Краткие теоретические сведения.

Лабораторная работа № 2а

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКТИВНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

Цель работы: знакомство с конструкцией датчиков давления, исследование их статических характеристик при различных схемах включения, расчет параметров электрических и магнитных цепей.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Датчики давления нашли широкое применение, как в научных исследованиях, так и при автоматизации процессов горного и нефтегазового производств.

Индуктивный датчик давления является параметрическим электромагнитным преобразователем. У него под воздействием прогиба мембраны, образующегося от действия на нее давления жидкости, изменяются воздушные зазоры D1, D2 магнитной цепи (см. рис. на щите), что приводит к изменению магнитного сопротивления Z_м. В результате этого изменяются индуктивности L₁ и L₂ катушек датчика, связанные с магнитным сопротивлением зависимостью

 

L=W² /Z_м, (1)

где W - число витков катушки.

Полное электрическое сопротивление цепи, образованной обмоткой (половина обмотки дифференциального датчика) и добавочным сопротивлением R₁ (рис. I) определится из выражения

Z=R₁+R_w+jwW²/Z_м, (2)

где R_w - активное сопротивление обмотки; w - частота питающего напряжения.

 

	Рис. 1. Электрическая схема обмотки датчика

 

 

Магнитное сопротивление цепи складывается из сопротивлений отдельных ее звеньев и носит комплексный характер

Z_м=R_м+jX_м+R_d, (3)

где R_м и X_м - активная и реактивная доставляющие потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи, R_d - магнитное сопротивление воздушных зазоров.

Подставив (3) в (2), получим

Z=R₁+R_w+wW²X_м/Z_м²+jwW²(R_м+R_d)/Z_м². (4)

Векторная диаграмма электрической цепи, построенная по выражению (4) представлена на рис. 2. Величина Z_w является полным сопротивлением обмотки без добавочного сопротивления R₁.

 

	Рис. 2. Векторная диаграмма электрической цепи обмотки датчика

 

Из треугольника ОАВ находим

cosj=(Z²-Z_w²+R₁²)/4R₁=(U₁²-U₂²+U₃²)/2U₃U₁, (5)

где U₁, U₂, U₃ - напряжения в соответствии с рис. 1, измеренные вольтметром с высоким входным сопротивлением. Теперь из треугольника ОСВ найдем

X_м=wW²X_м/Z_м²=Zcosj-(R₁+R_w)=U₁R₁cosj/U₃-(R₁+R_w), (6)

R_D=wW²(R_м+R_d)/Z_м²=Zsinj=U₁R₁sinj/U₃. (7)

По выражению (6) рассчитывается часть активного электрического сопротивления цепи, обусловленная потерями на перемагничивание и вихревые токи. Из выражения (7) вычисляется реактивная составляющая полного сопротивления, определяющая реактивную мощность цепи.

Полное сопротивление Z_w находится по выражению

Z_w=Ö(R_w+wW²X_м/Z_м²)²+(wW²(R_м+R_d)/Z_м²)²=U₂R₁/U₃. (8)

Полное сопротивление обмотки Z_L, определяющее индуктивность обмотки, вычисляется из выражения

Z_L=ÖZ_w²+R_w²-2R_wcosj₁=Ö(U₂²R₁²/U₃²)-(2R₁U₁cosjR_w/U₃)+2R₁R_w+R_w², (9)

где j₁ - сдвиг по фазе между током и напряжением U₂.

На основании величины Z_L можно легко рассчитать индуктивность катушки

L=Z_L/w, (10)

а при известном числе витков обмотки W =1200 и величину полного магнитного сопротивления Z_м.

Z_м=W²/L. (11)

Таким образом, по выражениям (5) - (11) на основе экспериментальных данных может быть выполнен полный расчет всех составляющих электрического сопротивления индуктивного датчика давления.

Амплитудно-частотные характеристики индуктивного датчика представляют зависимость выходного напряжения мостовой дифференциальной схемы от изменения частоты питающего напряжения при неизменной его амплитуде. Эти характеристики имеют вид, представленный на рис. 3. Они позволяют определить номинальную частоту питающего напряжения f_н, при которой выходное напряжение схемы максимально для всех значений давления на входе датчика. Кроме того, они позволяют определить диапазон колебаний частоты питающего напряжения f_н±Df, в котором при различных значениях входного давления, погрешность выходного напряжения будет минимальной, например, не превышающей 0,5%. Величина этой погрешности определяется из выражения

df=±(U_в|_fн±Df-U_в|_fн) 100%/U_в|_fн, (12)

где U_в|_fн - выходное напряжение схемы при номинальной частоте питающего напряжения; U_в|_fн±Df - тоже при отклонении частоты от номинальной.

	Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики индуктивного датчика

 

Характеристики U_в=f(Р), представляющие зависимость выходного напряжения мостовой дифференциальной схемы от давления на входе датчика при различных значениях амплитуды питающего напряжения, имеют вид, изображенный на рис. 4. Погрешность выходного напряжения для i -того значения давления определится из выражения

 

d_u=±(U_в|_Un±DUв-U_в|_Un) 100%/U_в|_Un, (13)

где U_в|_Un±DU - выходное напряжение мостовой схемы при отклонении

питающего напряжения от номинального значения U_n =0.1,0.2,0.5 В. U_в|_Uн -тоже при номинальном питающем напряжении U_n = 6 В.

	Рис. 4. зависимость выходного напряжения мостовой дифференциальной схемы от давления на входе датчика

 

 

Для исследования на стенде представлен индуктивный датчик давления типа ИД-0,8, предел измерения давления у которого составляет 0 – 0,8 кгс/см². Датчик включен в замкнутую гидросистему, давление в которой изменяется посредством сжатия сильфона, за счет плавного вращения рукой винта сильфонной камеры.

 

ВНИМАНИЕ! Не повышать давление на входе датчика более 0,8 кгс/см².

Конструкция датчика давления ИД-0,8 представлена на рис.5.

 

Рис. 5. Конструкция индуктивного датчика давления ИД-0,8.

1 – мембрана; 2 – корпус датчика; 3 –шайба мембраны; 4 – гайка, уплотняющая мембрану; 7,8 – электромагнитный сердечник с двумя катушками индуктивности; 10 – плоская пружина штока датчика; 12 – шток датчика; 17 – выходной разъем.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: