Определение линейных и угловых перемещений параметрическими измерительными преобразователями
p>Проволока для обмотки выполняется из сплавов (сплав платины с иридием (5—30%), константан, нихром и фехраль). Для обмотки преобразователя обычно используется изолированный эмалью или оксидной пленкой провод После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения его со щеткой.Щетка преобразователя выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые
Рис. 1. 6. Реостатные преобразователи для угловых (а), линейных, (б) перемещений и для функционального преобразования линейных
перемещений (в)
металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза, медно-серебряные сплавы и т. д. ). Качество контакта щетки и обмотки определяется контактным давлением, которой выбирается в широких пределах от десятых долей грамма до сотых граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя.
Габариты преобразователя определяются значением измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и мощностью, выделяемой в обмотке.
Для получения нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер функции преобразования очень часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис. 1. 6. в). В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимости изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками на значении сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразования. Максимальная приведенная погрешность при этом у =ДR/R, где ДR—максимальное сопротивление одного витка R — полное сопротивление преобразователя. Иногда применяются реохордные преобразователи, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки. В этих преобразователях от сутствует указанная выше погрешность.
Выходной параметр реостатных преобразователей — сопротивление — измеряется обычно с помощью мостовой схемы. К достоинствам преобразователей относится возможность получения высокой точности, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки—наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительного усилия для его перемещения. Применяются реостатные преобразователи для преобразования сравнительно больших перемещений (угловых, линейных).
2. Индуктивные преобразователи
Принцип действия преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи. Индуктивность обмотки, расположенной на магнитопроводе (рис. 1. 7. )
Li=wІi/ZM
где ZM — магнитное сопротивление магнитопровода; w i — число витков обмотки. Взаимная индуктивность двух обмоток, расположенных на том же магнитоироводе,
М=w1w2/ZM
где w1 и w2 —число витков первой и второй обмоток. Магнитное сопротивление определяется выражением
Li=wІi/ZM
Где — активная составляющая магнитного сопротивления
(рассеиванием магнитного потока пренебрегаем);
li, si, мi—соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемостьi-го участка магнитопровода;
м0 — магнитная постоянная; д — длина воздушного зазора; s —площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода; XM=P/(wФІ) — реактивная составляющая магнитного сопротивления, Р потери в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом; w — угловая частота; Ф — магнитный поток в магнитопроводе.
Рис. 1. 7
Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, например, воздейств\ я на длину 8, сечение воздушного участка магнитопроводаа, на потери в магнитопроводе и другими путями. Этого можно достичь, например, перемещением подвижного сердечника (якоря) 1 (рис. 1. 7) относительно неподвижного 2, введением немагнитной металлической пластины3 в воздушный зазор и т. д.
На (рис. 1. 8) схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей.
Индуктивный преобразователь (рис. 1. 8, а) с переменной длиной воздушного зазора 5 характеризуется нелинейной зависимостью L=f(д). Такой преобразователь обычно применяется при перемещениях якоря на расстояние 0, 01—5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L=f(s)отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рис. 1. 8 б). Эти преобразователи используются при перемещениях якоря до 10—15 мм. Якорь в индуктивном преобразователе испытывает усилие притяжения со стороны электромагнита, которое определяется производной от энергии магнитного поля по перемещению якоря:
где WM — энергия магнитного поля; L — индуктивность преобразователя; I — ток, проходящий через обмотку преобразователя. Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис. 1. 8, е), в которых под воздействием измеряемой
Рис. 1. 8. Индуктивные преобразователи с изменяющейся длиной зазора (а), с изменяющимся сечением зазора (б), дифференциальным (в), дифференциальный трансформаторный (г), дифференциальный трансформаторный с разомкнутой магнитной цепью (д) и магнитоупругий (е)
величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора двух электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей схемой (обычно мостовой) имеют более высокою чувствительность, чем обычные преобразователи, дают возможность уменьшить нелинейность функции преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов. В этих преобразователях результирующее усилие на якорь со стороны электромагнитов меньше, чем в недифференциальных.
Применяются также индуктивные дифференциальные преобразователи трансформаторного типа (рис. 1. 8, г), в которых две секции первичной обмотки включены согласно, а две секции вторичной обмотки—встречно. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электромагнитов э. д. с. на выходных зажимах равна пулю. При перемещении якоря возникает сигнал на выходных зажимах. Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50—100 мм) применяются индуктивные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью. На
(Рис. 1. 8. d)схематически показано устройство дифференциального трансформаторного индуктивного преобразователя с незамкнутой магнитной цепью, используемого для передачи показаний различных неэлектрических приборов (манометров, дифференциальных манометров).
Если ферромагнитный сердечник преобразователя подвергать механическому воздействиюF, то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника м. изменится магнитное сопротивление цепи, что повлечет за собой изменение индуктивностиL и взаимной индуктивности М обмоток. На этом принципе основаны магнитоупругие преобразователи (рис18). Конструкция преобразователя определяется главным образом значением измеряемого перемещения. Габариты преобразователя выбирают, исходя из необходимой мощности выходного сигнала и других технических требований.
Для измерения выходного параметра индуктивных преобразователей наибольшее применение получили мостовые схемы (равновесные и неравновесные), а также компенсационная схема (в автоматических приборах) для дифференциальных трансформаторных преобразователей.
Индуктивные преобразователи используются для преобразования перемещения и других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент и т. д. ).
По сравнению с другими преобразователями перемещения индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами. простотой и надежностью в работе.
Недостатком их является наличие обратного воздействия преобразователя на измеряемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную характеристику прибора.
3. Емкостные преобразователи.
Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость
где ео—диэлектрическая постоянная; в — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; в—активная площадь обкладок; 5— расстояние между обкладками. Из выражения для емкости видно, что преобразователь может быть построен с использованием зависимостей С =f1(е), С =f2(s), С=f3(д).
На рис. 1. 9 схематически показано устройство различных емкостные преобразователей. Преобразователи на рис. 1. 9, апредставляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величиныхотносительно неподвижной пластины. Изменение расстояния между пластинами 5 ведет к изменению емкости преобразователя.
Функция преобразования С =f3(д) нелинейная. Чувствительность преобразователя резко возрастает с уменьшением расстояния д, поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами. При выборе начального расстояния между пластинами необходимо учитывать пробивное напряжение воздуха (10 кВ/см для воздуха).
Рис. 1. 9. Емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами (а), дифференциальный (б), дифференциальный с переменной активной площадью пластин (б) и с изменяющейся диэлектрической проницаемостью среды между пластинами (г)
Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм).
Малое рабочее перемещение пластин приводит к появлению погрешности от изменения расстояния между пластинами при колебаниях температуры. Соответствующим выбором размеров деталей преобразователя и материалов эту погрешность можно значительно снизить.
