Точность измерительных преобразователей

     Корректирующие  сопротивления должны обладать как  можно большим температурным  коэффициентом, чтобы ею значение было меньше сопротивления тензорезистора. Этому требованию удовлетворяют только полупроводниковые материалы (термисторы).

     Температурная коррекция выполняется также  путем включения пар тензорезисторов  в смежные плечи моста (рис. 5, б).

     Классы  точности тензорезисторных измерительных  преобразователей

избыточного давления, разрежения и разности давлений 0,6;1,0; 1,5. Время установления выходного  сигнала при скачкообразном изменении  измеряемого параметра 0,5 и 2,5 с. Диапазоны  измерений: избыточного давления—от 0 —10-3 до 0 - 60 МПа; разряжения - от – 1 - 0 до – 10 - 0 кПа; абсолютного давления - от 0 - 2,5 кПа до 0 - 2,5 МПа; разности давлений - от 0 - 1кПа до 0 -2,5 МПа. 

     1.2.2 Электромагнитные преобразователи

     Индуктивные преобразователи.

     Преобразователи, преобразующие естественную входную  величину в виде перемещения в  изменение индуктивности, называются индуктивными.

     Индуктивный преобразователь представляет собой  дроссель с изменяющимся воздушным  зазором (рис..6. а.) или изменяющейся площадью поперечного сечения (рис.6. б) 

     Рис. 6. Конструкция и схемы включения  индуктивных преобразователей. 

     Выходной  параметр индуктивного преобразователя  – изменение индуктивности L обмотки, надетой на сердечник, при изменении зазора δ или площади S.

     Для измерения больших перемещений  применяют индуктивные преобразователи соленоидного типа (рис.6. в.). Изменение индуктивности в этих преобразователях вызывается перемещением в катушке ферромагнитного сердечника. Соленоидные преобразователи могут применяться для измерения перемещений 100 – 1000 мм.Особенность индуктивных преобразователей в том, что чувствительность их к внешним факторам не зависит от чувствительности к измеряемой величине, поэтому увеличение чувствительности к измеряемой величине приводит к уменьшению погрешности преобразователя.Индуктивные преобразователи применяют для измерения перемещений, толщены покрытий, в микромерах. Изготавливают также индуктивные динаметры и манометры, в которых усилие и давление преобразуется в перемещение при помощи упругих элементов, т.е. промежуточных преобразователей.При эксплуатации индуктивных преобразователей следует учитывать электромеханическую силу, действующую на подвижный сердечник. Поэтому их можно использовать только для измерения достаточно больших сил.Динамические характеристики индуктивных преобразователей определяются в основном параметрами подвижной механической системы, которая чаще всего является колебательной.

       Индуктивные преобразователи перемещений  имеют простую и надежную конструкцию,  обладают высокой механической  прочностью и надежностью. При  малых габаритах и массе современные  индуктивные преобразователи имеют  большую выходную мощность, малое  измерительное усилие, высокую точность  и стабильность работы, а также  малую чувствительность к изменениям  условий эксплуатации. Они не  требуют специального ухода и  доступны для обслуживания даже  малоквалифицированному персоналу,  относительно дешевы, технологичны  в изготовлении и не требуют  для своего производства дефицитных  материалов и специального оборудования. 

     В настоящее время индуктивные  преобразователи являются элементами многих информацинно-измерительных  и управляющих систем. Помимо задач  линейно-угловых измерений они  широко используются для измерения  тех физических величин, которые  могут быть предварительно преобразованы  в механическое перемещение, что  значительно расширяет область  применения таких преобразователей при создании разнообразных систем автоматического контроля и управления.

     Трансформаторные  преобразователи.

     Преобразователи, преобразующие перемещение в  изменение взаимоиндуктивности, называются трансформаторными.

     На  рис.7. а и б показаны трасформаторные преобразователи с подвижным сердечником. 

