Устройство и принцип работы измерительных преобразователей Физические основы его работы

Устройство и принцип работы измерительных преобразователей Физические основы его работы. Для измерения линейных и угловых премещений служат реостатные преобразователи, емкостные преобразователи, индуктивные преобразователи.

Опишем каждый тип преобразователей в отдельности. 1. Реостатные преобразователи. Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины - перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. На рис. 1.6. схематически показаны некоторые варианты конструкций реостатных преобразователей для углового рис. 1.6.а и линейного рис. 1.6. в перемещений.

Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения линейное, угловое, от вида функций преобразования линейная, нелинейная и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и т. д. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики гетинакс, пластмасса, керамика и металлы дюралюминий с анодированной поверхностью. 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 проницаемость i-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 магнитопровода а, 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 пластины 3 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 воздействию F, то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника м. изменится магнитное сопротивление цепи, что повлечет за собой изменение индуктивности L 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, а представляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно 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.

В емкостных преобразователях возникает усилие притяжения между пластинами, определяемое производной от энергии электрического поля и по пепемешению подвижной пластины. где U и С - соответственно напряжение и емкость между пластинами. Применяются дифферинциальные преобразователи рис. 1.9, б, у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины, При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С1 и С2. На рис. 1.9, в показано устройство дифференциального емкостного преобразователя с переменной активной площадью пластин.

Такой преобразователь целесообразно использовать для измерения сравнительно больших линейных более 1 мм и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемый характер функции преобразования путем профилирования пластин. Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяются равновесные и неравновесные мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров.

Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питаются током повышенной частоты до десятков мегагерц, что вызвано желанием увеличить мощность, рассеиваемую в преобразователе P UІwC а следовательно, и мощность, попадающую в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Достоинства емкостных преобразователей - простота устройства, высокая чувствительность и возможность получения малой инерционности преобразователя. Недостатки - влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности, относительная сложность схем включения и необходимость в специальных источниках питания повышенной частоты. IV. Применение измерительного преобразователя в системах автоматического контроля или регулирования. 4. Общие сведения о САК или САР ИИС- информационно - измерительная система.

Позволяет измерять и обрабатывать ряд величин, кроме этого позволяет автоматизировать процесс измерения путем подключения ИИС к вычислительным комплексам. Все метрологические характеристики присущие для измерительных устройств справедливы и для ИИС, кроме этого существуют дополнительные, присущие только ИИС 1. Погрешность от взаимного влияния измерительных каналов 2. Погрешность аппроксимации, обусловленная неточным восстановлением непрерывного значения измеряемой величины по дискретным значениям при последовательной передаче измерительной информации 3. Погрешность обусловленная непостоянством параметров канала связи и помехами в канале связи для телеизмерительных систем и систем телеконтроля ИИС делятся на ИИС с последовательной передачей измерительной информации с временным разделением измерительных каналов и ИИС с параллельной одновременной передачей измерительной информации.

Системы с временным разделением каналов получили наибольшее распространение из-за возможности иметь большое число измерительных каналов.

Системы с параллельной передачей измерительной информации применяются в телеизмерительных системах частотное разделение каналов. Одним из частных видов ИИС являются системы автоматического контроля и автоматического регулирования Эти системы обыкновенно не производят измерений, а реагируют лишь на отклонение величины от заданной.

CАК и САР очень похожи по своему строению. Различаются лишь реакцией на изменение измеряемой величины. САК выдает результат при изменившейся измеряемой величины, а САР самостоятельно регулирует величину до заданной. 5. Системы автоматического контроля Системы автоматического контроля САК весьма разнообразны как по своему назначению, так и по принципу действия. САК могут быть разделены на две группы Системы для контроля параметров изделий, практически не изменяющихся во времени например, сопротивлений резисторов и др Системы для контроля изменяющихся во времени физических величин например, контроль температуры различных точек объекта и др Рис 2.1. Структурная схема системы контроля параметров однородных изделий с одновременным сравнением контролируемого параметра и уставки Сравнение параметра контролируемого объекта и уставки может быть одновременным и разновременным, На рис. 2.1 показана структурная схема системы для контроля параметров однородных изделий с одновременным сравнением контролируемого параметра и уставки Уст. Контролируемые детали поочередно поступают в устройство сравнения УС результат сравнения контролируемого параметра и уставки выдается в той или иной форме устройством выдачи результата УВР. Иногда результаты сравнения поступают в блок вспомогательных математических операций ВМО, например вычисления отклонения параметра от нормы или других характеристик.

На рис. 2.2 приведена структурная схема, поясняющая разновременный контроль параметра х и уставки хn. Переключатель П устройством управления УУ подключает уставку к измерительному преобразователю ИП, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный Хп, регистрируемый У Р. Далее переключатель П включает контролируемый параметр л- и на выходе ИП получается сигнал, пропорциональный х. Устройство регистрации УР образует разность этих сигналов, пропорциональную отклонению параметрах x от Хп Выходным сигналом ИП может быть, например, число-импульсный код. В этом случае в качестве УР применяется реверсивный счетчик Рис 2.2 Структурная схема системы для разновременного контроля параметра и вставки На рис. 2.3 приведена упрощенная схема системы автоматического контроля изменяющихся во времени параметров объекта или технологического процесса.

Контролируемые величины х1 t - хn t поступают в унифицирующие преобразователи УП1 - УПn, на выходе которых получаются унифицированные сигналы, чаще всего в виде напряжения постоянного тока, пропорционально! о входным сигналам.

Эти сигналы в устройстве сравнения УС сравниваются с уставками для каждого сигнала, формируемыми блоком уставок БУ. Сигналы от УС поступают в устройство УПИ представления информации норма, меньше, больше. Управление САК производится от устройства управления УУ. Кроме того, при регистрации отклонения параметров от уставок регистрируется время, для чего предназначен блок времени БВ. Выбор отдельных блоков САК и режим ее работы определяются требованиями, предъявляемыми к САК. Вследствие разнообразия требовании, предъявляемых к САК в настоящее время, разработаны и выпускаются различные САК. Рис 2.3. Упрощенная схема системы автоматического контроля изменяющихся во времени параметров объекта Некоторые САК являются комбинированными, т. е. наряду с контролем параметров позволяют производить и измерения.

Измерение отдельных величин производится по команде оператора.

V. Конкретная структурная схема САР 6. Характеристики САК Построим систему автоматического управления самолетом с помощью гироскопа.

Необходимые параметры 1. Малая погрешность 2. Большая чувствительность 3. Малая инерционность 4. Простота работы устройства. Всем этим параметрам удовлетворяет система с применением емкостного датчика.

Структурная схема Описание элементов структурной схемы Г - гирокомпас Д - емкостной дифференциальный датчик УУ - устройство управления И - индикатор работы УО - установка оператором ПР дв - правый двигатель самолета Л дв - левый двигатель самолета VI.