ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Лабораторная работа № 2б

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

Цель работы: знакомство с конструкцией датчиков давления, исследование их статических характеристик при различных схемах включения, расчет параметров электрических и магнитных цепей.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Датчики давления нашли широкое применение как в научных исследованиях, так и при автоматизации процессов горного производства.

Трансформаторный датчик давления является параметрическим электромагнитным преобразователем. У трансформаторного датчика под воздействием прогиба мембраны, образующегося от действия на нее давления жидкости, изменяется воздушный зазор магнитной цепи, который приводит к изменению взаимной индуктивности М первичной и вторичной обмоток

М=W₁W₂/Z_м, (1)

где W_1.2 - число витков первичной и вторичной обмоток.

Полное электрическое сопротивление цепи, образованной обмоткой (половинок обмотки дифференциального датчика) и добавочным сопротивлением R₁ (рис. I) определится из выражения

Z=R₁+R_w+jW²/Z_м , (2)

где R_w - активное сопротивление обмотки; - частота питающего напряжения.

Рис. 1. Электрическая схема обмотки датчика

Магнитное сопротивление цепи складывается из сопротивлений отдельных ее звеньев и носит комплексный характер

Z_м=R_м+jX_м+R_, (3)

где R_м и X_м- активная и реактивная доставляющие потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи, R_ - магнитное сопротивление воздушного зазора.

Подставив (3) в (2) , получим

Z=R₁+R_w+W²X_м/Z_м²+jW²(R_м+R_)/Z_м². (4)

Векторная диаграмма электрической цепи, построенная по выражению (4) представлена на рис. 2. Величина Z_w является полным сопротивлением обмотки без добавочного сопротивления R₁ .

Рис. 2. Векторная диаграмма электрической цепи обмотки датчика

Из треугольника ОАВ находим

cos=(Z²-Z_w²+R₁²)/4R₁=(U₁²-U₂²+U₃²)/2U₃U₁, (5)

где U₁,U₂,U₃- напряжения в соответствии с рис. 1, измеренные вольтметром с высоким входным сопротивлением. Теперь из треугольника ОСВ найдем

X_м=W²X_м/Z_м²=Zcos-(R₁+R_w)=U₁R₁cos/U₃-(R₁+R_w), (6)

R_=W²(R_м+R_)/Z_м²=Zsin=U₁R₁sin/U₃. (7)

По выражению (6) рассчитывается часть активного электрического сопротивления цепи, обусловленная потерями на перемагничивание и вихревые токи. Из выражения (7) вычисляется реактивная составляющая полного сопротивления, определяющая реактивную мощность цепи.

Полное сопротивление Z_w находится по выражению

Z_w=(R_w+W²X_м/Z_м²)²+(W²(R_м+R_)/Z_м²)²=U₂R₁/U₃. (8)

Полное сопротивление обмотки Z_L, определяющее ее индуктивность, вычисляется из выражения

Z_L=Z_w²+R_w²-2R_wcos₁=(U₂²R₁²/U₃²)-(2R₁U₁cosR_w/U₃)+2R₁R_w+R_w², (9)

где ₁ - сдвиг по фазе между током и напряжением U₂ .

На основании величины Z_L можно легко рассчитать индуктивность катушки

L=Z_L/ , (10)

а при известном числе витков обмотки W=1200 и величину полного магнитного сопротивления Z_м.

Z_м=W²/L . (11)

Если пренебречь величиной Rм в выражении (7), малой по сравнению с R_, то можно легко определить длину  воздушного зазора

R_=2/₀S=R_Z_м²/W².

Откуда

=Z_м²₀SR_/2W² , (12)

где ₀=4·10^-7 Г/м - магнитная проницаемость воздуха; S -площадь воздушного зазора.

Таким образом по выражениям (5) - (12) на основе экспериментальных данных может быть выполнен полный расчет всех составляющих электрического сопротивления трансформаторного датчика давления.

Порядок выполнения работы

1. Исследовать дифференциально-трансформаторный датчик при трансформаторной схеме его включения.

1.1. Собрать схему в соответствии с pиc. 3.

Подать питание U_п амплитудной 5В на клеммы I и 2 от генератора низкочастотных колебаний. В качестве вольтметра использовать милливольтметр В3-33. Диапазон измерения 300 мВ.

Рис. 3. трансформаторная схема включения дифференциально-трансформаторного датчика

1.2. Снять амплитудно-частотные характеристики датчика при четырех значениях входного давления. Частоту генератора изменять от 2 до 20 кГц при постоянной амплитуде 5 В. Полученные данные занести в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

f, кГц Р, кгс/см2	2,0	5,0	7,0	10,0	12,0	14,0	16,0	18,0	20,0
0
2,0
4,0
6,0

1.3. Определить параметры трансформаторной схемы включения датчика от измерения амплитуды и частоты питающего напряжения. Для этого снять характеристики U_в=f(P) в соответствии с табл. 2. Для Р = 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 6.0.

и и f определить в соответствии с выражениями

u=U_в_{при Uп=4,9В} – U_в_{при Uп=5В} , f=12 кГц

f=U_в_{при f=11кГц} – U_в _{при f=12 кГц} ,U_п =5 В.

Т а б л и ц а 2

Р, кгс/см2 Uв, мВ	0	0,5	1,0	…	6,0
Uп=5 В; 12 кГц
Uп=4,9 В; 12 кГц
u, мВ
Uп=5 В; 11 кГц
f, мВ

2. Исследовать дифференциально-трансформаторный датчик при мостовой схеме его включения.

2.1. Собрать схему в соответствии с рис. 4.

Рис. 4. Мостовая схема включения дифференциально-трансформаторного датчика

Подать питание 5В, 12кГц на клемы U_п. При Р=0 вращением R3 выставить на вольтметре V начальное показание 25мВ. Диапазон измерения вольтметра 100мВ. Снять характеристику U_в=f(P) в соответствии с табл. 3.

Т а б л и ц а 3

Р, кгс/см2	0	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
Uв, мВ

2.2. Исследовать погрешность мостовой схемы включения датчика изменения амплитуды и частоты питающего напряжения.

Исследования выполнить в соответствии с табл. 2, при этом первой строкой табл. 2 взять данные табл. 3. Полученные результаты записать в табл. 4, форма которой аналогична табл. 2.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Схема включения датчика.

2. Таблица экспериментальных данных.

3. Амплитудно-частотные характеристики Uв=F(Р) для четырех значений давления Р и на этом же графике Uв=f(Р) для всех значений частот.

4. Характеристика мостовой схемы включения датчика.

6