ходящего через поверхность штуцера 5, контактирующую с поверхностью прокладки 6, имели такой же ТКЛР, что и материал прокладки 6.
В рекомендуемом варианте — материал мембраны 36НХТЮ-Ш, для которого а] =14- 1СГ6 1/°С, а материал прокладки — 29НК, для которого а 2 = 5 • 1СГ6 1/°С. Если Х() и 0,7 мм, высота прокладки к » 1,1 мм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зак Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М.: Энергоатомиздат, 1989. Б-ка по автоматике. Вып. 670.
2. Патлах А. Л. Амплитудные преобразователи физических величин на основе нерегулярных световодов // Измерения, контроль, автоматизация, 1987, № 2 (62).
3. Основы волоконно-оптической связи. Пер. с англ. / Под ред. Е.М. Дианова. М.: Сов. радио, 1980. 232 с.
Виктор Афанасьевич Мещеряков — проф., канд. техн. наук, первый проректор Пензенского государственного университета (ПГУ); ® (8412) 66-42-07
Татьяна Ивановна Мурашкина — канд. техн. наук, советник академии космонавтики им. Э. К. Циолковского, доцент ПГУ; в (8412) 66-21-51
Елена Александровна Мурашкина — студентка 4-го курса кафедры "Приборостроение " ПГУ. □
УДК 621.039.564
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ИНДУКТИВНЫХ И ВЗАИМОИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ
В.Ш. Сулаберидзе, Ф.Х. Валиуллин, Н.П. Котов, Ю.В. Чернобровкин
Исследованы различные методы компенсации влияния температуры на чувствительность и уход нуля индуктивных и взаимоиндуктивных датчиков давления и линейных перемещений, сопоставлена их эффективность в различных схемах преобразования выходного сигнала.
Изменение температуры датчика, содержащего обмотки индуктивности, неизбежно приводит к изменению чувствительности и уходу нуля вследствие воздействия температуры на параметры магнитного контура и электрической цепи датчика. При температуре 300 °С и более величина возникающего сигнала сравнима или даже может превысить величину информативного сигнала датчика.
Авторами исследованы различные методы компенсации влияния температуры на чувствительность и уход нуля датчиков давления и линейных перемещений, сопоставлена их эффективность в различных схемах преобразования выходного сигнала.
Для датчиков, применяющихся в реакторных экспериментах с образцами и изделиями атомной техники, проблема компенсации температурного влияния на метрологические характеристики особенно актуальна, так как испытания, имитирующие переходные, нештатные и аварийные режимы эксплуатации твэлов и тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, проходят в условиях переменной температуры, что затрудняет учет ее влияния на текущие показания датчика [1].
Методы воздействия на градуировочную характеристику индуктивного датчика основаны на регулировании параметров цепи датчика или источника питания, на преобразовании выходного сигнала. Эффективность и область применения этих методов различны.
Метод добавочного сопротивления. В цепь первичной обмотки дифференциально-трансформаторного преобразователя (ДТП) линейных перемещений под-
ключают добавочное сопротивление, частично компенсирующее снижение тока возбуждения при возрастании (с ростом температуры) омического сопротивления обмотки, питаемой источником напряжения. Этот метод хорошо известен, он относительно прост, но обладает недостатками: общее снижение чувствительности датчика и неуниверсальность метода. С увеличением несущей частоты эффективность метода снижается, поскольку уменьшается активная составляющая полного сопротивления обмотки. При питании ДТП от источника тока добавочное сопротивление частично компенсирует температурный рост взаимоиндуктивности. На рис. 1 приведен пример изменения чувствительности ДТП с изменением температуры в зависимости от величины добавочного сопротивления.
Метод подбора частоты питания. Этот метод основан на том, что при питании ДТП от источника напряжения существует узкая область частот питания, при достижении которой меняется знак температурного коэффициента чувствительности. Существование такой области предсказывается теоретически и подтверждается экспериментально [2]. Эффективность этого метода очень высокая. В схеме с обычным дифференциальным выходным сигналом для типовых конструкций датчиков достигается значение температурного коэффициента чувствительности менее 1% на 100 °С (рис. 2). В схеме с преобразованием выходного сигнала в виде отношения А1/2/этот коэффициент равен 0,3% на 100 °С. Здесь А1/2~ дифференциальный выходной сигнал ДТП,
18
Вепвогв & Зуэгетэ • № 9.2001
Дг|(232°С)/г|(20 °С) О _
О 50 100 Ом
Рис. 1. Относительное изменение чувствительности ДТП при температуре 232 С в зависимости от величины добавочного сопротивления
11\ — падение напряжения на первичной обмотке. Указанное преобразование выходного сигнала устраняет влияние колебаний параметров питания.
