Дифференциальные трансформаторные датчики - ДТД

2. Дифференциальные трансформаторные датчики — ДТД

Дифференциальные трансформаторные датчики благодаря сво­им ценным качествам получили наибольшее распространение для измерения неэлектрических величин. К числу положительных ка­честв следует отнести:

1)  высокую чувствительность, которая обеспечивается за счет возможного выполнения вторичной обмотки датчика с большим числом витков;

2)   возможность  измерения     весьма   малых   перемещений. Это объясняется тем, что датчик имеет высокое  выходное сопротивление, которое хорошо согласуется с входным сопротивлением электронного усилителя.  Применение    последнего   позволяет   измерить незначительные перемещения   (до нескольких микрометров).

     3)  значительный линейный участок характеристики

ДТД представляет собой два совмещенных трансформатора с общим подвижным якорем. Различают несколько конструктивных форм дифференциально-трансформаторных датчиков, которые от­личаются друг от друга магнитной системой: плоские ДТД с магнитопроводом плоской формы и цилиндрические ДТД, v которых магнитопровод имеет круглое сечение.                           

 

Плоский ДТД с двумя раздельными магнитопроводами

(рис. 7.9, а). Каждый из магнитопроводов датчика имеет первичную w₁ и вторичную w₂ обмотки. Обе половины пер­вичной обмотки имеют одинаковое число витков и включаются по­следовательно, а вторичные обмотки—встречно (рис. 7.9, б).

Магнитодвижущая сила (м.д.с.) F = Iw₁ созданная током I, протекающим в последовательно соединенных первичных обмотках, наводит в каждом магнитопроводе датчика магнитный поток, со­стоящий из: а) магнитного потока рассеяния Ф_р между полюсами. Величина этого магнитного потока одинакова для обоих магнито­проводов и не изменяется с изменением положения якоря; б) ра­бочих магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ между полюсами и якорем. Ве­личина рабочих потоков зависит от намагничивающей силы lw\ и магнитной проводимости G между полюсом и якорем. Магнитная проводимость воздушных зазоров G— величина, обратная магнит-ному сопротивлению R_м магнитной цепи.

Величина  магнитной проводимости зависит от площади полю­са S и длины зазора δ_в следующим образом:

             

2)  μ₀ — магнитная проницаемость воздуха  (μ₀ = 4л1О ⁷ Г/м).

Значения магнитных потоков определяются выражениями:

    

Э. д. с. Е1 и Е2, наводимые во вторичных   обмотках, подсчитываются по формулам:

При нейтральном положении якоря имеет место равенство ве­личин

δ_в1 = δ_в2= δ₀, G₁ = G₂=G₀,, Ф₁ = Ф₂ и, следовательно, равенство значений

э. д. с. Е₁=Е₂.

 

Результирующая э. д. с. на выходе дат­чика равна нулю. При воздействии на якорь контролируемой ве­личины зазор между якорем и одним из сердечников становится меньше, т. е. δ_в1 = δ₀ - ∆х (при смещении якоря вверх), а между другим сердечником и якорем становится больше, т. е.

δ_в2 = δ₀ + ∆х,  где ∆х —смещение якоря. Соответственно изменяются проводимо­сти: G₁= Go + ∆C₁, G₂ = G_Q—∆G₂. Подставляя данные значений проводимостей C₁ и G₂ в формулы (7.21) и (7.22), получим:

В некоторых пределах смещения якоря от нейтрального поло­жения изменение проводимостей рабочих зазоров с некоторым при­ближением можно считать пропорциональным смещению якоря ∆х, т. е.

                                                  

где κ — коэффициент пропорциональности.

Подставляя (7.25) в (7.23) и (7.24), после некоторого преобра­зования получим значение э. д. с. на выходе датчика

                         

где ω = 2πf  В зависимости    от   направления    перемещения   якоря меняется фаза результирующего э.д.с.

Плоский ДТД с общим магнитопроводом (рис. 7 10) Такой датчик реагирует не на изменение величины воздуш­ного зазора а на изменение его площади. На среднем сердечнике размещается первичная катушка w₁, на двух крайних -вторичные w₂ (вторичные обмотки включены встречно).

Магнитный поток Ф, определяемый первичной   катушкой, разветвляется вправо и влево пропорционально магнитным  проводимостям левой и правой частей магнитопровода. При симметричном рас­положении якоря в магнитопроводе магнитные проводимости обеих час­тей системы равны друг другу, т. е. G₁ = G₂ и, сле­довательно, равны значе­ния э. д. с. для обеих вто­ричных катушек Е₁=Е₂. При смещении якоря вле­во или вправо изменяют­ся, значения магнитных проводимостей G₁  и G₂соответственно изменяют­ся потоки Ф₂ или Ф₁ ,а следовательно,

и э. д. с. Е₂ или Е₁ , т. е. ∆E = E₁ - Е₂. Фаза ∆E  изменяется

на 180° при смещении якоря в другую сторону от нейтрального по­ложения.

Цилиндрический ДТД с сосредоточенной  первичной обмоткой (рис. 7.11); применяется, как правило, при малых ходах якоря (до 1 мм). На общем изоляционном каркасе 1 расположены три катушки:  первичная   w₁ и две вторичные   w₂и w₂". Обе вторичные катушки имеют строго одинаковое число вит­ков   и  выполняются  проводом  одного диаметра.  Внутри  катушек перемещается якорь 3 цилиндрической  формы   (плунжер),  на ко­торый воздействует контролируемая величина х. Снаружи катушки охватываются  круглым   магнитопроводом  2 из листовой  электро­технической стали.

При нейтральном    положении  якоря    наведенные в обмотках э. д. с. будут ргзны (Е₁ = Е₂), а выходное   значение э. д. с. равно нулю  (∆E = 0). При смещении якоря вверх или вниз от нейтраль­ного положения на величину ∆х: нарушается равенство    э. д. с.  (так как магнитный поток в одной катушке, например w₂', увеличивает­ся, а в другой, w₂'', уменьшается) и результирующая э.д.с, равная разности э. д. с. в катушках, приобретает некоторое значение  (при встречном включении вторичных катушек)

Где ω- угловая частота; I- ток, протекающий в первичной катушке; ω₁ - число витков первичной катушки; ω₂ - общее число витков вторичной катушки; к- коэффициент пропорциональности; ∆х - величина смещения якоря. Фаза выходной величины э. д. с. зависит or направления перемещения якоря.