Метода с пятью лабораторными работами по дисциплине Тех. измерения и приборы (ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА2)

Посмотреть архив целиком

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

«ИСЛЕДОВАНИЕ ИНДУКТИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ»


  1. ВВЕДЕНИЕ

Задачей работы является снятие характеристик дифференциального индуктивного преобразователя малых перемещений и неуравновешенного моста, в который обычно включается индуктивный преобразователь. С помощью моста и фазочувствительного измерителя входная величина преобразователя (перемещения) преобразуется в выходную электрическую величину – постоянный ток.


  1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИНДУКТИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

Устройство дифференциального индуктивного преобразователя показано на Рисунке1

Два магнитопровода состоят из Iа, Iб и якоря 2, выполненных из магнитомягкого материала. Между сердечником и якорем имеются малые воздушные зазоры δ1 и δ2. на каждый магнитопровод надета обмотка с числом витков W, обычно состоящих из двух катушек.

При исходном значении измеряемой величины якорь преобразователя занимает семеричное по отношению двух сердечников положение δ1= δ2= δ0. Преобразуемое перемещение будем далее обозначать символом ∆δ. При перемещении якоря длина одного из воздушных зазоров увеличивается, другого – уменьшается. При этом изменяется магнитные потоки ф1 и ф2 в сердечниках Ia и Iб, индуктивности обмоток L1 и L2, а так же активные сопротивление r1 и r2. Изменение величины r1 и r2 обусловлено нелинейностью зависимостей потерь на гистерезис и вихревые токи от величины магнитных потоков ф12.


Рисунок 1


Заметим, что изменения L и r для одной обмотки имеют одинаковые знаки. При перемещении якоря L1 и L2, а так же r1 и r2 изменяются в разные стороны. Итак, в преобразователе перемещение якоря ∆δ преобразуется в изменение комплексного сопротивление обмоток Z1 = r1+jwL1 и Z2 = r2+jwL2

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Основными характеристиками преобразователя являются зависимости сопротивлений rl, r2, X1=WL1, X2=WL2, Z1, Z2 от положения якоря, определяемого величиной ∆δ. Перечисленные характеристики можно получить многими способами. В работе этой цепи предлагается использовать фазочуствительный измеритель. На практике изменение активного сопротивления ∆r обмоток может оказаться незначительным по сравнению с изменением индуктивного сопротивления ∆х.

Сопротивления обмоток преобразователя Z1 и Z2 нельзя считать строго линейными, т.е. независимыми от величины напряжения питания.

Нелинейность сопротивления обусловлена нелинейностью характеристики В = f(II) материала сердечника. В связи с этим при работе с индуктивным преобразователем необходимо поддерживать постоянной величину напряжения на его обмотках.

Заметим еще, что две половины дифференциального преобразователя не являются строго идентичными и в некотором положении якоря, при котором Х12, r1 может отличаться от r2.


4. ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ.

В работе для получения всех нужных характеристик применен фазочувствительный измеритель. Он состоит из фазочувcтвительного усилителя – выпрямителя (УВ) и магнитоэлектрического микроамперметра, подключаемого к выходным зажимам 2-2'У В (Рисунок 2)

Измеряемое напряжение Ůx, подводится к зажимам I-I', управляющее (опорное) напряжение Ůy подводится к зажимам 3-3`. Отклонение стрелки прибора α, пропорциональное Icp – среднему значению тока в его рамке, как известно, зависит от угла сдвига фаз между напряжениями Ůx, и Ůy и не меняется при небольших изменениях величины управляющего напряжения Ůy.


Рисунок2

Имеет место следующее соотношение:


A = S*Icp = Sф*Ux*cosφ , (1)


где S – чувствительность прибора к току;

Sф – чувствительность фазочувcтвительного измерителя к напряжению на его входе;

ф – фазовый сдвиг между векторами напряжений Ůx и Ůy; при ф=0, U=Sφ*Ux,

при , a=0

При использовании фазочувствительного измерителя для измерения активного и реактивного сопротивления должна быть обеспечена возможность регулировки фазы, управляющего напряжения Ůy в пределах, превышающих 90 градусов, причем его величина должна оставаться при всех значениях фазовых углов приблизительно постоянной, для этого используется специальная фазорегулирующая цепь (ФР), показанная на Рисунке З.

Здесь приведена схема усилителя – выпрямителя. Входные зажимы фазорегулирующей цепи 3 – 3' присоединяются к зажимам генератора переменного тока (ЗГ). На выходных зажимах фазорегулирущий образуется напряжение Ůy.


Рисунок 3


В качестве фазового регулятора используется мост, два плеча которого предоставляют собой вторичную обмотку трансформатора Тр1, а два другие плеча включены конденсатор С1 и переменное сопротивление R7. Как известно, если сопротивление нагрузки, присоединенное к выходной диагонали моста очень велико по сравнению с сопротивлением плеч моста, то изменение сопротивления R7 вызывает изменение фазы напряжения Uy, не вызывая при этом изменения его значения. При R7=0 или R7=бесконечности Uy находится в фазе или противофазе с напряжением питания моста Uпит. При сдвиг фаз между Uпит и Uy равен .

Чтобы нагрузка фазорегулятора не влияла на величину его выходного напряжения, к выходным зажимам моста подключён эмиттерный повторитель на транзисторе Т1.


5. СНЯТИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

Для снятия зависимостей активных и реальных сопротивлений преобразователя от положения якоря предусмотрена схема, приведённая на Рисунке 4



Рисунок 4

Здесь Z1, Z2. – сопротивлении обмоток преобразователя,

R – известное активное сопротивление,

С – известная емкость.

Подключив входные зажимы фазочувствительного измерителя к зажимам

конденсатора, регулирует фазу управляющего напряжения Ůy,так, чтобы показания были рулевыми. При этом вектор Uy измерителя совпадает по фазе с током IA

Потом присоединяют зажимы измерителя к зажимам сопротивления R и отмечают его показания Аr .Затем присоединяют измеритель к зажимам Z1 – отмечают отклонение al к зажимам Z2 – отмечают отклонение а2. Так как при всех измерениях вектор управляющего напряжения измерителя совпадает с направлением вектора тока, показания измерителя будут пропорциональны составляющим напряжений, совпадающим по фазе с этим током, т.е активным составляющим напряжений.

Поэтому aR = K*IA*R (2)

(3)

Здесь К – коэффициент пропорциональности;

Z1 Z2 – полное сопротивление обмоток;

ф1ф2 – аргументы (сдвиги фаз) сопротивлений Z1 Z2

Из (2) и (3) следует:

(4)

Для определения индуктивных сопротивлений обмоток нужно отрегулировать фазу управляющего напряжения так, чтобы нулевое показание индикатора имело место, когда подключен к сопротивлению R. Оттуда вектор управляющего напряжения Uy будет перпендикулярна вектору тока IA, и показания измерителя будут пропорциональны составляющим напряжения, ортогональным току IA

Присоединяя измеритель к зажимам Z1 и Z2 и обозначая его отклонение В1 и В2 получим:

(5)


Разделив эти выражения на aR = К * IА * R получим:

.

Так как магнитная цепь преобразователя нелинейная, то при всех измерениях необходимо поддерживать напряжение на зажимах, преобразователя постоянным и равным.


6. РАБОТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В МОСТОВОЙ СХЕМЕ С ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ИЗМЕРИТЕЛЕМ.

При работе индуктивного дифференциального преобразователя изменения комплексных сопротивлений обмоток наиболее часто измеряются посредством включения обмоток преобразователя в цепь неравновесного четырех плечного моста. Схема моста позволяет реализовать несколько различных вариантов включения преобразователя. Как правило, обмотки дифференциального преобразователя включается в смежные плечи моста.

В работе исследуется мост, в два другие плеча которого включены активные сопротивления R1=R2 (Рисунок 5) питание моста осуществляется от генератор ЗГ через трансформатор Тр З.

Рассмотрим более подробно работу моста с дифференциальным индуктивным преобразователем. Допустим, что в его исходном состоянии, когда мост, уравновешен, параметры обоих обмоток одинаковы и равны Z0 = r0+jwL0.

При смещения якоря на ∆δ параметры обмоток изменяются в разные стороны и становятся равными Z1 = Z0-∆Z1; Z2 = Z0+∆Z2. В первом приближении при относительно малых перемещениях (по отношению к δ0) можно считать, что Z1=∆Z2 = ∆r + j∆X (в действительности приращения не совсем одинаковы). В режиме холостого хода моста при смещения якоря на величину ∆δ на его выходных зажимах появится напряжение, равное

,


откуда: (7)


Обозначим ∆Z = ∆Z * e jφ∆ и Z0 = Z0 * e jφ0

Где; Z = Z0 – модули комплексов Z; Z0

φ∆; φ0 – их аргументы.

