Способы температурной стабилизации выходной характеристики индукционного датчика линейных перемещений

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012

УДК 621.317

Л. П. ПОПОВ А. О. ЧУГУЛЕВ

Омский государственный технический университет

СПОСОБЫ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНДУКЦИОННОГО ДАТЧИКА ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Рассмотрены два способа температурной стабилизации выходной характеристики индукционного датчика линейных перемещений: способ, основанный на стабилизации потокосцепления обмотки возбуждения, и способ, основанный на стабилизации силы тока в данной обмотке. Выполнено моделирование электромагнитного поля датчика с помощью программы «Е!си1», в результате которого установлены численные значения температурной нестабильности выходного сигнала датчика в широком температурном диапазоне и проведена сравнительная оценка рассмотренных способов стабилизации.

Ключевые слова: индукционный датчик, температурная стабилизация, потоко-сцепление.

Существуют области техники, в которых требуется измерять малые перемещения различных объектов в условиях изменения температуры в широких пределах, при этом непрерывный режим работы может протекать в течение длительного времени, вплоть до нескольких месяцев. Для данных целей могут быть использованы индукционные датчики линейных перемещений, которые характеризуются простотой конструкции, высокой чувствительностью, надежностью и, как будет показано ниже, могут обладать высокой температурной стабильностью.

Известно, что температура оказывает существенное влияние на полное потокосцепление обмотки возбуждения (ОВ) датчиков такого типа и, соответственно, на его выходной сигнал. Так, изменение сопротивления обмотки возбуждения может привести к изменению тока возбуждения, а изменение магнитной проницаемости и удельной проводимости материала магнитопровода влияют на индуктивность ОВ и взаимную индуктивность, определяющую выходной сигнал датчика. Поэтому, если не принимать специальных мер по температурной компенсации, то получить достоверную информацию об измеряемом параметре будет невозможно.

Обычно возбуждение индукционных датчиков линейных перемещений осуществляется с использованием операционных усилителей. Поэтому в таких устройствах, как правило, стабилизация режима работы обеспечивается за счет отрицательной обратной связи (ООС) по тому или иному параметру. В данной работе рассмотрены два способа температурной стабилизации выходного сигнала индукционного датчика. Первый способ основан на стабилизации потокосцепления обмотки возбуждения (ОВ). Суть второго способа заключается в стабилизации силы тока в ОВ. Способ стабилизации, предусматривающий ООС по напряжению, который позволяет стабилизировать лишь суммарное напряжение на обмотке возбуждения, составляющими которого являются величина электродвижущей силы и напряжение, обусловленное активными потерями (сопро-

тивление меди обмоток и гистерезистные явления), в работе не рассматривается в связи с его невысокой эффективностью.

Рассмотрим первый способ температурной стабилизации. Суть этого способа заключается в стабилизации потокосцепления обмотки возбуждения (ОВ) за счет применения обмотки стабилизации (обмотки ООС), которая наматывается одновременно с ОВ двойным проводом, что обеспечивает коэффициент связи этих обмоток близкий к единице. Это, в конечном счете, как будет показано ниже, позволяет обеспечить температурную компенсацию.

В состав такого устройства входят следующие элементы (рис. 1): 1 — генератор возбуждения, вырабатывающий сигнал повышенной частоты ив; 2 — операционный усилитель (ОУ); 3 — ОВ; 4 — обмотка стабилизации (обмотка ООС) (обмотки 3 и 4 наматываются, как указывалось выше, одновременно двойным проводом с целью получения равных по величине потокосцеплений обмотки ООС и ОВ); 5 — подвижный сердечник; 6 — сигнальная обмотка, которая состоит из двух секций, включенных последовательно встречно и смещенных относительно друг друга в осевом направлении.

Стабилизация потокосцепления обмотки возбуждения датчика достигается путем введения 100 % ООС с помощью обмотки стабилизации. Благодаря вышеуказанным особенностям конструкции обмоток датчика, электродвижущая сила (ЭДС), наводимая в обмотке стабилизации, будет определяться выражением:

6Уов

иООС =------.

6.1

При этом, с учетом того, что ОУ обладает коэффициентом усиления по напряжению Ки>>1, управляющее напряжение этого усилителя, как известно [1], А и » 0 (рис. 1). Здесь необходимо отметить, что частота сигнала генератора возбуждения должна

т

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема индукционного датчика линейных перемещений со стабилизацией потокосцепления обмотки возбуждения:

1 - генератор возбуждения;

2 - операционный усилитель;

3 - обмотка возбуждения;

4 - дополнительная обмотка стабилизации;

5 ~ подвижный сердечник; б - двухсекционная сигнальная обмотка

Рис. 3. Картина магнитного поля датчика при положении сердечника Х=6 мм

лежать в пределах полосы пропускания ОУ. Исходя из сказанного справедливо выражение:

иООС ~иоос

а*

Данное равенство будет выполняться независимо от параметров датчика, изменяющихся под влиянием температуры или других факторов, путем соответствующего изменения тока в обмотке возбуждения за счет введения обмотки ООС. Таким образом, обеспечивая стабильность выходного напряжения генератора возбуждения иг, достигается постоянство потокосцепления обмотки возбуждения.

При симметричном размещении сердечника относительно обеих секций сигнальной обмотки коэффициент связи обмотки возбуждения с ними одинаков, при смещении сердечника коэффициент связи с одной из секций уменьшается, с другой — увеличивается, что и определяет выходной сигнал датчика линейных перемещений.

На рис. 2 представлена модель датчика, созданная в современной версии программы ЕЬСиТ, в основе работы которой лежит метод конечных элементов [2, 3]. Рассматриваемая задача расчета магнитного поля переменных токов является осесимметричной.

В качестве исходных данных для моделирования заданы:

— частота тока в обмотке возбуждения (ОВ) 1 = = 5000 Гц;

— амплитудное значение тока ОВ 1ов = 0,015 А;

— количество витков обмотки возбуждения \Уов = = 215;

' оосхэаоооооооо)

у ООООООСЮОООООІ ' сгасгаооаоооаоооосю

ооооооааоаооа/ оооЪооооооооооооа оооооооооооаоаооо/

осьсимметрии

Хмм

магнитопровод/

Рис. 2. Модель датчика линейных перемещений

— количество витков секций сигнальной обмотки \У1 = 54; ш2 = 54;

— сопротивление обмотки возбуждения Яов = = 0,940 Ом (материал — медь);

— относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода и сердечника ц = 1200 (материал — феррит 1000НМ);

— удельная проводимость магнитопровода у = = 0 См/м;

— положение подвижного сердечника X = 0 (что соответствует симметричному его размещению относительно обеих секций сигнальной обмотки).

При моделировании численное значение потокосцепления обмотки возбуждения поддерживалось постоянным во всех режимах работы путем задания величины тока обмотки возбуждения.

С помощью созданной модели выполнен расчет потокосцеплений обмоток датчика, а также значений ЭДС на выходе сигнальной обмотки в зависимости от положения подвижного сердечника для различных значений активного сопротивления обмотки возбуждения, а также магнитной проницаемости магнитопровода и сердечника (соответствующих температурному диапазону от -40 до +150 °С) [4, 5].

На рис. 3, в качестве примера, представлена картина силовых линий индукции магнитного поля датчика при смещении сердечника на величину X -= 6 мм. Результаты расчетов приведены в таблице 1, а на рис. 4 — 6 представлены графики выходных характеристик датчика при различных температурных режимах его работы.

Рассмотрим второй способ температурной стабилизации, который предусматривает использование стабилизированного источника тока или введение ООС по току (рис.7).

Для получения температурной характеристики датчика при таком способе возбуждения проведено моделирование его работы в программе Еісиі Исследование проводилось для значений активного сопротивления ОВ, а также магнитной проницаемости магнитопровода и сердечника, соответствующих температурному диапазону, указанному выше. При этом численное значение тока обмотки возбуждения поддерживалось постоянным во всех режимах работы.

В связи с тем, что в данной работе проводится сравнительный анализ рассматриваемых способов температурной стабилизации, моделирование работы датчика в данном случае достаточно было выполнить для одного положения сердечника. Результаты расчетов потокосцеплений обмоток датчика, а также значений ЭДС на выходе сигнальной обмотки представлены в таблице 1.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012

Таблица 1

Значения потокосцеплений обмоток датчика в зависимости от положения сердечника, проводимости материала обмоток и относительной магнитной проницаемости магнитопровода

Х, мм Яов, Ом Цотн 1овг а ^ов, Вб б В б В *ивых.т, мВ

Режим стабилизации потокосцепления ОВ, Т = -40 С

0 0.778 900 0.01500 9.034е-6 1.241е-6 1.241е-6 0

2 0.778 900 0.01499 9.035е-6 9.793е-7 1.543е-6 17.71

4 0.778 900 0.01491 9.035е-6 7.930е-7 1.857е-6 33.43

6 0.778 900 0.01457 9.035е-6 6.840е-7 2.177е-6 46.90

8 0.778 900 0.01413 9.033е-6 6.200е-7 2.434е-6 56.99

Режим стабилизации потокосцепления ОВ, Т = 0 С

0 0.940 1200 0.01499 9.034е-6 1.241е-6 1.241е-6 0

2 0.940 1200 0.01497 9.034е-6 9.790е-7 1.544е-6 17.74

4 0.940 1200 0.01488 9.035е-6 7.928е-7 1.859е-6 33.49

6 0.940 1200 0.01455 9.035е-6 6.837е-7 2.178е-6 46.95

8 0.940 1200 0.01411 9.034е-6 6.196е-7 2.435е-6 57.04

Режим стабилизации потокосцепления ОВ, Т = 150 С

0 1.546 2000 0.01497 9.035е-6 1.240е-6 1.240е-6 0

2 1.546 2000 0.01494 9.034е-6 9.790е-7 1.545е-6 17.78

4 1.546 2000 0.01484 9.035е-6 7.924е-7 1.86е-6 33.54

6 1.546 2000 0.01456 9.035е-6 6.837е-7 2.178е-6 47.02

8 1.546 2000 0.01412 9.033е-6 6.196е-7 2.435е-6 57.13

Режим стабилизации тока ОВ

Т = -40 С

4 0.778 900 0.01500 9.092е-6 7.982е-7 1.869е-6 33.64

Т = 0 С

4 0.940 1200 0.01500 9.109е-6 7.993е-7 1.874е-6 33.76

Т = 150 С

4 1.546 2000 0.01500 9.130е-6 8.007е-7 1.880е-6 33.91

Иов — активное сопротивление обмотки возбуждения; т стали — относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода и сердечника;

1ов — амплитудное значение силы тока в обмотке возбуждения; Уов — амплитудное значение потокосцепления обмотки возбуждения;

у — амплитудное значение потокосцепления 1-й секции сигнальной обмотки;

у 2 — амплитудное значение потокосцепления 2-й секции сигнальной обмотки;

^выхт =  (У2 — У1) — амплитудное значение ЭДС сигнальной обмотки

ивых.т, мВ

^ 56,99

^^7/71

0

>123456789

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения сигнальной обмотки при КоВ = 0,778 Ом, = 900

ивых.т, мВ

^ ' 57,04

^^17,74

0 -

)123456789

Рис. 5. Зависимость выходного напряжения сигнальной

обмотки при КоВ = 0,940 Ом, ц^тн = 1200

Рис. 6. Зависимость выходного напряжения сигнальной обмотки при КоВ = 1,546 Ом, Цотн = 2000

Заключение. По результатам моделирования электромагнитного поля индукционного датчика линейных перемещений в программе Б1си1 установлено, что при стабилизации потокосцепления ОВ температурная нестабильность выходного сигнала в температурном диапазоне от —40 до +150 оС не превышает 4 10-3 % на 1оС, а при стабилизации силы тока в ОВ — 9 10-3 % на 1 оС.

Таким образом, первый способ температурной стабилизации индукционного датчика является предпочтительным. При этом следует отметить, что наличие температурной погрешности, прежде всего, обусловлено изменениями потока рассеяния датчика, вызванными зависимостью магнитной проницаемости материала сердечника и магнитопровода от температуры. В связи с этим одним из основных способов дальнейшего увеличения температурной стабильности выходной характеристики является минимизация воздушных зазоров в датчике.

Библиографический список

1. Хоровиц, П. Искусство схемотехники: [пер. с англ.] / П. Хоровиц, У. Хилл — 5-е изд., перераб. — М. : Мир, 1998. —

704 с.

2. Сильвестр, П. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков : пер. с англ. / П. Сильвестр, Р. Феррари. — М. : Мир, 1986. — 229 с.

3. Расчет электрических и магнитных полей методом конечных элементов с применением комплекса программ БЬСИТ :

Рис. 7. Принципиальная электрическая схема индукционного датчика линейных перемещений со стабилизацией тока обмотки возбуждения:

1 - генератор возбуждения; 2 - операционный усилитель; 3 - обмотка возбуждения;

4 - подвижный сердечник;

5 - двухсекционная сигнальная обмотка

учеб. пособие / А. П. Попов [и др.]. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 84 с.

4. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники : учеб. для студ. вузов. по спец. электронной техники / В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. — 3-е изд. — СПб. : Издательство «Лань», 2001. — 368 с.

5. Преображенский, А. А. Магнитные материалы и элементы : учебник для студ. вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» / А А. Преображенский, Е. Г. Бишард. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Высш. шк., 1986 — 352 с.

ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника».

ЧУГУЛЕВ Александр Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника».

Адрес для переписки: а1ек8-с@гатЪ1ег.т

Статья поступила в редакцию 24.10.2011 г.

©А. П. Попов, А. О. Чугулев

Книжная полка

621.3/С23

Сборник задач по основам теоретической электротехники : учеб. пособие/ А. Н. Белянин [и др.] ; под ред. Ю. А. Бычкова [и др.]. - СПб. [и др.]: Лань, 2011. - 388 с. - ББЫ 978-5-8114-1157-3.

Содержание сборника соответствует программе Министерства образования и науки РФ курса «Теоретические основы электротехники» и включает наборы задач для индивидуальной работы студентов, описание практических занятий, перечень контрольных вопросов и варианты олимпиадных задач. Рассмотрены анализ цепей во временной и частотной областях, классические и современные приложения, включая анализ дискретных, нелинейных и активных цепей, синтез цепей, а также разнообразные задачи анализа электромагнитных полей.

621.31/Р24

Расчет электротехнических устройств с использованием программного пакета АЧБУБ : учеб. пособие / Ю. З. Ковалев [и др.] ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 59 с. - 18БЫ 978-5-8149-0983.

Рассматриваются вопросы математического моделирования и расчета электромагнитных процессов электротехнических устройств, численной реализации с помощью метода конечных элементов результатов моделирования с использованием пакета конечно-элементного анализа АМБУЗ. Приводится описание методики работы с программным пакетом АМБУЗ на примере моделей электротехнических устройств в плоскопараллельной, осесимметричной и трехмерной постановках.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА