"Радио" №5 1986г.
Один из перспективных путей создания высокоточных приборов контроля перемещения — использование индуктивных преобразователей с цифровым отсчетом результата измерения. Известны индуктивные измерители линейного перемещения, в которых с целью повышения чувствительности использован фазочувствительный детектор на транзисторах. Такие преобразователи имеют повышенный коэффициент передачи только вблизи точки равновесия измерительного моста, а в остальной части измерительного интервала они сравнимы по чувствительности с традиционными устройствами.
Описаны устройства для контроля перемещения, в которых обмотки датчика включены в измерительный мост с балластными резисторами. Такие устройства без точной настройки и оптимизации режима работы не обеспечивают высокой точности и стабильности результатов измерения. Известны также частотные индуктивные преобразователи с обмотками, включенными в колебательный контур генератора высокой частоты. Частота выходного сигнала таких преобразователей пропорциональна измеряемому перемещению. Подобные устройства также не имеют преимуществ по чувствительности в сравнении с другими.
В Институте геотехнической механики АН УССР разработан и исследован простой индуктивный измеритель перемещения, обеспечивающий высокую чувствительность, точность и стабильность результатов измерения при изменении параметров его элементов. Индуктивный измеритель перемещения (см. схему на рис. 1) содержит преобразователь с дифференциальными обмотками L1, L2, кольцевой диодный детектор VD3—VD6, выходной индикатор Р1, генератор прямоугольного напряжения на транзисторах VT1, VT2 и трансформаторе Т1.
Параллельные цепи последовательно соединенных дифференциальных обмоток L1, L2,индуктивного датчика и конденсаторов С1, С2 измерительного моста включены в цепь положительной обратной связи генератора. Такое включение автоматически обеспечивает работу преобразователя перемещений в резонансном режиме, то есть когда индуктивное сопротивление скомпенсировано емкостным и полное сопротивление каждой цепи практически равно активному сопротивлению обмоток. Через измерительный мост протекает переменный ток, по форме близкий к синусоидальному, поскольку добротность контура весьма высока. Благодаря наличию диодов VD1, VD2 ток контура непосредственно протекает через эмиттерный переход открытого в соответствующий полупериод транзистора генератора. Второй транзистор в это время закрыт.
Генератор прямоугольных импульсов работает практически без нагрузки, поэтому при его запуске ток в контуре, начиная с первого же такта, достигает установившегося значения. Транзисторы работают без смещения, что обеспечивает их переключение вблизи момента перехода тока контура “через нуль”, т. е. преобразователь работает в резонансном режиме, при котором чувствительность измерителя перемещения максимальна.
На рис. 2 схематически изображена конструкция собственно датчика измерителя. Катушки L1 и L2 размещены на двух Ш-образных элементах 2 магнитопровода, установленных с зазором. В зазоре между элементами размещен якорь 1, изготовленный в виде пластины из ферромагнитного материала, Якорь механически связывают коромыслом 3 с перемещающимся звеном контролируемого механизма.
Для определения вида
математического выражения, определяющего
выходной ток преобразователя In, проведены
необходимые теоретические исследования, в
результате которых получена следующая
упрощенная формула:
где Um — амплитудное значение напряжения
XL—индуктивное сопротивление одной катушки преобразователя,
R— сопротивление микроамперметра D1;
A=dh/h — отношение смещения якоря к зазору между якорем и полюсом магнитопровода в исходном положении (см. рис. 2).
Lо — индуктивность одной катушки при среднем положении якоря,
r — активное сопротивление одной катушки (r1=r2);
w — угловая частота генератора,
Экспериментальные исследования преобразователя подтвердили достоверность полученного выражения. Для проверки работоспособности и технических характеристик индуктивности измерителя перемещения проведены лабораторные испытания нескольких макетных образцов в комплексе измерительной системы микробарометра. Установлено, что надежный запуск и устойчивая работа генератора обеспечиваются при напряжении источника питания 0,3 В и более при температуре в пределах от —5 до +50 град. С. Работа измерителя при более низкой температуре не проверялась.
Основные факторы, дестабилизирующие работу преобразователя,— изменение напряжения питания и температуры. Поэтому питать преобразователь следует от стабилизатора напряжения. Температурная погрешность устройства в интервале от +5...40град. C не превышает 5% на каждые 10град. С, причем смещение нулевой точки отсутствует, что особенно важно при использовании преобразователя для индикации рассогласования в компенсационных измерительных системах.
Чувствительность измерителя
изменяется незначительно при изменении емкости
конденсаторов измерительного моста в пределах
от 0,01 до 0,18 мкФ (рис. 3). При этом автоматически
устанавливается резонансная частота,
определяемая параметрами последовательных LC-цепей.
Изменение индуктивности каждой из обмоток,
вызванное перемещением якоря в рабочем зазоре,
не превышает 10 % номинального значения. Поскольку
смещение якоря от нейтрального положения
вызывает увеличение индуктивности одной из
обмоток и уменьшение индуктивности другой на
одно и то же значение, то резонансная частота
практически не изменяется. От напряжения питания
она зависит очень слабо. Результаты
экспериментальных исследований показывают, что
при изменении напряжения питания на 33 % уход
частоты не превышает 0,25 %.
Описанный измеритель отличается от известных простотой устройства, экономичностью, высокими метрологическими характеристиками и с успехом применяется в высокоточных микробарометpax, выпускаемых рижским опытным заводом “Гидрометприбор”. Он может быть использован при точных измерениях перемещения и в других областях техники.
Основные технические характеристики:
Рабочий интервал перемещения, мм ...................+-0,5
Разрешающая способность, мм, не хуже ......... 1E10-7
Температурная погрешность, мм/град. С .................3E10-3
Потребляемая мощность, Вт................................ 7E10-3
Трансформатор Т1 генератора намотан на магнитопроводе Ш4x4 из феррита 2000НМ и содержит три обмотки по 100 витков провода ПЭВ-1 0,12. Катушки L1, L2 датчика состоят из 500 витков провода ПЭВ-1 0,12 каждая. Магнитопровод датчика — два блока Ш4x4 из феррита 2000НМ. Индикатор Р1 — микроамперметр М4205 с током полного отклонения стрелки 30 мкА и нулем посредине шкалы.
Обе части магнитопровода датчика с катушками крепят к основанию посредством специальных скоб с винтами, позволяющих изменять величину воздушного зазора. Его устанавливают с помощью калиброванных пластин. Якорь датчика изготовлен из пермаллоя и имеет сечение 5x0,3 мм.
В преобразователе могут быть использованы практически любые маломощные транзисторы и диоды. Однако применение кремниевых приборов связано с увеличением падения напряжения на р-n переходах, что требует увеличения напряжения питания.
При номиналах и типах элементов. указанных на схеме рис. 1, измеритель потребляет ток около 5 мА, а его чувствительность при воздушном зазоре 2h=1 мм в магнитопроводе датчика и сопротивлении микроамперметра 0,5 кОм равна 3,5 мкА/мкм, что почти в десять раз превышает чувствительность известных датчиков при равнозначных начальных условиях и соответствует требованиям прецизионных измерений перемещения подвижных элементов барометрических приборов.
При использовании описанного прибора в компенсационных измерительных системах стабилизировать напряжение питания не требуется.