Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Электрические измерения неэлектрических величин. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 153 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>



( )

L fS

ственной индуктивности отвеличины воздушного зазора δ нелинейна. При изменении площади поперечного сечения воздушного промежутка преобразователь имеет меньшую чувствительность (применяется для измерения перемещений впределах 10…15мм),

нолинейную характеристику преобразования

Рис. 9. Различные виды индуктивных преобразователей

Кроме того, оба индуктивных преобразователя имеют существенную аддитивную погрешность, связанную стемпературным изменением активного сопротивления обмотки изначительной силой притяжения якоря, пропорциональной энергии магнитного

поля вобмотке

(L— индуктивность преобразователя; I— дей-

ствующее значение тока, протекающего через обмотку преобразователя).

Указанных недостатков лишены дифференциальные преобразователи. Вдифференциальном преобразователе под воздействием измеряемой величины изменяются одновременно два зазора δ1 иδ2, при этом, когда один зазор, например δ1, уменьшается, что приводит кувеличению собственной индуктивности левой катушки (рис. 9, в), другой зазор δ2 увеличивается, что приводит куменьше-

-21-



нию собственной индуктивности правой катушки, инаоборот. Такой преобразователь, катушки которого включаются, как правило, всмежные плечи мостовой измерительной схемы, имеет большую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, меньшую подверженность влиянию внешних факторов. Кроме того, силы, действующие на подвижный якорь состороны обеих катушек, практически равны друг другу ивзаимно уравновешиваются. Дифференциальные преобразователи имеют номинальное перемещение якоря отединиц микрон до1мм.

В дифференциальном трансформаторном преобразователе (рис. 9, г) выходной величиной является взаимная индуктивность. Две секции первичной обмотки, покоторым пропускают переменный ток, включены согласно, адве секции вторичной обмотки— встречно. При симметричном положении якоря напряжение навыходе вторичной обмотки равно нулю. При горизонтальном смещении якоря навыходе вторичной обмотки появляется сигнал, величина которого связана свеличиной перемещения x икоторый измеряют прибором переменного тока.

Для измерения сравнительно больших перемещений (от 1 до500мм) применяются преобразователи снезамкнутой магнитной цепью (рис. 9, д).

Если при механическом воздействии F назамкнутый ферромагнитный сердечник (рис. 9, е) происходит изменение магнитной проницаемости материала сердечника, то это вызовет изменение магнитного сопротивления цепи и,следовательно, изменение собственной ивзаимной индуктивностей обмоток. Преобразователи, работа которых основана наэтом принципе, называются магни- тоупругими.

Механизм этого явления следующий. Как известно, ферромагнитные материалы состоят изобластей самопроизвольного намагничивания (доменов). Вненамагниченном состоянии магнитные моменты доменов ориентированы хаотично ивзаимно компенсируют друг друга. При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты доменов ориентируются в его направлении. В слабом поле ориентация незначительна. Сусилением магнитного поля число ориентированных доменов увеличивается вплоть донасыщения материала, когда сориентированы практически все домены. Ориентация доменов вызывает

-22-



увеличение магнитной индукции. При механическом воздействии нанамагниченный ферромагнитный сердечник он деформируется, домены изменяют свою ориентацию, индукция всердечнике изменяется, что при заданной напряженности внешнего магнитного поля эквивалентно изменению магнитной проницаемости. При этом явление носит упругий характер— если механическое воздействие убрать, индукция примет прежнее значение. Подобное изменение магнитной индукции или магнитной проницаемости в ферромагнетиках при механическом воздействии называется магнитоупругим эффектом.

Магнитопровод преобразователя должен быть замкнутым, без воздушных промежутков. Даже незначительные воздушные зазоры имеют большое магнитное сопротивление и уменьшают чувствительность преобразователя. При механическом воздействии зазоры изменяются, что увеличивает погрешность измерения.

Для измерения угловых перемещений используются трансформаторные преобразователи, состоящие из статора иротора собмотками. Наобмотку статора подается переменное напряжение. При повороте ротора наводимая внем ЭДС будет менять свое значение иугол фазового сдвига.

Для измерения малых угловых перемещений применяются индуктосины, изготовляемые потехнологии печатных плат (рис. 10).

Рис. 10. Индуктосин

Ротор 1 истатор 2 индуктосина имеют обмотки 3 ввиде радиального растра. Принцип действия аналогичен принципу действия трансформаторного преобразователя. Применение печатного спо-

-23-



соба нанесения обмоток позволяет получить большое число полюсных шагов, что существенно увеличивает чувствительность преобразователя куглу поворота ипозволяет применять индуктосин для измерения малых угловых перемещений.

Таким образом, индуктивные преобразователи применяют для измерения линейных иугловых перемещений, атакже других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы вперемещение (давления, усилия ит. д.).

Индуктивные преобразователи надежны и просты вэксплуатации, имеют довольно мощный выходной сигнал, для измерения которого, как правило, применяются мостовые цепи, а в случае дифференциальных трансформаторных преобразователей— компенсационные цепи.

Температурная погрешность индуктивных преобразователей связана сизменением оттемпературы активной составляющей их сопротивления. Эта погрешность аддитивна иможет быть уменьшена применением мостовых схем измерения.

Изменение значения напряжения питания приводит кизменению магнитной проницаемости магнитопровода преобразователя, что всвою очередь изменяет его сопротивление ичувствительность. Изменение сопротивления компенсируется с помощью мостовой схемы, аизменение чувствительности — стабилизацией напряжения источника питания или применением компенсационных схем.

Еще одна причина погрешности моста синдуктивным преобразователем— наличие вего питающем напряжении составляющих высших гармоник, которые остаются несбалансированными. Для уменьшения этой погрешности применяют фазочувствительный выпрямитель, который выпрямляет выходное напряжение, имеющее только ту же частоту, что иуправляющее напряжение.

Специфическая погрешность трансформаторных преобразователей связана спротеканием тока во вторичной обмотке иизменением ее сопротивления. Она может быть уменьшена применением схем компенсации (при равновесии выходной ток компенсатора практически отсутствует, что сводит данную погрешность кнулю).

Специфические погрешности имеют также магнитоупругие преобразователи:

1) погрешность, связанная снелинейностью функции преобра-

зования, которая может быть уменьшена применением магнито-

-24-



εε

анизотропных материалов (различная магнитная проницаемость вразличных направлениях);

2) погрешность вследствие гистерезисного характера функции преобразования при увеличении ипри уменьшении нагрузки преобразователя, что обусловлено магнитным имеханическим гистерезисами материала магнитопровода (эту погрешность можно уменьшить применением материалов для изготовления преобразователя свозможно большим пределом упругости ивозможно меньшей петлей магнитного гистерезиса);

3) погрешность старения, при этом изменяется имагнитная проницаемость, и механическое напряжение вматериале преобразователя, что приводит как кизменению электрических параметров, так и к изменению чувствительности (для стабилизации характеристик применяется термообработка магнитопровода, асам преобразователь включается подифференциальной схеме).



Емкостные преобразователи реализуют зависимость электрической емкости C конденсатора отпараметров, изменяющихся под действием измеряемой величины.

В большинстве случаев вкачестве емкостного преобразователя используется плоский конденсатор, состоящий издвух и более (в зависимости отконструкции) обкладок. Пространство между обкладками заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения обкладок (расстояния δ между ними или их активной площади S), атакже при изменении диэлектрической проницаемости ε диэлектрика будет изменяться электрическая емкость конденсатора, которая (без учета краевого эффекта) определяется выражением:

где

8 85 10

ε= ×,

−

Ф/м— электрическая постоянная.

Таким образом, изменяя δ, S или ε, можно влиять наэлектрическую емкость иизменять электрические параметры преобразователя.

-25-



( )

C fx

δδ

( )

У преобразователя спрямоугольными обкладками (рис. 11, а) длиной l ишириной b (направлена перпендикулярно плоскости рисунка) полная площадь каждой изобкладок равна bl. Одна из обкладок конденсатора подвижна, а другая неподвижна. Активная площадь S, впределах которой обкладки расположены друг над другом, будет определяться диапазоном x, в пределах которого подвижная пластина может перемещаться вгоризонталь-

ном направлении, ибудет равна bx. При этом зависимость

εε εε

будет линейна (

ствительность преобразователя

= =

без учета краевого эффекта), ачув-

будет величиной постоянной

иувеличивающейся суменьшением δ.

При изменении расстояния между пластинами δ зависимость

= δCf

будет нелинейной. Чувствительность преобразователя

εε

будет сильнее возрастать при уменьшении расстояния

между обкладками δ, чем впредыдущем случае.

Если перемещать диэлектрик взазоре конденсатора (рис. 11, б), то получим зависимость

= εCf

. Емкость такого преобразователя

будет равна сумме емкостей двух параллельно включенных конденсаторов: один изних C обкладок идиэлектриком, другой C

образован частью металлических

— оставшейся частью обкла-

док, пространство между которыми незаполнено диэлектриком.

Рис. 11. Емкостный преобразователь спрямоугольными обкладками

-26-



 

ää

( )

При равенстве толщины диэлектрика δ ирасстояния между металлическими обкладками конденсатора зависимость C = f будет иметь вид:

(ε)

= + = + ε−

CC C SS

( )

где S— полная площадь обкладок конденсатора; Sд— часть площади обкладок конденсатора сдиэлектриком между ними.

Различные виды емкостных преобразователей схематично представлены нарис. 12. Нарис. 12, апоказан простейший емкостной преобразователь, представляющий собой конденсатор, укоторого одна обкладка подвижна, адругая— неподвижна.

Рис. 12. Различные виды емкостных преобразователей

Как уже отмечалось, при указанном нарисунке перемещении x подвижной обкладки статическая характеристика преобразования

= δCf

нелинейна, нопреобразователь будет обладать при этом

наибольшей чувствительностью. Поэтому подобные преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1мм).

Малое перемещение приводит ксущественной температурной погрешности преобразователя, связанной сизменением расстоя-

-27-



( )

C fS

( )

ния между обкладками при колебаниях температуры. Уменьшения этой погрешности добиваются подбором материалов и размеров элементов конструкции преобразователя.

При перемещении обкладки внаправлении y, указанном нарис. 12, а, получается линейная функция преобразования

, правда,

при меньшей чувствительности преобразователя отвеличины δ. Поэтому преобразователи с переменной активной площадью обкладок применяются для измерения сравнительно больших линейных (более 1мм) иугловых (до270°) перемещений.

Общим недостатком для рассмотренных преобразователей является возникающая сила притяжения между обкладками, про-

порциональная энергии электрического поля между ними

(C и U— емкость и действующее значение напряжения между обкладками соответственно).

От этого недостатка свободен дифференциальный преобразователь (рис. 12, б), укоторого между двумя неподвижными обкладками расположена одна подвижная. Перемещение под действием измеряемой величины x подвижной обкладки ведет кодновременному изменению зазоров δ

, δ2 иемкостей C1, C2. Например,

если зазор δ1 увеличивается, что уменьшает емкость C1, то зазор δ2 будет уменьшаться, что увеличит емкость C

. Нарис. 12, впредстав-

лен дифференциальный преобразователь спеременной активной площадью обкладок. Дифференциальные преобразователи, как правило, включаются всмежные плечи мостовых измерительных схем. Требуемую характеристику преобразования можно получить профилированием обкладок.

Зависимость

= εCf

используется для измерения уровней

жидкостей, например, вемкостных уровнемерах (рис. 12, г). Всосуд сжидкостью помещают два электрода. При изменении уровня жидкости (величина x нарисунке) будет меняться средняя диэлектрическая проницаемость среды между электродами, а значит, иемкость преобразователя.

Зависимость

= εCf

можно также использовать для контроля

толщины или влажности изделий из диэлектрика. Диэлектрик в виде ленты или пластины помещают между металлическими электродами. В результате получается конденсатор с двойным

-28-



εε

ää

слоем (воздух плюс испытуемый диэлектрик), емкость которого будет определяться выражением:

δ−δ δ

где S иδ— площадь электродов ирасстояние между электродами конденсатора; δ

и εд— толщина идиэлектрическая проницае-

мость испытуемого диэлектрика соответственно. Если параметры конденсатора (S иδ) неизменны, то его емкость C будет зависеть отпараметров диэлектрика δд иεд. При этом при постоянной εд она будет зависеть отδд, т. е. можно контролировать толщину диэлектрика, апри постоянной δд— отεд, накоторую существенное влияние оказывает влажность.

Основными достоинствами емкостных преобразователей являются высокая чувствительность (при использовании измерительных схем срезонансными контурами реагируют на перемещения порядка 10–7мм), простота конструкции, незначительные размеры ивес ималая инерционность. Ких недостаткам относятся подверженность влиянию внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры и влажности окружающей среды. Уменьшение этих влияний обеспечивается экранированием преобразователя, соединительных иподводящих проводов, выбором точки заземления измерительной цепи, термостатированием преобразователя ит. п. Для питания цепей семкостными преобразователями используют, как правило, источники высокой частоты (додесятков МГц), что увеличивает выходной сигнал преобразователя иуменьшает шунтирующее действие сопротивления изоляции.



Конструктивно реостатный измерительный преобразователь впростейшем случае представляет собой реостат— каркас снамотанной нанего проволочной обмоткой, подвижный контакт которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Врезультате электрическое сопротивление между подвижным контактом илюбым издвух неподвижных контактов

-29-



обмотки будет меняться. Взависимости отхарактера измеряемого перемещения каркас преобразователя может иметь разную форму: ввиде тора (с круглым или квадратным сечением), если измеряется угловое перемещение, ввиде цилиндра или параллелепипеда (рис. 13, а; здесь S— измеряемое перемещение, Sm — диапазон перемещения подвижного контакта R реостата), если измеряется линейное перемещение. Если необходима реализация нелинейной функции преобразования, то применяются реостатные преобразователи спрофилированным продольным сечением (например, рис. 13, б).

Рис. 13. Реостатные преобразователи слинейной

и нелинейной функциями преобразования

Каркасы выполняются либо из диэлектрических материалов (керамика, гетинакс, пластмасса), либо изметалла (дюралюминий), покрываемого изоляционным лаком. Проволока для обмотки изготавливается изсплавов смалым температурным коэффициентом сопротивления, чаще всего из дешевых константана или манганина. Перед созданием обмотки провод изолируется эмалью или оксидной пленкой, затем зачищается вместах соприкосновения сподвижным контактом.

Материалом для подвижного контакта служат как чистые металлы (серебро), так и сплавы (фосфористая бронза и др.). Качество контакта определяется контактным давлением, которое зависит отматериалов подвижного контакта иобмотки, условий работы измерительного преобразователя, порядка измеряемой величины.

-30-

<<< < Предыдущая 1 23 / 153 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]