Лекция 14 Индуктивные измерительные устройства Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности, полное сопротивление которой меняется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода под влиянием измеряемого параметра. По принципу работы индуктивный преобразователь – датчик перемещений, однако, преобразуя разные физические величины (давление, сила, угол поворота, расход жидкости или газа и т.п.) в перемещение, можно эти физические величины эффективно измерять. Структурная схема типовой измерительной системы, содержащей индуктивный преобразователь, включает схему включения датчика, питаемую от генератора и преобразующую изменение сопротивления катушки в изменение напряжения или тока; усилитель сигналов датчика; демодулятор (амплитудный детектор), выделяющий огибающую промодулированного и усиленного напряжения несущей частоты; усилитель постоянного тока, усиливающий сигнал низкой частоты; устройство, регистрирующее выходной сигнал в виде напряжения или тока.

Индуктивные измерительные устройства Структура типовой индуктивной измерительной системы обычно строится по принципу прямого преобразования, поэтому ее интегральная чувствительность определяется соотношением: где коэффициенты преобразования соответственно усилителя, демодулятора и регистратора. Имеются два класса преобразователей: с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением. Преобразователи первого класса делят на датчики с замкнутой магнитной цепью и датчики с разомкнутой магнитной цепью.

Индуктивные измерительные устройства Преобразователи с изменяющейся индуктивностью представлены в виде модификаций с замкнутой магнитной цепью а) и разомкнутой магнитной цепью б), а преобразователи с изменяющимся активным сопротивлением – в виде варианта в).

Индуктивные измерительные устройства Преобразователь (вариант а) состоит из П–образного сердечника (магнитопровода) 1, на котором размещена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление сердечника, что вызывает изменение индуктивности катушки датчика, которая может быть зарегистрирована. Возможен вариант преобразователя, в конструкции которого якорь перемещается горизонтально относительно П–образного сердечника и изменяет эффективную площадь замыкания магнитного потока. Оба варианта датчика: и с переменным зазором, и с переменной площадью – относятся к датчикам с замкнутой магнитной цепью. Пример датчика с разомкнутой магнитной цепью, называемого соленоидным или плунжерным преобразователем, показан в виде модификации б). Преобразователь представляет собой катушку 1, из которой может выдвигаться ферромагнитный сердечник 2 (плунжер), что приводит к изменению индуктивности катушки.

Индуктивные измерительные устройства Определим функцию преобразования датчика на примере преобразователя с переменным зазором (модификация а). Основные соотношения для ее расчета индуктивности катушки имеют вид: где число витков катушки; пронизывающий ее магнитный поток; проходящий по катушке ток. полное сопротивление магнитному потоку, которое состоит из двух составляющих: магнитного сопротивления сердечника и магнитного сопротивления воздушных зазоров.

Индуктивные измерительные устройства Если пренебречь рассеянием магнитного потока и нелинейностью кривой намагничивания сердечника, то где суммарное магнитное сопротивление участков магнитопровода; длина средней силовой линии по участкам магнитопровода; их поперечное сечение; магнитная проницаемость материала сердечника; магнитная постоянная; соответственно длина и сечение воздушного зазора. Отсюда:

Индуктивные измерительные устройства Так как, для удовлетворительной работы датчика требуется выполнение условия, что достигается выбором для магнитопровода материала с большим значением магнитной проницаемости, то окончательно получаем: Полное комплексное сопротивление катушки запишется в виде: а его модуль равен:

Индуктивные измерительные устройства Модуль полного комплексного сопротивления катушки индуктивности часто записывают в виде: где добротность индуктивного датчика, характеризуемая отношением запасенной энергии в контуре к энергии рассеянной. Значения для разных сердечников такие: сталь -- пермаллой -- ферриты --

Индуктивные измерительные устройства Чувствительность датчика с переменным зазором равна: В ряде случаев чувствительность индуктивного преобразователя удобно характеризовать величиной: из которой следует существенное возрастание чувствительности датчика с уменьшением протяженности воздушного зазора.

Индуктивные измерительные устройства Недостатков одинарных датчиков лишены дифференциальные преобразователи. Они состоят из двух одинаковых одинарных преобразователей, которые имеют общий подвижный элемент. Примеры схем таких преобразователей приведены на рисунке:

Индуктивные измерительные устройства Типовые схемы включения датчиков: последовательная схема, или схема генератора тока, преобразующая в изменение тока ; схема делителя напряжения, преобразующая в изменение напряжения ; мостовая схема включения, обеспечивающая преимущества дифференциальных индуктивных преобразователей по сравнению с одинарными датчиками; трансформаторная схема включения, основанная на измерении ЭДС, наведенной во второй обмотке датчика при изменении первой обмотки; частотная схема включения, в которой изменение индуктивности катушки, входящей в состав колебательного контура, трансформируется в изменение частоты генерации, измеряемой, например, с помощью частотомера.