Преобразователи датчиков уравновешивания

Магнитоэлектрические обратные преобразователи (МЭОП) исполь­зуются в наиболее точных приборах для измерения давления и ускоре­ния, широкое применение нашли они также в цифровых бескоромысловых весах.

Принцип действия датчика уравновешивания с МЭОП поясняется рис. 2-35. Измеряемая сила Fx действует на подвижную часть датчика 1, закрепленную относительно корпуса на растяжках, мембране или плоских пружинах 2. Обмотка 4, расположенная на цилиндрическом каркасе, находится в радиальном зазоре магнитной системы. Торец каркаса и пластина 3, укрепленная с помощью изоляторов на полюсном наконечнике 5, образуют емкостный преобразователь. Этот преобразователь, имеющий емкость С_х, включается в измерительный мост, питаемый от высокочастотного генератора Г. При действии силы F_x подвижная часть смещается на величину DХ, изменяется емкость С_х, исходный сигнал измерительного моста DU_~ усиливается усилителем Ус и выпрямляется демодулятором ДМ. Выпрямленный ток I подается в обмотку 4 таким образом, чтобы сила F_b =bI, создаваемая в результате взаимодействия тока с магнитным полем, была направлена навстречу измеряемой силе и уравновешивала ее. Сила, возникающая при взаимодействии электрического тока I, протекающего по катушке, с полем постоянного магнита, определяется формулой:

F_b=b_мэI=BlwI,

где В – индукция в зазоре магнита; l – средняя длина витка катушки; w – число витков катушки.

Работа датчика описывается уравнением F_x = F_b+DF, и о значении измеряемой силы можно судить по току I, измеряемому по падению напряжения на образцовом резисторе R_N. Поскольку значение DF равно не более (0,01 — 0,001) F_b, то точность датчика определяется в основном точностью обратного преобразователя, т.е. стабильностью коэффициента b. Силы, создаваемые МЭОП, составляют от 10^-2 Н в акселерометрах до 10–10² Н в весах[1].

Погрешности лучших МЭОП оцениваются значениями порядка 0,01– 0,005%.

Основными причинами возникновения погрешности (при условии, что температура внешней среды неизменна) являются:

а) нестабиль­ность свойств магнита магнитной системы;

б) неоднородность магнит­ного поля в диапазоне перемещения катушки;

в) изменение индукции магнита вследствие воздействия на него МДС, создаваемой при прохождении тока через катушку;

г) наличие электромагнит­ной составляющей силы F_эм=0,5I²dL/dDX, возникающей в случае, если индуктив­ность катушки изменяется при ее переме­щении DХ;

д) нагрев катушки собствен­ным током.

Для уменьшения погрешности от неста­бильности следует при конструировании магнитной системы особое внимание уде­лить жесткости соединения магнита с магнитопроводом и после сборки подвергнуть преобразователь старению путем много­кратных изменений температуры. Чтобы избежать влияния близо­сти ферромагнитных масс, преобразователь надо выполнять с внут­ренним магнитом; в этом случае внешний магнитопровод служит достаточно хорошим экраном.

Погрешность от неравномерного распределения индукции в зазоре появляется из-за того, что при смещении катушки на расстояние D часть ее витков с левой стороны переместится из области магнитного поля со средней индукцией B^'₀в область со средней индукцией B'₀ + DB₁, а правые витки – в об­ласть В^'₀ – DB₂.

Погрешность определяется формулой

,

где DB₁ и DB₂ – средние изменения индукции на соответствующих участках при перемещении катушки на расстояниеD;l – длина ка­тушки; В₀ – средняя индукция в области расположения катушки.

Погрешность будет тем меньше, чем меньше перемещение катушки, и поскольку в приборах уравновешивания перемещение подвижной части не превышает 0,01–0,1 мм, то эта погрешность достаточно мала. Однако для ее уменьшения размеры катушки должны быть вы­браны таким образом, чтобы катушка при перемещении не приближа­лась к краю зазора ближе, чем на его длину d. При необходимости увеличения габаритов катушки можно сделать ее длину l больше ши­рины зазора l₀ на величину l – l₀ = 0,8 d . Тогда при не­большом смещении катушки (D<0,1 d) изменения индукции DB₁ и DB₂ будут иметь разные знаки и примерно одинаковое значение.

Существенное уменьшение погрешностей от воздействия МДС катушки достигается использованием симметричной магнитной системы. Погрешность, вызываемая гистерезисом, для такой магнитной системы не превышает 0,03% при МДС катушки до 100 А и длине магнитов (ЮНДК24) 20 мм.

В конструкциях с одним магнитом следует предусмотреть специальную обмотку, МДС которой компенсирует МДС катушки, например, так, как это показано на рис. 2-35 (обмотка R₀). Ток в обмотке R₀ и, следовательно, создаваемую им дополнительную МДС можно регулировать перемещением движка на резисторе R₁ таким образом, чтобы погрешности гистерезиса и линейности были минимальными во всем рабочем диапазоне прибора.