19118

Индуктивные измерительные устройства

Практическая работа

Физика

Лекция №14. Индуктивные измерительные устройства Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности полное сопротивление которой меняется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода под влиянием измеряемого параметра. По п

Русский

2013-07-11

263.5 KB

17 чел.

Лекция №14.

Индуктивные измерительные устройства

Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности, полное сопротивление которой меняется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода под влиянием измеряемого параметра. По принципу работы индуктивный преобразователь – датчик перемещений, однако, преобразуя разные физические величины (давление, сила, угол поворота, расход жидкости или газа и т.п.) в  перемещение, можно эти физические величины эффективно измерять.

Структурная схема типовой измерительной системы, содержащей индуктивный преобразователь, приведена на рисунке.

 

Здесь индуктивный датчик, измеряющий перемещение ; схема включения датчика,  питаемая от генератора  и преобразующая изменение сопротивления  катушки в изменение напряжения  или тока; усилитель сигналов датчика; демодулятор (амплитудный детектор), выделяющий огибающую промодулированного и усиленного напряжения несущей частоты; усилитель постоянного тока, усиливающий сигнал низкой частоты; устройство, регистрирующее выходной сигнал  в виде напряжения  или тока. Поскольку структура измерительной системы построена  по принципу прямого преобразования, ее интегральная  чувствительность определяется соотношением:

                                                               (14.1)

Принцип действия индуктивного датчика перемещений. Имеются два класса преобразователей: с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением. Пример схемы преобразователя первого класса показан на рис.1,а.

Преобразователь состоит из П–образного сердечника (магнитопровода) 1, на котором размещена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора  и, следовательно, магнитное сопротивление, что вызывает изменение индуктивности катушки датчика, которая может быть зарегистрирована.  Возможен вариант преобразователя, в конструкции которого якорь перемещается горизонтально относительно П–образного сердечника и изменяет эффективную площадь замыкания магнитного потока. Оба варианта датчика: и с переменным зазором, и с переменной площадью – относятся к датчикам с замкнутой магнитной цепью.

Другая широко используемая модификация  первого класса относится к датчикам с разомкнутой магнитной цепью. Пример такого датчика, называемого соленоидным или плунжерным преобразователем, показан на рис.1,б. Преобразователь представляет собой катушку 1, из которой может выдвигаться ферромагнитный сердечник 2 (плунжер). При среднем положении плунжера индуктивность максимальна. Этот тип преобразователя применяется для измерения значительных перемещений сердечника (до 100 ).

Схема преобразователя второго класса приведена на рис. 1, в. В зазор магнитной цепи 1 вводится пластинка 2 с высокой электропроводностью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увеличению потерь активной мощности катушки 3. Это приводит к  изменению составляющих полного комплексного сопротивления  катушки индуктивности, в частности, к увеличению ее активного сопротивления, что тоже может быть зарегистрировано. Этот тип датчика будет рассмотрен в классе вихретоковых преобразователей.

Определим функцию преобразования датчика на примере преобразователя с переменным зазором (рис. 1,а). Как известно, индуктивность катушки  определяется соотношением: ,  где  число витков; пронизывающий ее магнитный поток; проходящий по катушке ток. С учетом , получим:

,                                                                                                 (14.2)

где полное сопротивление магнитному потоку, которое состоит из двух составляющих: магнитного сопротивления сердечника  и  магнитного сопротивления воздушных зазоров .  Если пренебречь рассеянием магнитного потока и нелинейностью кривой намагничивания сердечника  (они будут учтены  в форме потерь на вихревые токи и магнитный гистерезис как составляющие сопротивления потерь ),  то

,                                                                  (14.3)

где суммарное магнитное сопротивление участков магнитопровода; длина средней силовой линии по участкам магнитопровода;  их поперечное сечение; магнитная проницаемость  материала сердечника;  – магнитная постоянная; соответственно длина и сечение воздушного зазора. Отсюда:

.                                                                                           (14.4)

Так как , а для удовлетворительной работы датчика  требуется выполнение условия , что достигается выбором для магнитопровода материала с большим значением магнитной проницаемости , то  окончательно получаем:

                                                                                        (14.5)

и полное комплексное сопротивление  катушки запишется в виде:

.                                                        (14.6)

Модуль полного комплексного сопротивления катушки индуктивности часто записывают в виде:

,                                                               (14.7)

где добротность индуктивного датчика, характеризуемая отношением  запасенной энергии в контуре к энергии рассеянной. Значения  для разных сердечников такие –  сталь:  пермаллой:  ферриты:

Из выражения (14.6) оценим чувствительность датчика с переменным зазором:

                                                             (14.8)

В ряде случаев чувствительность индуктивного преобразователя удобно характеризовать величиной:

,                                                                              (14.9)

из которой следует существенное возрастание чувствительности датчика с уменьшением протяженности воздушного зазора . Из (14.9) следует, что  относительное изменение индуктивности датчика равно:

.                                                                                             (14.10)

Последнее выражение позволяет оценить порог чувствительности индуктивных датчиков перемещений. Современные измерительные схемы и приборы позволяют измерить относительное изменение индуктивности  с точностью до  (0,1-0,01) %, что соответствует относительному изменению зазора . При номинальной величине зазора  минимальные перемещения, которые могут быть зарегистрированы, равны .

Описанные одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков: их функции преобразования нелинейны; аддитивные погрешности, вызванные температурным изменением активного сопротивления обмотки, сравнительно велики; электромагнитная сила притяжения, воздействующая на якорь, значительна. Поскольку связь между  и  описывается зависимостью, близкой к гиперболической, линейный участок рабочей характеристики ограничен значением .

Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи. Они состоят из двух одинаковых одинарных преобразователей, которые имеют общий подвижный элемент. Примеры схем таких преобразователей приведены на рисунке.

При перемещении якоря одна индуктивность  возрастает, другая  – уменьшается. Дифференциальные индуктивные преобразователи включаются в соответствующие плечи мостовых схем. Благодаря этому уменьшается аддитивная погрешность, улучшается линейность функции преобразования, вдвое возрастает чувствительность и уменьшается сила притяжения якоря.

Схема включения индуктивного преобразователя преобразует изменение полного сопротивления датчика в изменение электрического тока или напряжения в зависимости от используемой схемы. Типовыми являются следующие схемы:

  •  последовательная схема, или схема генератора тока, преобразующая  в изменение тока ;
  •  схема делителя напряжения, преобразующая  в изменение напряжения ;
  •  мостовая схема включения, обеспечивающая преимущества дифференциальных индуктивных преобразователей по сравнению с одинарными датчиками;
  •  трансформаторная схема включения, основанная на измерении ЭДС, наведенной во второй обмотке датчика при изменении первой обмотки;
  •  частотная схема включения, в которой изменение индуктивности катушки, входящей в состав колебательного контура, трансформируется в изменение частоты генерации , измеряемой, например, с помощью частотомера.

4

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34736. Источники по генеалогии дворянства 16 - 17вв.: Государев родословец и Бархатная книга (история создания, структура, содержание) 13.23 KB
  : Государев родословец и Бархатная книга история создания структура содержание Государев родословец История создания: Составлен Разрядным приказом в 1555 1556 году. В XVII веке Государев родословец включён в Бархатную книгу. Структура: 1 часть – государев родословец был составлен при Иване 4; 2 часть – составлена на основе приказов. В Бархатную книгу включены: Государев родословец 1555 1556 состоящий преимущественно из родословных записей Рюриковичей и Гедиминовичей царский княжеские боярские роды а также материалы за вторую...
34738. Ревизские сказки как источник по генеалогии непривилегированных слоев населения 15.76 KB
  Это документы именной переписи податного населения Российской Империи XVIII середины XIX вв. Проведение реформы потребовало организации подушного учета населения. Ревизские сказки являлись поимёнными списками населения в которых указывались имя отчество и фамилия владельца двора его возраст имя и отчество членов семьи с указанием возраста отношение к главе семьи.
34739. Материалы всероссийской переписи населения 1897года как источник по генеалогии непривилегированных слоев населения 13.06 KB
  дают материалы Первой всероссийской переписи населения это прямой массовый статистический учет населения проводимый с целью определения его численности состава и размещения на определенный момент. Первый подробный проект переписи населения был представлен председателем Центрального статистического комитета П. Только почти через 20 лет этот проект был утвержден императором Николаем II согласно Положению о Первой всеобщей переписи населения Российской империи изданному в 1895 г.
34740. Церковные метрические книги как источник по генеалогии непривилегированных слоев населения 13.82 KB
  Метрические книги велись в России до революции в церковных приходах духовенством или особыми гражданскими чиновниками. Во второй части метрической книги также приводился порядковый номер и дата бракосочетания. Метрические книги велись в двух экземплярах: один направлялся на хранение в архив консистории учреждение с церковноадминистративными и судебными функциями которая подчинялась епархиальному архиерею второй оставался в церкви.
34741. Методика генеалогических исследований. Генеалогические таблицы и росписи 15.71 KB
  Поколенная роспись – это нумерованное перечисление членов рода потомков родоначальника по мужской линии обоего пола по генеалогическому старшинству с выделением поколений и указанием при каждом члене рода номера его отца. Выделяются три наиболее употребительных: а все лица рода распределялись по коленам нумеровавшимся римскими цифрами перед представителем рода ставился порядковый номер арабскими цифрами а в конце строки ставился порядковый номер отца; как валовая нумерация б номер отца при сплошной нумерации переносится в начало...
34742. Историческая хронология. Предмет и задачи. Виды календарных систем. Основные понятия и термины 17.43 KB
  В этом календаре год состоял из 365 дней. по 30 дней каждый; в конце года добавлялось пять праздничных дней не входивших в состав месяцев. В течение каждых 19 лет считают 12 лет по 12 лунных месяцев по 29 30 дней и 7 лет по 13 лунных месяцев. лунносолнечный календарь является официальным в Израиле где начало года приходится на один из дней периода с 5 сентября по 5 октября.
34743. Древние календарные системы: Египет, Древняя Греция, Китай 18.83 KB
  Этот лунный календарь использовался на протяжении всей древнеегипетской истории как религиозный календарь фиксирующий время проведения праздников. Схематический гражданский календарь Новый календарь был построен по простой схеме. Поздний лунный календарь Хронологической единицей в нем как и в раннем лунном календаре служил лунный месяц начинавшийся в первый день невидимости Луны.
34744. Мусульманский календарь. Мусульманская система летоисчисления 13.08 KB
  Мусульманская система летоисчисления Мусульманский исламский календарь лунный календарь используемый в исламе для определения дат религиозных праздников а также как официальный календарь в некоторых мусульманских странах. Поэтому в мусульманских странах календарь называют календарём Хиджры. Такая система до сих пор используется в некоторых странах например в Пакистане и Бангладеш. В разных странах используются разные правила.