51395

Индуктивные измерительные преобразователи. Измерение перемещения

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Цель работы Ознакомление с устройством и применением индуктивного измерительного преобразователя на примере измерителя перемещения изучение метрологических характеристик измерительных преобразователей и схем их включения. В измерительной технике используются конструкции преобразователя с переменным воздушным зазором и соленоидные или плунжерные преобразователи которые и изучаются в данной работе. Это вызывает изменение магнитного сопротивления и индуктивности преобразователя L. При некоторых допущениях индуктивность преобразователя можно...

Русский

2014-02-10

589.46 KB

104 чел.

Работа 4.3. Индуктивные измерительные преобразователи. Измерение перемещения

1. 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 работы

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:

  1.  Основные характеристики измерительных преобразователей.
  2.  Методы измерения индуктивности.
  3.  Принцип действия, устройство и характеристики индуктивных преобразователей.
  4.  Причины возникновения и способы исключения или учета погрешностей при измерении индуктивности.
  5.  Схемы включения и измерительные цепи индуктивных преобразователей.
  6.  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 преобразователь

где w- число витков катушки, µо = 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.

3. описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд представляет собой LabVIEW компьютерную модель, располагающуюся на рабочем столе персонального компьютера. На стенде (рис. 4.3.4) находятся модели индуктивного преобразователя, микрометрического винта, электронного милливольтметра, лабораторного макета и генератора сигналов.

Рис. 4.3.4. Модель лабораторного стенда
на рабочем столе лабораторной работы 4.3
(1- индуктивный преобразователь, 2 - микрометрический винт,
3 - электронный милливолыметр, 4 - лабораторный макет, 5 - генератор сигналов)

Модели средств измерений (см. приложение 1) при выполнении работы используются для решения следующих задач.

Модель индуктивного преобразователя используется при моделировании процесса измерений перемещения.

Модель микрометрического винта используется при моделировании процесса перемещения плунжера преобразователя.

Модель электронного милливольтметра используется при моделировании процесса измерения выходного напряжения измерительной схемы индуктивного преобразователя.

Лабораторный макет используется при моделировании процесса построения мостовой схемы индуктивного преобразователя с двумя активными сопротивлениями в плечах моста  выбираемым сопротивлёнием нагрузки из следующих значений: 300

Ом, 500 Ом,1 кОм,10 кОм, 20 кОм, 50 кОм.

Модель сигнала служит для моделирования питания лабораторного макета гармоническим напряжением заданного значения и заданной частоты. Схема соединений приборов при выполнении работы показана на рис. 4.3.4.

4. Рабочее задание

4.1. Изучите описание работы и рекомендованную литературу. Продумайте свои действия за компьютером.

4.2. 3апустите программу лабораторного практикума и выберите лабораторную работу 4.3 “Индуктивные измерительные преобразователи. Измерение перемещений” в группе работ “Измерение неэлектрических величин”. На рабочем столе компьютера автоматически появятся модель лабораторного стенда с моделями средств измерений и вспомогательных устройств (рис. 4.3.4.) и окно созданного в среде MS Ехсе1 лабораторного журнала, который служит для формирования отчета по результатам выполнения лабораторной работы.

4.3. Ознакомьтесь с расположением моделей отдельных средств измерений и других устройств на рабочем столе. Включите модели средств измерений и опробуйте их органы управления. Понаблюдайте за видом модели индуктивного преобразователя при осуществлении различных перемещений при помощи микрометрического винта. Проследите также за изменениями напряжения, измеряемого милливольтметром. Ознакомьтесь с возможными изменениями измерительной схемы средствами лабораторного макета.

4.4. Приготовьте к работе проверенный на отсутствие вирусов мобильный носитель информации и подключите его к компьютеру.

4.5. Поставьте микрометрический винт на нулевое деление.

4.6. Приступите к выполнению работы.

3адание 1. Определение функции преобразования fxx.(х) комплекта, состоящего из индуктивного преобразователя и мостовой цепи, при холостом ходе (Rн= )

a)  Включите генератор сигналов и установите заданные преподавателем значения питающего напряжения U и его частоты f (рекомендованные значения U10 В, f  100 Гц).

b)  Переключатель нагрузки лабораторного макета установите в состояние “Нет нагрузки”,

c)   Включите милливольтметр и установите нужный предел измерений.

д)   При снятии функции преобразования производите перемещение х микрометрическим винтом в диапазоне ±15 мм с шагом 1 мм от положения, в котором мост сбалансирован. Каждый раз производите отсчет значения напряжения на выходе лабораторного макета и записывайте его в соответствующую ячейку табл. 4.3.1.

е)   По опытным данным постройте график функции преобразования и рассчитайте среднюю чувствительность исследуемого комплекта.

Задание 2. Определение функции преобразования fi (х) комплекта, состоящего из индуктивного преобразователя и мостовой цепи, при конечном значении сопротивления нагрузки

  1.  Переключатель нагрузки лабораторного макета установите в состояние, соответствующее выбранному по указанию преподавателя сопротивлению нагрузки (например, “300 Ом”).
  2.  Повторите пункты с, d, е задания 1. Формирование таблицы и построение точечной диаграммы проводите на следующем листе лабораторного журнала.
  3.  По указанию преподавателя поставьте другое значение сопротивление нагрузки и повторите п. b.
  4.  Проанализируйте полученные функции преобразования fXX(х), f1(х), f2(х) и сделайте выводы.

Таблица 4.3.1. Функция преобразования комплекта индуктивного преобразователя и мостовой схемы включения

Uп=10 В , f=100 Гц, Rн нет

x, мм

Uвых, В

-15

-14

-13

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Чувствительность           В/м

Опыт№2

Uп=10 В , f=100 Гц, Rн=300 Ом

x, мм

Uвых, В

-15

-14

-13

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Чувствительность             В/м

Опыт №3

Uп=10 В , f=100 Гц, Rн=      Ом

x, мм

Uвых, В

-15

-14

-13

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Чувствительность              В/м

Вывод:

5. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

  1.  сведения о цели и порядке выполнения работы;
  2.  сведения об использованных методах измерений;
  3.  сведения о характеристиках использованных средств измерений;
  4.  необходимые электрические схемы;

данные расчетов, проводившихся при выборе средств и диапазонов измерений, при выполнении соответствующих пунктов задания;

  1.  экспериментальные данные;
  2.  три полностью заполненные таблицы отчета (см. табл. 4.3.1);
  3.  графики;
  4.  анализ полученных данных и выводы об особенностях и качестве проведенных измерений и по результатам проделанной работы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39955. Основы теории пограничного слоя 73.5 KB
  Основы теории пограничного слоя. Понятие пограничного слоя 8. Толщина пограничного слоя 8. Отрыв пограничного слоя.
39956. Основы теории подобия 362.5 KB
  Основы теории подобия План. На эти вопросы и отвечает теория подобия являющаяся основой современного физического эксперимента. В общем случае различают три вида подобия: геометрическое кинематическое и динамическое. Для площадей S и объемов V ; Применительно к физическим явлениям элементарные представления геометрического подобия расширяются и распространяются на все величины характеризующие данный процесс.
39957. Газодинамика как раздел механики сплошных сред 907.5 KB
  Краткий очерк развития механики жидкости и газа. Математический аппарат используемый в механике жидкости и газа [1. Газодинамика как раздел механики сплошных сред Многие машины и аппараты созданные к настоящему времени характеризуются перемещением газа или жидкости внутри их или перемещением самого аппарата в среде газа или жидкости. Целью курса Газодинамика является изучение явлений протекающих в газе и жидкости и закономерностей которым эти явления подчиняются.
39958. УРАВНЕНИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ ДЛЯ ЕДИНИЧНОЙ СТРУЙКИ 401.5 KB
  Предельная скорость движения газа. Уравнение неразрывности Выведем основные уравнения газовой динамики для элементарной струйки газа поперечные размеры которой настолько малы что в каждом ее сечении можно считать постоянными все основные параметры потока: скорость давление температуру и плотность газа. Чтобы получить уравнение неразрывности рассмотрим стационарное установившееся движение элементарной струйки газа рис. Элементарная струйка Рассмотрим некоторый участок струйки между двумя нормальными к поверхности тока сечениями 1 и...
39959. Элементы гидродинамики 441 KB
  Cилы действующие в жидкости 3.1 Элементарный параллелепипед в потоке жидкости Грани бесконечно малой частицы жидкости имеющей в начале движения форму прямого параллелепипеда с ребрами dx dy dz с течением времени могут скашиваться и растягиваться рис.8 представляет собой уравнение неразрывности жидкости.9 Здесь под плотностью жидкости понимается предел отношения массы частицы к ее объему 3.
39960. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ 81 KB
  ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ План лекции. Зависимость параметров потока в функции числа M. Зависимость параметров потока в функции скоростного коэффициента. Зависимость параметров потока в функции числа M.
39961. ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ 10.06 MB
  1 а е: Ft Н окружная сила на барабане ленточного или на звездочке цепного конвейера; V м с скорость движения ленты или цепи; Dб мм диаметр барабана; Zзв число зубьев тяговой звездочки; Рзв мм шаг тяговой цепи.2 Вид передачи Твердость зубьев Передаточное число Uрек Uпред Зубчатая цилиндрическая: тихоходная ступень во всех редукторах uт 350 НВ 40. Термообработка зубчатых колес редуктора улучшение твердость зубьев 350НВ. Первая группа колеса с твердостью поверхностей зубьев Н  350 НВ Применяются в слабо и...
39962. Специализированный вычислитель (СВ) 194 KB
  При обращении ВчУ в режиме Чтение к ОЗУ по адресу 034320 обращение происходит в ячейке ДЗУ с адресом 134320. Специализированный вычислитель СВ относится к классу специализированных ЭВМ и предназначен для решения специфических задач обработки информации: 1. Отображение информации на рабочих местах РМ лиц боевого расчета; 3. Вычислительное устройство ВчУ является основным операционным устройством СВ предназначенным для обработки цифровой и логической информации реагирования на сигналы прерывания внешних устройстви управления...
39963. Методы локализации неисправностей в аппаратуре СВ и РМ 47 KB
  Наиболее склонными к поломке элементами являются транзисторы. Основные же мероприятия по устранению неисправности на принципиальном уровне сводятся к выпаиванию неисправного элемента и впаиванию на его место нового в случае необходимости замены элемента резисторы транзисторы диоды и другие. На принципиальном уровне неисправными элементами могут быть транзисторы на платах: ВУ2: Т1 Т2 Т3 либо Т4. Более полная информация о неисправных транзисторах находится в перечне элементов схемы.