     

     Рис.7. Конструкции и схемы включения трансформаторных преобразователей 

     Достоинства трансформаторных преобразователей : достаточная мощность сигнала без  усилительных устройств, сравнительная  простота для измерения усилий и  давлений. Трансформаторные преобразователи  применяют в сочетании с упругими элементами (мембранами, пружинами).Недостатки индуктивных и трансформаторных преобразователей - в большой инерционности, необходимости регулировки и компенсации начального напряжения на выходе преобразователя. Кроме того, для уменьшения помех оба преобразователя нуждаются в тщательной экранировке, что увеличивает размеры и массу преобразователя. Погрешности трансформаторных преобразователей вызываются в основном нестабильностью напряжения и частоты источника питания, а также влиянием изменения температуры.При измерении динамических процессов частота источника питания должна быть значительно выше частоты измеряемого процесса. При измерении медленно меняющихся процессов преобразователь подключают к источнику питания промышленной частоты.

     Магнитоупругие  преобразователи.

     Преобразователи, основанные на изменении магнитной  проницаемости ферромагнитного  сердечника под воздействием механической деформации, называют магнитоупругими.Магнитоупругий преобразователь представляет собой  ферромагнитный сердечник с одной  или двумя обмотками, к которому прикладываются механические усилия. Усилие создает в сердечнике механическое напряжение, которое приводит к изменению  магнитной проницаемости μ и, следовательно, к изменению магнитного сопротивления, что обуславливает изменение электрического сопротивления Z катушки. Таким образом, в магнитоупругом преобразователе имеется следующая цепь преобразований:F → σ → μ → R → Z или e. Магнитоупругий эффект объясняется дополнительным магнитным взаимодействием атомом вследствие искажения атомной решетки кристалла от воздействия механических усилий. В общем случае зависимость магнитной проницаемости от механических напряжений имеет довольно нелинейный характер. Однако, выбирая оптимальные режимы работы, можно получить относительно линейную зависимость.

     Существует  большое разнообразие конструктивных форм магнитоупругих преобразователей. Их можно разбить на две основные группы: преобразователи дроссельного и трансформаторного типов.В преобразователях дроссельного типа изменение магнитной  проницаемости сердечника приводит к изменению полного электрического сопротивления катушки дросселя.В  преобразователях трансформаторного  типа в качестве выходной величины используется взаимная индуктивность. Такие пореобразователи – по существу трансформаторные с переменным коэффициентом  трансформации. Конструкции основных типов магнитоупругих преобразователей показаны на рис. 8. 

     

     Рис.8. Конструкции магнитоупругих преобразователей. 

     Сердечник преобразователя при измерении  сосредоточенных сил может претерпевать деформацию сжатия (растяжения) (рис. 8. а, б, и в ) или изгиба (рис.8.д.). На рис.8.г. изображен тензометрический магнитоупругий преобразователь, магнитная цепь которого выполнена из тонкого листа пермаллоя, наклеенного на исследуемую деталь.

     В преобразователях, приведенных на рис.8. а-д, используется эффект изменение магнитной проницаемости сердечника в одном направлении. В настоящее время широкое применение получили магнитоупругие преобразователи, в которых используется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. магнитная анизотропия сердечника. На рис.8. е показана конструкция магнитноанизотропного преобразователя со скрещенными обмотками. Первичная и вторичная обмотки расположены в сплошном магнитопроводе под прямым углом друг к другу. В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки не пересекают вторичную обмотку, в результате чего ЭДС вторичной обмотки равно нулю. При действии усилия вследствие изменения магнитной проницаемости материала магнитное поле вытягивается в направлении большей проницаемости, сжимается в направлении меньшей проницаемости и, сцепляясь со вторичной обмоткой, индуцирует в ней ЭДС, пропорциональную приложенному усилию.

     Магнитострикционный эффект – четный эффект, т.е. знак деформации сердечника не меняется при перемене направления поля на обратное. Частота  изменения деформаций или колебаний  сердечника в 2 раза больше частоты  переменного тока, протекающего через обмотку преобразователя. На магнитострикционном эффекте основана работа магнитострикционных ультразвуковых преобразователей или излучателей.

