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.
Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT, Linear Variable Differential Transformer) - это пассивный преобразователь (датчик), который работает по принципу взаимной индукции и может использоваться для измерения смещения, натяжения, давления и веса.
Чаще всего они используются для измерения смещения в диапазоне от нескольких миллиметров до сантиметров напрямую преобразуя 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:
Роторно-регулируемый дифференциальный трансформатор - это пассивный преобразователь, работающий по принципу взаимной индукции. Он используется для измерения углового смещения.
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;
- Высокая надежность;
-
Быстрый отклик;
-
Длительный срок эксплуатации.
Это наиболее широко используемый индуктивный датчик благодаря его высокой точности.