5722

Индуктивные измерительные устройства для линейных измерений

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В современном производстве все большую роль играют технические измерения. В современной технике производственных измерений наибольшую долю занимают электронные измерительные устройства для линейных измерений. Среди последних наибольшее р...

Русский

2012-12-18

480 KB

80 чел.

ВВЕДЕНИЕ

В современном производстве все большую роль играют технические измерения. В современной технике производственных измерений наибольшую долю занимают электронные измерительные устройства для линейных измерений. Среди последних наибольшее распространение получили индуктивные измерительные устройства.

Индуктивные измерительные устройства, использующие преобразование измеряемой величины в изменение параметров катушки индуктивного датчика, применяются для измерения и контроля разнообразных параметров технологических процессов. Однако наиболее распространенными и совершенными с метрологической точки зрения являются индуктивные измерительные устройства для линейных перемещений. Именно последние и будут являться основным предметом дальнейшего рассмотрения.

В нашей стране индуктивные измерительные устройства для линейных измерений получают все более широкое распространение. Отечественные инструментальные заводы за последние годы освоили серийный выпуск весьма совершенных индуктивных измерительных приборов и систем для автоматизации высокоточных линейных измерений. Индуктивные измерительные устройства имеют высокую точность измерений, позволяют получить унифицированный электрический сигнал, пропорциональный результатам измерений, в аналоговой или цифровой форме для использования в автоматизированных системах управления; имеют возможность автоматического управления исполнительными объектами по результатам контроля, в том числе непосредственно в процессе выполнения технологической операции.

Большое распространение индуктивные измерительные устройства получили и за рубежом, где они занимают ведущее место в производственных программах инструментальных фирм как по номенклатуре, так и по объему.

Характерной особенностью индуктивных измерительных устройств зарубежных фирм является выпуск измерительных приборов во многих вариантах для решения разнообразных измерительных задач, например в исполнении для визуального отсчета; с управляющими командами при их различном количестве; для контроля погрешности формы; с вычислением статистических характеристик из результатов измерений и т. д. В состав гаммы индуктивных измерительных устройств входит или отдельный самописец или индуктивный самопишущий прибор. Приборы имеют возможность использования в автоматизированных системах обработки информации. Значительное внимание уделяется приборам управляющего контроля в процессе обработки, которые выпускаются в нескольких модификациях.

Для зарубежных индуктивных измерительных устройств характерно значительное число моделей индуктивных датчиков, как правило, используемых со всеми индуктивными устройствами данной фирмы. Все большее распространение получают приборы с цифровым отсчетом.

Несмотря на широкое распространение индуктивных измерительных устройств в технике производственных измерений, в их разработке в настоящее время господствует экспериментальный подход, при котором выбор конструктивных и схемных решений индуктивного устройства в основном базируется на опыте разработчика и данных экспериментальных исследований. В результате конструктивные и схемные решения устройств различных разработчиков (а порой и одного разработчика) существенно отличаются друг от друга при близких технических и эксплуатационных характеристиках устройств.

Наибольшую сложность при разработке индуктивного измерительного устройства представляет оптимизация конструкции индуктивного датчика. Применяемые для расчета последних выводы электромагнитной теории цепей не учитывают метрологическую сущность индуктивного датчика и не устанавливают в очевидной форме связь его конструктивных и метрологических характеристик. Это приводит к возможности осуществления для индуктивного датчика  лишь приближенного проверочного расчета градуировочной характеристики при его известной конструкции.

Необходимо отметить, что задача синтеза индуктивного измерительного устройства является эвристической задачей, решаемой методом «предвидеть — подтвердить» и имеющей целью создание индуктивного преобразователя с наилучшими метрологическими характеристиками. Решение этой задачи наиболее сложно для индуктивного датчика перемещений ввиду существования большого числа различных конструктивных вариантов датчика, обеспечивающих требуемые метрологические характеристики.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ИХ РАЗНОВИДНОСТИ

Принцип действия индуктивных датчиков заключается в преобразовании величины измеряемого размера в полное сопротивление катушки индуктивности. Такой датчик представляет собой катушку индуктивности или взаимной индуктивности того или иного вида.

