11. Струнні датчики
Глава 11 СТРУНІ ДАТЧИКИ
§ 11.1. Призначення та принцип дії
Для вимірювання неелектричних величин застосовується ічастотнийметод, при якому вимірювана величина перетворюється на змінну напругу, частота якого залежить від цієї величини. Перевагою частотного методу вимірювання є те, що в процесі передачі та подальшої обробки частотного вихідного сигналу не виникає додаткової похибки. Справді, якщо вихідним сигналом датчика є напруга, то передачі такого сигналу на відстань відбувається падіння напруги на проводах лінії зв'язку. Якщо вихідним сигналом датчика є, наприклад, опір, до нього додається опір проводів лінії зв'язку. А в частотному методі вимірювання наявність опору проводів лінії зв'язку та внутрішнього опору вимірювального приладу не змінюють частоти сигналу. Ще однією перевагою частотного сигналу є зручність перетворення їх у цифровий код. Це особливо важливо у зв'язку з розвитком останнім часом цифрових вимірювальних приладів та застосуванням в автоматиці цифрових обчислювальних машин.
Найбільше розвиток перетворення неелектричних величин в.частоту отримали струнні датчики. Принцип дії струнного датчика заснований на залежності власної частоти коливань натягнутої струни довжиною і масою від сили натягуmF:
Струнні датчики використовуються в приладах для вимірювання сили, тиску, витрати, температури та ін. При впливі на струну сили, що вимірювається, струна практично не розтягується, тому первинний перетворювач (наприклад, мембрана в датчику тиску) працює, майже не деформуючись. Ця обставина суттєво знижує похибку вимірювання через механічнийгістерези та пружної післядії матеріалу первинного перетворювача.
мембраною4на рис. 11.1. При зміні тискуРзмінюється сила натягу струни. За допомогою збудника2,яким може бути електромагніт, струна виводиться зі стану рівноваги і починає коливатися з частотоюf, яка визначається тискомР.Приймач3перетворює переміщення струни з частотоюfв електричний сигнал такої самої частоти. Як приймач3може використовуватися індуктивний, ємнісний або будь-який інший датчик. На практиці
Найчастіше застосовують електромагнітний датчик. Річ у тім, що може поперемінно виконувати функції то збудника, то приймача. Коли його обмотку подається напруга, він створює електромагнітну силу тяжіння струни і збуджує її коливання. А коли струна вже коливається, то з цієї ж обмотки знімається змінна напруга, частота якої дорівнює частоті струнних коливань.
Струнні датчики використовуються у двох режимах: автогенераторному та в режимі роботи за запитом. У першому випадку струна постійно коливається, а в другому працює в більш легких умовах, термін служби її збільшується і датчик виходить дещо простіше.
§ 11.2. Влаштування струнних датчиків
Для забезпечення необхідної точності, чутливості та надійності струнних датчиків необхідно вибрати відповідний матеріал струни. Цей вибір визначається як умовами застосування датчика, і способом порушення коливань струни. До матеріалу струни подаються наступнівимоги: висока міцність при вібраційних навантаженнях, певне значення температурного коефіцієнта лінійного розширення (або мале, або рівне цьому ж коефіцієнту конструкційного матеріалу датчика), незалежність пружних властивостей від часу і температури.
Можливе застосування як феромагнітних, так і неферомагнітних матеріалів струни. При використанні феромагнітної струни використовуються електромагнітні збудники коливань. Під дією струму, що протікає по обмотці нерухомого електромагніта, до струни прикладається сила тяжіння, що виводить її зі стану спокою. При використанні неферомагнітної струни застосовуються магнітоелектричні збудники коливань. При пропущенні через струну струму вона відчуває силу тяжіння (або відштовхування) до полюсів постійного магніту.
Найбільшого поширення в струнних датчиках з електромагнітним збудженням набули сталеві струни з круглого рояльного дроту діаметром 0,1-0,3 мм. При довжині 40-60 мм у таких струнах збуджуються коливання з частотою 700-2000 Гц. Останнім часом використовуються більш гнучкі сталеві стрічки товщиною 0,08-0,1 мм і шириною 1-2 мм, що піддаються більш надійному кріпленню. Частота коливань сталевої стрічки досягає 3 кгц і вище. Сталеві струни та стрічки працюють у режимі заданої довжини. У цьому режимі струна кріпиться до відносно більш масивного пружного первинного перетворювача, виготовленого зі сталі. Одинаковий температурний коефіцієнт лінійного розширення матеріалу струни та матеріалу конструкції датчика дозволяє зменшити температурну похибку.
У режимі заданої довжини струна дуже чутлива до нестабільності кріплення, а при використанні неферомагнітних струн зазвичай потрібно ізолювати хоча б один із кінців струни, щопогіршує механічну стабільність кріплення. Тому неферомагнітні струни зазвичай використовують як заданої сили. Як матеріал застосовують берилієву бронзу, вольфрамові сплави, а також спеціальний залізокобальтовий сплав. Струни з вольфрамових сплавів бувають як круглими, і стрічковими. Інші матеріали зазвичай використовують як стрічок.
При виборі розмірів струни виходять із наступних суперечливих вимог. При малій довжині зменшуються габарити датчиків, підвищуються чутливість та вібростійкість. Однак при цьому збільшується похибка через недосконалість кріплення та вплив власної жорсткості струни. Для забезпечення малої похибки від власної жорсткості слід прагнути виконання умови //d, де / - довжина струни,d- діаметр круглої або товщина стрічкової струни. Зазвичай не рекомендується вибирати довжину струни менше 20 мм. Перетин струни вибирається за необхідною межею зміни натягу та доцільною механічною напругою в струні. Наприклад, для бронзи рекомендується вибирати напругу трохи більше 0,5% від модуля пружності.
Конструкція та матеріал кріплення струни відіграють першорядну роль для забезпечення стабільності струнного датчика. При малих механічних напругах (до 200 Н/мм 2 ) кращі результати дають способи кріплення, показані на рис. 11.2. Кріплення за допомогою гвинта (рис. 11.2,а)призводить до значного зминання струни та погіршення стабільності. Більше хороші результати дає кріплення в щілини (рис. 11.2, б). Стрічкові струни закріплюють між двома добре обробленими та підігнаними паралельними площинами (рис. 11.2, в). У такий же спосіб можна кріпити і круглі струни. Для високоточних датчиків застосовують складніші конструкції кріплення струни. Для зняттямеханічних напруг при установці кріплення використовують
температурне старіння у вигляді кількох циклів нагріву до 80-100 ° С (по 4-8 год кожен).
За допомогою струнних датчиків можливий автоматичний вимір сили, тиску, переміщення, прискорення, температури та інших неелектричних величин. На базі струнних датчиків створені також цифрові електровимірювальні прилади.
та змінного струму. Діапазон зміни вихідного сигналу – частоти – становить 300-500 Гц. Для виключення перешкод промислової частоти прагнуть збільшити мінімальне значення частоти. Висока частота полегшує перетворення її на цифровий код. Наприклад, для отримання похибки дискретності рахунку, що не перевищує 0,1%, при частоті 1000 Гц достатньо виробляти рахунок імпульсів вихідного сигналу датчика протягом 1 с. Найбільшого поширення набули струнні тензометри. Розглянемо схему вимірювання за допомогою струнного тензометра (рис. 11.3,а).У корпусі1закріплена струна2,початковий натяг якої може встановлюватися за допомогою регулювального гвинта 4>3. Коливання струни збуджуються за допомогою електромагніту ■■4.Вихідний сигнал приймача5,в якості якого використовується, наприклад, електромагнітний трансформаторний датчик, вимірюється частотоміром. У струнних тензометрах застосовуються струни довжиною 20-200 мм з початковою механічною напругою 300-400 Н/мм 2 і максимальною до 800 Н/мм 2 . З їхньою допомогою може бути забезпечена чутливість вимірювання відносної
деформації в Ы0 -6.
На рис. 11.3,бпоказані діаграми напруги, що подається на обмотку електромагніта4,і напруги, що знімається з приймача5у режимі роботи за запитом.Періодично посилаються сигнали запиту як одиночного імпульсу, а сигнал відповіді має вигляд загасаючих коливань з частотою /, яка визначається силою, прикладеної до струни. Як випливає із рівняння (11.1), ця залежність має нелінійний характер.
За допомогою деяких конструктивних заходів можна зменшити цю нелінійність. Але в датчиках з однією струною досить важко забезпечити нелінійність менше ніж 2-3% від діапазону
Для збільшення точності перетворення та підвищення лінійності використовують двострунні диференціальні датчики. Перетворювач сили в частоту (рис. 11.4) складається із двох струн
1 і 2,розміщених під малим кутом один до одного і натягнутих з силою2F0,створюваної пружиною3.
Пружина4врівноважує початковий натягF0у струні2.Вимірювана силаF,прикладена до важеля5,перерозподіляє сумарну силу натягу2F0,збільшуючи натягF2струни2і зменшуючи натягF1струни/. Під струнами1 і 2розташовано дружини збудники коливань6і7та приймачі коливань8та9.Приймачі підключені на вхід підсилювачів10і11,а збудіть чи-на вихід цих підсилювачів. Напруги з підсилювачів10іI 1з частотами відповідноfi таf2надходять на змішувач12> і фільтр13,на виході якого виходить сигнал різницева година тоти Для зменшення нелінійності струна, що працює на укорочення, вибирається дещо більша довжина