТП подвержена влиянию внешних магнитных полей и соседних линий связи, как и все системы передач на переменном токе, результатом такого влияния может быть значительная дополнительная погрешность. Поэтому в системах передач на переменном токе накладываются ограничения на емкость между каждой парой проводов, так как их чрезмерное увеличение также приводит к появлению дополнительной погрешности.

Указанных недостатков лишены преобразователи с магнитной компенсацией с передачей сигналов на постоянном токе.