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

Что такое линейный дифференциальный трансформатор

Переменный ток, текущий в одной первичной катушке, можно использовать для наведения переменного напряжения в двух вторичных катушках. Если две вторичные катушки идентичны по своим характеристикам, причем два пути магнитных силовых линий, проходящих через эти катушки, также идентичны, то два генерируемых вторичных напряжения будут равны. Прибор с такой структурой называется дифференциальным трансформатором.

Дифференциальный трансформатор может иметь воздушный сердечник или магнитный сердечник.

Две вторичные катушки можно соединить либо синфазно, либо противофазно, причем в первом случае их напряжения складываются одно с другим, а во втором случае вычитаются одно из другого.

Одна первичная катушка используется для возбуждения двух симметричных вторичных катушек, причем последние могут быть соединены так, чтобы вторичные напряжения суммировались одно с другим, или же так, чтобы они вычитались одно из другого.

Если две катушки соединены по схеме вычитания, то при одинаковых значениях их напряжений общее вторичное напряжение будет равно нулю. Если же характеристики магнитной цепи одной из этих катушек намеренно изменить по сравнению с характеристиками магнитной цепи другой катушки, то два вторичных напряжения будут различаться и их разность не будет равна нулю.

При этих условиях фаза суммарного вторичного напряжения указывает, какой путь магнитных силовых линий имеет большее магнитное сопротивление, тогда как амплитуда этого напряжения отражает значение разности магнитных сопротивлений.

Если и для увеличения магнитного сопротивления одного пути и для уменьшения магнитного сопротивления другого пути используется одно и то же воздействие, то выходное напряжение, отражающее это воздействие, достигает максимального значения, а передаточная функция будет обладать наибольшей возможной линейностью.

Поскольку никакие две вторичные катушки и никакие два пути магнитных силовых линий нельзя сделать совершенно одинаковыми, дифференциальный трансформатор всегда имеете на выходе некоторое напряжение даже при нулевом полезном сигнале на входе.

Кроме того, характеристики магнитных цепей нелинейны. В результате этой нелинейности появляются четные гармонические составляющие основной частоты приложенного первичного напряжения возбуждения, которые невозможно полностью скомпенсировать при любой схеме расположения вторичных катушек.

Магнитное сопротивление ферромагнитной цепи с воздушным зазором является функцией ширины зазора с сильно выраженной нелинейностью. Вследствие этого индуктивность катушки, намотанной вокруг такой цепи — также нелинейная функция ширины зазора.

В то же время, если имеются два более или менее идентичных пути магнитных силовых линий, каждый с воздушным зазором, и если ширина одного зазора увеличивается при уменьшении ширины другого, то разность магнитных сопротивлений этих путей может изменяться в достаточной степени линейно.

Основные принципы устройства дифференциального трансформатора на практике воплощаются в различные конкретные конструктивные конфигурации, предназначенные для множества различных целей.

Чаще всего они использу ю тся для измерения смещения в диапазоне от нескольких миллиметров до сантиметров напрямую преобразу я смещение в электрический сигнал.

Индуктивность катушки, вблизи или внутри которой находится ферромагнитный стержень, является функцией координаты положения этого стержня по отношению к катушке с сильно выраженной нелинейностью.

Если же такой стержень представляет собой ферромагнитную цепь некоторого дифференциального трансформатора, то вторичное разностное напряжение может служить показателем перемещения стержня, зависящим в достаточной степени линейно от этого перемещения.

Первичная обмотка подключена к источнику переменного тока. Две вторичные обмотки S1 и S2 имеют равное количество витков и установлены последовательно друг против друга.

Таким образом, ЭДС, индуцированная в этих обмотках, не совпадают по фазе на 180° друг с другом, и, таким образом, общий эффект нивелируется.

Положение симметричного ферромагнитного сердечника, предусмотренного в конструкции дифференциального трансформатора, можно определить по фазе и амплитуде вторичного напряжения.

Абсолютная разность двух вторичных напряжений указывает абсолютную величину смещения стержня относительно центрального, или нулевого, положения, а фаза этого разностного напряжения указывает направление смещения.

Кривая ввода-вывода линейно-регулируемого дифференциального трансформатора показана на рисунке.

Пример использования линейного дифференциального трансформатора для обеспечения точной обратной связи по положению при мониторинге и управлении клапанами на химических заводах, электростанциях и сельскохозяйственном оборудовании:

Погружные датчики перемещения LVDT D5W:

Эти преобразователи предназначены для измерения смещения и положения. Они обеспечивают точное измерение положения якоря (скользящей части) относительно корпуса датчика перемещения.

