Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Пассивные измерительные катушки (ИК)




Пассивные ИК являются одними из самых простых датчиков для измерения переменных и импульсных МП. Принцип работы таких преобразователей основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. В таких приборах исследуемое изменяющееся магнитное поле создает переменное потокосцепление с неподвижной ИК и вызывает появление в ней индуцированной ЭДС, пропорциональной скорости изменения магнитной индукции .

Под воздействием изменяющегося МП в неподвижной ИК возникает сигнал. Источником энергии этого сигнала является электромагнитное поле. Именно поэтому такие катушки называются «пассивными».

 
Рис. 16. Пассивные ИК

Рассматриваемый датчик в общем случае является катушкой, состоящей из обмотки — некоторого числа витков металлического провода, диэлектрического каркаса, магнитного сердечника — концентратора МП и электростатического экрана. Иногда датчик представляет собой один (плоский) круговой или прямоугольной формы виток металлического провода, называемый рамкой.

На рис. 16,а показан пример плоской круглой бескаркасной ИК, состоящей из витков и помещенной в однородное переменное МП с индукцией . Для повышения чувствительности индукционных преобразователей часто применяют усилители поля в виде концентраторов МП из ферромагнитных материалов. Пример такого датчика показан на рис.16,б. Здесь в качестве концентратора используется стержневой ферромагнетик круглого сечения.

Для уменьшения влияния сопутствующего электрического поля на выходной сигнал ИК ее помещают в электростатический экран, выполненный из немагнитного материала с высокой электропроводностью (на рис. 16 не показан). Экран должен иметь разрезы вдоль силовых линий измеряемого МП. Назначение этих разрезов — не допустить возникновения в стенках экрана токов Фуко.

Найдем ЭДС, наводимую в ИК, изображенную на рис. 16,а. Считая магнитные потоки, пронизывающие каждый из витков катушки, равными и используя (13), получаем значение для потокосцепления катушки , где — поток через виток датчика. Пусть угол между вектором индукции внешнего переменного однородного МП и осью катушки равен , тогда из (11) получаем: , где — площадь витка. Учитывая две последние формулы и (15), окончательно получаем значение для наводимой ЭДС датчика

. (30)

Из формулы (30) видно, что для того чтобы получить сигнал, пропорциональный индукции МП, а не его производной, ЭДС с выхода ИК необходимо проинтегрировать. Поэтому непосредственно ЭДС с выхода датчика используют только в случаях, когда измеряемое МП изменяется по гармоническому закону с постоянной частотой. Так, если , где и — амплитудное значение индукции и частота измеряемого МП соответственно, то .

Если в датчике используется концентратор МП, то количество линий магнитной индукции, пронизывающих катушку, увеличивается в раз, где — магнитная проницаемость тела концентратора (п.1.6). Эту проницаемость можно найти, используя формулу (28). Тогда ЭДС, наводящаяся в ИК с ферромагнитным сердечником, с учетом формул (28) и (30)

,

где и — относительная магнитная проницаемость и коэффициент формы сердечника концентратора МП соответственно.

Обычно произведение , и тогда проницаемость тела будет равна , т.е. она практически не зависит от изменения относительной проницаемости ферромагнетика сердечника. Благодаря этому ЭДС с выхода рассматриваемого датчика имеет линейную зависимость от величины МП, даже если концентратора имеет нелинейную зависимость от величины МП или имеет сильную температурную зависимость.

 
Рис. 17. Эквивалентная схема ИК

Эквивалентная схема ИК приведена на рис.17. Здесь — индуктивность катушки, — паразитная емкость (емкость между витками и электростатическим экраном и т.д.), — активное сопротивление катушки, включающее в себя сопротивление провода катушки и сопротивление потерь (потери в диэлектриках каркаса катушки, изоляции проводов, потери на вихревые токи и потери в сердечнике концентратора, если он есть). Эти параметры датчика плохо поддаются точному расчету и поэтому обычно определяются экспериментально.

Различные варианты интегрирования сигнала с ИК показаны на рис. 18. На этих рисунках эквивалентная схема ИК не показана, но подразумевается, что она полностью соответствует схеме рис. 17.

 
Рис. 18. Интегрирование сигнала с ИК

На рис. 18,а интегрирование производится за счет реактивностей самой ИК. Выходным сигналом здесь является ток. К выходу датчика здесь подключен преобразователь ток-напряже-ние, шунтирующий своим низким входным сопротивлением емкость (см. рис.17). Ток можно найти из уравнения

. (31)

Если достаточно мало, то первым слагаемым с правой стороны уравнения (31) можно пренебречь. Тогда

и , (32)

где — коэффициент усиления преобразователя ток-напряжение.

При измерении низкочастотного МП реактивное сопротивление ИК становится соизмеримым с активным сопротивлением , из-за чего возникает значительная погрешность интегрирования. По уровню спада АЧХ –3 дБ нижнюю границу частотного диапазона можно найти как . Верхняя граница частотного диапазона определяется частотными свойствами магнитного сердечника концентратора МП (если он есть) и преобразователя ток-напряжение.

Если измерения МП происходят вблизи какого-либо ферромагнетика, то индуктивность ИК может значительно измениться. Как видно из формулы (32), это вызовет изменение результата измерения, а значит, и появление дополнительной погрешности.

Вариант интегрирования сигнала ИК с помощью пассивной цепи представлен на рис. 18,б. Выбор параметров и такого интегратора производят из следующих соображений: 1) во всем рабочем частотном диапазоне входное сопротивление интегратора должно быть значительно больше выходного сопротивления ИК, т.е.

(значение емкости в рабочем диапазоне частот должно быть мало, поэтому ею в расчетах пренебрегаем); 2) нижняя граница частотного диапазона (по уровню –3 дБ) такого интегратора определяется как . Если эти условия будут соблюдены, то напряжение на выходе пассивного интегратора

. (33)

Для повышения чувствительности измерителя с ИК пассивный интегратор заменяют интегрирующим усилителем. Схема активного интегратора приведена на рис. 18,в. Выходное напряжение здесь определяется так же, как и в случае пассивного интегратора, т.е. по формуле (33). При этом предполагается, что .

Расширению частотного диапазона пассивных ИК в область высоких частот мешает паразитная емкость . Эта емкость совместно с индуктивностью образует резонансный контур, из-за чего АЧХ ИК очень неравномерна.

Уменьшая емкость , можно добиться расширения частотного диапазона измерений. Емкость до определенного предела можно уменьшить следующими конструктивными способами: 1) в многовитковых ИК применяют секционную намотку; 2) для катушки используют каркасы с низкой диэлектрической проницаемостью; 3) отказываются от пропитки ИК компаундами и лаками, имеющими, как правило, высокую диэлектрическую проницаемость.

 
Рис. 19. Линеаризация АЧХ ИК

Другой способ расширения частотного диапазона в область высоких частот предложен в [13]. Здесь для линеаризации АЧХ ИК предлагается использовать саму ИК в качестве одного из звеньев 2-го порядка ФНЧ (рис. 19). Для этого к выходу ИК подключают сопротивление такого номинала, чтобы совместно с паразитными элементами катушки , и получилось звено 2-го порядка, соответствующее заданному типу фильтра (например, Чебышева или Баттерворта). 2-е звено фильтра можно построить на основе активного -фильтра. Такое построение позволяет расширить частотный диапазон измерителя МП в несколько раз.

Увеличения чувствительности ИК можно добиться увеличением количества витков катушки. Однако надо учитывать, что это ведет к увеличению выходного сопротивления ИК (т.к. увеличиваются и ), а значит, и к увеличению сопротивления интегратора (см. выше). Но увеличение ведет к увеличению собственных тепловых шумов этого резистора, которые становятся соизмеримы с выходным сигналом ИК. При использовании же интегратора, подобного приведенному на рис. 18,в, необходимо еще учитывать, что шумовой входной ток усилителя наводит на сопротивлении дополнительную ЭДС шума. В [11] и [12] приводятся формулы, позволяющие рассчитать количество витков ИК таким образом, чтобы отношение сигнал/шум на выходе схемы ИК–интегратор было максимально.

Перечислим различные источники погрешности, возникающие при измерении величины МП пассивной ИК: 1) погрешность из-за нелинейности АЧХ ИК; 2) погрешность интегрирования; 3) погрешность, связанная с неточной ориентацией ИК относительно линий индукции МП; 4) погрешность из-за паразитной вибрации ИК в МП; 5) в случае использования концентратора МП в ИК появляется погрешность нелинейности амплитудной характеристики ИК, возникающая из-за зависимости относительной магнитной проницаемости сердечника как от величины МП, так и от температуры.

Пассивные ИК обладают высокой чувствительностью (от единиц нТл), позволяют производить измерения в очень широком частотном диапазоне (от долей Гц до сотен МГц) и имеют небольшую погрешность измерения. Поэтому область их применения весьма широка.

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...