Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова

Кафедра промышленной кибернетики и систем управления

Экспериментальное определение статической характеристики дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения

Инструкция к лабораторной работе

по дисциплине «Введение в специальность»

для студентов дневной и заочной форм обучения

по специальности 210200

Магнитогорск

2005

Составитель Ю.С. Артамонов

Экспериментальное определение статической характеристики дифференциально-трансформаторного преобразователя переме-щения. Инструкция к лабораторной работе по дисциплине «Введение в специальность» для студентов специальности 210200. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 12 с.

Материалы инструкции знакомят студентов с начальными основными сведениями о характеристике одного из наиболее часто применяемых преобразователей неэлектрической величины в электрический сигнал, с практикой проведения эксперимента и элементарными оценками результатов измерений.

Рецензент: В.М. Дубинин

© Ю.С. Артамонов, 2005

Лабораторная работа № 9 Экспериментальное определение статической характеристики дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения

Цель работы: экспериментальное исследование параметров унифицированного дифференциально-трансформаторного преоб-разователя перемещения ПД-4 и оценка погрешности его работы.

Приборы и материалы: специализированный лабораторный стенд , образец унифицированного дифференциально-трансфор-маторного преобразователя.

1. Общие положения

К измерительным преобразователям (прежний экви-валентный термин «датчик») относятся все основные узлы электронных схем для измерения неэлектрических величин, располагающиеся непосредственно у объекта, как правило, для последующей дистанционной передачи результатов измерения.

При применении преобразователей определяющим фактором является погрешность, допустимая величина которой при регулировании процессов обычно составляет 1…2%, а в задачах контроля 2…3%.

При технологических измерениях чаще всего встречается преобразование в электрический сигнал следующих величин:

угловое перемещение;

линейное перемещение поплавка, сильфона, мембраны;

вращательное движение объекта или скорость счётчиков расхода или количества вещества;

усилие или вращающий момент.

В дистанционных передачах используют следующие системы передач:

дифференциально-трансформаторную;

ферродинамическую;

реостатную;

унифицированный сигнал постоянного тока;

унифицированный сигнал переменного тока и др.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи и системы передачи характеризуются высокой надёжностью и простотой реализации и применяются в тех случаях, когда вносимая ими погрешность допустима по условиям измерения.

2. Конструкция преобразователя и его работа

Конструкция дифференциально-трансформаторного преоб-разователя (в дальнейшем ДТП) изображена на рис. 1а, а его электрическая схема на рис. 1б. Преобразователь состоит из намотанных на цилиндрическом каркасе двух секций обмотки возбуждения w₁ (первичная обмотка), включённых согласно (точки у выводов на рис. 1б обозначают начала обмоток), и двух секцийw_2-1 иw_2-2вторичной (выходной) обмотки, включённых встречно.

Внутри каркаса катушки расположен цилиндрический плунжер (сердечник) из ферромагнитного материала, имеющий возможность перемещения внутри катушки вдоль её оси на величинуx. Обмотка возбуждения подключена к источнику питания переменного тока. ДТП является параметрическим преобразователем, в котором перемещение плунжера преобразуется в параметр – взаимную индуктивность между первичной и вторичной обмотками. Выходным сигналом является напряжение, снимаемое со вторичной обмотки.

Магнитный поток обмотки возбуждения индуцирует в секциях вторичной обмотки э.д.с., значения которых являются функцией тока питания первичной обмотки I, частоты токаи взаимной индуктивности М_2-1и М_2-2между секциями вторичной обмотки и первичной обмоткой. Благодаря тому, что обмотки обеих половин вторичной обмотки идентичны, что достигается их тщательным изготовлением, взаимные индуктивности М_2-1и М_2-2равны между собой при среднем положении плунжера внутри катушки преобра-зователя. При перемещении плунжера вверх (рис. 1б) из среднего положения взаимная индуктивность М_2-1увеличивается, а М_2-2уменьшается. Соответственно, если плунжер смещается из среднего положения вниз, М_2-1уменьшается, а М_2-2увеличивается. Так как секцииw_2-1 иw_2-2 включены встречно, то взаимная индуктивность М = М_2-1– М_2-2между выходной обмоткой и обмоткой возбуждения в зависимости от положения плунжера определяется по выражению

где М_н– номинальное значение взаимной индуктивности, соответ- ствующее номинальному рабочему ходу плунжера из среднего положенияx_н;

x– текущее отклонение плунжера от среднего положения;

 – значение угла фазового сдвига сигнала напряжения пере- менного тока по отношению к току питания, определяе- мое конструкцией преобразователя и качеством его изго- товления.

Выходная э.д.с. преобразователя (эффективное значение) может быть подсчитана по формуле

при расчёте по которой выходное значение э.д.с. получается в вольтах, если подставить

 = 2f;

f – частота тока питания в герцах;

I– ток обмотки возбуждения в амперах;

М_н– номинальное значение взаимной индуктивности в генри;

 – в радианах.

При смещении плунжера из среднего положения на одну и ту же величину, но в разные стороны, величина выходного напряжения будет одинаковой, однако при этом меняется угол фазового сдвига этого напряжения по отношению к напряжению, приложенному к первичной обмотке. На рис. 2 показаны графики изменения во времени мгновенных значений напряжения для этих двух случаев.

На рис. 2а угол фазового сдвига выходного напряжения близок к 0(– определённый выше угол сдвига величиной около 7…8), на рис. 2б угол фазового сдвига близок к 180, а по величине мгновенные значения э.д.с. в соответствующие моменты времени совпадают. Поэтому для определения не только величины, но и направления смещения плунжера обычный вольтметр эффективного значения непригоден, и измерения надо производить фазочувствительным вольтметром (ФЧВ).

Имеются следующие модификации преобразователей.

Унифицированные взаимозаменяемые преобразователи ДТП-1, ДТП-2, ДТП-3имеют номинальный рабочий ход из среднего положения1,6;2,5;4 мм соответственно. Допустимое отклонение рабочего хода плунжера этих преобразователей не превышает25% от номинального значения.

Плунжер изготовлен из сталей марок Э8, Э10, Э12. Для его защиты от коррозии он заключён в оболочку из нержавеющей немагнитной стали 36НХТЮ, а также дополнительно он может быть помещён в разделительную немагнитную трубку, предохраняющую катушку и прибор от влияния внешней среды.

Для унифицирования статической характеристики к выходу преобразователя подключён делитель напряжения, состоящий из переменного резистора сопротивлением 330 Ом и включённого последовательно с ним проволочного резистора из манганина сопротивлением (9802) Ом.

Номинальное значение взаимной индуктивности для всех модификаций преобразователей составляет М_н= (100,09) мГ.

Угол сдвига = 0,1222 рад. или 7приf = 50 Гц.

Номинальное напряжение питания цепи возбуждения равно 12 В, номинальное значение выходного напряжения 400 мВ.

Паспортное значение нелинейности зависимости М = f(x/x_н) не более 0,5% от М_н. Предел допустимой основной погрешности не более 1% от М_н,

Унифицированные преобразователи ПД-3, ПД-4, ПД-5с номинальным рабочим ходом плунжера от среднего положения1,5;2;4 мм соответственно имеют аналогичную конструкцию, но катушка этих преобразователей заключена во внешний электромагнитный экран.

Для унификации характеристик к выходу преобразователя подключён переменный резистор сопротивлением 2,2 кОм. При номинальном токе питания 320 мА (напряжение 12 В) номинальное значение взаимной индуктивности 10 мГ (рис.3) с отклонением не более 0,5%, т.е. такое же, как у ДТП-1, ДТП-2, ДТП-3. При этом значении М_низменение выходной э.д.с. составляет 1 В.

Угол сдвига = (0,1310,026) рад. или (7,51,5)при частоте 50 Гц и (81,5)при 60 Гц.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи этого типа используются только в первичных приборах, например, в мембранных дифференциальных манометрах, ротаметрах и т.п.