Метод источника питания стабилизированной мощности. Температурные коэффициенты чувствительности дифференциального сигнала ДТП, питаемого от источников тока и напряжения, имеют разные знаки [2], поэтому стабилизация мощности источника питания должна уравновесить противоположные воздействия на чувствительность. На рис. 3 показаны примеры температурного изменения чувствительности ДТП различных конструкций при питании источниками тока, напряже-
ния и мощности [1]. Недостаток метода заключается в том, что он эффективен в области частот питания, находящихся ниже значения оптимальной частоты (определяемой в методе подбора частоты).
Метод источника питания с регулируемым внутренним сопротивлением. Этот метод разработан авторами [3] и является развитием и обобщением методов добавочного сопротивления и подбора оптимальной частоты питания. Его универсальность и высокая эффективность обусловлены тем, что при регулировании внутреннего сопротивления источника достигается изменение оптимальной частоты питания в широких пределах (рис. 4), но в области, лежащей ниже оптимальной частоты питания при нулевом значении внутреннего сопротивления. Применение этого метода в ДТП снизило температурный коэффициент чувствительности до 0,08% на 100 °С.
Метод шунтирования емкостью. Рассматривая замкнутую цепь с встречно включенными секциями вторичной обмотки индуктивности ДТП как активный двухполюсник, авторы предположили, что при положительном температурном коэффициенте чувствительности дифференциального выходного сигнала (в случае питания от источника напряжения — только при частотах выше некоторой граничной) возможна частичная компенсация температурного возрастания сигнала путем шунтирования его емкостью. Экспериментально это было проверено на ДТП при питании от источников тока и напряжения в схемах с обычным дифференциальным и преобразованным выходными сигналами (рис. 5). Видно, что компенсация температурного влияния на чувствительность имеет место лишь при
Рис. 2. Относительное изменение чувствительности ДТП при нагревании на К) О С в зависимости от частоты (для датчиков различных конструкций)
Дт17,% □
—
— □
400 Гц 600 Гц
— V
— V
Рис. 3. Изменение чувствительности ДТП различных конструкций при нагревании на К) О С и питании от источников напряжения (V), тока (□) и мощности (*)
Рис. 4. Зависимость чувствительности ДТП от частоты и температуры при изменении внутреннего сопротивления источника на величину Лдо5
Рис. 5. Изменение чувствительности ДТП при шунтировании цепи вторичных обмоток емкостью и частотах ^ ./опт * ^ ./опт
Рис. 6. Влияние кратковременного неравномерного нагрева на выходной сигнал индуктивного датчика давления при питании от источников:
1 — переменного напряжения; 2 — комбинированного
/>/опт ® 4,5 кГц. Полезным свойством этого метода является возможность повысить быстродействие датчика, так как при совместном подключении емкости и подборе частоты питания (см. далее), значение оптимальной частоты, обеспечивающей минимальный температурный коэффициент чувствительности, смещается в область более высоких частот.
Метод комбинированного питания (переменная и постоянная составляющие). Наибольшие проблемы, связанные с температурным уходом нуля в индуктивных датчиках, возникают при их неравномерном нагреве (охлаждении). Например, в датчике давления с рабочей и компенсационной (для температурной компенсации) обмотками, включенными в мостовую схему, их неравномерный нагрев приводит к появлению ложного сигнала, сравнимого с информативным [1]. Идея компенсации влияния неравномерного нагрева обмоток индуктивного датчика основана на том, что активная составляющая сопротивления обмотки (сопротивление постоянному току) имеет наибольший температурный коэффициент и, учитывая это, можно, питая обмотки постоянной составляющей, зарегистрировать этот сигнал и аппаратным методом учесть и скомпенсировать его, выделив для регистрации только изменения информативного сигнала. Эффективность этого метода продемонстрирована на примере индуктивного датчика давления с рабочей и компенсационной катушками, в котором поочередно нагревали участки корпуса в местах расположения рабочей и компенсационной обмоток (импульсный нагрев в течение 15 с и последующее охлаждение в воде). В нескомпенсированном сигнале ложный сигнал в амплитуде соответствовал 2,0...2,3 МПа (диапазон измерения датчика 0...15 МПа), а в скомпенсированном — около 0,3 МПа (рис. 6), что составляет всего лишь 2% от диапазона измерений.
Метод преобразования выходного сигнала. На возможность изменять характеристики ДТП преобразованием выходного сигнала было указано при рассмотрении метода подбора частоты. Однако наиболее эффективным для датчиков такого типа является преобразование выходного сигнала в отношение разности падения напряжения на секциях вторичной обмотки к их сумме Л (Л/> Такое преобразование значительно уменьшает влияние температуры и параметров источника питания (при любом источнике) на чувствительность датчика. Однако, в силу неидеальности элементов цепи датчика и неправомерности некоторых допущений, принятых в теоретическом анализе эффективности метода [1, 4], полной компенсации температурного влияния не происходит. Кроме того, с увеличением частоты питания
Рис. 7. Изменение температурной погрешности чувствительности ДТП при преобразовании сигнала в ви
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.