Индуктивный преобразователь перемещений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технике и научных исследованиях для измерения различных физических величин в средах с изменяющимися и неравномерными температурными полями. Предлагаемое устройство повышает точность измерений за счет уменьшения мультипликативной погрешности рассматриваемых преобразователей, работающих в средах с высокими, резко изменяющимися и неравномерными температурными полями. Предложенный индуктивный преобразователь перемещений содержит цилиндрический полый корпус, разделенный щечками на две идентичные, равные части с размещенными в них двумя секциями катушки индуктивности, трубку в центре его, в которой находится подвижный цилиндрический ферромагнитный сердечник, жестко прикрепленный к штоку, передающему сердечнику измеряемое перемещение. В состав преобразователя дополнительно введен второй сердечник, жестко закрепленный и идентичный первому, окруженный одной из секций катушки индуктивности, а первый подвижный сердечник располагается в части центральной трубки, окруженной второй секцией катушки индуктивности, а в двух щечках имеются отверстия для прокладки проводов катушки индуктивности. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технике и научных исследованиях для измерения различных физических величин в средах с изменяющимися и неравномерными температурными полями.

Широкое распространение в технике и научных исследованиях в ядерной и тепловой энергетике получили индуктивные преобразователи перемещения, как индуктивно-дифференциальные, так и дифференциально-трансформаторные.

Одной из важных технических характеристик таких преобразователей является мультипликативная температурная погрешность, обусловленная изменением чувствительности преобразователя от температуры. Величина этой погрешности может быть значительной при больших диапазонах изменения температуры среды и, особенно, при неравномерном нагреве преобразователя.

В устройстве, описанном в патенте РФ №2194242, БИМП №34, 2002 г., уменьшение мультипликативной погрешности, возникающей из-за разности температур частей преобразователя, достигается за счет дополнительного включения в устройство питания первичного преобразователя источника напряжения постоянного тока, сумматора переменного и постоянного напряжений, двух идентичных фильтров нижних частот (ФНЧ), двух идентичных фильтров верхних частот (ФВЧ), второго дифференциального усилителя (ДУ) и корректирующего блока, функции которого выполняет первый дифференциальный усилитель с двумя дополнительными входами. Выходы источников постоянного и переменного напряжений соединены с входами сумматора, с выхода которого напряжение подается для питания первичного преобразователя. Выходы двух ветвей первичного преобразователя соединены с входами ФНЧ и ФВЧ. Выходы ФНЧ соединены с двумя входами второго ДУ, выход которого соединен со вторым дополнительным входом первого ДУ. Выходы ФВЧ соединены с входами выпрямителей, выходы которых соединены с основными двумя входами первого ДУ.

В случае применения дифференциально-трансформаторного преобразователя источник постоянного напряжения включается в цепь вторичных обмоток.

При питании преобразователя суммой переменного синусоидального и постоянного напряжений снимаемое с ветвей цепи преобразователя переменное напряжение зависит от полного (активного и реактивного) сопротивления ветвей. Реактивное сопротивление ветвей, в свою очередь, определяется положением чувствительного элемента (например, сердечника) преобразователя, и в этом случае изменение переменного напряжения ветвей является полезным измеряемым сигналом. При неравномерном или неодинаковом прогреве ветвей их полное сопротивление будет изменяться неодинаково, но в этом случае изменение переменного напряжения ветвей обусловлено аддитивной погрешностью преобразователя. Постоянное напряжение зависит только от омического сопротивления ветвей и не зависит от положения чувствительного элемента, вызывающего изменение только реактивной составляющей полного сопротивления ветвей. Разность сигналов постоянного напряжения ветвей будет пропорциональна неравномерному или неодинаковому их разогреву. Омическое сопротивление ветвей увеличивается при возрастании температуры. Полное сопротивление ветвей, состоящее практически из активного и индуктивного сопротивлений, также растет с увеличением температуры. Поэтому сигналы с ветвей от постоянного напряжения можно использовать для коррекции температурной погрешности. Сигналы переменного напряжения с ветвей фильтруются идентичными фильтрами высоких частот, обрабатываются и затем подаются на один из входов корректирующего устройства (сумматора). Сигналы напряжения постоянного тока с ветвей фильтруются идентичными фильтрами низких частот, вычитаются дифференциальным усилителем и (с определенным коэффициентом передачи) подаются на второй вход корректора. В качестве корректора, для уменьшения аддитивной погрешности, может быть использован дифференциальный усилитель с дополнительными входами.

Такое устройство имеет следующие недостатки:

- конструкция первичного преобразователя в принципе не исключает возникновения мультипликативной погрешности, обусловленной неравномерным разогревом его частей;

- необходимость вторичного преобразователя специальной конструкции, позволяющего компенсировать погрешность первичного преобразователя, вызванную его неравномерным разогревом.

Значительное усложнение электрической схемы и увеличение количества электронных компонентов во вторичном преобразователе измерительной системы (дополнительные фильтры, сумматоры, корректирующие устройство), что увеличивает ее стоимость, вес, габариты и уменьшает надежность, что в свою очередь затрудняет или делает невозможным ее использование в специальной технике (военная, космическая техника).

Необходимость и сложность в настройке, т.к. невозможно смоделировать все ее многообразие реальных неравномерных температурных полей и, следовательно, свести погрешность от них к нулю, при проведении метрологической аттестации измерительной системы.

Все эти недостатки сужают область применения данного устройства.

Устройство, описанное в (И.Е.Александров, Н.Ф.Чеботарев. Разработка и макетные испытания терморадиационно-стойкого индуктивного преобразователя линейных перемещений. В книге Реакторные испытания материалов. М., Энергоатомиздат, 1983, с.62-68), включает в себя индуктивный дифференциальный первичный преобразователь, состоящий из цилиндрического полого корпуса, разделенного щечками на две идентичные, равные части и размещенные в них две секции катушки индуктивности, в центре корпуса расположена трубка, в которой находится подвижный ферромагнитный сердечник, жестко прикрепленный к измерительному штоку, передающему сердечнику измеряемое перемещение. Две секции катушки индуктивности включены по схеме делителя напряжения и питаются от генератора переменного синусоидального напряжения. Фазочувствительный выпрямитель преобразует сигнал с катушек первичного преобразователя в постоянное напряжение, которое регистрируется цифровым вольтметром, проградуированный в единицах длины.

Для уменьшения температурной погрешности коэффициента преобразования индуктивного первичного преобразователя в этом устройстве, как и в системе, описанной выше, применялась оптимальная частота питания (4 кГц), определенная экспериментально в лабораторных условиях. С целью уменьшения дополнительной составляющей погрешности в реакторных условиях, возникающей из-за наличия разности температур между корпусом первичного преобразователя и его обмотками как в радиальном, так и в аксиальном направлении, проводили дополнительную корректировку частоты питающего напряжения. Для этого строили кривые зависимости чувствительности от частоты питания при разных температурах и точки их пересечения принимали за рабочую частоту. Эта частота была меньше найденной в лабораторных опытах (3,6 кГц).

Такой способ коррекции температурной погрешности громоздок, неудобен и не всегда возможен. Более того, он не исключает температурных погрешностей, вызванных резкими изменениями температурного поля в рабочей среде при быстропротекающих процессах, происходящих, например, в аварийных экспериментах на реакторных установках. Как и в предыдущем устройстве, конструкция первичного преобразователя в принципе не исключает возникновения мультипликативной погрешности, обусловленной неравномерным разогревом его частей, что сужает область его применения.

Предлагаемое устройство повышает точность измерения за счет уменьшения мультипликативной погрешности указанных преобразователях, работающих в средах с высокими, резко изменяющимися и неравномерными температурными полями.

При работе в таких условиях мультипликативная погрешность возникает из-за разницы температуры в разных частях преобразователя.

Поставленная задача и получаемые технические результаты достигаются в индуктивном преобразователе перемещений, содержащем цилиндрический полый корпус, разделенный щечками на идентичные, равные части с размещенной в нем катушкой индуктивности, разделенной на равные части, трубку в центре его, в которой находится подвижный цилиндрический ферромагнитный сердечник, шток, жестко соединенный с сердечником и передающий этому сердечнику измеряемое перемещение, дополнительно введен второй сердечник, жестко закрепленный и идентичный первому, окруженный одной из секций катушки индуктивности, а первый подвижный сердечник располагается в части центральной трубки, окруженной второй частью катушки индуктивности, а в двух щечках имеются отверстия для прокладки проводов катушки индуктивности.

Две секции катушки индуктивности включены по схеме делителя напряжения и питаются от генератора переменного синусоидального напряжения. Фазочувствительный выпрямитель преобразует сигнал с катушек первичного преобразователя в постоянное напряжение, которое регистрируется цифровым вольтметром, проградуированный в единицах длины.

В случае двухсекционного индуктивного дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения первичная катушка индуктивности равномерно и симметрично располагается в обеих идентичных полостях цилиндрического полого корпуса над или под симметричными, расположенными в двух идентичных полостях, секциями вторичной катушки индуктивности.

При использовании трехсекционного дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения во внутрь корпуса дополнительно вводится четвертая щечка с отверстием для прокладки проводов обмоток и делящая пространство внутри корпуса на три полости, две из которых, расположенные по краям корпуса, идентичны и в которых размещены две идентичные секции вторичной катушки индуктивности, включенные встречно, в третьей центральной полости размещена первичная катушка индуктивности. В области центральной трубки, окруженной одной секцией вторичной катушки индуктивности и примыкающей к ней частью первичной катушки индуктивности, жестко закреплен второй сердечник, идентичный первому, а первый подвижный сердечник располагается в части центральной трубки симметрично второму, окруженной другой секцией вторичной катушки индуктивности и примыкающей к ней частью первичной катушки индуктивности.

Основные существенные признаки данного изобретения:

введение второго сердечника из ферромагнитных материалов в трубку, расположенную в центре цилиндрического полого корпуса, разделенного на две идентичные, равные полости тремя щечками, две из которых имеют отверстия для прокладки проводов катушки индуктивности, в идентичных полостях которых расположены две идентичные секции (части) катушки индуктивности, а в случае дифференциально-трансформаторного преобразователя две идентичные секции (части) вторичной катушки индуктивности и первичная катушка индуктивности;

расположение второго сердечника из ферромагнитного материала в той области трубки, которая окружена одной из секций катушки индуктивности, симметрично первому; а в случае дифференциально-трансформаторного преобразователя первой идентичной секцией вторичной катушки индуктивности и первичной катушкой индуктивности;

жесткое закрепление второго сердечника;

расположение первого подвижного сердечника из ферромагнитных материалов, жестко прикрепленного к штоку, передающему измеряемое перемещение в той области трубки, которая окружена другой секцией катушки индуктивности, а в случае дифференциально-трансформаторного преобразователя другой идентичной секцией вторичной катушки индуктивности и первичной катушкой индуктивности.

Конструкция дифференциального индуктивного преобразователя, обладающего скомпенсированной мультипликативной погрешностью при различной температуре его идентичных частей, представлена на фиг.1, где цилиндрический полый корпус - 1, первая секция катушки индуктивности - 2, вторая секция катушки индуктивности - 3, подвижный ферромагнитный сердечник - 4, жестко закрепленный ферромагнитный сердечник - 5, измерительный шток - 6, трубка - 7, щечки - 8.

Индуктивный преобразователь перемещений с двумя сердечниками, один из которых жестко закреплен, представляет собой дифференциальную систему с опорным каналом, структурная схема которой представлена на фиг.2.

Измеряемое перемещение передается на измерительный шток, который передвигает подвижный ферромагнитный сердечник. Измеряемый сигнал, пропорциональный перемещению подвижного ферромагнитного сердечника, снимается с дифференциально включенных частей катушки индуктивности.

Индуктивный дифференциальный преобразователь перемещения с двумя сердечниками, один из которых жестко закреплен (см. фиг.1), так же как и индуктивный дифференциально-трансформаторный преобразователь перемещения с двумя сердечниками, один из которых также жестко закреплен, представляют собой дифференциальную систему с опорным каналом, структурная схема которой представлена на фиг.2 [Сергеев В.А. Погрешности тепловой природы измерительных преобразователей с дифференциальным включением датчиков. - Датчики и системы, 2003 г., №2, стр.11-14]. Опорным каналом Д2 для индуктивного дифференциального преобразователя перемещения с двумя сердечниками, один из которых жестко закреплен (см. фиг.1), так же как и для индуктивного дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения с двумя сердечниками, один из которых также жестко закреплен, являются обмотки преобразователя и жестко закрепленный сердечник. Другой канал Д1 - измерительный, это подвижный сердечник и обмотки преобразователя. Для такой системы погрешность, обусловленная разными температурами каналов Д1 и Д2, то есть, неравномерным разогревом предлагаемого устройства, будет выражаться формулой:

где Δy_ад - погрешность измерительной системы;

S - чувствительность вычитающего устройства;

T₁, Т₂ - температура;

f - функция преобразования датчика.

Как видно, в случае ДП с опорным плечом - это чисто аддитивная погрешность, определяемая частными производными функции преобразования только по температуре.

Индуктивный преобразователь перемещений, содержащий цилиндрический полый корпус, разделенный щечками на две идентичные, равные части с размещенными в них двумя секциями катушки индуктивности, трубку в центре его, в которой находится подвижный цилиндрический ферромагнитный сердечник, жестко прикрепленный к штоку, передающему сердечнику измеряемое перемещение, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй сердечник, жестко закрепленный и идентичный первому, окруженный одной из секций катушки индуктивности, а первый подвижный сердечник располагается в части центральной трубки, окруженной второй секцией катушки индуктивности, а в двух щечках имеются отверстия для прокладки проводов катушки индуктивности.