Подставляя в 7 получим:


(8)



Рисунок 5


Из (8) видно, что модуль напряжения U2 пропорционален модулю изменения полного сопротивления обмотки, а по фазе он опережает вектор питающего напряжения на угол λ = ф∆ - ф0. Так как в общем случае при изменении ∆δ при решении ∆Z не пропорционально ∆Х, то при перемещении якоря угол λ не остаётся постоянным. Однако, у индуктивного преобразователя, использованного в работе, это изменение мало. При изменении U2 электронным вольтметром с большим входным по сравнению с выходным сопротивлением моста его показания будут пропорциональны ∆Z (при постоянном напряжении питания). Вольтметр не будет учитывать направление перемещения якоря.

Если же измерение производится фазочувствительным измерителем, то его показания будут зависеть не только от значения ∆Z, но и от угла ф – сдвига фаз между напряжений и управляющим напряжением фаз о чувствительного измерителя . Максимального отключения указателя измерителя при заданной расстройте моста можно добиться отрегулировав фазу напряжения так, чтобы она совпадала с фазой напряжения изменение направления перемещения якоря вызывает изменение знака отклонения указателя фазочувствительного измерителя.

А теперь остановимся на явлениях, которые при рассмотрении работы преобразователя в мостовой схеме в первом приближении мы не учитывали.

Во-первых, нелинейность сопротивления обмоток Z1 и Z2 Нелинейность Z1 и Z2 приводит к тому, что при питании моста чисто синусоидальным напряжением выходное напряжение содержит высшее нечётные гармоники. В случае применения нефазочувствительного измерителя они создают нелинейность характеристики U2 = f(∆δ) и некоторое остаточное напряжение при ∆δ = 0.

Во-вторых, не идентичность половин сдвоенного преобразователя. Это приводит к тому, что даже по основной гармонике мост нельзя уравновесить перемещением якоря. Это иллюстрируется векторной диаграммой Рисунок6, построенной в предложении, что при X1=X2 и R1=R2 имеет место состояние r1 > r2


Рисунок 6

Пунктирной линией показа годограф вектора основной гармоники напряжения при перемещении якоря. При больших значениях ∆δ вектор почти совпадает по направлению с вектором напряжения (например, при +∆δ) или же сдвинут по отношению к нему почти на 180 (при -∆δ). С уменьшением ∆δ и прохождением точки

∆δ = 0 вектор изменяется по величине и совершает поворот, но никогда не достигает нулевого значения. При некотором положении якоря вектор сдвинут по отношению к на 90° и Iср.= 0. Как это следует из формулы (1). Заметим, что асимметрию r1 > r2 при х1 = х2 можно устранить введением дополнительного активного сопротивления RA (Рисунок 4) последовательно c Z2 (так и сделано в лабораторной установке).


7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ. ИЗМЕРИТЕЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Измеритель перемещения состоит из моста с дифференциальным индуктивным преобразователем и фразочувствительного измерителя. В нем осуществляется последовательное преобразование перемещения якоря ∆δ в изменение сопротивления обмоток датчика ∆Z, затем ∆Z мостовой схеме преобразуется в напряжение U2, и наконец, в фразочувствительном измерителе проходит преобразование напряжения U2 в величину постоянного тока Iср. Следовательно, измеритель перемещения может быть представлен в виде последовательного соединения звеньев: индуктивный преобразователь – мост –фазочувствительный измеритель.

Каждое звено имеет свои входные и выходные величины и следовательно, свою функцию преобразования. Если функция преобразования линейна, то коэффициент преобразования постоянен во всём диапазоне измерения входной величины и определяется отношением выходной величины к входной.

Если функция преобразования не линейна, то чувствительность определяется на малом участке изменения входной величины.

Введём следующие обозначения:

Sип – коэффициент преобразования индуктивного преобразователя;

Sm - коэффициент преобразования моста

Sф- коэффициент преобразования фазочувствительного измерителя.

Для исследуемо го преобразователя

Sип = (∆Z/Z0)/∆δ