Файл: Измерительные преобразователи может понадобится.doc

4. Индуктивные преобразователи линейных величин.

Типы индуктивных преобразователей. На рис.1, а изображен наиболее распространенный преобразователь с малым воздушным зазором δ, который изменяется под действием измеряемой величины Р. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором составляет 0,01—10 мм. В этих преобразователях могут быть использованы ферритовые элементы 2 (рис.1, б), выпускаемые промышленностью; для изготовления подвижного сердечника 1 используется основание такого же элемента 2, стенки которого сошлифовываются. На рис.1, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 1, внутри которой помещен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется для измерения значительных перемещений сердечника (10—100 мм).

Рис. 1

Одним из основных достоинств индуктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1—5 В∙А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления. Лишь при малогабаритных преобразователях приходится прибегать к включению усилителя.

При перемещении якоря под действием силы изменяется воздушный зазор δ, следовательно, меняется сопротивление магнитной цепи, что приводит к изменению индуктивности L по гиперболическому закону и нелинейности характеристики:

,

где μ₀ – магнитная проницаемость воздушного зазора,

w – число витков обмотки,

S – площадь поперечного магнитопровода.

Электрическое сопротивление индуктивного преобразователя (рис.1, а), если считать, что все сопротивление утечки Rут включено параллельно зазору, выразится формулой:

Из этой формулы видно, что Z связано с длиной δ воздушного зазора зависимостью, близкой к гиперболической. С увеличением зазора и, следовательно, сопротивления R0 полное электрическое сопротивление уменьшается так, как показано на рис.2, а: от при бесконечно малом зазоре до при бесконечно большом зазоре. Линейный участок характеристики преобразователя с начальным зазором δ₀ ограничен значением ∆δ, равным (0,1÷0,15) δ₀. Относительное изменение сопротивления ∆Z/Z из-за наличия активного сопротивления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления магнитопровода в 2—5 раз меньше относительного изменения зазора εδ=∆δ/δ₀. Кроме того, следует обратить внимание на то, что при изменении сопротивления зазора Rδ изменяется не только реактивная , но и активная составляющая сопротивления Z, и вектор сопротивления изменяется так, как показано на рис.2, б.

Рис.2

Расширения линейного участка характеристики можно добиться, если выбрать в качестве выходной величины преобразователя не сопротивление Z, а проводимость Y, которая (если пренебречь сопротивлением R) связана с изменением зазора как

Изменение проводимости при относительном изменении зазора εδ=∆δ/δ₀ составит

и будет почти линейно связано с изменением зазора, в особенности при R_УТ>>Rδ. Уравнение можно представить как

откуда очевидно, что соответствующий вектор параллелен мнимой оси и сохраняет свое направление вне зависимости от изменения параметров, так как изменяются обе его составляющие.

Существенно уменьшить погрешности и увеличить линейный участок характеристики позволяет применение дифференциальных преобразователей. Поэтому в практике индуктивные преобразователи всегда выполняются дифференциальными. На рис. 8-31,а показана схематическая конструкция преобразователя для измерения малых перемещений, на рис. 8-31,б — для измерения больших перемещений. В том и другом преобразователе происходит перемещение сердечника 1 и при перемещении в направлении стрелки — увеличение сопротивления Z2 и уменьшение сопротивления Z1.

Измерительные цепи индуктивных преобразователей.

Индуктивные преобразователи могут быть следующих видов: с переменной длиной воздушного зазора; с изменяющимся сечением воздушного зазора; дифференциальные; дифференциальные трансформаторные; дифференциальные трансформаторные с разомкнутой магнитной цепью и магнитоупругие.

Наиболее распространенной измерительной цепью является неравновесный измерительный мост, в два плеча которого включены две половины дифференциального преобразователя (рис. 8-31). С измеряемой величиной линейно связана проводимость преобразователя. Поэтому оптимальным является включение преобразователей параллельно и сточнику и питание моста от источника напряжения. Уравновешивание моста в начальном положении, т. е. при отсутствии входной величины (технологически трудно получить точное равенство сопротивлений двух половин преобразователя), производится по двум составляющим — изменением сопротивления нерабочего плеча Z₃ или Z₄ и изменением сопротивления r0, включаемого в плечо, имеющее меньшее активное сопротивление. Если при ∆δ=0 цепь была уравновешена, то при ∆δ≠0 через указатель потечет ток, равный I_УК=U∆Y, где ∆Y — приращение электрической проводимости преобразователя.

Ток I_УК сдвинут по фазе относительно напряжения питания. Угол сдвига φ=90º, если R_УК→0 и φ=0 при R_УК→∞; при согласовании сопротивления указателя с выходным сопротивлением моста φ=45º. Это обстоятельство необходимо учитывать при наличии в измерительной цепи фазочувствительных устройств.

