Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования

Выпускаемые в настоящее время измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования, различаются как видом деформационного чувствительного элемента, так и способом преобразования его перемещения или развиваемого им усилия в сигнал измерительной информации. Для преобразования перемещения чувствительного элемента в сигнал измерительной информации широко применяются индуктивные, дифференциально-трансформаторные, емкостные, тензорезисторные и другие преобразовательные элементы. Преобразование усилия, развиваемого чувствительным элементом, в сигнал измерительной информации осуществляется пьезоэлектрическими преобразовательными элементами.

Индуктивные измерительные преобразователи давления.

На рисунке 14.122 а показана схема измерительного преобразователя давления, оснащенного преобразовательным элементом индуктивного типа. Мембрана 1, воспринимающая давления, является подвижным якорем электромагнита 2 с обмоткой 3. Под действием измеряемого давления мембрана 1 перемещается, что вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента.

Рисунок 14.122 - Схемы измерительных преобразователей давления

Если пренебречь активным сопротивлением катушки, магнитными потоками рассеяния и потерями в сердечнике, индуктивность L преобразовательного элемента можно определить по формуле (14.25) /8/

, (14.25) /8/

где W - число витков катушки;

l_с, S_с - длина и площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;

d - длина воздушного зазора;

m_c, m₀ - магнитная проницаемость сердечника и воздуха;

S - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода.

В процессе измерения величина l_с /(m_c S_с) <<d /(m₀ S), поэтому выражение (14.25) можно представить в виде формулы (14.26) /8/

L = W² m₀ S /d , (14.26)

Принимая во внимание, что величина деформации мембраны пропорциональна измеряемому давлению получаем уравнение (14.27) /8/

d = k₁ P, (14.27)

преобразуем уравнение (14.27) к виду (14.28)

L = W² m₀ S / (k₁ P), (14.28)

Уравнение (14.28) представляет собой статическую характеристику измерительного преобразователя давления индуктивного типа. Измерение L осуществляется обычно мостами переменного тока или резонансными LС-контурами. При давлениях 0,5—1,0 МПа толщина мембраны 0,1—0,3 мм, а при давлениях 20—30 МПа— 1,3 мм. Рабочее перемещение мембраны составляет сотые доли миллиметра. Основная погрешность индуктивных преобразователей давления ± (0,2-5) %, постоянная времени (2,2—3) 10 ^{- 4} с.

Дифференциально-трансформаторные измерительные преобразователи давления.

Измерительный преобразователь давления дифференциально-трансформаторного (ДТ) типа (рисунке 14.122 б) содержит деформационный чувствительный элемент 1 и ДТ-преобразовательный элемент 2. Преобразовательный элемент представляет собой каркас из диэлектрика, на котором размещены катушка с первичной обмоткой 7, состоящей из двух секций, намотанных согласно, двух секций 4, 5 вторичной обмотки, включенных встречно. Внутри канала катушки расположен подвижный сердечник 6 из магнитомягкого материала, связанный с пружиной 1 тягой 3.

К выходу вторичной обмотки подключен делитель, состоящий из регулируемого R₁ и постоянного R₂ резисторов. Делитель используется при настройке преобразователя на заданный диапазон. Путем изменения сопротивления R₁ можно изменять пределы измерений на ± 25 %.

Формирование выходного сигнала ДТ-преобразовательного элемента осуществляется следующим образом. При протекании по первичной обмотке тока I₁ возникают магнитные потоки, пронизывающие обе секции вторичной обмотки и индуцирующие в них ЭДС е₁ и e₂. Значения этих ЭДС связаны с взаимными индуктивностями М₁ и М₂ между первичной обмоткой и каждой из секций вторичной обмотки соотношениями (14.29) /8/

е₁ = 2 p f I₁ M₁ ; е₂= 2 p f I₁ M₂ , (14.29)

где f — частота тока I₁.

При встречном включении обмоток секций 4 и 5 получаем соотношение (14.30) /8/

Е = е₁—е₂ = 2 p f I₁ (M₁ — М₂) = 2 p f I₁ M, (14.30)

где М—взаимная индуктивность между первичной и вторичной обмотками.

Для унифицированного ДТ- преобразовательного элемента, имеющего во вторичной обмотке резисторы R₁ и R₂, выходной сигнал U_вых определяется взаимной индуктивностью M_вых между первичной обмоткой и выходной цепью и может быть представлен в виде формулы (14.31)

U_вых = 2 p f I₁ M_вых , (14.31)

Величина М_вых связана с перемещением d сердечника 6 зависимостью (14.32)

M_вых = M_max , (14.32)

где М_mах— максимальное значение взаимной индуктивности между первичной обмоткой и выходной цепью преобразователя, соответствующее максимальному d_mах перемещению сердечника.

Решая совместно уравнения (14.31) и (14.32), получим статическую характеристику унифицированного ДТ-преобразователя перемещения (14.33) /8/

, (14.33)

В настоящее время разработаны ДТ- преобразовательные элементы с полным ходом сердечника 1,6, 2,5 и 4 мм. Преобразователи имеют унифицированный сигнал в виде напряжения переменного тока, изменяющегося в диапазоне —1 ¸ 0 ¸ +1 В. Знак «минус» указывает на изменение фазы сигнала. Указанным значениям выходного сигнала соответствуют изменения взаимной индуктивности ДТ преобразовательного элемента —10 ¸ 0 ¸ 10 мГн.

Преобразование измеряемого давления в электрический сигнал U_вых рассматриваемым преобразователем давления осуществляется путем преобразования давления в деформацию (перемещение) ЧЭ, жестко связанного с сердечником 6, и последующего преобразования перемещения сердечника 6 в электрический сигнал ДТ- преобразовательным элементом. Статическая характеристика преобразователя давления ДТ-типа может быть получена путем сов­местного решения уравнения (14.23) и уравнения (14.24) /8/

d = k P, (14.24)

где d—деформация ЧЭ;

k—коэффициент преобразования.

Преобразователи давления ДТ-типа работают в комплекте с дифференциально-трансформаторными вторичными приборами. Классы точности ДТ-преобразователей давления 1,0 и 1,5.

Для измерения перепада давления разработаны мембранные дифманометры с ДТ- преобразовательным элементом, осуществляющим преобразование перемещения мембранного блока в сигнал измерительной информации. Классы точности преобразователей перепада давления 1,0 и 1,5. Время установления выходного сигнала не более 1 с.