В. А. Никитин с. В. Бойко

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/

L  ^W 2
l_c /(_c S_c )   /(₀ S )


, (14.25) /8/

где W - число витков катушки;

l_с, S_с - длина и площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;
 - длина воздушного зазора;
_c, ₀ - магнитная проницаемость сердечника и воздуха;
S - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода.
В процессе измерения величина l_с /(_c S_с) << /(₀ S), поэтому выражение (14.25) можно представить в виде формулы (14.26) /8/


L = W² ₀ S / , (14.26)
Принимая во внимание, что величина деформации мембраны пропорциональна измеряемому давлению получаем уравнение (14.27) /8/

 = k₁ P, (14.27)

преобразуем уравнение (14.27) к виду (14.28)


L = W² ₀ 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  f I₁ M₁ ; е₂= 2  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  f I₁ (M₁ — М₂) = 2  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  f I₁ M_вых , (14.31)
Величина М_вых связана с перемещением  сердечника 6 зависимостью

(14.32)
^Mвых ^{= M}max


^ , (14.32)
^ max

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

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


^U _вых ^{ 2fI1M max } , (14.33)
^ max

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/

 = k P,

(14.24)

где —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.

5.