Магнитоэлектрические обратные преобразователи (МЭОП) используются в наиболее точных приборах для измерения давления и ускорения, широкое применение нашли они также в цифровых бескоромысловых весах.
Принцип действия датчика уравновешивания с МЭОП поясняется рис. 2-35. Измеряемая сила Fx действует на подвижную часть датчика 1, закрепленную относительно корпуса на растяжках, мембране или плоских пружинах 2. Обмотка 4, расположенная на цилиндрическом каркасе, находится в радиальном зазоре магнитной системы. Торец каркаса и пластина 3, укрепленная с помощью изоляторов на полюсном наконечнике 5, образуют емкостный преобразователь. Этот преобразователь, имеющий емкость С х, включается в измерительный мост, питаемый от высокочастотного генератора Г. При действии силы Fx подвижная часть смещается на величину D Х, изменяется емкость С х, исходный сигнал измерительного моста D U ~ усиливается усилителем Ус и выпрямляется демодулятором ДМ. Выпрямленный ток I подается в обмотку 4 таким образом, чтобы сила F b =b I, создаваемая в результате взаимодействия тока с магнитным полем, была направлена навстречу измеряемой силе и уравновешивала ее. Сила, возникающая при взаимодействии электрического тока I, протекающего по катушке, с полем постоянного магнита, определяется формулой:
|
|
F b=bмэ I = BlwI,
где В – индукция в зазоре магнита; l – средняя длина витка катушки; w – число витков катушки.
Работа датчика описывается уравнением Fx = F b+D F, и о значении измеряемой силы можно судить по току I, измеряемому по падению напряжения на образцовом резисторе RN. Поскольку значение D F равно не более (0,01 — 0,001) F b, то точность датчика определяется в основном точностью обратного преобразователя, т.е. стабильностью коэффициента b. Силы, создаваемые МЭОП, составляют от 10-2 Н в акселерометрах до 10 – 102 Н в весах[1].
Погрешности лучших МЭОП оцениваются значениями порядка 0,01 – 0,005%.
Основными причинами возникновения погрешности (при условии, что температура внешней среды неизменна) являются:
а) нестабильность свойств магнита магнитной системы;
б) неоднородность магнитного поля в диапазоне перемещения катушки;
в) изменение индукции магнита вследствие воздействия на него МДС, создаваемой при прохождении тока через катушку;
г) наличие электромагнитной составляющей силы F эм=0,5 I2dL/d D X, возникающей в случае, если индуктивность катушки изменяется при ее перемещении D Х;
д) нагрев катушки собственным током.
Для уменьшения погрешности от нестабильности следует при конструировании магнитной системы особое внимание уделить жесткости соединения магнита с магнитопроводом и после сборки подвергнуть преобразователь старению путем многократных изменений температуры. Чтобы избежать влияния близости ферромагнитных масс, преобразователь надо выполнять с внутренним магнитом; в этом случае внешний магнитопровод служит достаточно хорошим экраном.
|
|
Погрешность от неравномерного распределения индукции в зазоре появляется из-за того, что при смещении катушки на расстояние D часть ее витков с левой стороны переместится из области магнитного поля со средней индукцией B '0в область со средней индукцией B' 0 + D B 1, а правые витки – в область В' 0 – D B 2.
Погрешность определяется формулой
,
где D B 1 и D B 2 – средние изменения индукции на соответствующих участках при перемещении катушки на расстояниеD; l – длина катушки; В 0 – средняя индукция в области расположения катушки.
Погрешность будет тем меньше, чем меньше перемещение катушки, и поскольку в приборах уравновешивания перемещение подвижной части не превышает 0,01 – 0,1 мм, то эта погрешность достаточно мала. Однако для ее уменьшения размеры катушки должны быть выбраны таким образом, чтобы катушка при перемещении не приближалась к краю зазора ближе, чем на его длину d. При необходимости увеличения габаритов катушки можно сделать ее длину l больше ширины зазора l 0 на величину l – l 0 = 0,8 d. Тогда при небольшом смещении катушки (D<0,1 d) изменения индукции D B 1 и D B 2 будут иметь разные знаки и примерно одинаковое значение.
Существенное уменьшение погрешностей от воздействия МДС катушки достигается использованием симметричной магнитной системы. Погрешность, вызываемая гистерезисом, для такой магнитной системы не превышает 0,03% при МДС катушки до 100 А и длине магнитов (ЮНДК24) 20 мм.
В конструкциях с одним магнитом следует предусмотреть специальную обмотку, МДС которой компенсирует МДС катушки, например, так, как это показано на рис. 2-35 (обмотка R 0). Ток в обмотке R 0 и, следовательно, создаваемую им дополнительную МДС можно регулировать перемещением движка на резисторе R 1 таким образом, чтобы погрешности гистерезиса и линейности были минимальными во всем рабочем диапазоне прибора.