Цель работы. Работа 4.3. Индуктивные измерительные преобразователи

Работа 4.3. Индуктивные измерительные преобразователи. Измерение перемещения

Цель работы

Ознакомление с устройством и применением индуктивного измерительного преобразователя на примере измерителя перемещения, изучение метрологических характеристик измерительных преобразователей и схем их включения.

2. Сведения, необходимые для выполнения ра б оты

Повторите вопросы обработки и представления результатов прямых и косвенных измерений и, используя литературу [4, 16-19], настоящее описание и приложе­ние 1, ознакомьтесь со следующими вопросами:

· Основные характеристики измерительных преобразователей.

· Методы измерения индуктивности.

· Принцип действия, устройство и характеристики индуктивных преобразо­вателей.

· Причины возникновения и способы исключения или учета погрешностей при измерении индуктивности.

· Схемы включения и измерительные цепи индуктивных преобразователей.

· Устройства и характеристики средств измерений, используемых при вы­полнении данной работы.

В технических и научных измерениях неэлектрических величин широко ис­пользуются индуктивные преобразователи, относящиеся к группе параметриче­ских датчиков. Они отличаются конструктивной простотой, надежностью и малой стоимостью. К тому же для своей работы они не требуют сколь-либо сложного вторичного оборудования.

Индуктивный преобразователь представляет собой дроссель, индуктивность которого изменяется под действием входной (измеряемой) величины. В измери­тельной технике используются конструкции преобразователя с переменным воз­душным зазором и соленоидные (или плунжерные) преобразователи, которые и изучаются в данной работе.

Индуктивный преобразователь с переменным воздушным зазором схемати­чески показан на рис. 4.3.1а. Он состоит из П-образного магнитопровода 1, на ко­тором размещена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря из­меняется длина воздушного зазора b и, следовательно, магнитное сопротивление. Это вызывает изменение магнитного сопротивления и индуктивности преобразователя L. При некоторых допущениях индуктивность преобразователя можно рассчитать по формуле

(4.3.1)

Рис. 4.3.1. Конструкция индуктивного преобразователя

с переменным воздушным зазором

(1- П-образный магнитопровод, 2- катушка, 3- якорь):

а) одинарный преобразователь; 6) дифференциальный преобразовател ь

где w- число витков катушки, µ_о = 4 10⁷ Гн/м - магнитная постоянная, µ- магнитная постоянная стали, Q- площадь сечения магнитного потока в воздушном зазоре (считаем, что площадь сечения магнитопровода также равна), I) - средняя длина магнитной силовой линии по стали.

Одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков, в частности их функция преобразования нелинейная, они могут иметь большую аддитивную погрешность, вызванную температурным изменением активного сопротив­ления обмотки, и ряд других.

Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи, которые пред­ставляют собой два одинарных преобразователя, имеющих общий якорь. На рис. 4.3.1 б показан дифференциальный индуктивный преобразователь, состоящий из двух преобразователей, показанных на рис. 4.3.1а.

При перемещении якоря, например, влево, индуктивность L, возрастает, а другая индуктивность L2 уменьшается.

Другой разновидностью индуктивных преобразователей являются плунжер­ные преобразователи. На рис. 4.3.2а показан одинарный плунжерный преобразо­ватель, который представляет собой катушку 1, из которой может выдвигаться ферримагнитный сердечник 2 (плунжер). При среднем положении плунжера ин­дуктивность максимальна.

Дифференциальный преобразователь, состоящий из двух одинарных преобразо­вателей плунжерного типа, схематически изображен на рис. 4.3.26. 3десь также при перемещении плунжера одна индуктивность уменьшается, а другая увеличивается.

При использовании индуктивных преобразователей в качестве выходной ве­личины обычно используется не индуктивность как таковая, а реактивное сопро­тивление преобразователя Z, которое, если пренебречь активной составляющей, равно Z = jwL.

Важной характеристикой любого преобразователя является его чувствительность. По определению, абсолютной чувствительностью называется отношение изменения выходной величины к изменению входной:

,

(4.3.2)

Рис. 4,3.2. Конструкция индуктивного плунжерного преобразователя
(1- катушка, 2 - плунжер): а) одинарный преобразователь;

6) дифференциальный преобразователь

где - изменение сопротивления преобразователя, вызванное перемещением

плунжера (или якоря) на расстояние х.

В некоторых случаях, например для сравнения преобразователей одного типа, но имеющих разные сопротивления, удобно пользоваться понятием относительной чувствительности

В этой формуле сопротивление преобразователя при х = 0.

В данной работе, говоря о чувствительности, мы будем иметь в виду относи­

тельную чувствительность.

Для измерения реактивного сопротивления дифференциальных индуктивных преобразователей используются мостовые схемы. Благодаря этому уменьшается аддитивная погрешность, улучшается линейность функции преобразования, в два раза увеличивается чувствительность и уменьшается сила притяжения яко­ря или плунжера. В мостовых схемах можно использовать различные схемы включения. Oднa из основных таких схем для индуктивных дифференциальных преобразователей приведена на рис. 4.3.3. При таком включении - индуктивные сопротивления дифференциального преобразователя, сопротивления других плеч R и сопротивление нагрузки Rн могут быть как актив­ными, так и реактивными (Z и Zн соответственно). В лабораторной работе исполь­зуется мост, характеризующийся тем, что сопротивления катушек преобразовате­ля имеют чисто индуктивное сопротивление, а другие сопротивления, входящие в измерительную схему, не содержат реактивных составляющих.

Рис. 4.3.3. Вариант схемы включения

индуктивного преобразователя

Можно показать, что выходное напряжение, то есть напряжение на сопротив­лении нагрузки RH, для приведенной схемы включения описывается следующим выражением:

где - напряжение холостого хода (при Rн = )^, ,

R- сопротивление каждого из активных плеч моста, а U- на­пряжение питания моста.

Чувствительность мостовой схемы определяется выражением

Погрешности индуктивных преобразователей в основном обусловлены изме­нением активной составляющей их сопротивлений. Эта погрешность аддитивна и уменьшается в случае применения мостовых схем. Кроме того, при изменении температуры изменяется магнитная проницаемость стали, что приводит к допол­нительному изменению аддитивной и мультипликативной погрешностей. Изме­нения напряжения питания и его частоты также служат причиной изменения чувствительности и появления мультипликативных погрешностей.