     Основные  достоинства магнитоупругих преобразователей: высокие мощность и уровень выходного  сигнала, надежность, простота конструкции. Однако магнитоупругие преобразователи обладают довольно большими погрешностями. Основные источники погрешностей: температурная погрешность и магнитоупругий гистерезис. При быстроизменяющихся усилий следует учитывать также инерционность магнитоупругих преобразователей.

     Индукционные  преобразователи.

     Преобразователи, в которых используется явление электромагнитной индукции, т.е. наведение ЭДС в электрическом контуре при изменении магнитного потока, называются индукционными. По принципу действия индукционные преобразователи подразделяются на две группы. В преобразователях первой группы магнитное сопротивление постоянного магнитного потока остается неизменным, а индуцированная ЭДС наводится из-за линейных или угловых перемещений сердечника катушки в зазоре ( рис. 9.).

     Н₁

     

      U^I_II

      К₁

      U_II = U^I_II - U^II_II

      U₁

      Н₂

      U^II_II

      К₂

     

     От  ЧЭ Рис. 9. Индукционный преобразователь. 

     В некоторых конструкциях перемещается катушка. Конструктивно преобразователь  представляет собой катушку, имеющую  три обмотки.

     Первичная обмотка равномерно распределена по всей длине. Две вторичные обмотки  выполнены в виде отдельных секций с одинаковым числом витков. Внутри каркаса размещен сердечник, связанный  со штоком чувствительного элемента. , где: - ЭДС верхней вторичной обмотки; - ЭДС нижней вторичной обмотки; К – коэффициент продолжительности; - частота переменного напряжения, подаваемого на первичную обмотку; - напряжение первичной обмотки; М – взаимоиндуктивность первичной и вторичных обмоток. Так как вторичные обмотки включены встречно, то суммарное напряжение на выходе преобразователя в среднем положении сердечникаравно нулю: .При изменении давления сердечник перемещается, например, вверх. Вследствие этого взаимоиндуктивность катушек изменяется на . ЭДС во вторичных обмотках будут иметь: На выходе преобразователя будет действовать напряжение

     При перемещении сердечника вниз на выходе преобразователя действует напряжение Изменение взаимоиндуктивности пропорционально изменению положения сердечника : .

     Таким образом, величина действующего напряжения U_ii определяется перемещением сердечника и пропорциональна этому перемещению.

     В преобразователях второй группы магнит и катушка неподвижны. А индуцированная ЭДС наводится путем изменения  магнитного потока вследствие колебания  магнитного сопротивления магнитной  цепи, создаваемых чаще всего изменением воздушного зазора этой цепи 

     

     Рис. 10. Конструкции индукционных преобразователей. 

     При вращении ротора происходит изменение  сопротивления магнитной цепи с  частотой, определяемой скорость вращения и числом зубцов. Индукционные преобразователи, предназначенные для измерения скорости вращения, называют тахогенераторами. Тахогенераторы – это электрические машины, работающие в генераторном режиме и служащие для преобразования скорости вращения в пропорциональный электрический сигнал. 

 

      1.2.3 Емкостные преобразователи

     В основу работы емкостного преобразователя положено изменение его емкости под действием входной измеряемой величины. Емкость плоского конденсатора, как известно, выражается формулой

      = S / δ где — диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S — площадь поверхности обкладки; δ - расстояние между обкладками, или толщина диэлектрика. Таким образом, изменение емкости преобразователя можно получить, изменяя:1) расстояние между обкладками (рис. 11, а); 2) площадь электродов, образующих емкость (рис. 11,6); 3) диэлектрическую проницаемость диэлектрика (рис. 11, в). Как видно из формулы зависимость емкости от диэлектрической проницаемости и площади пластин имеет линейный характер, а от расстояния между пластинами - нелинейный, гиперболический характер.Если обозначить емкость, в отсутствие измеряемой величины через , а в момент измерения , то изменение емкости составляет: = –  

     

     Рис.11. Основные типы емкостных преобразователей

 

     Емкостные преобразователи с изменяющимся воздушным зазором используют для  измерения малых перемещений (от долей микрометра до долей миллиметра), для измерения силы, давления при  наличии промежуточных преобразователей силы и давления в перемещение.