ИП НА ОСНОВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕЩЕСТВА И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Индуктивные ИП

Индуктивными называются преобразователи, в которых входной физический параметр изменяет величину индуктивности L или коэффициент взаимной индукции М. Как правило, подобные ИП не первые в цепи измерительных преобразований. У датчиков давления или силы индуктивному ИП предшествует упругая мембрана; у датчиков уровня, расстояния, профиля поверхности — шток с пружиной.

Рассмотрим схему преобразователя, у которого изменяется индуктивность в функции от величины воздушного зазора (рис. 8.7). Первым преобразователем является мембрана, выполненная из магнитомягкой стали, на которую воздействует измеряемая физическая величина Р (давление среды, линейное перемещение, сила). Мембрана смещается, изменяя величину воздушного зазора 8 магнитной цепи сердечника с катушкой и мембраной.

Для анализа сопротивления магнитных цепей удобно, как при расчете электрических цепей, ввести понятие магнитного напряжения UM, равного напряженности поля Н, умноженной на длину магнитного пути (для сердечника это длина средней линии /, для воздушного зазора — его величина 8): Схема индуктивного ИП

Рис. 8.7. Схема индуктивного ИП

Но Я, согласно (8.22), равна в ферромагнитной среде индукции поля, деленной на величину магнитной проницаемости: Я = = В/( р0 р) = Ф/(р0 P'5), где Ф — магнитный поток через поперечное сечение Sучастка магнитной цепи.

Следовательно,

где

называется магнитным сопротивлением участка магнитной цепи, а уравнение (8.24) — законом Ома для магнитной цепи (очевидно, что сопротивление для воздуха будет RM = //(р0 5)).

Удобство использования закона Ома заключается в возможности суммировать последовательные магнитные сопротивления, а параллельные — рассчитывать как параллельно включенные резисторы.

Для рассматриваемого случая индуктивного ИП магнитное сопротивление магнитопровода RM складывается из сопротивления в стали сердечника RMC и сопротивления воздушного зазора RMB:

Выражение для магнитного потока

где / — ток в контуре (катушке) преобразователя; п — число витков катушки; /с - длина стальной части магнитопровода.

Индуктивность L, согласно (8.10), равна i/I, a vj/ = Фп следовательно,

Чтобы индуктивность существенно изменялась при изменении воздушного зазора 5, должно выполняться условие р0 • 'с«Мс • 5. При этом выражение (8.26) упрощается:

Если под действием измеряемой физической величины происходит приращение воздушного зазора на А5, то индуктивность становится равна

Структура выражения (8.28) точно соответствует случаям параметрических резистивных преобразователей — терморезистору и тен- зорезистору. Поэтому и оптимальные схемные решения похожи: подача питания от внешнего источника (только переменным сигналом, обычно синусоидальным), выделение изменяемой части параметра (приращения) с помощью мостовой схемы.

Если круговая частота питающего ИП напряжения равна со, то величина сопротивления индуктивности (пренебрегая омическим сопротивлением катушки) будет пропорциональна величине индуктивности

Из (8.28) видно, что зависимость между приращением зазора и величиной индуктивного сопротивления носит нелинейный, гиперболический характер; графически он представлен на рис. 8.8.

Как следствие нелинейности функции преобразования чувствительность преобразователя по диапазону преобразования непостоянна, и почти линейный участок зависимости индуктивного сопротивления от приращения зазора Д6 составляет примерно (0,1—0,15)6; реально это не более сотых долей миллиметра.

Но для некоторых ИП такие расстояния вполне достаточны. Один случай - преобразование расстояния смещения трубок в кориолисовом расходомере — будет рассмотрен в гл. 10.


Зависимость сопротивления ИП от значения воздушного зазора

Рис. 8.8. Зависимость сопротивления ИП от значения воздушного зазора

Другой случай — преобразователь давления (датчик типа ДД-10) газов, агрессивных и неагрессивных жидкостей представлен на рис. 8.9. Давление Р воздействует на мембрану из магнитомягкого сплава, вызывая ее прогиб. При этом уменьшается зазор между мембраной и сердечником 3, внутри которого намотаны две катушки. Рабочая катушка 1 является частью индуктивного ИП, а катушка 2, включенная последовательно с первой, служит для компенсации влияющих факторов. Соединение с последующими преобразователями происходит через разъем 4.

Рис. 8.8.

Датчик давления ДД-10


Погрешность индуктивного преобразователя определяется несколькими внутренними и внешними факторами — нестабильностью амплитуды и частоты питающего генератора, омическим сопротивлением катушки ИП и емкостным сопротивлением линий связи, нелинейными искажениями, вызванными гистерезисом сердечника. Если компенсационную катушку 2 включить в соседнее с катушкой 1 плечо мостовой схемы, то часть погрешностей, действующих одинаково на обе катушки, будет скомпенсирована (см. п. 5.7.2).

Характеристики ИП можно еще более улучшить, если индуктивности включены по дифференциальной схеме так, что приращение индуктивности каждой катушки имеет обратный знак. В этом случае не только снижается воздействие влияющих факторов, но и в два раза увеличивается линейный участок функции преобразования Z(A5). Пример подобного ИП уровнемера приведен на рис. 8.10.

Дифференциальный индуктивный ИП уровнемера и кривые зависимости сопротивления Z (8) от смещения сердечника 3

Рис. 8.10. Дифференциальный индуктивный ИП уровнемера и кривые зависимости сопротивления Z (8) от смещения сердечника 3

В корпусе ИП на отрезке трубы из немагнитного материала намотаны две одинаковых катушки 1 и 2. Внутри трубы расположен ферромагнитный сердечник 3, перемещаемый немагнитным штоком 4 уровнемера.

При подъеме сердечника 3 относительно среднего положения растет индуктивность катушки 1 и снижается индуктивность катушки 2; при его опускании — наоборот. На графике представлены кривые изменения сопротивлений индуктивностей катушек Zx и Z2. Там же приведена функция преобразования разности сопротивлений Zj — Z2, соответствующая случаю включения катушек в мостовую схему. Видно, что участок функции преобразования, близкий к линейному закону, увеличился и крутизна преобразования возросла.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >