Описание лабораторного стенда

Работа 4.3. Индуктивные измерительные преобразователи. Измерение перемещения

Цель работы

Ознакомление с устройством и применением индуктивного измерительного преобразователя на примере измерителя перемещения, изучение метрологических характеристик измерительных преобразователей и схем их включения.

2. Сведения, необходимые для выполнения работы

Повторите вопросы обработки и представления результатов прямых и косвенных измерений и, используя литературу [4, 16-19], настоящее описание и приложе­ние 1, ознакомьтесь со следующими вопросами:

· Основные характеристики измерительных преобразователей.

· Методы измерения индуктивности.

· Принцип действия, устройство и характеристики индуктивных преобразо­вателей.

· Причины возникновения и способы исключения или учета погрешностей при измерении индуктивности.

· Схемы включения и измерительные цепи индуктивных преобразователей.

· Устройства и характеристики средств измерений, используемых при вы­полнении данной работы.

В технических и научных измерениях неэлектрических величин широко ис­пользуются индуктивные преобразователи, относящиеся к группе параметриче­ских датчиков. Они отличаются конструктивной простотой, надежностью и малой стоимостью. К тому же для своей работы они не требуют сколь-либо сложного вторичного оборудования.

Индуктивный преобразователь представляет собой дроссель, индуктивность которого изменяется под действием входной (измеряемой) величины. В измери­тельной технике используются конструкции преобразователя с переменным воз­душным зазором и соленоидные (или плунжерные) преобразователи, которые и изучаются в данной работе.

Индуктивный преобразователь с переменным воздушным зазором схемати­чески показан на рис. 4.3.1а. Он состоит из П-образного магнитопровода 1, на ко­тором размещена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря из­меняется длина воздушного зазора b и, следовательно, магнитное сопротивление. Это вызывает изменение магнитного сопротивления и индуктивности преобразователя L. При некоторых допущениях индуктивность преобразователя можно рассчитать по формуле

(4.3.1)

Рис. 4.3.1. Конструкция индуктивного преобразователя

с переменным воздушным зазором

(1- П-образный магнитопровод, 2- катушка, 3- якорь):

а) одинарный преобразователь; 6) дифференциальный преобразователь

где w- число витков катушки, µ_о = 4 10⁷ Гн/м - магнитная постоянная, µ- магнитная постоянная стали, Q- площадь сечения магнитного потока в воздушном зазоре (считаем, что площадь сечения магнитопровода также равна ), I) - средняя длина магнитной силовой линии по стали.

Одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков, в частности их функция преобразования нелинейная, они могут иметь большую аддитивную погрешность, вызванную температурным изменением активного сопротив­ления обмотки, и ряд других.

Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи, которые пред­ставляют собой два одинарных преобразователя, имеющих общий якорь. На рис. 4.3.1 б показан дифференциальный индуктивный преобразователь, состоящий из двух преобразователей, показанных на рис. 4.3.1а.

При перемещении якоря, например, влево, индуктивность L, возрастает, а другая индуктивность L2 уменьшается.

Другой разновидностью индуктивных преобразователей являются плунжер­ные преобразователи. На рис. 4.3.2а показан одинарный плунжерный преобразо­ватель, который представляет собой катушку 1, из которой может выдвигаться ферримагнитный сердечник 2 (плунжер). При среднем положении плунжера ин­дуктивность максимальна.

Дифференциальный преобразователь, состоящий из двух одинарных преобразо­вателей плунжерного типа, схематически изображен на рис. 4.3.26. 3десь также при перемещении плунжера одна индуктивность уменьшается, а другая увеличивается.

При использовании индуктивных преобразователей в качестве выходной ве­личины обычно используется не индуктивность как таковая, а реактивное сопро­тивление преобразователя Z, которое, если пренебречь активной составляющей, равно Z = jwL.

Важной характеристикой любого преобразователя является его чувствительность. По определению, абсолютной чувствительностью называется отношение изменения выходной величины к изменению входной:

,

(4.3.2)

Рис. 4,3.2. Конструкция индуктивного плунжерного преобразователя
(1- катушка, 2 - плунжер): а) одинарный преобразователь;

6) дифференциальный преобразователь

где - изменение сопротивления преобразователя, вызванное перемещением

плунжера (или якоря) на расстояние х.

В некоторых случаях, например для сравнения преобразователей одного типа, но имеющих разные сопротивления, удобно пользоваться понятием относительной чувствительности

В этой формуле сопротивление преобразователя при х = 0.

В данной работе, говоря о чувствительности, мы будем иметь в виду относи­

тельную чувствительность.

Для измерения реактивного сопротивления дифференциальных индуктивных преобразователей используются мостовые схемы. Благодаря этому уменьшается аддитивная погрешность, улучшается линейность функции преобразования, в два раза увеличивается чувствительность и уменьшается сила притяжения яко­ря или плунжера. В мостовых схемах можно использовать различные схемы включения. Oднa из основных таких схем для индуктивных дифференциальных преобразователей приведена на рис. 4.3.3. При таком включении - индуктивные сопротивления дифференциального преобразователя, сопротивления других плеч R и сопротивление нагрузки Rн могут быть как актив­ными, так и реактивными (Z и Zн соответственно). В лабораторной работе исполь­зуется мост, характеризующийся тем, что сопротивления катушек преобразовате­ля имеют чисто индуктивное сопротивление, а другие сопротивления, входящие в измерительную схему, не содержат реактивных составляющих.

Рис. 4.3.3. Вариант схемы включения

индуктивного преобразователя

Можно показать, что выходное напряжение, то есть напряжение на сопротив­лении нагрузки RH, для приведенной схемы включения описывается следующим выражением:

где - напряжение холостого хода (при Rн = )^, ,

R- сопротивление каждого из активных плеч моста, а U- на­пряжение питания моста.

Чувствительность мостовой схемы определяется выражением

Погрешности индуктивных преобразователей в основном обусловлены изме­нением активной составляющей их сопротивлений. Эта погрешность аддитивна и уменьшается в случае применения мостовых схем. Кроме того, при изменении температуры изменяется магнитная проницаемость стали, что приводит к допол­нительному изменению аддитивной и мультипликативной погрешностей. Изме­нения напряжения питания и его частоты также служат причиной изменения чувствительности и появления мультипликативных погрешностей.

описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд представляет собой LabVIEW компьютерную модель, распо­лагающуюся на рабочем столе персонального компьютера. На стенде (рис. 4.3.4) находятся модели индуктивного преобразователя, микрометрического винта, электронного милливольтметра, лабораторного макета и генератора сигналов.

Рис. 4.3.4. Модель лабораторного стенда
на рабочем столе лабораторной работы 4.3
(1- индуктивный преобразователь, 2 - микрометрический винт,
3 - электронный милливолыметр, 4 - лабораторный макет, 5 - генератор сигналов)

Модели средств измерений (см. приложение 1) при выполнении работы ис­пользуются для решения следующих задач.

Модель индуктивного преобразователя используется при моделировании про­цесса измерений перемещения.

Модель микрометрического винта используется при моделировании процесса перемещения плунжера преобразователя.

Модель электронного милливольтметра используется при моделировании про­цесса измерения выходного напряжения измерительной схемы индуктивного преоб­разователя.

Лабораторный макет используется при моделировании процесса построения мостовой схемы индуктивного преобразователя с двумя активными сопротивле­ниями в плечах моста выбираемым сопротивлёнием нагрузки из следующих значений: 300

Ом, 500 Ом,1 кОм,10 кОм, 20 кОм, 50 кОм.

Модель сигнала служит для моделирования питания лабораторно­го макета гармоническим напряжением заданного значения и заданной частоты. Схема соединений приборов при выполнении работы показана на рис. 4.3.4.

Рабочее задание

4.1. Изучите описание работы и рекомендованную литературу. Продумайте свои действия за компьютером.

4.2. 3апустите программу лабораторного практикума и выберите лаборатор­ную работу 4.3 “Индуктивные измерительные преобразователи. Измерение пере­мещений” в группе работ “Измерение неэлектрических величин”. На рабочем столе компьютера автоматически появятся модель лабораторного стенда с моде­лями средств измерений и вспомогательных устройств (рис. 4.3.4.) и окно создан­ного в среде MS Ехсе1 лабораторного журнала, который служит для формирова­ния отчета по результатам выполнения лабораторной работы.

4.3. Ознакомьтесь с расположением моделей отдельных средств измерений и других устройств на рабочем столе. Включите модели средств измерений и опро­буйте их органы управления. Понаблюдайте за видом модели индуктивного преоб­разователя при осуществлении различных перемещений при помощи микрометри­ческого винта. Проследите также за изменениями напряжения, измеряемого милливольтметром. Ознакомьтесь с возможными изменениями измерительной схемы средствами лабораторного макета.

4.4. Приготовьте к работе проверенный на отсутствие вирусов мобильный но­ситель информации и подключите его к компьютеру.

4.5. Поставьте микрометрический винт на нулевое деление.

4.6. Приступите к выполнению работы.

3адание 1. Определение функции преобразования f_xx.(х) комплекта, состоящего из индуктивного преобразователя и мостовой цепи, при холостом ходе (Rн= )

a) Включите генератор сигналов и установите заданные преподавателем значения питающего напряжения U и его частоты f (рекомендованные значения U 10 В, f 100 Гц).

b) Переключатель нагрузки лабораторного макета установите в состояние “Нет нагрузки”,

c) Включите милливольтметр и установите нужный предел измерений.

д) При снятии функции преобразования производите перемещение х микроме­трическим винтом в диапазоне ±15 мм с шагом 1 мм от положения, в котором мост сбалансирован. Каждый раз производите отсчет значения напряжения на выходе лабораторного макета и записывайте его в соответствующую ячейку табл. 4.3.1.

е) По опытным данным постройте график функции преобразования и рассчи­тайте среднюю чувствительность исследуемого комплекта.

Задание 2. Определение функции преобразования f_i (х) комплекта, состоящего из индуктивного преобразователя и мостовой цепи, при конечном значении сопротивления нагрузки

a) Переключатель нагрузки лабораторного макета установите в состояние, соот­ветствующее выбранному по указанию преподавателя сопротивлению нагрузки (например, “300 Ом”).

b) Повторите пункты с, d, е задания 1. Формирование таблицы и построение точечной диаграммы проводите на следующем листе лабораторного журнала.

c) По указанию преподавателя поставьте другое значение сопротивление на­грузки и повторите п. b.

d) Проанализируйте полученные функции преобразования f_XX(х), f₁(х), f₂(х) и сделайте выводы.

Таблица 4.3.1. Функция преобразования комплекта индуктивного преобразователя и мостовой схемы включения

Uп=10 В , f=100 Гц, Rн нет
x, мм	Uвых, В
-15
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Чувствительность В/м

Опыт№2

Uп=10 В , f=100 Гц, Rн=300 Ом
x, мм	Uвых, В
-15
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Чувствительность В/м

Опыт №3

Uп=10 В , f=100 Гц, Rн= Ом
x, мм	Uвых, В
-15
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Чувствительность В/м

Вывод:

Оформление отчета

Отчет должен содержать:

· сведения о цели и порядке выполнения работы;

· сведения об использованных методах измерений;

· сведения о характеристиках использованных средств измерений;

· необходимые электрические схемы^;

данные расчетов, проводившихся при выборе средств и диапазонов измере­ний, при выполнении соответствующих пунктов задания;

· экспериментальные данные;

· три полностью заполненные таблицы отчета (см. табл. 4.3.1);

· графики;

· анализ полученных данных и выводы об особенностях и качестве проведен­ных измерений и по результатам проделанной работы.