Никитин, Бойко - Методы и средства измерений, испытаний и контроля - 2004

					M ij = ωiω j / Zm ,			(16.5)
	где ωj и ωi - число витков i-й и j-й обмоток;
				- магнитное сопротивление,
	Zm = Rm2		+ X m2
		n		lk		δ
	Rm = ∑				+		- активная составляющая магнитного
			µ0 µk Sk			µ0 S
		k =1

сопротивления,

lk, Sk, µ к - соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость k-го участка магнитопровода;

µ0 - магнитная проницаемость пустоты;

δ- длина воздушного зазора;

S - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода;

Xm = PωΦ2 - реактивная составляющая магнитного сопротивления;

Р - потери в магнитопроводе на частоте ω , обусловленные вихревыми токами и гистерезисом;

Ф - магнитный поток в магнитопроводе.

Из приведенных формул следует, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, воздействуя на длину или площадь поперечного сечения воздушного участка магнитной цепи, на магнитную проницаемость или на потери в магнитопроводе.

Некоторые типы индуктивных преобразователей схематически показаны на рисунке 16.4.

Рисунок 16.4 - Индуктивные преобразователи Индуктивный преобразователь (рисунок 16.4а) с переменной длиной

воздушного зазора б характеризуется нелинейной (близкой к гиперболической) зависимостью L = f (δ ). Рабочее перемещение в таких преобразователях

составляет 0,01-10 мм. Преобразователь с изменяющейся площадью воздушного зазора приведен на рисунке 16.4б. Такие преобразователи позволяют измерять перемещения до 15-20 мм.

На рисунке 16.4 в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой обмотку 2, намотанную на пластмассовый каркас 1, внутри которого перемещается сердечник 3 из ферромагнитного материала. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется для измерения перемещений от единиц миллиметров до 100 мм.

Широкое распространение на практике получили дифференциальные преобразователи (рисунок 16.4г и 16.4д), в которых перемещение подвижного элемента вызывает увеличение индуктивности одной обмотки и уменьшение индуктивности другой. На рисунке 16.4е иллюстрируется принцип действия токовихревого преобразователя, в котором изменение индуктивности катушки происходит вследствие изменения расстояния от нее до проводящего тела. При питании катушки переменным током в проводящем теле индуцируют вихревые токи, магнитное поле которых оказывает влияние на катушку. Это влияние обычно оценивают значениями вносимых сопротивлений активного и реактивного. При этом эквивалентная индуктивность катушки уменьшается. Токовихревые преобразователи находят широкое, применение в области бесконтактного контроля линейных размеров и толщины покрытий и обнаружения поверхностных дефектов (трещин, царапин).

Принцип действия магнитоупругих преобразователей (рисунок 16.4ж) основан на изменении магнитной проницаемостиµ , ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений, обусловленных

воздействием механических сил.			Изменение	магнитной проницаемости
∆µ µ для	различных	материалов	составляет	0,5-3 %	при	изменении
механического напряжения в материале на 1 МПа.
На	рисунке 16.5 приведены некоторые типы				трансформаторных
(взаимоиндуктивных)		преобразователей. На		рисунке	16.5а	показан

трансформаторный преобразователь, в котором изменение воздушного зазора вызывает изменение магнитного сопротивления, взаимной индуктивности обмоток, а следовательно, амплитуды переменного напряжения на выходе.

Преобразователь на рисунке 16.5б отличается тем, что имеет дифференциальную конструкцию, и выходные обмотки дуг включены встречно. При нейтральном (симметричном) положении якоря напряжение на выходе равно нулю. Смещение якоря относительно нейтрального положения приводит к появлению выходного напряжения, причем его фаза при переходе через нейтральное положение меняется на 180°.

Преобразователь с распределенными магнитными параметрами (рисунок 16.5 в) предназначен для измерения больших линейных перемещений и состоит из магнитопровода 4 с рабочей частью в виде двух параллельных полос, обмотки возбуждения 1 и подвижной обмотки 2. При перемещении обмотки 2 от положения 3 до положения 5 напряжение на измерительной

обмотке 2 возрастает, причем его зависимость от перемещения практически линейна, если магнитное сопротивление участка 3-5 магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора.

Преобразователь на рисунке 16.5г отличается от описанного выше тем, что имеет распределенную измерительную обмотку 2, равномерно намотанную на одном из длинных стержней магнитопровода 4, и подвижный ферромагнитный сердечник 3, шунтирующий магнитный поток. Перемещение магнитного шунта вызывает линейно связанное с ним изменение выходного напряжения.

На рисунке 16.5д показан трансформаторный преобразователь больших перемещений с плоскими обмотками. Он состоит из подвижного магнитопровода 1, имеющего центральный стержень и плоский полюсный наконечник.

На центральном стержне размещена обмотка возбуждения 2. В равномерном зазоре магнитопровода находится прямоугольная неподвижная пластина 3 из изоляционного материала, на поверхность которой путем печатного монтажа нанесена плоская измерительная обмотка 4 в виде двух одинаковых плоских треугольных секций с общей вершиной. Секции измерительной обмотки включены между собой встречно. При перемещении подвижного магнитопровода 1 происходит изменение площади измерительной обмотки, пронизываемой магнитным потоком; соответственно изменяется выходное напряжение. Описанные конструкции трансформаторных преобразователей с распределенными параметрами позволяют легко получить необходимую функциональную зависимость выходного напряжения от перемещения. Это достигается путем профилирования плоской измерительной обмотки для преобразователя (рисунок 16.5д) либо путем профилирования верхнего стержня магнитопровода для преобразователя (рисунок 16.5в).

Еще одним типом индуктивных преобразователей являются магнитомодуляционные преобразователи, действие которых основано на изменении магнитного состояния ферромагнитного материала при одновременном намагничивании в постоянном и переменном полях. Модуляция магнитным потоком возможна за счет нелинейных свойств ферромагнитного материала.

Магнитомодуляционные преобразователи применяются для измерения напряженности постоянного магнитного поля (феррозонды) и перемещений. В последнем случае перемещение объекта вызывает изменение положения постоянного магнита, вследствие чего меняются постоянный магнитный поток

вмагнитопроводе и магнитная проницаемость ферромагнитного материала. Это

всвою очередь вызывает изменение магнитного сопротивления переменному магнитному потоку, создаваемому обмоткой, и соответствующее изменение выходной величины преобразователя.

Рисунок 16.5 - Трансформаторные преобразователи

Вопросы проектирования и использования преобразователей перемещения с распределенными параметрами, функциональных и магнитомодуляционных преобразователей подробно рассмотрены в работах Л. Ф. Куликовского и его учеников М. Ф. Зарипова, Н. Е. Конюхова и др.

Индуктивные преобразователи имеют высокую чувствительность значительную мощность выходного сигнала, что определяет их широкое применение на практике.

16.1.5 Емкостные преобразователи

Эти преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. Электрическая емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле (16.6) /14/

С = ε0 ε S δ ,

(16.6)

где ε0 - диэлектрическая постоянная;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками;

S - активная площадь обкладок;

δ - расстояние между обкладками.

Отсюда следует, что в емкостном преобразователе переменной величиной (входной) может быть либо δ, либо S, либо ε .

На рисунке 16.6 схематически изображены различные типы емкостных преобразователей.

Преобразователь на рисунке 16.6а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается относительно другой так, что изменяется расстояние δ между пластинами. Функция преобразования C= f(δ) нелинейна, причем чувствительность возрастает с уменьшением δ. Минимальное значение δ определяется напряжением пробоя конденсатора. Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм). На рисунке 16.6б показан дифференциальный емкостный преобразователь, в котором при перемещении центральной пластины емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается. Дифференциальная конструкция позволяет уменьшить погрешность нелинейности или увеличить рабочий диапазон перемещений.

Рисунок 16.6 - Емкостные преобразователи

Преобразователь на рисунке 16.6в также имеет дифференциальную конструкцию, но в нем происходит изменение активной площади пластин. В таком преобразователе можно получить необходимую функцию преобразования путем профилирования пластин.

На рисунке 16.6г изображен емкостный преобразователь для измерения уровня жидкости. Емкость между электродами зависит от уровня жидкости, так как диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости отличается от диэлектрической проницаемости воздуха.

Емкостные преобразователи обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что позволяет увеличить мощность выходного сигнала и снизить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Емкостные преобразователи просты по конструкции, имеют высокую чувствительность и относительно малую инерционность. К их недостаткам следует отнести влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности.

