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

87 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

14301. Внеклассное музыкальное занятие по теме: Детская полька 1.01 MB
  Внеклассное музыкальное занятие по теме: Детская полька Возраст детей: 57 лет Время проведения: 20 минут Цель занятия: Найчить дтей танцевать Детскую польку Задачи занятия: 1 Образовательная: Расширить представление и получить знания о Чешских танца
14302. Вокальная музыка 14.72 KB
  Вокальная музыка Вокальная музыка это музыка в которой голос главенствует или равноправен с инструментами с сопровождением или a cappella. Крупные жанры музыкальнодраматическое произведение оратория средние жанры кантата вокальный цикл литургия хоровой концерт...
14303. Основи музичної грамоти 1.41 MB
  ЛЕКЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ ДО ТЕМИ Основи музичної грамоти спеціальність 5.010102. Початкове навчання Викладач Громова Н.О. Музика це мистецтво звуків. В звукових художніх образах відображається оточуюча нас дійсність передаються відчуття настрої переживання людей...
14304. Электронный осциллограф. Исследование чувствительность пластин вертикального и горизонтального отклонений осциллографической трубки 37 KB
  Отчет по лабораторной работе №2 Тема: Электронный осциллограф Цель работы. Исследовать чувствительность пластин вертикального и горизонтального отклонений осциллографической трубки. Наблюдать с помощью осциллографа синусоидальное напряжение полученное с вых
14305. Исследование электромагнитных колебаний в параллельном RLC контуре 40 KB
  Отчет по лабораторной работе №3 Тема: Исследование электромагнитных колебаний в параллельном RLC контуре Задача Для параллельного LC колебательного контура измерить и вычислить следующие величины: В режиме свободных затухающих колебаний: период колебаний лог
14306. Экспериментальная проверка принципа эквивалентности масс 142 KB
  Отчёт по лабораторной работе №4 Тема: Экспериментальная проверка принципа эквивалентности масс Задача: 1. Проверка принципа эквивалентности масс. 2. Измерение ускорения свободного падения тел. 3. Знакомство с методом измерения длительности импульсов частот
14307. Измерение отношения заряда электрона к постоянной Больцмана 66.2 KB
  Отчет по лабораторной работе №7 Тема: Измерение отношения заряда электрона к постоянной Больцмана Задача Измерить зависимость тока короткого замыкания коллектора транзистора от напряжения между эмиттером и базой. По результатам измерений определить отнош
14308. Измерение скорости звука в твёрдых телах 35 KB
  Отчет по лабораторной работе №9 Тема: Измерение скорости звука в твёрдых телах. Задача Измерить скорость распространения продольной волны сжатия в образце. Измерить скорость распространения сдвиговой волны в образце. Блоксхема экспериментальной уст...
14309. Исследование электрических процессов в переходных цепях. Явления дифференцирования и интегрирования 73.11 KB
  Отчет по лабораторной работе №10в Тема: Исследование электрических процессов в переходных цепях. Явления дифференцирования и интегрирования. Задача Исследовать электрические процессы в переходных цепях. Познакомиться с явлениями дифференцирования и интег