5. Методы измерения линейных и угловых величин (характеристики измеряемых величин, классификация методов измерения.

Измерения линейных и угловых величин весьма распространены, широко применяются в машиностроении, геодезии, в военном деле, космонавтике, астрономии и т.д. Например, в машиностроении они составляют 80% от всех производимых измерений. Широкое распространение измерений линейных и угловых размеров обусловлено тем, что наиболее используемые методы измерений ряда физических величин, таких, как механическое напряжение, сила, момент, давление, параметры движения, основаны на промежуточном преобразовании этих величин в угловое или линейное перемещение и измерении этих перемещений. Кроме того, выходной величиной всех аналоговых измерительных приборов является линейное или угловое перемещение указателя показывающего или регистрирующего устройства и погрешность определения этого перемещения – одна из основных погрешностей прибора.

Современная практика требует измерения линейных размеров в очень широком диапазоне (10^-15-10²³м). Угловые размеры чаще всего ограничены полной окружностью, и требуемый диапазон их измерений составляет (или 2π радиан). Нижний предел измерений линейных размеров 10^-15м соответствует размерам микрочастиц (радиусы атомных ядер лежат в пределах м) и длинам волн рентгеновского и гамма-излучения.

Относительная нестабильность длин волн лучших лазеров не менее 10^-11, а возможная для измерения доля интерференционной полосы составляет 10^-9, что в видимой области спектра (λ= м) соответствует нижнему теоретическому пределу измерения длины м. Однако, из-за тепловых флуктуаций, дробового эффекта, квантовых пределов малых перемещений и других помех нижний предел измеряемых длин в настоящее время составляет м, а угловых размеров - . Верхний предел измерения длин определяется размерами галактик, которые предположительно составляют 20-200 млрд. световых лет ( м).

Наиболее часто встречающиеся задачи измерения линейных и угловых размеров можно разделить на следующие группы:

1. Воспроизведение и измерение сверхмалых длин и перемещений (менее 10^-10м), которые необходимо выполнять при создании эталонных мер единицы длины с относительной погрешностью менее 10^-6, при измерении толщин мономолекулярных пленок, при создании средств измерений очень малых сил (10^-12Н и менее), при которых надо регистрировать смещения порядка 10^-18м, при детектировании гравитационных волн, исследовании структуры вещества и микрочастиц, определении межатомных расстояний в совершенных монокристаллах, при точном определении числа Авогадро и других экспериментальных исследованиях.

2. Измерение линейных размеров в диапазоне от 0,01 мкм до нескольких десятков метров и угловых размеров от до 360º, которые имеют место в машиностроении и приборостроении. Наиболее часто встречающиеся задачи этой группы – измерение параметров шероховатости, являющейся модификацией длины; измерение отклонений размера от заданного значения; измерение диаметров отверстий, параметров зубчатых передач, толщины деталей и изделий, в том числе при одностороннем доступе, например, измерение толщины различных антикоррозионных покрытий. В связи с развитием микроэлектронной элементной базы возникают сложные задачи измерения толщины покрытий и микропленок из полупроводниковых, изоляционных и проводящих материалов, а также толщины многослойных изделий и структур в диапазоне м.

3. Измерение размеров в диапазоне от 0,001 м до сотен метров при определении уровней жидких и сыпучих веществ в различных резервуарах и скважинах, уровня горючего в баках различных транспортных средств, разности уровней верхнего и нижнего бьефов платины, в строительстве, в геодезии и т. д.

4. Определение координат объектов и расстояний между объектами, в том числе и космическими, которые лежат в пределах от долей микрометра до многих миллиардов километров и более.

Измерение линейных и угловых размеров обычно связано с определением координат границ раздела отдельных объектов, веществ, сред и фаз, отличающихся по каким-то параметрам. Поэтому многие методы и средства измерений размеров основаны на использовании свойств различных сред или объектов, образующих границы измеряемого размера.

Основные электрические методы и соответствующие средства измерения линейных и угловых размеров в зависимости от наличия или отсутствия механического контакта между объектом и средством измерений разделяются на контактные и неконтактные. В зависимости от принципа измерительного преобразования методы делятся на электромеханические, электрофизические и спектрометрические (волновые).

Электромеханические методы в зависимости от используемого вида первичного преобразователя разделяются на резистивные, индуктивные, емкостные, оптоэлектронные, обкатывания и т.д.

Электрофизические методы в зависимости от используемого физического свойства вещества или явление делятся на электрокондуктометрические, теплокондуктометрические, магнитные, емкостные, электромагнитные, многопараметрические и т.д.

Спектрометрические (волновые) методы и соответствующие средства измерений, с одной стороны, классифицируются в зависимости от длины волны используемого излучения на звуковые, ультразвуковые, радиоволновые, СВЧ, оптические (лазерные), рентгеновские, радиоактивные. С другой стороны, в зависимости от используемого явления или комбинации явлений спектрометрические методы разделяются на локационные, интерферометрические, голографические, доплеровские и др.

При наименовании метода или соответствующего средства измерений обычно указываются два или несколько признаков, например рентгеновский интерферометр, лазерный рефрактометр и т.д. По назначению рассматриваемые средства измерений разделяются на микрометры, миниметры, толщинометры, профилометры, уровнемеры, глубиномеры, путемеры, угломеры, гониометры и т.д.

6. Контактные преобразователи и преобразователи контактного сопротивления

Электроконтактный преобразователь – это устройство, преобразующее линейное перемещение измерительного стержня в электрический сигнал – команду путем замыкания электрических контактов.

По своему назначению электроконтактные преобразователи подразделяются на три основные группы, и от того, к которой из этих групп относится преобразователь, зависит порядок его расчета и выбор конструкции.

К первой группе относятся преобразователи, обеспечивающие относительно невысокую точность фиксации положения поверхности контролируемого тела (порядка нескольких мкм). Такие преобразователи (путевые выключатели, микропереключатели и т.д.) обеспечивают установку узлов машин в требуемом положении, остановку объекта контроля на измерительной позиции и т.д. С их помощью проводят включение и выключение электрических цепей, управляющих работой электромагнитов, реле, а в некоторых случаях – двигателей. Большая допустимая погрешность фиксации положения поверхности контролируемого тела позволяет нагружать электроконтакты таких преобразователей большими токами и использовать их для включения и выключения цепей со значительными напряжениями и содержащими большие индуктивности.

Ко второй группе относятся преобразователи контроля размеров изделий, обеспечивающие более высокую точность релейного преобразования перемещения в электрическое сопротивление. Погрешность преобразования обычно не должна превышать 1-2 мкм, а в ряде случаев должна быть значительно меньше. Такие электроконтактные устройства с целью сохранения формы и размеров контактов нельзя нагружать большими токами и использовать в цепях с высокими напряжениями и большой индуктивностью. Преобразователи этой группы, например, включают в электроконтактные измерительные головки, которые, в свою очередь, подразделяются на предельные (для контроля размеров деталей в контрольных приспособлениях, контрольно – сортировочных автоматах и т.д.) и амплитудные (для контроля отклонений формы деталей от правильной).

К третьей группе относятся преобразователи, реагирующие не на механическое перемещение, а на другие величины, например, ускорение или магнитное поле, позволяющее использовать электроконтакты, находящиеся в герметически закрытом баллоне, из которого откачен воздух, и который заполняется инертным газом. Примером преобразователей этой группы являются герконы. Они применяются в электрических реле (управляются внешним магнитным полем), а также для контроля ускорений и связанных с ними величин (амплитуды, частоты вибрации и т.д.).

Контактными называются измерительные преобразователи неэлектрических величин, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной выходной величиной контактных преобразователей является перемещение.

Однопредельный контактный преобразователь показан на рис.1, а и имеет одну пару контактов 4 и 5, замыкание которых происходит в функции измеряемого перемещения, например изменения размера изделия 1. При увеличении размера изделия шток 3 переместится в направляющих 2 и укрепленный на нем контакт 4 войдет в соприкос­новение с контактом 5. При этом сопротивление между контактами 4 и 5 изменится от бесконечности до малого значения, определяемого значением контактного сопротивления.

В измерительной технике в цепях коммутации широко применя­ются магнитоуправляемые контакты, называемые герконами. В стеклянном баллоне, имеющем диаметр около 3 мм и длину около 20 мм, помещаются контактные пластины. Переключаемые токи составляют А при напряжениях до 220 В. Исследования, проведен­ные Я. Б. Петерсоном, показали, что сопротивление между контактами в замкнутом состоянии не превышает 0,1 Ом, в разомкнутом состоянии — не менее 109 Ом, емкость между контактами 0,4пФ, индук­тивность 0,5—1,5 мкГн. При замыкании контактов наблюдается в среднем шесть отскоков, и время дребезга контактов составляет 100— 120 мкс. Дребезг контактов приводит к возникновению дополнитель­ного шума. Кроме того, при наличии разницы температур между вы­водами контакта приходится учитывать термо-ЭДС, которая состав­ляет около 40 мкВ при температурном градиенте 1 К.