Кондуктометрические преобразователи основаны на использовании зависимости сопротивления электрохимического преобразователя от состава и концентрации электролита. Такие преобразователи используются главным образом для измерения удельной электропроводности электролитов, по которой судят о концентрации. При этом необходимо учитывать, что электропроводность электролита зависит не только от его концентрации, но и от температуры, что требует обязательного введения соответствующей температурной поправки.

Рисунок 16.7 - Контактный кондуктометрический преобразователь

Кондуктометрические преобразователи для измерения концентрации растворов делятся на контактные и бесконтактные. Простейший контактный кондуктометрический преобразователь (рисунок 16.7 а) содержит два электрода, погруженных в исследуемый электролит. Сопротивление между электродами зависит от концентрации (проводимости) раствора. Электроды могут быть плоскопараллельными, цилиндрическими или точечными и изготовляются из платины, графита, нержавеющей стали или других материалов, химически стойких к исследуемым растворам.

При прохождении через преобразователь постоянного тока происходит электролиз раствора, что приводит к значительным погрешностям измерений. Поэтому измерение сопротивления между электродами обычно проводят на переменном токе.

Для уменьшения погрешности от поляризации и загрязнения электродов иногда используют четырехэлектродные преобразователи (рисунок 16.7 б). Пара электродов 1-1 (токовые электроды) подключается к внешнему источнику тока. При этом в растворе протекает стабильный ток, а между электродами 2-2 (потенциальными электродами) создается разность потенциалов, пропорциональная удельному сопротивлению раствора. Потенциальные электроды подключаются к усилителю напряжения с достаточно высоким входным сопротивлением. Обычно такой преобразователь также работает на переменном токе.

Бесконтактные кондуктометрические преобразователи не имеют контакта металлических электродов с электролитом, что исключает эффект поляризации, загрязнение электродов и другие отрицательные явления, возникающие при взаимодействии электродов и раствора.

Бесконтактные преобразователи делятся на низкочастотные (f <50 кГц) и высокочастотные. На рисунок 16.8а иллюстрируется принцип действия низкочастотного трансформаторного преобразователя. Исследуемый раствор образует замкнутую вторичную обмотку трансформатора, сопротивление которой определяется концентрацией раствора. Изменение концентрации вызывает изменение, сопротивления потерь, вносимого в первичную обмотку w\ трансформатора. Измерение эквивалентных параметров первичной обмотки позволяет определить концентрацию раствора.

Преобразователь на рисунок 16.8б содержит два трансформатора, причем замкнутый виток исследуемого раствора является вторичной обмоткой первого трансформатора и первичной обмоткой второго. Первичная обмотка w\ питается от источника переменного напряжения. При этом ток в витке электролита пропорционален его проводимости; соответственно проводимости электролита оказывается пропорциональна и ЭДС Uвых на обмотке ω2 .

Описанные бесконтактные преобразователи характеризуются более высокой стабильностью характеристик и меньшей погрешностью, чем контактные.

Высокочастотные бесконтактные преобразователи делятся на емкостные, которые применяются для измерения концентраций растворов с малой электропроводностью (10-6-1См/м), и индуктивные - для растворов с электропроводностью 10-2-102 См/м.

а)	б)
Рисунок 16.8 -	Бесконтактные кондуктометрические преобразователи

В преобразователях погружного типа катушка индуктивности или электроды конденсатора помещаются в трубку и изолированы от исследуемого раствора. Влияние проводимости раствора проявляется во внесении потерь в индуктивность или конденсатор, т.е. в изменении активной составляющей их комплексной проводимости на высокой частоте. Такие преобразователи обычно включаются в резонансный контур, у которого меняется добротность, или в контур автогенератора, у которого изменяется частота генерации.

Преобразователи излучений. В преобразователях излучений выходная электрическая величина функционально связана с характеристиками излучения. В зависимости от вида излучения различают оптоэлектрические и ионизационные преобразователи.

Оптоэлектрический преобразователь измеряемой величины х1 или х2 в выходную электрическую величину у (рисунок 16.9) содержит источник

излучения ИИ потока Ф1, некоторый оптический канал ОК и прием-пик излучения ПИ, воспринимающий поток и преобразующий его в электрическую величину «у».

