Материал: 00368

Мощность индуктивного преобразователя, являющаяся в основном реактивной, определяется по формуле

где К_Ф — коэффициент формы; WI — число ампер-витков; f — частота питания в герцах; R_М — активная составляющая магнитного сопротивления.

Основной составляющей погрешности современных индуктивных и трансформаторных преобразователей является температурная погрешность. Под влиянием температуры изменяется активное сопротивление обмоток преобразователя, магнитная проницаемость материала магнитопровода, геометрические размеры магнитопровода (начальная величина воздушного зазора) и упругость элементов крепления якоря. Наиболее радикальным способом уменьшения этих погрешностей является применение дифференциальных преобразователей с двумя или четырьмя обмотками, соединенными по полумостовой схеме или схеме четырехплечевого моста. Теоретически, при условии полной идентичности обмоток и симметричных частей магнитопровода, можно полностью исключить погрешности от внешних влияющих факторов.

Частота напряжения питания индуктивных и трансформаторных преобразователей выбирается из следующих соображений. С одной стороны желательно повышать частоту напряжения питания трансформаторных преобразователей, так как при этом увеличивается чувствительность. Кроме того, расширяется частотный диапазон работы преобразователей из-за устранения вероятности возникновения биений между частотой преобразуемого процесса и частотой напряжения питания. Однако увеличение частоты тока, проходящего через обмотки преобразователя, вызывает увеличение потерь на гистерезис и вихревые токи и усиливает поверхностный эффект. Исходя из этих, соображений можно считать оптимальной частоту питающего напряжения в пределах 10...12 кГц. При изготовлении магнитопроводов из порошковых материалов эта цифра может быть увеличена до 40...100 кГц [30].

С конструктивной точки зрения индуктивные и трансформаторные преобразователи можно разделить на преобразователи малых (от 0,01 до 10 мм) или больших (до 100 мм) линейных или угловых (до 10° или до 45... 60°) перемещений, преобразователи с замкнутым или разомкнутым магнитопроводом и преобразователи с подвижным элементом магнитопровода или подвижной катушкой.

Рис. 6. Дифференциальный индуктив­ный преобразователь с четырьмя обмот­ками.

Для преобразования малых линейных или угловых перемещений чаще всего используются преобразователи с замкнутым магнитопроводом с подвижным якорем (рис.1,2,4…6). Магнитный поток в этих преобразователях замыкается в основном по феромагнитным участкам

магнитопровода. Ограниченное применение для измерения малых перемещений находят преобразователи с разомкнутым магнитопроводом индуктивного (рис.7) и трансформаторного (рис.8) типа, когда магнитный поток замыкается в основном через воздух.

Примером трансформаторного преобразователя с замкнутой магнитной системой и подвижной катушкой является конструкция на рис. 9. При симметричном расположении катушки 1 с обмоткой возбуждения относительно вторичных обмоток 2 и 3 напряжение на этих обмотках одинаково и выходной сигнал с преобразователя при встречном включении обмоток равен нулю. При смещении катушки 1 симметрия величин взаимоиндукции нарушается и на выходе появляется электрический сигнал.

Схема преобразователя с распределенными магнитными параметрами для измерения больших линейных перемещений дана на рис.10. Преобразователь состоит из магнитопровода 1 с двумя длинными полюсными наконечниками, катушки возбуждения W₁ и подвижной измерительной катушки W₂. При перемещении катушки W₂ в направлении катушки W₁ возрастает напряженность магнитного поля и, следовательно, величина индуцированной ЭДС.

В преобразователе больших перемещений с подвижным элементом магнитопровода (рис. 1.1) используется эффект изменения взаимоиндукции между обмотками W₁₁, W₂₁ и W₁₂, W₂₂. При симметричном расположении подвижного элемента 1 взаимоиндукция одинакова и ЭДС на концах соединенных встречно обмоток W₂₁ и W₂₂ равна нулю. При перемещении подвижного элемента магнитопровода симметрия магнитных потоков нарушается и на выходе преобразователя появляется сигнал, равный разности ЭДС е₂₁ и е₂₂

Рис. 7. Индуктивный преобразователь с разо­мкнутым магнитопроводом.

Рис. 8. Трансформаторный преобразователь с разомкнутым магнитопроводом.

Рис. 9. Трансформаторный пре­образователь для измерения малых пе­ремещений с подвижной катушкой.

Рис. 10. Трансформаторный преобразова­тель для измерения больших перемещений с подвижной катушкой.

Рис. 11. Трансформаторный преобразователь для измере­ния больших перемещений с подвижным магнитопроводом.

Рис. 12. Дискретный индуктивный преобразо­ватель.

Все рассмотренные выше конструктивные схемы относятся к аналоговому режиму работы индуктивных и трансформаторных преобразователей. Однако эти преобразователи применяются и в дискретном режиме, который в принципе обеспечивает независимость точности преобразования входной величины от погрешности, в частности температурной, собственно индуктивного или трансформаторного преобразователя.

Пример конструкции индуктивного дискретного преобразователя для измерения числа оборотов представлен на рис. 12. Преобразователь состоит из магнитопровода с катушкой, индуктивность которой меняется за счет углового перемещения в непосредственной близости от торца магнитопровода ферромагнитной детали с выступами. При этом изменение индуктивности имеет импульсный характер, а информативной частью выходного сигнала с мостовой схемы, в одно из плеч которой включен преобразователь, является число импульсов в единицу времени.

Повышение чувствительности и точности достигается также применением так называемых линейных или круговых зубчатых преобразователей (рис. 13) [31].

Рис. 13. Зубчатый трансформаторный преобразователь.

На неподвижном магнитопроводе 1 помещены обмотки W₁ и W₂, включенные по дифференциальной схеме. При перемещении якоря 2 на расстояние, равное ширине одного зубца, магнитное сопротивление меняется от минимального до максимального значения. Периодическое изменение магнитного сопротивления приводит к периодическому изменению выходного сигнала преобразователя, информационной составляющей которого является число периодов и долей периода.

В заключение следует отметить, что к преимуществам индуктивных и трансформаторных преобразователей относятся надежность, значительная чувствительность и мощность выходного сигнала, возможность работы с напряжением промышленной частоты, возможность работы при температурах окружающей среды от -200 до +500 °С.

3.3. Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи основаны на преобразовании измеряемой физической величины χ в изменение электрической емкости С.

C=f(x).

Емкостные преобразователи можно классифицировать на преобразователи с перестраиваемой структурой (взаимное перемещение обкладок конденсатора, изменение количества и состава диэлектрика в промежутке между обкладками конденсатора под воздействием измеряемых факторов) и преобразователи с неизменной структурой (конфигурация конденсатора и состав и количество диэлектрика неизменны, а емкость меняется под воздействием измеряемого фактора).

Если в простейшем случае емкость представляет собой плоский конденсатор (рис.1), то, пренебрегая краевыми эффектами, величину емкости можно выразить через параметры конденсатора следующим соотношением:

где ε — диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками конденсатора; δ и S — соответственно расстояние между обкладками и площадь обкладок конденсатора.

Рис. 1. Емкостной преобразователь с переменным расстоянием между обклад­ками.

Отсюда видно, что вариация емкости может быть получена вариацией любого из параметров конденсатора, либо их комбинации. Варианты таких раздельных преобразований следующие.

• Преобразование физической величины в изменение расстояния между обкладками:

x→δ→C.

На этом принципе строятся разные варианты датчиков малых перемещений и тех физических параметров, которые сводимы к малым перемещениям (мембранные датчики давлений и т.д.).

Конструктивная реализация таких преобразователей сводится к перемещению по нормали одного электрода относительно другого неподвижного, либо двух неподвижных в случае дифференциальной схемы измерений (рис. 2).

Рис. 2. Дифференциальный емкостной преобразователь с переменным рас­стоянием между обкладками.

• Преобразование физической величины в изменение активной площади обкладок конденсатора:

x→S→C.

Такое преобразование реализуется либо при тангенциальном взаимном перемещении обкладок плоского конденсатора (без изменения зазора), либо при повороте на определенный угол одной обкладки относительно неподвижной при коаксиальной конструкции конденсатора (рис.3). На этом принципе могут строиться датчики малых перемещений, датчики угла поворота, момента сил и т.д. Формируя конфигурацию обкладок, можно корректировать функцию преобразования датчика.

Рис. 3. Емкостной преобразователь с переменной активной площадью обкла­док.

• Преобразование физической величины в изменение количества или

состава диэлектрика между обкладками конденсатора:

х→ε→C.

На этом принципе строятся датчики для измерения концентрации определенных веществ либо содержания газообразной фазы в жидкой (сплошность), влажности воздуха и сыпучих тел, уровня жидкости (рис.

3.4. Струнные и стержневые преобразователи

Струнные и стержневые (вибрационночастотные) преобразователи являются разновидностью частотных преобразователей с механическим резонатором.

В этих преобразователях чувствительным элементом служит плоская или круглая струна — струнные преобразователи, или балочка прямоугольного сечения, изготовленная за одно целое с упругим элементом, — стержневые преобразователи.

Работа струнных механических резонаторов основана на использовании изменения частоты поперечных колебаний струны в зависимости от ее натяжения. Связь частоты поперечных колебаний струны с величиной нормальных механических напряжений в ней определяется известной зависимостью:

где f — частота собственных колебаний струны; l — длина струны; σ — механические напряжения в струне; ρ — плотность материала струны.

Эту зависимость следует рассматривать лишь как первое приближение, так как она не учитывает изгибной жесткости струны и влияния заделки.

Естественной входной величиной струны и стержневых преобразователей является сила, причем в подавляющем большинстве случаев струна работает в режиме вынужденных деформаций. Для осуществления такого режима нужно, чтобы жесткость упругого элемента и всей механической цепи, замкнутой на струну, была бы значительно выше жесткости струны. При выполнении этого условия струна осуществляет два последовательных преобразования: силы в деформацию и деформации в частоту.

Стабильность функции преобразования струнного резонатора в первую очередь определяется качеством крепления предварительно натянутой струны к упругому элементу. На сегодня лучшим способом крепления ленточных струн (рис.1), а именно такие струны используются в современных датчиках, является зажим между хорошо обработанными и подогнанными параллельными плоскостями. Струна 1 в месте закрепления переходит в широкую лопаточку, которая закрепляется на плоскости упора 4 с помощью прижимной планки 3 и двух винтов 2 [32].

Рис. 1. Струна и ее крепление к упру­гому элементу: 1 — струна, 2 — винт, 3 — прижимная планка, 4 — упор упругого элемента.

Струнные резонаторы с одной струной имеют нелинейность функции преобразования порядка 3...5 % на 10 % девиации частоты и существенную

температурную погрешность. В дифференциальных струнных преобразователях эти недостатки теоретически можно свести к нулю. Конструкция упругого элемента дифференциального преобразователя предусматривает крепление одинаковых струн, причем под воздействием деформации частота собственных колебаний одной струны увеличивается, а частота другой уменьшается.

В качестве примера на рис.2 приведен мембранный упругий элемент датчика силы [32] с двумя струнами. Упругий элемент выполнен в виде круглой мембраны 1, двух верхних 2 и двух нижних 6 упоров на которых закреплены пружинными планками 5 и винтами предварительно натянутые одинаковые стальные струны 3.

Рис. 2.Мембранный упругий элемент датчика силы.

Струны расположены взаимно перпендикулярно друг другу, что позволяет уменьшить погрешность при приложении усилия под углом к оси преобразователя. Через стержень измеряемое усилие F передается на упругий элемент, при этом мембрана прогибается, в результате чего верхние и нижние упоры разворачиваются. Натяжение верхней струны уменьшается, а натяжение нижней увеличивается, что вызывает изменение частоты собственных колебаний струн на одно и то же значение, но с разными знаками.