Погружные преобразователи перемещений предназначены для выполнения измерений, когда они погружены в подходящие жидкости. Немагнитные жидкости могут заливать трубку якоря, не влияя на работу преобразователя. Такие преобразователи доступны в версиях с неуправляемым приводом или с пружинным возвратом.

При автоматизации различных технологических процессов часто используются двухсторонние преобразователи с дифференциальным трансформатором с ферромагнитным стержнем, который введен своими концами на одинаковые расстояния внутрь двух вторичных катушек.

При осевом движении стержня он вдвигается глубже в одну из этих катушек и выдвигается из другой. Абсолютная разность двух вторичных напряжений указывает абсолютную величину смещения стержня относительно центрального, или нулевого, положения, а фаза этого разностного напряжения указывает направление смещения.

Роторно-регулируемый дифференциальный трансформатор :

Его конструкция аналогична линейно-регулируемого дифференциального трансформатора, за исключением конструкции сердечника.

Первичная обмотка подключена к источнику переменного тока. Две вторичные обмотки S1 и S2 имеют равное количество витков и установлены последовательно друг против друга.

Преимущества линейного дифференциального трансформатора:

Нет физического контакта между сердечником и катушками ;

Длительный срок эксплуатации.

Это наиболее широко используемый индуктивный датчик благодаря его высокой точности.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Линейный дифференциальный трансформатор

Этот датчик используется для измерения перемещения по прямой линии (поэтому его называют линейным). Приборы этого типа способны измерять расстояния менее 0,5 мм и более 0,5 м, либо боковые уклонения от центрального положения. На рисунке показан принцип действия линейного дифференциального трансформатора.

Рис. Принцип действия линейного дифференциального трансформатора

Прибор имеет одну первичную и две вторичные обмотки. На первичную обмотку подается переменное напряжение, и за счет трансформации во вторичных обмотках наводятся напряжения переменного тока. Вторичные обмотки соединены встречно-последовательно, так что выходной сигнал прибора является разностью между напряжениями вторичных обмоток. Когда ферромагнитный сердечник находится в центральном положении, выходной сигнал датчика равен нулю. Как только сердечник смешается в ту или иную сторону от центрального положения, выходное напряжение в одной обмотке растет, а в другой падает, создавая напряжение, которое в рабочем диапазоне пропорционально смещению сердечника. Для преобразования этого смещения в сигнал постоянного напряжения (обычно ±5 В) можно использовать фазовый детектор. Для датчика, перемещаемого в пределах ±12 мм, это обеспечивает чувствительность в 0,42 В/мм.

Линейные дифференциальные трансформаторы находят применение в некоторых датчиках давления в коллекторе, где диафрагма преобразует изменения давления в линейное перемещение.

Источник

Дифференциальный ток: что это такое, определение, особенности, виды

Дифференциальный ток ( I_Δ ) [residual current] (для устройства дифференциального тока) — это среднеквадратическое значение векторной суммы токов, протекающих через главную цепь устройства дифференциального тока [пункт 20.6, 1].

Примечание — Поскольку через главную цепь любого устройства дифференциального тока проходит не менее двух проводников, в главной цепи УДТ протекает не менее двух электрических токов.

Дифференциальный ток ( I_Δ ) [residual current] (для электрической цепи) — это алгебраическая сумма значений электрических токов во всех проводниках, находящихся под напряжением, в одно и то же время в данной точке электрической цепи в электрической установке [пункт 20.7, 1].

Вышеприведенное примечание из пункта 20.7 ГОСТ 30331.1-2013 [1] очень грамотно, на мой взгляд, прокомментировал Харечко Ю.В. в своей книге [2]:

« Это примечание устанавливает эквивалентность между дифференциальными токами для УДТ и защищаемой им электрической цепи. Продекларированное равенство дифференциальных токов возможно только в тех электрических цепях переменного тока, в состав которых входят фазные и нейтральный проводники. Однако, учитывая запрет на применение PEN-проводников в электроустановках жилых и общественных зданий, торговых предприятий и медицинских учреждений, указанная эквивалентность будет распространяться на большинство вновь монтируемых и реконструируемых электроустановок зданий. Поскольку подавляющая часть электрических цепей в существующих электроустановках зданий выполнена проводниками, имеющими сечение меньше минимально допустимого сечения PEN-проводника – 10 мм 2 для медного и 16 мм 2 для алюминиевого, эти электрические цепи состоят только из фазных и нейтральных проводников. »

Дифференциальный ток не является электрическим током. Поэтому он не может представлять никакой опасности для человека.

Особенности для электрических цепей.

Далее Харечко Ю.В. рассказывает на примерах, чему равен дифференциальных ток:

Особенности для устройства дифференциального тока.