Воздействие измеряемой величины х на поток излучения Ф2 может осуществляться двумя путями. В первом случае измеряемая величина х1 (рисунок 16.9) воздействует непосредственно на источник излучения и изменяет тот или иной параметр излучаемого потока Ф1. Во втором случае измеряемая величина х2 модулирует соответствующий параметр потока Ф2 в процессе его распространения по оптическому каналу.

В оптоэлектрических преобразователях используется оптическое излучение видимого, инфракрасного или ультрафиолетового диапазона. Источниками излучения могут служить лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. В качестве приемников излучения чаще всего применяются фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Следует отметить, что фотоэлементы являются генераторными преобразователями, а фотодиоды могут быть генераторными или параметрическими преобразователями.

Оптоэлектрические преобразователи используются для бесконтактных измерений разнообразных физических величин. Чаще всего под действием измеряемой величины изменяется интенсивность излучения, например, вследствие изменения температуры излучателя, изменение поглощения или рассеяния оптического канала, однако могут изменяться также фазовый сдвиг между колебаниями в двух лучах, вызываемый разностью оптического хода этих лучей, частота и длина волны излучения, генерируемого источником. Соответственно структурные схемы оптоэлектрических преобразователей могут быть разделены на три группы: схемы измерения интенсивности излучения, схемы измерения сдвига фаз и углов поворота плоскости колебаний (плоскости поляризации) и схемы измерения частоты и длины волны электромагнитных колебаний оптического диапазона.

			Ф					Ф			У
ИИ					ОК					ПИ
Х1					Х2

Рисунок - 16.9 Структурная схема оптоэлектрического преобразователя

Рисунок – 16.10 Структурная схема прибора для измерения толщины

листа

В ионизационных преобразователях используются различные виды ионизирующих излучений: α -, β -, γ - излучение, реже - нейтронное и рентгеновское излучения. Источниками излучений служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы и рентгеновские трубки. В качестве приемников излучений применяют ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцинтилляционные счетчики.

Ионизационные преобразователи служат для измерения интенсивности ионизирующих излучений, геометрических размеров (например, толщины стенки детали), перемещений, концентрации веществ и т. д.

16.2 Генераторные преобразователи неэлектрических величин

Как отмечалось выше, в генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС, ток или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Это преобразователи генераторного типа, однако, их выходная мощность мала, поэтому к выходу преобразователя должен быть подключен измерительный усилитель с возможно большим входным сопротивлением (1011 Ом и более).

В пьезоэлектрических преобразователях применяют главным образом кварц, который обладает высокой механической прочностью и очень слабой зависимостью параметров от температуры.

На рисунке 16.11 схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя давления.

Измеряемое давление Р действует на мембрану 7, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе

преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.
Электрический заряд Q, возникающий на кварцевых	пластинах,
пропорционален давлению Р, т. е. справедливо равенство (16.7)
Q = kF = kPS,	(16.7)
где k - пьезоэлектрический коэффициент;

F - сила, воздействующая на пьезоэлектрик; S- площадь мембраны.

Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем измерительной цепью, представлена на рисунке 16.12, на котором С0 - емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразователя); Cвх - емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи; R0 - сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли; Rвх - входное сопротивление измерительной цепи.

Рисунок 16.11 - Пьезоэлектрический	Рисунок 16.12 - Эквивалентная
преобразователь	схема пьезоэлектрического
	преобразователя

При синусоидальной воздействующей силе F=Fmsinω t получим равенство (16.8)

Uвых = k FjωR / (1 + jωRC),

(16.8)

где R=R0ּRвх/(R0+Rвх); С=Со+Cвх.

Как видно из (16.8), амплитуда выходного напряжения и сдвиг фаз ϕ между этим напряжением и измеряемой силой зависят от частоты. Зависимость показана в (16.9)

	U	выхm	= kF ωR / 1 +ω2 R2C2
			ь		,	(16.9)
	ϕ = π		2 − arctgωCR
	Амплитудно-частотная S (ω/ω0) и фазочастотная					ϕ (ω/ω0)

характеристики преобразователя, включенного в измерительную цепь, представлены на рисунке 16.13. Анализ частотных характеристик показывает, что пьезоэлектрические преобразователи могут быть использованы только для измерений быстро изменяющихся величин (переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений и т. д.). Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, индуцированная в катушке, имеющей ω витков, вычисляется согласно (16.10)