Струнные измерительные преобразователи

Для преобразования неэлектрических ве­личин в частоту получили струнные датчики. Принцип действия струнного датчика основан на реализации функциональной зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны и массой от силы натяжения F:

                    (2.3)

где ρ и E — соответственно плотность и модуль упругости материала струны.

Струнные датчики используются в приборах для измерения силы, давления, расхода, температуры и др. При воздействии на струну измеряемой силы струна практически не растягивается, поэтому первичный преобразователь (например, мембрана в датчик давления) работает, почти не деформируясь. Это обстоятельства существенно снижает погрешность измерения из-за механического гистерезиса и упругого последействия материала первичного преобразователя.

Основные элементы струнного датчика: механическая система со струной (струнами) и вторичный преобразователь (обычно электромагнитного или магнитоэлектрического типа), преобразующий изменение частоты колебаний механической системы в изменение параметра электрической цепи.

Рисунок 2.1 Схемы устройства струнных датчиков: а — однострунного; б — дифференциального (1 — струна; 2 — корпус; 3 — выходной преобразователь, е — ЭДС на выходе преобразователя; 4 — мембрана; 5 — пружина; 6 — выходной сигнал; р и F — измеряемые параметры)

Струнные датчики подразделяются на однострунные и дифференциальные, имеющие две идентичные струны. Дифференциальное включение струн позволяет значительно уменьшить влияние окружающей среды на результаты преобразования входного параметра. Основным недостатком однострунных датчиков является сильная нелинейность статической характеристики. У дифференциальных струнных датчиков нелинейность статической характеристики значительно меньше. Точность преобразования таких датчиков увеличивается, если основной составляющей жёсткости механической системы является жёсткость струны.

Для преобразования механических колебаний струны в выходной электрический сигнал датчика применяют электромагнитный преобразователь. Такой преобразователь может попеременно выполнять функции то возбудителя и приемника колебаний струны. При подаче на обмотку датчика электрического сигнала электромагнитная сила притяжения струны возбуждает ее колебания. А когда струна уже колеблется, то с этой же обмотки снимается переменное напряжение, частота которого равна частоте колебаний струны.

Струнные датчики используются в автогенераторном режиме и в режиме работы по запросу. В первом случае струна постоянно колеблется, а во втором — работает в более легких условиях, срок службы ее увеличивается и датчик получается несколько проще.

Для обеспечения требуемой точности, чувствительности и надежности струнных датчиков необходимо выбрать соответствующий материал струны. Этот выбор определяется как условиям применения датчика, так и способом возбуждения колебаний струны. К материалу струны предъявляются следующие требования: высокая прочность при вибрационных нагрузках, определенное значение температурного коэффициента линейного расширения (либо малое, либо равное коэффициенту конструкционного материала датчика), независимость упругих свойств от времени и температуры.

Для изготовления струны применяют как ферромагнитные, так и неферромагнитные материалы. При использовании ферромагнитной струны используют электромагнитное возбуждение колебаний. Под действием тока, протекающего по обмотке неподвижного электромагнита, к струне прикладывается сила притяжения, выводящая ее из состояния покоя. При использовании неферромагнитной струны применяются магнитоэлектрические возбудители колебаний. При пропускании через струну тока она испытывает силу притяжении или отталкивания к полюсам постоянного магнита.

Наибольшее распространение в струнных датчиках с электромагнитным возбуждением получили стальные струны из круглой рояльной проволоки диаметром 0,1 — 0,3 мм. При длине в 40 — 60 мм в таких струнах возбуждаются колебания с частотой 700—2000 Гц. В последнее время используются более гибкие и поддающиеся более надежному креплению стальные ленты толщиной 0,08 — 0,1 мм и шириной 1 — 2 мм. Частота колебаний стальной ленты достигает 3 кГц и выше. Стальные струны и ленты работают в режиме заданной длины. В этом режиме струна крепится к относительно пассивному упругому первичному преобразователю, изготовленному также из стали. Одинаковый температурный коэффициент линейного расширения материала струны и материала конструкции датчика позволяет уменьшить температурную погрешность. В этом режиме струна очень чувствительна к нестабильности крепления, а при использовании неферромагнитных струн обычно требуется изолировать хотя бы один из концов стру­ны, что ухудшает механическую стабильность крепления. Поэтому неферромагнитные струны обычно используют в режиме заданной силы. В качестве материала применяют бериллиевую бронзу, вольфрамовые сплавы, а также специальный железокобальтовый сплав. Струны из вольфрамовых сплавов бывают как круглыми, так и ленточными.

При выборе размеров струны исходят из следующих противо­речивых требований. При малой длине уменьшаются габариты дат­чиков, повышаются чувствительность и виброустойчивость. Однако при этом увеличивается погрешность из-за несовершенства креп­ления и влияния собственной жесткости струны. Для обеспечения малой погрешности от собственной жесткости следует стремиться к выполнению условия:

L/d ≥ 300÷500,                     

где L — длина струны, d — диаметр круглой или толщина ленточной струны.

Обычно не ре­комендуется выбирать длину струны менее 20 мм. Сечение стру­ны выбирается по требуемому пределу изменения натяжения и це­лесообразному механическому напряжению в струне. Например, для бронзы рекомендуется выбирать напряжение не более 0,5% от модуля упругости.

Конструкция и материал крепления струны играют первосте­пенную роль для обеспечения стабильности работы струнного датчика. При малых механических напряжениях используют способы крепления с помощью винта. Ленточные струны за­крепляют между двумя хорошо обработанными и подогнанными параллельными плоскостями. Для высокоточных датчиков применяют более сложные конструкции крепления струны. Для снятия механических напряжений при установке крепления используют температурное старение в виде нескольких циклов нагрева до 80 — 1000° С (по 4 — 8 ч каждый).

С помощью струнных датчиков измеряют силу, давление, перемещение, ускорение, температуру и другие неэлектрические величины. Диапазон изменения выходного сигнала (частоты) таких датчиков составляет 300—500 Гц. Для исключения помех промышленной частоты стремятся увеличить минимальное значение частоты. Высокая частота облегчает преобразование ее в цифровой код. Например, для получения погрешности дискретности счета, не превышающей 0,1%, при частоте в 1000 Гц достаточно производить счет импульсов выходного сигнала датчика в течение 1 с.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: