Щепотов А.Г., Строганов Д.А. Основы проектирования приборов и систем, страница 2

а)

б)

в)

Рис. 2 Функциональные схемы объектов проектирования:

а - индуктивного измерительного прибора прямого преобразования (ИНДИП-ПП);б - индуктивного измерительного прибора уравновешивающего компенсационного преобразования (ИНДИП-КП);в - индуктивного измерительного прибора уравновешивающего следящего преобразования (ИНДИП-СП).

Параметры цепи подбираются так, чтобы общая статическая характеристика прибора совпадала с его желаемой статической характеристикой , где - показание прибора, или была достаточно близка к ней (в пределах допустимой погрешности). Для достижения высокой точности измерений все звенья прибора должны иметь малые погрешности, так как суммарная погрешность ИНДИП-ПП равна сумме погрешностей его звеньев.

ИНДИП-КП (рис. 2,б) содержат реверсивный двигатель и цепь отрицательной обратной связи, куда входят редуктор и дифференциальный компенсационный потенциометр . Напряжение с выхода индуктивного датчика после преобразования в цепи промежуточных преобразователей поступает в управляющую обмотку реверсивного двигателя , что приводит к повороту вала двигателя на угол , от величины которого зависит показание прибора . Вал двигателя связан с подвижным контактом (щеткой) дифференциального компенсационного реохорда. При вращении вала она перемещается на величину , от которой зависят сопротивления двух половин реохорда и , также включенных в схему моста. Направление перемещения щетки (и вала двигателя) таково, что с течением времени степень разбаланса моста уменьшается и в установившемся режиме становится равной нулю. Соответствующее установившееся показание прибора зависит от измеряемой величины . Зависимость от определяет статическую характеристику прибора . Такие приборы имеют более сложную конструкцию чем ИНДИП-ПП и меньшее быстродействие. Однако они могут обладать высокой точностью. Это связано с тем, что погрешности звеньев, охваченных отрицательной обратной связью, в меньшей степени сказываются на погрешности ИНДИП-КП, чем ИНДИП-ПП.

В ИНДИП-СП отрицательная обратная связь «заводится» непосредственно на вход прибора (рис.2,в). В этом случае перемещение якоря , приводящее к разбалансу мостовой схемы, вызывает перемещение сердечника (корпуса ) в том же направлении и на ту же величину. В таком приборе увеличивается число звеньев, охватываемых отрицательной обратной связью, что ведет к дальнейшему повышению точности измерений. Однако приборы следящего преобразования (как и ИНДИП-КП) подвержены опасности потери устойчивости, что проявляется в возможности возникновения в них автоколебаний.

В зависимости от варианта задания в разрабатываемом приборе могут использоваться ДИП с переменной величиной воздушного зазора (ДЗИП), с переменной площадью воздушного зазора (ДПИП), или преобразователи соленоидного типа (ДСИП). На рис. 3 показаны принципиальные схемы этих устройств. Все они состоят из двух идентичных одинарных индуктивных преобразователей, имеющих общий якорь. При перемещении якоря сопротивление одного преобразователя ( ) увеличивается, а другого ( ) – уменьшается (см. рис. 10).

В зависимости от варианта задания, схема включения катушек может быть последовательно-симметричной или параллельно-симметричной (рис. 4). Последовательно-симметричная схема допускает использование низкоомных преобразователей, которые в случае их включения в ПОСМ шунтируют источник питания. Кроме того, эти схемы отличаются разной зависимостью напряжения в измерительной диагонали моста от сопротивлений катушек ДИП и (см. (2), (3)).

Рис. 3. Принципиальные схемы дифференциальных индуктивных преобразователей перемещения

а) б)

Рис. 4. Схемы включения

а) б)

Рис. 5. Компенсационные схемы включения катушек :

а) последовательно-симметричная; б) параллельно – симметричная.

Если объектом проектирования является ИНДИП-КП, то схемы, показанные на рис. 4, дополняются дифференциальным (со средней точкой) компенсационным потенциометром (рис. 5).

Принципиальная схема и конструкция конкретного варианта прибора разрабатываются самостоятельно путем сочетания базовых элементов прибора, указанных в индивидуальном варианте задания. Из них нужно «собрать» прибор заданного типа, предназначенный для измерения заданной физической величины.

На рис. 6, а показана схема датчика индуктивного акселерометра. В нем используется дифференциальный индуктивный преобразователь с переменной величиной воздушного зазора . Его катушки 5 включаются в мостовую схему с помощью подводящих проводов 1, а роль инерционной массы выполняет якорь 4, закрепленный в центрах двух плоских пружин (мембран) 3, выполняющих роль упругого подвеса. Необходимое демпфирование обеспечивается вязкой жидкостью, заполняющей внутреннюю полость корпуса 1.

а) б)

Рис. 6. Пример конструкции индуктивных датчиков

а - ускорения; б – силы

На рис. 6,б показана схема датчика индуктивного динамометра. В нем измеряемое усилие воздействует на упругий элемент, выполненный в виде двух тарельчатых мембран 1, а в качестве основного измерительного преобразователя используется дифференциальный индуктивный преобразователь соленоидного типа (ДСИП) 2.

На рис. 7 показаны два варианта конструкции индуктивных датчиков давления. В датчике на рис. 7, а при изменении давления контролируемой среды изменяется зазор между мембраной М и сердечником 3 полудифференциального индуктивного преобразователя. В результате изменяется индуктивность рабочей катушки преобразователя 1. Катушка 2 служит для компенсации влияющих факторов. Соединение датчика с последующими преобразователями осуществляется через электрический разъем 4. В таком датчике чувствительным элементом прибора является мембрана М, а предварительным преобразователем – трубопровод, соединяющий датчик с объектом измерений (на рис. 6, а не показан). Если трубопровод отсутствует (датчик ввертной), то предварительный преобразователь также отсутствует.

а б

Рис. 7. Варианты конструкции индуктивных преобразователей давления

В датчике на рис. 7, б чувствительным элементом является трубка Бурдона 3, с помощью которой давление контролируемой среды преобразуется в перемещение якоря 1 дифференциального соленоидного индуктивного преобразователя 2. Использование такого преобразователя способствует снижению погрешностей прибора

На рис. 8 показана схема индуктивного измерительного прибора следящего преобразования.

Рис. 8. Пример схемы ИНДИП – СП

При перемещении якоря 1 дифференциального индуктивного преобразователя с переменной площадью воздушных зазоров изменяются сопротивления катушек и . В результате нарушается равновесное состояние мостовой схемы включения СВ и в ее измерительной диагонали появляется напряжение, зависящее от перемещения якоря . ДПИП и СВ образуют дифференциальный индуктивный датчик. С помощью усилителя – преобразователя УП выходное напряжение датчика преобразуется в напряжение , поступающее в управляющую обмотку двигателя Д. С помощью кинематической передачи КП вал двигателя связан с корпусом ДИП, а с помощью редуктора Р - с отсчетным устройством ОУ. При вращении вала корпус ДИП перемещается в направлении, совпадающим с направлением измеряемого перемещения. По завершение переходного процесса устанавливается равенство перемещений и восстанавливается равновесное состояние моста. Соответствующее показание прибора является результатом измерений.

На рис. 9 показана схема индуктивного динамометра компенсационного преобразования. Измеряемое усилие с помощью упругого элемента 1 преобразуется в перемещение якоря дифференциального соленоидного индуктивного преобразователя ( ) 2. Его катушки включены в параллельно - симметричную мостовую схему переменного тока ( ). Пружина 3 обеспечивает необходимое измерительное усилие (см. (11)). Цепь отрицательной обратной связи образована лентопротяжным механизмом , а цепь - редуктором, выходная ось которого связана со стрелочным отсчетным устройством .