5.2.8. Индуктивные датчики

В этих датчиках применяются индуктивные чувствительные элементы. Индуктивные датчики находили широкое распространение, но в современных условиях, в связи с малой надежностью, сложностью конструкции индуктивных чувствительных элементов, высокими требованиями, предъявляемыми к магнитным материалам они применяются все реже. Измеряемое давление воздействует на упругий ЧЭ, который перемещает якорь индуктивного преобразователя (ИП). Первичные обмотки ИП питаются переменным током повышенной частоты (28 кГц), который генерируется полупроводниковым преобразователем, питаемым от бортовой сети постоянного тока через стабилизатор напряжения. Выходное напряжение со вторичных обмоток ИП выпрямляется и подается на выходные клеммы штепсельного разъема.

Рис.5.9. Принципиальная схема манометра с индуктивным датчиком

1 – индуктивный датчик; 2 – двухкатушечный логометр с подвижным магнитом.

Снимаемые с индуктивного датчика сигналы переменного тока выпрямляются диодами и на логометр указателя поступают сигналы постоянного тока.

Такие манометры применяются для измерения давления при повышенных температурах и при значительных колебаниях измеряемого давления с частотой до 700 Гц. Диапазон измерения от 0 – 0.3 МПа до 0 – 30 МПа. Максимальные погрешности не превышают ± 4 %.

5.2.9. Потенциометрические датчики

В данных датчиках используется потенциометрический преобразователь перемещений. Его конструкция является унифицированной: при переходе от одного диапазона измерений к другому выбирается такая толщина мембраны, чтобы величина ее максимального прогиба не изменялась.

Рис.5.10. Потенциометрический датчик давления

1 – потенциометр; 2 – щетка; 3 – вилка; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка;

6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – качалка; 9 – шток; 10, 13 – основания;

11 – мембрана; 12 – штуцер.

Измеряемое давление посредством мембраны преобразуется в перемещение её жесткого центра. Оно в свою очередь с помощью кинематической передачи вызывает перемещение щетки потенциометра и соответственно изменяется сопротивление.

Потенциометр, как преобразователь деформации в электрическое сопротивление, включается в мостовую схему или в схему потенциометрической дистанционной передачи. В измерительных схемах осуществляется компенсация температурной погрешности.

Рис.5.11. Принципиальная схема манометра с потенциометрическим

преобразователем

Сигнал деформации мембраны используется для перемещения движка потенциометра. Потенциометр R1 R2 образует два плеча моста, а два другие плеча составлены из резисторов R3 и R4. В качестве указателя в манометре применяется логометр с неподвижными рамками и подвижным магнитом.

Недостатком потенциометрических датчиков является наличие скользящего контакта, снижающего надежность прибора. А также наличие межвитковой погрешности, вызванной контактом щетки и потенциометра. Максимальные погрешности этих датчиков не превышают ± 4 % .

5.3.Структурные и математические модели датчиков давления

В зависимости от способа измерения силы, развиваемой упругим элементом, различают два типа манометров: с прямым преобразованием силы в электрический сигнал и с силовой компенсацией (с уравновешиванием). Структурные схемы обоих типов манометров дают представление о математической модели приборов, т.е. отображают функцию преобразования.

Электромеханический манометр с прямым преобразованием силы в электрический сигнал состоит из датчика и электрической дистанционной передачи. Здесь все звенья соединяются последовательно. В качестве примера рассмотрим схему преобразования потенциометрического датчика (рис. 5.12) и составим эквивалентную ей структурную схему.

Рис. 5.12. Структурная схема прямого преобразования.

В первом звене измеряемое давление преобразуется в силу воздействующую на мембрану. Передаточная функция (ПФ) этого звена может быть аппроксимирована инерциальным звеном:

.

где S₁ – чувствительность и T₁ – постоянная времени.

Второе звено, преобразующее силу в деформацию мембраны, может быть описано ПФ колебательного звена:

.

где ω₂ – собственная частота, определяемая жесткостью мембраны и её массой.

Передаточное звено, преобразующее деформацию мембраны в перемещение щетки потенциометра, характеризуется чувствительностью:

Четвертое звено, преобразующее перемещение щетки потенциометра в изменение сопротивления, также безынерционно: .Аналогично для преобразователя изменения сопротивления в изменение напряжения:

Если пренебречь индуктивностью катушек логометра, то можно получить для преобразователя ΔU в отношение токов :

.

Преобразователь в угол перемещения стрелки можно описать ПФ колебательного звена:

.

Основным недостатком измерительных цепей прямого преобразования состоит в том, что погрешность прибора равна сумме погрешностей всех его звеньев.

Электромеханический манометр уравновешивающего преобразования основан на автоматическом уравновешивании силы, развиваемой неупругим или упругим ЧЭ, другой силой, формируемой с помощью обратного преобразователя, входной электрический сигнал которого служит мерой измеряемой величины(рис5.13.).

Рис. 5.13. Структурная схема уравновешивающего преобразования.

В приборах статического уравновешивания ПФ ω₁(p) определяется уравнением .

ПФ ω₂(p) – ω₅(p), характеризующие соответственно формирование напряжения рассогласования ΔU, работу усилителя ΔU-U₂ и преобразование U₂-I , где I - сила тока, протекающего через указатель и катушки моментного устройства, могут быть заменены чувствительностями S₂, S₃, S₄. Преобразование силы тока в моментном устройстве в силу можно описать ПФ .

ПФ части прибора будет: ,

где .

Преимущество измерительных цепей статического уравновешивания состоит в том, что часть звеньев охвачена обратной связью, что способствует уменьшению погрешностей прямой цепи прибора.

В измерительной цепи астатического уравновешивания ПФ ω₂(p) – ω₃(p) возьмем такими же, как и в предыдущем случае. В качестве уравновешивающего устройства в схеме применен реверсивный двигатель с ПФ и редуктор . Двигатель через редуктор перемещает стрелки прибора. Таким образом, ПФ манометра астатического уравновешивания будет:

. (5.15)

где .

Обладая преимуществами в отношении компенсации погрешностей в прямой цепи, приборы уравновешивания имеют ограниченное быстродействие и в них могут возникнуть неустойчивые режимы. Для устранения этих недостатков применяют корректирующие контуры, повышая тем самым запас устойчивости и увеличивая ширину полосы пропускания.