5.Преобразователи неэлектрических параметров ТП. Индуктивные датчики.

Чувствительные элементы, преобразующие контролируемую или регулируемую величину в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи или дальнейшей обработки, называют датчиками.

 

Обычно в системах автоматического управления для передачи информации используются электрические сигналы. Поэтому широко применяются датчики, преобразующие неэлектрический сигнал в электрический. Датчики могут классифицироваться по назначению: датчики температуры, давления, уровня, линейных и угловых перемещений, состава веществ, оптических величин и т. п. Возможна классификация и по параметру датчика, изменяющемуся в результате преобразования измеряемой величины, — датчики активного сопротивления, емкостные, индуктивные и т. п.

Емкостные датчики. Принцип действия емкостных датчиков основан на преобразовании линейных или угловых перемещений в изменение емкости конденсатора. Ёмкость С любого плоского конденсатора равна

 

              (1)

где ₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85х Ф/м; — диэлектрическая .проницаемость среды между пластинами; S — площадь перекрытия пластин, м²;  — зазор между пластинами, м.

Относительная чувствительность плоского емкостного датчика с переменным зазором

                              (2)      

Емкость датчика углового перемещения

                    (3)

где S — площадь перекрытия пластин при  = 0;  — угол пово­рота пластины.

Чувствительность такого датчика

                  (4) 

Из формулы  видно, что емкость датчика можно изменять, изменяя  зазор  между  пластинами,   площадь перекрытия  пластин или диэлектрическую проницае­мость диэлектрика

Так как сила электростати­ческого взаимодействия между пластинами очень мала, то рас­сматриваемые датчики находят широкое применение и тех слу­чаях, когда недопустимы боль­шие измерительные усилия. Они удобны для измерения вибраций с высокой частотой. Все емкост­ные датчики работают на переменном токе повышенной частоты (до 1000 Гц), что является их недостатком, так как усложняется схема из-за необходимости устранения паразитных емкостей. В настоящее время разработаны датчики с переменной площадью, работающие на частоте 500 Гц.

Наиболее распространенными схемами включения емкостных датчиков являются контурные и мостовые схемы. Последние в основ­ном применяются с дифференциальными емкостными преобразовате­лями. Это дает возможность получить большую чувствительность при компенсации некоторых вредных внешних факторов (например, температуры). Емкости дифференциального датчика  и  включаются в соседние плечи моста; в два других плеча включаются или взаимосвязанные индуктивно­сти, или полуобмотки трансформатора источника пита­ния , или низкоомные сопротивления. Для исключения влия­ния емкостей кабеля в схеме предусматривают специальные меры. Сигнал на выходе , такого моста практически линейно зависит от изменения емкости датчика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1-Емкостной датчик углового перемещения

 

 

Схема включения емкостного датчика в контурную цепь показана на рис, 2, где LC — контур, емкость  которого образована датчиком и питается от генератора Г стабильной частоты. Вслед­ствие изменения емкости датчика изменяется напряжение  на настроенном  контуре.

 

 

Рисунок 2-Схема включения емкостного датчика в резонансный контур

Ответ22

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики предназначены  измерения угловых и линейных перемещений, которые преобра­зуются в изменение индуктивности. Так как управляющим уст­ройством такого датчика является реактивное сопротивление, то питание схемы осуществляется от источника переменного тока.

Индуктивные датчики не имеют трущихся контактов, поэтому в сравнении с потенциометрическими они обладают большей надеж­ностью и более высокой чувствительностью Схема простейшего индуктивного датчика с подвижным яко­рем приведена на рис. 3

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3-Индуктивный датчик

Этот датчик представляет собой ка­тушку L, размещенную на сердечнике 2 из ферромагнитного материала. Обмотка в простейшем случае включена в цепь пе­ременного питания последовательно с со­противлением нагрузки z_н. При перемеще­нии якоря 3 в направлении х изменяются зазор 6 и индуктивное сопротивление дат­чика. Индуктивность датчика, приведен­ного на рис. 3,

    (5)

   где  число витков обмотки; Z_м - полное магнитное сопротивление цепи,   1/Гн;

 и х_м — активная и реактивная составляющие магнитного со­противления цепи, 1/Гн; — магнитное сопротивление воздуш­ного зазора, 1/Гн, равное

                  (6)

где  — величина воздушного зазора, м;  — площадь зазора, м²;  — магнитная проницаемость воздуха,   равная  4- Гн/м.

Рнсунок 4 Схема дифференциального ин­дуктивного датчика

Пренебрегая в формуле (5) сопротивлением магнитопровода, которое мало в сравнении с сопротивлением , получаем

  (7)

Из этой формулы следует, что зависимость индуктивности дат­чика от величины зазора нелинейна  Приближенно в диапазоне изменения зазора от 0,1 до 0,15 б₀ (₀ — начальный зазор) характеристику можно считать линейной. Поэтому описан­ные датчики нашли применение для измерения малых перемеще­ний — от единиц микрометров до единиц миллиметров. Если якорь датчика перемещается в направлении z , то его ин­дуктивность изменяется в зависимости от изменения площади зазора. Эта зависимость линейна. Такие датчики позволяют измерять перемещения в несколько сантиметров.

Для получения линейной характеристики в большом диапазоне изменения зазора L = f(б) используют реверсивные схемы (диф­ференциальные индуктивные датчики). Когда якорь L находится в среднем положении, т. е.  = б₂ = , то индуктивно­сти обеих катушек 2 и 3 одинаковы и выходное напряжение , равно нулю. При отклонении якоря в какую-либо сторону на вы­ходе датчика появляется напряжение, которое возрастает с увеличением х. При изменении направ­ления перемещения х фаза выходного на­пряжения изменяется на 180'. Характери­стика датчика x)                       представлена на рнс.5. Параметры датчика выбира­ются так, чтобы в допустимых пределах изменения х зависимость  = f(x) была линейна.

Чувствительность дифференциального датчика примерно в два раза выше по сравнению с рассмотренным выше простейшим дат­чиком (см. рнс. 9.18). С точки зрения динамики индуктивные дат­чики рассматриваются как безынерционные звенья.

Индуктивные датчики с переменной площадью зазора более уни­версальны, чем с переменным зазором. Они находят широкое при­менение в авиации, так как удовлетворительно работают при ча­стоте бортовой сети. Конструктивное исполнение индуктивных датчиков различно. Обычно индуктивные датчики работают при частотах, не превышающих 5000 Гц, так как на более высоких частотах возрастают потери на перемагничиванне.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5-Характеристика дифференциального индуктивного датчика

 

 

Для измерения угловых перемещений используется дифференци­альный трансформаторный датчик с поворотным движением якоря. На среднем стержне 1 расположена обмотка, подклю­ченная к источнику питания. Вторичные обмотки расположены на крайних стержнях 2, 3 и соединены так, что наводимые в них ЭДС сдвинуты по фазе на 180". При нулевом положении якоря (отсутствует изменение углового перемещения х) ЭДС во вторич­ных катушках равны и выходное напряжение равно нулю. При отклонении  якоря от нулевого положения появляется  выходное напряжение, фаза которого зависит от направления углового перемещения х.