УДК 62I - Российский государственный университет нефти и
advertisement
1 Министерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина» ________________________________________________________________________ Факультет инженерной механики Кафедра «Стандартизация, сертификация и управление качеством производства нефтегазового оборудования» СКРИПКА В. Л. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ И ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ по дисциплине «МЕТРОЛОГИЯ » Исследование характеристик дифференциальнотрансформаторного преобразователя для студентов, обучающихся по направлению подготовки 221700 «СТАНДАРТИЗАЦИЯ И МЕТРОЛОГИЯ» Москва 2014г. 2 Цель лабораторной работы — определение характеристик дифференциальнотрансформаторного преобразователя. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Схема трансформатора, содержащего ферромагнитный сердечник, приведена на рис. 1. Рис.1 Изменяя положение сердечника относительно обмоток трансформатора, можно менять параметры индуктивности первичной L1 и вторичной L2 обмоток и коэффициент взаимоиндукции М. Это свойство положено в основу действия различных датчиков перемещения. В тех случаях, когда используется изменение величины L1, L2, преобразователи называются индуктивными. Если перемещение сердечника вызывает только изменение М, такой преобразователь носит название взаимоиндуктивного. К их числу относится исследуемый в работе преобразователь перемещения. Преобразователи такого типа используются при измерении давления, расхода жидкости и газа, для передачи показаний датчиков на большие расстояния. Принципиальная схема дифференциально-трансформаторного преобразователя приведена на рис.2. Рис.2 Первичная обмотка W1 состоит из двух идентичных согласно намотанных цилиндрических катушек. Вторичная обмотка W2 состоит из двух идентичных катушек, обмотка которых выполнена встречно. Сердечник выполнен из мягкой стали и отделен от катушки разделительной трубкой из немагнитного материала. Трубка необходима, если сердечник должен находиться в контролируемой среде (например, жидкости или газе, находящихся под определенным давлением). Длина сердечника меньше длины катушек с обмотками. Поэтому при небольшом смещении сердечника вдоль его оси величины индуктивности L1, L2 практически не меняются. Иначе обстоит дело с взаимоиндуктивностью М. В идеальном случае, при симметричном расположения сердечника относительно встречно включенных катушек, 3 ЭДС, возникающие в них, взаимно компенсируются. Напряжение на выходе вторичной обмотки при этом будет равно нулю. Это положение соответствует значению коэффициента взаимоиндукции М = 0. Смещение сердечника из среднего положения вызовет увеличение магнитного потока через одну половину вторичной обмотки и уменьшение потока через вторую половину. В результате этого на выходе вторичной обмотки появится ЭДС, равная разности ЭДС в полуобмотках. Это указывает, что величина М не равна 0. Дальнейшее смещение сердечника приведет к увеличению разности ЭДС и увеличению М. При последующем движении сердечника величина М достигает максимума. Затем при выходе сердечника из катушки величина М снова станет уменьшаться и достигнет нуля, когда потоки в двух полуобмотках, теперь уже без сердечника, снова сравняются. Качественный ход зависимости величины М от перемещения сердечника S показан на рис.3. Рис.3 Наибольшее изменение М имеет место вблизи центрального положения сердечника. Эта область максимальной чувствительности выбирается рабочей. Для того чтобы получить на выходе преобразователя электрический сигнал, связанный с перемещением сердечника, на первичную обмотку трансформатора подают напряжение промышленной частоты 50 Гц или 400 Гц. На рис.4 приведена идеализированная векторная диаграмма токов и напряжений дифференциально-трансформаторного преобразователя. Здесь I1, Uвх — векторы тока и напряжения первичной обмотки; U2согл, U2прот, U2 — векторы напряжения согласно намотанной полуобмотки, встречно намотанной и напряжения на вторичной обмотке в целом. Мсогл, Мпрот — коэффициенты взаимоиндукции согласно и встречно намотанных полуобмоток с первичной обмоткой. Вектор выходного напряжения U2 = U2согл+U2прот. Коэффициент взаимоиндукции М первичной и вторичной обмоток можно записать в виде 4 Рис.4 Линия АОВ на рис. 4 является годографом вектора U2, меняющего свою величину при перемещении сердечника. Реальные характеристики дифференциально-трансформаторного преобразователя отличаются от идеальных. На это влияют следующие факторы: 1. Нелинейность и гистерезис магнитной характеристики сердечника. 2. Полуобмотки катушек не являются строго одинаковыми. Катушку трансформатора с сердечником на практике рассматривают как дроссель с большим воздушным зазором. В нем индукция далека от индукции насыщения и характеристику последнего считают линейной, не имеющей гистерезиса. Векторная диаграмма реального трансформатора приведена на рис.5. Рис.5 Из—за наличия потерь энергии в сердечнике угол сдвига фаз между U2согл и I1 меньше 900 на величину 1, и соответственно сдвиг фаз между U2прот и I1 отличается от теоретического на 2. Строго говоря, 1 и 2 не равны и зависят от положения сердечника. Даже при центральном положении сердечника из-за неидентичности половин трансформатора эти углы оказываются различными. В результате вектор U2 нигде практически не обращается в ноль. 5 Параметры реального преобразователя принято оценивать с помощью комплексной взаимоиндуктивности: Основной характеристикой дифференциально-трансформаторного преобразователя является зависимость M (S) , главные параметры которой задаются техническими условиями. Основной характеристикой дифференциально-трансфарматорного преобразователя является зависимость M(S), главные параметры которой задаются техническими условиями. При номинальном токе I1 = 125 mA минимальное значение |М’| не должно превышать 0,1 мГн (что соответствует минимальному значению U2 = 4 мВ). Для преобразователя задается номинальный рабочий ход Sном, где обеспечивается хорошая линейность. Sном у разных типов преобразователей меняется от 1,6 до 4мм. Наибольшее значение |М’| при S=Sном должно равняться 10 мГн, что соответствует значению U2 = 400 мВ. Соблюдение указанных условий обеспечивает взаимозаменяемость дифференциально-трансформатроных преобразователей, то есть сохранение системой без дополнительной регулировки после смены преобразователя класса точности 1,5 и 2. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Лабораторная установка состоит из источника питания первичной обмотки трансформатора, представляющего собой понижающий трансформатор, включаемый в сеть частотой 50 Гц, дифференциально-трансформаторного преобразователя с червячной передачей для перемещения сердечника и круговой шкалы, позволяющей отсчитывать доли оборота червячной передачи, линейкой шкалы для грубого измерения положения сердечника. На стенде имеются клеммы для подключения вольтметра и переключатель, позволяющий подключать вольтметр в различные точки схемы. Электрическая схема стенда приведена на рис.6. рис.6. 6 На рис. 7 приведена принципиальная электрическая схема измерений, а на рис. 8 — соответствующая ей векторная диаграмма. На рис.6 приведены позиции переключателя и измеряемые при этом вольтметром напряжения. В положении «10» измеряется напряжение U2, то есть определяется модуль вектора U2’. В положении «9» изменяется модуль вектора U1’, параллельного вектору входного напряжения U’вх. Величину U1 можно менять с помощью переменного резистора R2, ручка которого выведена на панели стенда. Величину U1 следует установить равной U2. В положении переключателя «II» измеряется напряжение U12 между точками 1 и 2 схемы (рис.7). Угол сдвига фаз между входным Uвх и выходным U2 напряжениями преобразователя можно определять на основе векторной диаграммы: Таким образом, для каждого положения сердечника можно определять отношение U2/Uвх , то есть модуль коэффициента взаимоиндукции и фазовый угол φ2. В зависимости от смещения сердечника вправо или влево угол сдвига фаз (как показано на рис. 8) может быть больше или меньше 900. Для определения тока I1 переключатель ставят в положение «10» и измеряют напряжение U1=I1Rш, откуда, зная Rш= 0,5 Ом, определяют. I1=U1/ Rш Для определения угла φ1 переключатель ставят в положение «7» измеряют U13. Затем находят φ1=2arcsin(1/2*U13/U1) По полученным данным определяют модуль комплексной взаимной индуктивности 7 для каждого положения сердечника и фазу 3 ЗАДАНИЕ 1. Построить зависимость модуля выходного напряжения U2 дифференциальнотрансформаторного преобразователя и модуля комплексной взаимной индуктивности |М’| от перемещения сердечника. 2.Определить ток I1 и угол сдвига фазы φ между током и напряжением в первичной обмотке. 3.Определить зависимость φ2 между Uвх и U2 от положения сердечника, построить зависимость 4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ 1. Подключить вольтметр к клеммам стенда. 2. Включить питание стенда. 3. Вращая рукоятку червячной передачи, установить стрелку указателя положения на линейной шкале в нулевое положение, установить указатель в нулевое положение на круглой шкале. 4. Поставить переключатель в положение «10» для изменения U2 , сделать отсчет. Сделать I0—I5 отсчетов, вращая червячную передачу по часовой стрелке. Измерения проводить с постепенным увеличением шага отсчетов и закончить при положении линейного указателя 45 мм. 5. Поставить переключатель в положение «8» и определить I1 при любом положении сердечника. б. Поставить переключатель в положение «9» и установить значение U1=I1Rш 7. Поставить переключатель в положение «7», измерить U13 и вычислить значение φ1. 8. Поставить переключатель в положение «10», измеритьU2, для начального положения сердечника. 9. Перевести, переключатель в положение «9» и установить U1= U2 полученное в предыдущем пункте. 10. Перевести переключатель в положение “II”, измерить U12 и вычислить φ2. 11. Изменить положение сердечника поворотом рукоятки на 0,5 оборота, произвести аналогичным образом измерение φ2. Сделать ряд замеров φ2 до положения линейного указателя сердечника 15 мм. 5. ВОПРОСЫ 8 1. Чем отличаются индуктивные и взаимоиндуктивные преобразователи? 2. Поясните причину возникновения минимума взаимоиндуктивности в среднем положении. З. Почему взаямоиндуктивность стремится к минимуму при сильно выдвинутом сердечнике? 4. Что такое взаимозаменяемый преобразователь? 5. Почему взаимная индуктивность практически нигде не обращается в ноль?
