9. Разработка индуктивного датчика давления

9.1 Расчет чувствительного элемента индуктивного датчика давления

В качестве чувствительного элемента датчика давления выберем, например, манометрическую трубку Бурдона с эллиптическим или плоскоовальным профилем поперечного сечения.

Радиус трубки и толщина ее стенки определяются по таблице в задании согласно номеру варианта. Остальные параметры чувствительного элемента рассчитываются с использованием приведенных формул и графиков.

Рисунок 9.1 Устройство и принцип работы манометрической трубки Бурдона.

Условные обозначения: R – радиус центральной оси трубки; h – толщина стенки трубки; 2a, 2b – оси поперечного сечения трубки по среднему контуру; γ; Δγ – центральный угол и его отклонение.; Р –измеряемое давление.

Вычислим главный параметр трубки:

. (9.1)

Найдем перемещение конца пружины:

, (9.2)

- коэффициент Пуассона;

Е – модуль упругости материала трубки.

Коэффициенты α, β, Г вычисляются по графикам и с помощью таблицы 9.1. Выбранный материал для чувствительного элемента (манометрической трубки) определяет значения коэффициентов Пуассона ( ) и модуля упругости (Е) в формуле 9.2.

Полученное перемещение конца трубки по условию должно быть в пределах 0,1= 0,2 мм, в противном случае необходимо изменить геометрические размеры чувствительного элемента датчика.

Таблица 9.1. Коэффициенты α и β.

Форма поперечного сечения	a/b	1	1,5	2	3	4	5	6	7	8
Эллиптическая	α	0,750	0,636	0,566	0,493	0,452	0,430	0,416	0,406	0,4
	β	0,083	0,062	0,053	0,045	0,044	0,043	0,042	0,042	0,042

Рисунок 9.2 Графики зависимостей коэффициентов α и β от соотношения геометрических размеров сечения трубки.

Рисунок 9.3 Графики коэффициента Г, угла φ между направлением полного перемещения и касательной и угла ψ между направлением полной тяговой силы и касательной к центральной оси пружины от величины центрального угла трубки.

9.2 Особенности проектирования индуктивных первичных измерительных преобразователей

Одним из основных отличительных признаков индуктивных преобразователей является диапазон рабочих частот, охватывающий в настоящее время интервал от области постоянного тока до нескольких сот мегагерц. В зависимости от технических требований индуктивные измерительные устройства проектируются как без магнитопровода (высокочастотные), так и с магнитопроводом. При этом конфигурация магнитопровода определяет конструкцию и всего устройства. В настоящее время различают три типа конструкций магнитопроводов: броневые, тороидальные и стержневые.

В большинстве практических задач основным требованием является разработка линейных измерительных устройств, то есть таких устройств, параметры которых не зависят от величины протекающего в их обмотке электрического тока. Это техническое требование накладывает определенные условия на состав и характер магнитной цепи проектируемого индуктивного преобразователя.

Так как применяемые магнитные материалы характеризуются нелинейной зависимостью между магнитным потоком и напряженностью магнитного поля, поэтому в целях линеаризации вольтамперной характеристики устройства в состав магнитной цепи вводят немагнитный (воздушный) зазор, магнитное сопротивление которого существенно превышает магнитное сопротивление ферромагнитного сердечника. Магнитопроводы с воздушным зазором характеризуются большей линейностью вольтамперной характеристики, временной и температурной стабильностью. Ввиду низкой эквивалентной магнитной проницаемости такой системы магнитный материал используется малоэффективно, результатом чего является относительно невысокая электрическая добротность измерительного устройства. Поэтому устройства такого типа малоперспективны для реализации с их помощью высокочувствительных резонансных методов измерений.

В индуктивных элементах происходит запасание магнитной энергии, связанное с протеканием электрического тока по их обмоткам. Одновременно с магнитной энергией в измерительном устройстве запасается электрическая энергия, поскольку в пространстве, окружающем витки обмотки, существует помимо магнитного еще и электрическое поле. Соотношение между количеством магнитной и электрической энергии зависит от напряжения питания, частоты, используемых материалов и конструкции измерительного устройства.

При определении индуктивности элементов с магнитопроводом в тех случаях, когда магнитопровод имеет малое магнитное сопротивление, предполагается, что весь магнитный поток проходит только по магнитопроводу без утечек в окружающее пространство. Такое предположение не вносит сколько-нибудь ощутимой погрешности в расчет индуктивности. Иначе обстоит дело в магнитопроводах при наличии немагнитных зазоров. При этом приходится учитывать явление выпучивания магнитных силовых линий в области немагнитного элемента. В силу этого индуктивность рассматриваемых устройств может быть определена по формуле:

, (9.3)

где - число витков в катушке, - суммарное магнитное сопротивление магнитной цепи.

Эквивалентными значениями длин и сечений для всей магнитной цепи не всегда удобно пользоваться в силу их сложности (для цепи с различной геометрической конфигурацией отдельных участков). Поэтому для единичных расчетов целесообразно находить магнитное сопротивление отдельных участков и затем их суммировать. Процедура проектирования таких устройств предусматривает определение индуктивности для заданных геометрических размеров магнитопровода по известным формулам.

В начальной стадии проектирования индуктивного устройства большое значение имеет выбор конструкции, материала и габаритных размеров магнитопровода. Конструкция устройства определяется назначением прибора, способом его исполнения, монтажа, компоновкой отдельных элементов и узлов. Кроме этого, определенную роль в выборе конструкции устройства могут играть и его энергетические характеристики.

Другим важным фактором шагом на пути к конкретизации конструкции устройства служат требования к его параметрам (индуктивности, добротности, стабильности и т.п.), а также к энергопотреблению устройства, определяющие материал магнитопровода и конструкцию устройства.

Основным достоинством измерительных устройств с магнитопроводом является возможность достижения относительно малых габаритных размеров и малых полей рассеяния. Это определяет малую зависимость основных параметров устройств от наличия расположенных вблизи проводящих и ферромагнитных масс. К числу недостатков таких устройств можно отнести ограниченную величину добротности, невозможность использования их при больших токах и малых индуктивностях и наличие нелинейных искажений.

Наряду с измерительными устройствами, имеющими магнитопровод, могут использоваться также и индуктивные устройства без специального магнитопровода (воздушные). Выбор конкретной конструкции индуктивного измерительного устройства определяется допустимой величиной индукции, индуктивностью, добротностью и возможностью перегрева устройства.