Обратимся к книге [2], в которой её автор Харечко Ю.В. определил основной фактор воздействующий на УДТ следующим образом:

« Основным фактором, воздействующим на устройство дифференциального тока и инициирующим его оперирование, является дифференциальный ток, который определен в нормативной документации как действующее значение векторной суммы токов, протекающих в главной цепи УДТ. Для определения дифференциального тока УДТ оснащено дифференциальным трансформатором, принцип действия которого проиллюстрирован на рис. 1. »

Дифференциальный трансформатор двухполюсного устройства дифференциального тока имеет две первичные обмотки, выполненные двумя проводниками главной цепи УДТ, и одну вторичную обмотку, к которой подключен расцепитель дифференциального тока.

« Под расцепителем дифференциального тока понимают расцепитель, вызывающий срабатывание УДТ с выдержкой времени или без нее, когда дифференциальный ток превышает заданное значение. »

Рассмотрим нормальные условия оперирования электрической цепи, когда отсутствуют какие-либо повреждения основной изоляции опасных частей, находящихся под напряжением. Через главную цепь УДТ не протекает ток замыкания на землю, поскольку в электрической цепи нет замыкания на землю.

В обоих проводниках главной цепи устройства дифференциального тока протекают электрические токи, равные по своему абсолютному значению току нагрузки I_н (смотрите примечание 1 ниже). То есть электрические токи I₁ и I₂, протекающие в первичных обмотках дифференциального трансформатора, равны между собой по абсолютному значению:

« Примечание 1. При отсутствии тока утечки. Если в электрической цепи протекает ток утечки, электрические токи, протекающие в фазном и нейтральном проводниках главной цепи УДТ, отличаются друг от друга приблизительно на величину тока утечки. »

Поскольку электрические токи, протекающие в главной цепи УДТ, направлены навстречу друг другу, их векторная сумма равна нулю.

Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, создаваемые электрическими токами I₁ и I₂ в сердечнике дифференциального трансформатора, также направлены навстречу друг другу и равны между собой по абсолютному значению. Поскольку указанные магнитные потоки взаимно компенсируют друг друга, суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора равен нулю.

Следовательно, абсолютная величина электрического тока, который может протекать в электрической цепи, подключенной к вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также будет равна нулю:

Поэтому в нормальных условиях расцепитель дифференциального тока не может инициировать срабатывание УДТ, которое, в свою очередь, не отключает присоединенные к нему внешние электрические цепи.

Рассмотрим оперирование электрической цепи в условиях повреждения основной изоляции опасной части, находящейся под напряжением и ее замыкания на землю, когда через главную цепь УДТ протекает ток замыкания на землю.

В условиях повреждения по одному из проводников главной цепи УДТ помимо тока нагрузки I_н протекает ток замыкания на землю I_EF. Поэтому абсолютное значение электрического тока, протекающего в одной из первичных обмоток дифференциального трансформатора, превышает абсолютное значение электрического тока, который протекает в другой его первичной обмотке:

Следовательно, векторная сумма электрических токов, протекающих в главной цепи УДТ, будет отлична от нуля.

Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ в сердечнике дифференциального трансформатора, прямо пропорциональные электрическим токам I₁ и I₂, не равны между собой по абсолютному значению. Они не могут компенсировать друг друга. Поэтому суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора отличен от нуля.

Следовательно, абсолютная величина электрического тока, который протекает в электрической цепи, подключенной к вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также не равна нулю:

Поэтому в указанных условиях расцепитель дифференциального тока сработает под воздействием электрического тока I_р, побуждая устройство дифференциального тока разомкнуть свои главные контакты и отключить присоединенные к нему внешние электрические цепи.

Харечко Ю.В. подчеркивает особенности функционирования трехполюсных и четырехполюсных УДТ [2]:

« В трехфазных трехпроводных электрических цепях применяют трехполюсные устройства дифференциального тока, а в трехфазных четырехпроводных электрических цепях – четырехполюсные УДТ, которые оснащены дифференциальными трансформаторами, имеющими соответственно три и четыре первичные обмотки. Эти дифференциальные трансформаторы функционируют так же, как и дифференциальный трансформатор двухполюсного УДТ. Векторные суммы электрических токов, протекающих в главных цепях УДТ, они определяют с учетом запаздывания и опережения по фазе электрических токов в проводниках разных фаз, подключенных к УДТ. »

Таким образом, посредством определения дифференциального тока выполняют обнаружение и оценку тока замыкания на землю, например, через тело человека, прикоснувшегося к фазному проводнику. От токов замыкания на землю защищают и людей, и электроустановки зданий.

При замыкании на землю какой-либо токоведущей части дифференциальный ток практически равен току замыкания на землю. В нормальных условиях дифференциальный ток приблизительно равен току утечки, протекающему в электрической цепи.

Виды дифференциальных токов

Все многообразие дифференциальных токов, которые могут возникнуть в главной цепи устройства дифференциального тока бытового назначения, в стандартах ГОСТ IEC 61008-1-2020 [3] и ГОСТ IEC 61009-1-2020 [4] сведено к следующим двум видам: синусоидальному дифференциальному току и пульсирующему постоянному дифференциальному току.

Харечко Ю.В. в своей книге [2], на мой взгляд, максимально простым языком расписал особенности этих 2 видов дифференциального тока. Приведу основные цитаты:

« Синусоидальный дифференциальный ток имеет место в тех случаях, когда в электрических цепях переменного тока, которые подключены к устройству дифференциального тока, не применяют выпрямители, светорегуляторы, регулируемые электроприводы и аналогичные им устройства, существенно изменяющие форму синусоидального тока. Ток утечки и ток замыкания на землю в таких электрических цепях имеют форму, близкую к синусоиде. Такую же синусоидальную форму имеет и дифференциальный ток (рис. 2).

Рис. 2. Синусоидальный ток частотой 50 Гц (на основе рисунка 2 из [2] автора Харечко Ю.В.)

При использовании в электроустановках зданий выпрямителей, светорегуляторов, регулируемых электроприводов и аналогичных им устройств форма синусоидального тока в электрических цепях может существенно изменяться.

Если в каком-то электроприемнике в качестве дискретного регулятора потребляемой им мощности использован диод, в случае повреждения основной изоляции токоведущей части, подключенной после диода, может возникнуть ток замыкания на землю, который будет протекать только в течение половины периода (180° или 10 мс). Такой электрический ток в стандартах ГОСТ IEC 61008-1-2020 и ГОСТ IEC 61009-1-2020 назван пульсирующим постоянным током. Протекание пульсирующего постоянного тока в главной цепи устройства дифференциального тока существенно изменяет его характеристики по сравнению с синусоидальным током.

В электроустановках жилых зданий применяют большое число электроприемников, имеющих встроенные выпрямители. Все они характеризуются небольшими постоянными токами утечки, которые могут создавать суммарный (фоновый) постоянный ток утечки, протекающий через главную цепь устройства дифференциального тока. Протекание даже малого постоянного тока через первичную обмотку дифференциального трансформатора УДТ существенно изменяет (ухудшает) его характеристики. Поэтому в стандартах ГОСТ IEC 61008-1-2020 и ГОСТ IEC 61009-1-2020 учтена возможность протекания небольшого постоянного тока через главную цепь устройства дифференциального тока.

Пульсирующий постоянный ток определен в международных и национальных стандартах как волнообразные импульсы электрического тока длительностью (в угловой мере) не менее 150° за один период пульсации, следующие периодически с номинальной частотой и разделенные промежутками времени, в течение которых электрический ток принимает нулевое значение или значение, не превышающее 0,006 А постоянного тока.

Пульсирующий постоянный ток характеризуют также углом задержки тока, под которым понимают промежуток времени в угловой величине, в течение которого устройство фазового управления задерживает момент протекания электрического тока в электрической цепи. На рис. 3 и 4 показан пульсирующий постоянный ток при углах задержки тока α, равных 0°, 90° и 135°.

Рис. 3. Пульсирующий постоянный ток частотой 50 Гц без составляющей постоянного тока (на основе рисунка 3 из [2] автора Харечко Ю.В.) Рис. 4. Пульсирующий постоянный ток частотой 50 Гц с составляющей постоянного тока до 0,006 А включительно ((на основе рисунка 4 из [2] автора Харечко Ю.В.)

Появление в главной цепи устройства дифференциального тока пульсирующего постоянного тока существенно изменяет характеристики УДТ. Устройства дифференциального тока типа АС, которые рассчитаны на работу только при синусоидальном токе, не могут корректно функционировать при появлении пульсирующего постоянного тока. Поэтому в некоторых странах их применение в электроустановках зданий запрещено или существенно ограничено. Устройства дифференциального тока типа АС заменяют более современными УДТ типа A, которые предназначены для применения и при синусоидальном, и при пульсирующем постоянном токе.

В 2016 году был введен в действие ГОСТ IEC 62423-2013, который распространяется на УДТ типа F и типа B бытового назначения. УДТ типа F предназначены для защиты электрических цепей, к которым подключены частотные преобразователи. Они оперируют так же, как УДТ типа A, и дополнительно:

Устройства дифференциального тока типа B оперируют так же, как УДТ типа F, и дополнительно:

Таким образом, самые современные УДТ типа B корректно оперируют в электрических цепях переменного тока при протекании в них токов замыкания на землю различных форм, начиная от синусоидального тока частотой 50 Гц и заканчивая постоянным током. »

Источник