Präzisions-Wegmesser. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Einer der vielversprechenden Wege zur Entwicklung hochpräziser Wegsteuerungsgeräte ist die Verwendung von induktiven Wandlern mit einer digitalen Anzeige des Messergebnisses. Bekannt sind induktive Wegmesser, bei denen zur Erhöhung der Empfindlichkeit ein phasenempfindlicher Transistordetektor verwendet wird. Solche Wandler haben nur in der Nähe des Gleichgewichtspunktes der Messbrücke einen erhöhten Transmissionsgrad und sind im restlichen Messintervall in ihrer Empfindlichkeit mit herkömmlichen Geräten vergleichbar.

Es werden Wegsteuergeräte beschrieben, bei denen die Sensorwicklungen in eine Messbrücke mit Ballastwiderständen eingebunden sind. Solche Geräte ohne Feinabstimmung und Optimierung des Betriebsmodus liefern keine hohe Genauigkeit und Stabilität der Messergebnisse. Bekannt sind auch induktive Frequenzwandler mit Wicklungen, die in den Schwingkreis des Hochfrequenzgenerators einbezogen sind. Die Frequenz des Ausgangssignals solcher Wandler ist proportional zur gemessenen Verschiebung. Solche Geräte haben auch keine Empfindlichkeitsvorteile gegenüber anderen.

Am Institut für Geotechnische Mechanik der Akademie der Wissenschaften der Ukrainischen SSR wurde ein einfacher induktiver Verschiebungsmesser entwickelt und untersucht, der eine hohe Empfindlichkeit, Genauigkeit und Stabilität der Messergebnisse bietet, wenn sich die Parameter seiner Elemente ändern. Induktiver Wegmesser (siehe Diagramm in Abb. 1). enthält einen Wandler mit Differenzwicklungen L1, L2, einen Ringdiodendetektor VD3-VD6, eine Ausgangsanzeige P1, einen Rechteckspannungsgenerator an den Transistoren VT1, VT2 und Transformator T1.

In den Mitkopplungskreis des Generators sind Parallelschaltungen aus in Reihe geschalteten Differenzwicklungen L1, L2, einem induktiven Sensor und den Kondensatoren C1, C2 der Messbrücke eingebunden. Diese Einbeziehung stellt automatisch sicher, dass der Wegaufnehmer im Resonanzmodus arbeitet, das heißt, wenn die induktive Reaktanz durch die kapazitive Reaktanz kompensiert wird und der Gesamtwiderstand jedes Stromkreises nahezu gleich dem aktiven Widerstand der Wicklungen ist. Durch die Messbrücke fließt ein Wechselstrom, dessen Form nahezu sinusförmig ist, da die Güte der Schaltung sehr hoch ist. Dank des Vorhandenseins der Dioden VD1, VD2 fließt der Strom des Stromkreises direkt durch den Emitterübergang des Generatortransistors, der in der entsprechenden Halbwelle geöffnet ist. Der zweite Transistor ist zu diesem Zeitpunkt geschlossen.

Der Rechteckimpulsgenerator arbeitet fast ohne Last, daher erreicht der Strom im Stromkreis beim Start ab dem ersten Zyklus einen konstanten Wert. Die Transistoren arbeiten ohne Vorspannung, was ihr Schalten in der Nähe des Moments sicherstellt, in dem der Schleifenstrom "Null durchquert", d. H. Der Wandler arbeitet in einem Resonanzmodus, in dem die Empfindlichkeit des Wegmessers maximal ist.

Auf Abb. 2 zeigt schematisch den Aufbau des Zählersensors selbst. Die Spulen L1 und L2 sind auf zwei W-förmigen Elementen 2 des mit Abstand installierten Magnetkreises angeordnet. In dem Spalt zwischen den Elementen befindet sich ein Anker 1 in Form einer Platte aus ferromagnetischem Material, der über einen Kipphebel 3 mechanisch mit dem beweglichen Verbindungsglied des gesteuerten Mechanismus verbunden ist.

Um die Art des mathematischen Ausdrucks zu bestimmen, der den Ausgangsstrom des Wandlers In bestimmt, wurden die erforderlichen theoretischen Studien durchgeführt, wodurch die folgende vereinfachte Formel erhalten wurde:

In=(0,9Um/ÅL+R) * (AwLo/(V(AwLo)2+r2)
wobei Um der Amplitudenwert der Versorgungsspannung ist,
XL ist der induktive Widerstand einer Spule des Wandlers, R ist der Widerstand des Mikroamperemeters P1;
A=dh/h – das Verhältnis der Ankerverschiebung zum Spalt zwischen Anker und Pol des Magnetkreises in der Ausgangsposition (siehe Abb. 2).
L( ) – Induktivität einer Spule in der Mittelposition des Ankers, r – aktiver Widerstand einer Spule (r1=r2);
w ist die Winkelfrequenz des Generators.

Experimentelle Studien des Konverters bestätigten die Zuverlässigkeit des erhaltenen Ausdrucks. Um die Leistung und die technischen Eigenschaften der Induktivität des Wegmessers zu überprüfen, wurden im Komplex des Mikrobarometer-Messsystems Labortests an mehreren Prototypenproben durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass ein zuverlässiger Start und ein stabiler Betrieb des Generators bei einer Versorgungsspannung von 0,3 V oder mehr und bei Temperaturen von -5 bis +50 °C gewährleistet sind. Der Betrieb des Messgeräts bei niedrigeren Temperaturen wurde nicht getestet.

Die Hauptfaktoren, die den Betrieb des Umrichters destabilisieren, sind Änderungen der Versorgungsspannung und der Temperatur. Daher sollte der Konverter von einem Spannungsstabilisator gespeist werden. Der Temperaturfehler des Gerätes im Bereich von +5...40°C überschreitet nicht 5% pro 10°C und es tritt keine Nullpunktverschiebung auf, was besonders wichtig ist, wenn ein Wandler verwendet wird, um Fehlanpassungen in der Kompensation anzuzeigen Messsysteme.

Die Empfindlichkeit des Messgeräts ändert sich geringfügig, wenn sich die Kapazität der Messbrückenkondensatoren im Bereich von 0,01 bis 0,18 μF ändert (Abb. 3). In diesem Fall wird die Resonanzfrequenz automatisch eingestellt, bestimmt durch die Parameter der Serien-LC-Kreise. Die durch die Bewegung des Ankers im Arbeitsspalt verursachte Induktivitätsänderung jeder Wicklung darf 10 % des Nennwertes nicht überschreiten. Da die Verschiebung des Ankers aus der Neutrallage eine Erhöhung der Induktivität der einen Wicklung und eine Verringerung der Induktivität der anderen um den gleichen Wert bewirkt, bleibt die Resonanzfrequenz praktisch unverändert. Es hängt sehr wenig von der Versorgungsspannung ab. Die Ergebnisse experimenteller Studien zeigen, dass bei einer Änderung der Versorgungsspannung um 33 % die Frequenzdrift 0,25 % nicht überschreitet.

Das beschriebene Messgerät unterscheidet sich von den bekannten durch die Einfachheit des Geräts, die Wirtschaftlichkeit und die hohen metrologischen Eigenschaften und wird erfolgreich in hochpräzisen Mikrobarometern eingesetzt, die von der Rigaer Versuchsanlage "Gidrometpribor" hergestellt werden. Es kann für präzise Wegmessungen in anderen Bereichen der Technik eingesetzt werden.

Wichtigste technische Merkmale:

• Arbeitsbewegungsintervall, mm +-0,5
• Auflösung, mm, nicht schlechter als ......... 1E10-7
• Temperaturfehler, mm/°C 3E10-3
• Stromverbrauch, W. . . 7E10-3

Der Generatortransformator T1 ist auf einen Sh4x4-Magnetkreis aus 2000-Nm-Ferrit gewickelt und enthält drei Wicklungen mit 100 Windungen aus PEV-1 0,12-Draht. Die Spulen L1, L2 des Sensors bestehen aus je 500 Drahtwindungen PEV-1 0,12. Der Magnetkreis des Sensors besteht aus zwei Blöcken Ø4х4 aus 2000NM Ferrit. Der P1-Indikator ist ein M4205-Mikroamperemeter mit einem Gesamtpfeil-Ablenkstrom von 30 μA und Null in der Mitte der Skala.

Beide Teile des Magnetkreises des Sensors mit Spulen werden mit speziellen Halterungen mit Schrauben an der Basis befestigt, mit denen Sie die Größe des Luftspalts ändern können. Die Installation erfolgt mit kalibrierten Platten. Die Sensorarmatur besteht aus Permalloy und hat einen Querschnitt von 5x0,3 mm.

Im Wandler können nahezu beliebige Transistoren und Dioden mit geringer Leistung verwendet werden. Die Verwendung von Siliziumbauelementen ist jedoch mit einem Anstieg des Spannungsabfalls über p-n-Übergängen verbunden, was eine Erhöhung der Versorgungsspannung erfordert.

Mit Bezeichnungen und Arten von Elementen. im Diagramm in Abb. angegeben. 1 verbraucht das Messgerät einen Strom von etwa 5 mA und seine Empfindlichkeit beträgt bei einem Luftspalt von 2h = 1 mm im Magnetkreis des Sensors und einem Mikroamperemeter-Widerstand von 0,5 kOhm 3,5 μA/μm, was fast zehnmal höher ist übertrifft die Empfindlichkeit bekannter Sensoren unter äquivalenten Anfangsbedingungen und erfüllt die Anforderungen für Präzisionsmessungen der Bewegung beweglicher Elemente barometrischer Instrumente.

Beim Einsatz des beschriebenen Gerätes in Kompensationsmesssystemen ist eine Stabilisierung der Versorgungsspannung nicht erforderlich.

Literatur

1. Radio Nr. 5, 1986

Veröffentlichung: N. Bolschakow, rf.atnn.ru

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