Наиболее часто в качестве датчиков размера используются катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками. Индуктивность такой катушки при малых величинах немагнитных зазоров в магнитопроводе описывается формулой

,

где µ0=4π·10-7 — магнитная постоянная; ω — число витков катушки; lc, sc, µc — длина, площадь сечения и относительная магнитная проницаемость участков ферромагнитного сердечника соответственно; lз, sз — длина и площадь немагнитных зазоров в сердечнике.

Из формулы следует, что при изменении длины lз или площади sз немагнитных зазоров в сердечнике изменяется индуктивность катушки. Этот принцип и используется в индуктивных датчиках с переменным зазором (а) и переменной площадью (б). Пусть с изменением измеряемого размера связано изменение длины немагнитного зазора lз (а). В этом случае при изменении зазора lз произойдет относительное изменение индуктивности L:

Поскольку для катушки с сердечником обычно µc>>1 и scsa, то последнее выражение можно представить в виде

.

С помощью электрических методов можно измерить δL= 0,1 ÷ 0,01%, что эквивалентно относительному изменению δlз= 0,001 ÷ 0,0001. Если мы используем катушку индуктивности, для которой lз=0,5 мм, то минимальные изменения размера,   которые удается измерить, будут составлять 0,5 — 0,05 мкм. Таким образом, представляется возможным создание на базе катушки   индуктивности высокочувствительного измерительного преобразователя   перемещений и размеров.

На рисунках а и б приведены схемы контактного датчика размера с катушкой индуктивности, имеющей ферромагнитный сердечник. Сердечник катушки разделен на две части — неподвижную, называемую собственно сердечником и несущую катушку индуктивности, и подвижную, закрепленную на измерительном стержне и называемую якорем. Изменение размера детали или ее перемещение приводит к перемещению якоря относительно сердечника и к изменению немагнитного зазора в магнитопроводе катушки. Последнее вызывает изменение индуктивности катушки и, следовательно, изменение ее полного сопротивления:

где Rп — активное сопротивление потерь катушки; ω=2πf — круговая частота питающего катушку тока; f — частота питающего тока.

Рис.1. Принципиальные схемы индуктивных датчиков

Можно построить и бесконтактный индуктивный датчик, используя схему, приведенную на рис. 1 а и б. В этом случае якорем служит сама контролируемая деталь, и через нее замыкается магнитный поток, создаваемый катушкой в сердечнике. Изменение размера детали ведет к изменению зазора lз и к изменению индуктивности катушки L. По бесконтактной схеме можно контролировать как ферромагнитные, так и неферромагнитные металлические детали. В последнем случае датчик работает с использованием эффекта вихревых токов.

Индуктивный датчик может быть построен по схеме с перемещением в магнитном поле катушки ферромагнитного разомкнутого сердечника рис. в. Такие датчики называют соленоидными.

Разновидности индуктивных датчиков

Существует много различных типов индуктивных датчиков перемещений.

По схеме построения датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные.

Одинарный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный — две. В дифференциальном датчике при изменении сверяемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком (зеркально).

Принципиальная схема одинарного индуктивного датчика показана на рис. 2:

Рис.2. Принципиальные схемы индуктивных датчиков:

одинарный (а) и дифференциальный (б).

Дифференциальный индуктивный преобразователь (рис.26) состоит из двух одинаковых простых преобразователей. Под действием входной величины ΔL полное сопротивление обоих преобразователей изменяется зеркально, т. е. на одну и ту же величину, но с разным знаком. Схема включения дифференциального преобразователя реагирует на алгебраическую разность полных сопротивлений, за счёт чего у дифференциального преобразователя чувствительность повышается в 2 раза по сравнению с одинарным. Последнее справедливо при одинаковых конструктивных параметрах преобразователей.

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Схема включения индуктивного датчика перемещений осуществляет его согласование с электрическим вторичным измерительным преобразователем и преобразует изменение полного сопротивления датчика в изменение электрического тока или напряжения. Электрические вторичные измерительные преобразователи индуктивных измерительных устройств являются общими для самых разнообразных электрических устройств, предназначенных для измерения различных неэлектрических величин. Такие преобразователи достаточно подробно рассмотрены в литературе. Поэтому ниже мы ограничимся рассмотрением только схем включения индуктивных датчиков перемещений, нашедших применение в современных индуктивных измерительных устройствах.

В любую схему включения индуктивный датчик размера может входить либо непосредственно, либо в составе резонансного контура параллельного или последовательного. Применение включения датчика в резонансный контур позволяет в ряде случаев повысить чувствительность измерения и улучшить линейность характеристики датчика. С этой точки зрения все схемы включения индуктивных датчиков можно разделить на безрезонансные, в которых индуктивный датчик включен в схему непосредственно, и резонансные, в которых индуктивный датчик входит в схему в составе колебательного контура.

Независимо от предыдущего деления применяют следующие типы схем включения индуктивных датчиков:

1)последовательную (схема генератора тока);

2)схему делителя напряжения;

3)мостовую;

4)частотную;

5)трансформаторную.

Применяемый тип схемы зависит от того, какой датчик применяется — индуктивный или взаимоиндуктивный. Кроме того, вид схемы одного и того же типа изменяется при включении простого и дифференциального датчика.

Последовательные схемы включения. Варианты последовательных схем показаны на рис.3:

Рис.3. Последовательные схемы включения индуктивных датчиков.

 Индуктивный датчик LД питается переменным напряжением UП. Величина тока в датчике при постоянной величине питающего напряжения будет зависеть от его сопротивления.

Схема чувствительна к изменению напряжения питания UП и частоты питающего тока f.

Таким образом, в последовательной схеме включения относительное изменение тока в цепи равно относительному изменению полного сопротивления индуктивного преобразователя, а относительная нестабильность тока равна сумме относительных нестабильностей напряжения питания и частоты питающего тока.

Используя простую последовательную схему включения индуктивного датчика, нельзя получить высокую чувствительность и точность измерений.

Последовательная схема может быть безрезонансной (рис. 3а) и резонансной (рис. 3б). В резонансной схеме ток в цепи будет определяться сопротивлением резонансного контура, состоящего из индуктивности датчика LД и конденсатора С. При изменении LД это сопротивление меняется, вызывая изменение тока. Если частота питающего напряжения f совпадает с собственной частотой колебательного контура , то сопротивление последовательного колебательного контура (рис. 3б) минимально, а параллельного (рис. 3в) — максимально. При изменении индуктивности датчика LД равенство частот будет нарушено, и сопротивление последовательного контура будет увеличиваться, а параллельного — уменьшаться. Соответствующим образом будет изменяться и ток в цепи. Чувствительность резонансной последовательной схемы в несколько раз выше чувствительности безрезонансной последовательной схемы.

Вариант последовательной схемы для включения дифференциального датчика показан на следующем рисунке:

 Рис.4. Последовательная схема включения дифференциального датчика.

Каждая половина датчика LД ' и LД " питается переменным током с напряжением UП. При изменении измеряемого размера одна индуктивность уменьшается, а другая увеличивается на одну и ту же величину. Соответствующим образом изменяются токи в цепях обмоток датчиков. Эти токи i1 и i2 выпрямляются диодами Д1Д4 и Д5Д8 и во встречной полярности протекают через измеритель тока А. Измеритель тока будет показывать разницу токов в цепях обмоток LД ' и LД " ΔI=i1i2. При равенстве полных сопротивлений Zд' = Zд " токи в их цепях будут равны, и амперметр А покажет нуль. При изменении измеряемого размера равенство сопротивлений нарушится, и показания амперметра будут отличаться от нуля.

Направление тока через амперметр будет зависеть от того, в цепи какой катушки LД ' или LД " ток в данный момент больше.

Такие схемы включения дифференциальных индуктивных датчиков, которые реагируют не только на величину смещения измерительного стержня из нулевого положения, но и на направление смещения, называют фазочувствительными.

Схемы делителей напряжения. При включении по схеме делителя напряжения датчик LД включается в цепь последовательно с некоторым постоянным сопротивлением Z, которое в общем виде может быть комплексным. Добавочным сопротивлением может служить, например, резистор, индуктивность или емкость. При питании цепи переменным напряжением, напряжение на датчике, измеряемое вольтметром V того или иного типа, будет зависеть от полного сопротивления датчика. Если соблюдается условие Z » ωLД, то

напряжение на датчике прямо пропорционально величине его индуктивности.

С другой стороны, выходное напряжение схемы делителя напряжения зависит также от величины напряжения питания Uп и частоты питающего тока f. Следовательно, стабильность источника питания по частоте и напряжению определяет погрешность преобразования измерительного сигнала схемой делителя напряжения.

Рис.5. Схемы делителя напряжения.

Резонансная схема делителя показана на рис.5 б и в. Работа этой схемы аналогична работе обычной схемы делителя с учетом свойств резонансного контура, описанных при рассмотрении последовательной резонансной схемы.

Включение дифференциального датчика в схему делителя напряжения показано на рис.6:

Рис.6. Включение в схему делителя напряжения дифференциального датчика.

Обмотки датчика  LД и LД ‘’ образуют делитель   напряжения,   питаемый

переменным током. При изменении индуктивностей обмоток будет изменяться их полное сопротивление и падение напряжения на обмотках. Это падение напряжения выпрямляется диодами D1 и D2. Конденсаторы С1 и С2 служат для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, а резисторы R1, R2, RЗ являются сопротивлениями нагрузки для выпрямителей. Показывающий вольтметр V подключен к одноименным полюсам выпрямителей. В этом случае он будет показывать разницу напряжений на обмотках датчика LД и LД ‘’. Когда индуктивности обмоток равны, равны и их полные сопротивления и падения напряжения на них. Вольтметр при этом покажет нуль. Регулировка нулевых показаний вольтметра при настройке может осуществляться переменным резистором R2.

Мостовые схемы. Весьма широкое распространение для включения индуктивных датчиков нашла мостовая схема включения в различных вариантах. Общий вид мостовых схем включения недифференциального индуктивного датчика показан на рис.7:

Рис.7. Мостовые схемы включения.

 Условие равновесия мостовой схемы формулируется следующим образом: «для равновесия мостовой схемы необходимо, чтобы произведения модулей комплексных сопротивлений накрест лежащих плеч моста, а также суммы их углов фазовых сдвигов были равны между собой».

При изменении индуктивности датчика условие равновесия моста нарушается, и выходное напряжение моста пропорционально изменению индуктивности.

Плечи мостовой схемы в общем случае являются комплексными сопротивлениями и в конкретных схемах включения могут быть реализованы включением резисторов, индуктивностей или емкостей.

Эти мостовые схемы работают в режиме неуравновешенного моста, при котором изменение индуктивности датчика размера ведет к пропорциональному изменению выходного напряжения на измерительной диагонали моста. Для включения датчиков применяют также мостовые схемы, работающие в режиме уравновешенного моста (рис.8):

Рис.8. Схема с уравновешенным мостом.

Напряжение с измерительной диагонали в такой мостовой схеме подается на усилитель У, на выходе которого включен реверсивный двигатель РД. При сбалансированной мостовой схеме напряжение на ее измерительной диагонали равно нулю, и двигатель неподвижен. При изменении индуктивностей датчика происходит разбаланс мостовой схемы, усиленное напряжение разбаланса подается на двигатель и заставляет его вращаться. Вал двигателя кинематически связан с движком резистора R2 и при вращении восстанавливает балансировку моста. Как только мост уравновесится, напряжение на его измерительной диагонали станет равным нулю и двигатель остановится. Чем больше изменение индуктивности датчика, вызвавшее разбаланс моста, тем большее изменение сопротивления резистора R2 необходимо для восстановления равновесия. С валом двигателя кроме движка резистора R2 связана стрелка, показывающая результат измерения.

Мостовые самоуравновешивающиеся измерительные схемы сложнее неуравновешенных мостовых схем. Однако они позволяют получить более высокие метрологические характеристики, что делает целесообразным их применение в ряде случаев.

Частотная схема включения. Для преобразования индуктивности датчика в частоту переменного тока применяют генераторные схемы (рис.9):

Рис.9. Частотные схемы включения.

Основой генераторной схемы является колебательный контур, составленный индуктивностью датчика LД и постоянной емкостью С. Контур включен в схему электронного генератора Г, который генерирует переменное напряжение с частотой, равной собственной частоте колебательного контура. При изменении индуктивности датчика изменяется частота на выходе генератора, измеряемая частотомером. Частота генератора зависит в основном от индуктивности датчика и не зависит от его сопротивления потерь (это верно только в первом приближении). Поскольку сопротивление потерь датчика обычно в большой степени зависит от различных внешних факторов, то избавление от его влияния на результаты измерения повышает точность измерений.

Генераторная схема может применяться для включения как недифференциальных датчиков (рис. 9а), так и дифференциальных (рис. 9б). В последнем случае имеется два колебательных контура, составленных каждой обмоткой датчика и конденсаторами С1 и С2, и два генератора Г1 и Г2. Частоты с обоих генераторов f1 и f2 поступают на смеситель, который выделяет разностную частоту. Эта разностная частота, в свою очередь, измеряется частотомером.

Подбором емкостей С1 и С2 генераторы настраиваются так, чтобы в одном из крайних положений измерительного стержня датчика выполнялось условие f1= f2 и Δf=0. Тогда показания частотомера будут пропорциональны величине смещения измерительного стержня из крайнего положения.

Трансформаторная схема включения. Взаимоиндуктивные датчики включаются по трансформаторной схеме (рис.10):

Рис.10. Трансформаторные схемы включения.

Трансформаторная схема включения недифференциального взаимоиндуктивного датчика показана на рис. 10а. Одна обмотка датчика питается переменным напряжением постоянной величины UП. За счет магнитной связи между обмотками во второй обмотке наводится ЭДС, которая измеряется соответствующим вольтметром.

Изменение измеряемого размера приводит к изменению связи между обмотками и к изменению ЭДС на вторичной обмотке. Таким образом, ЭДС на выходе вторичной обмотки будет зависеть от измеряемого размера.

Дифференциальная трансформаторная схема (рис.10б) отличается наличием двух вторичных обмоток у датчика. Измерительный вольтметр в этом случае измеряет разность напряжений на обмотках.

Трансформаторная схема включения индуктивных датчиков весьма проста и практически не требует каких-либо дополнительных элементов. Однако конструкция датчика при этом усложняется, появляется потребность в нескольких обмотках и соответствующем количестве соединительных проводов.

PAGE  5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43347. Технологии аппаратной виртуализации 64.5 KB
  Аппаратная виртуализация — виртуализация с поддержкой специальной процессорной архитектуры. В отличие от программной виртуализации, с помощью данной техники возможно использование изолированных гостевых систем, управляемых гипервизором напрямую. Гостевая система не зависит от архитектуры хостовой платформы и реализации платформы виртуализации.
43349. Публіцистика Уласа Самчука 108.5 KB
  Деяка молодь не знає своєї історії і не може відповісти на питання Хто були їх предки. А коли все одно то це значить що все одно для нас хто є ми самі Це значить що ми не нарід не якась спільна історична збірна сила а невиразна юрба сіра маса вічно принижена без всяких ідеалів чернь4. Замкнутість людини лише у сільському просторі неминуче призведе до відчуження її від міста.
43351. РЕСУРСИ КОМЕРЦІЙНОГО БАНКУ, ЇХ ФОРМУВАННЯ ТА МЕНЕДЖМЕНТ 195 KB
  Ресурси комерційного банку їх склад та структура. Власний капітал комерційного банку та його формування. Залучений капітал комерційного банку та його характеристика.
43352. Флористичні дані про медоносні рослини луків, які найбільш поширені на території України 210.5 KB
  Загальна характеристика Шишацького району та Полтавської області Розділ 2.6 Інші рослини Висновки Література ВСТУП Об'єктом нашого дослідження є медоносні рослини які поширені в Шишацько му районіПолтавської областіїх значення у житті людини та характеристика. В Шищацькому районіПолтавської області нараховується велика кількість медоносних рослин. Загальна характеристика Шишацького...
43354. РЕАЛІЗАЦІЯ ЗМІШАНОЇ КРИПТОСИСТЕМИ ПОПЕРЕДНЬОГО ШИФРУВАННЯ 544 KB
  Цей пункт забезпечує разгортання системи конфіденційного зв’язку управління роботою системи конфіденційного зв’язку первісну генерацію та розповсюдження ключів управління персоналом. Для автентифікації відкритих ключів дозволяеться використовувати послуги регіонального центру сертифікації. Генерація сеансових ключів для ГОСТ 2814789 перешифрування в режими простої заміни алгоритма ГОСТ 2814789 послідовності що отримана відповідно до пункту 1.2 Розповсюдження ключів за допомогою асиметричних криптосистем [3.