Компенсационный датчик давления

Принцип действия компенсационного датчика давления основан на методе силовой компенсации входного воздействия [39]. Измеряемое давление преобразуется в силу с помощью сильфона, которая сравнивается с эталонной силой, хранящейся в элементе основной обратной связи датчика (рис. 4.28).

Рис. 4.28. Структурная схема датчика давления, построенного на схеме силовой компенсации: 1 – чувствительный элемент; 2 – нуль-орган; 3 – усилитель с двигателем; 4 – основная обратная связь (пружина); 5 – выходное устройство

В связи с тем, что при измерении давления имеют дело с силами, то компенсационную схему называют схемой силовой компенсации. Возможно осуществление множества разновидностей схем и конструкций, построенных на данной схеме, однако все они содержат элементы общего назначения: чувствительный элемент – сильфон 1, нуль-орган 2, усилитель 3, обратную связь (эталон) 4, выходное устройство 5.

Если сравнить структурную схему компенсационного датчика со структурной схемой позиционного датчика давления (рис. 4.29), то увидим принципиальную разницу между ними. В компенсационной схеме большее число элементов охвачено основной обратной связью. Полное уравнение схемы рис. 4.28 имеет вид [39]

. (4.25)

Установившееся значение выходной величины y_1О имеет вид (t → ∞)

. (4.26)

Полное уравнение движения по схеме рис. 4.29 имеет вид

, (4.27)

k22

Рис. 4.29. Структурная схема электромеханического датчика давления, построенного на схеме с использованием хода чувствительного элемента 1 – чувствительный элемент, 2 – вторичный преобразователь, 3 – усилитель с двигателем, 4 – основная обратная связь (электрическая), 5 – выходное устройство

а установившееся значение выходной величины y_2О:

. (4.28)

Сравнивая уравнения (4.26) и (4.28), находим свойство схемы силовой компенсации, заключающееся в том, что в ней на результат измерения влияет меньшее число элементов. Параметры нуль - органа в линейном приближении не оказывают влияния на точность измерения. Практически это свойство тем точнее реализуется, чем больше модель датчика приближается к линейной. В идеальном случае это значит, что в измерительной цепи датчика не должно быть элементов с зоной нечувствительности, а замкнутая цепь следящей системы должна быть астатической.

Устройство нуль - органа работает практически с незначительными перемещениями (в одной точке) в пределах своей характеристики. В связи с этим элементы следящей системы можно подобрать более точно, и работает она более точно. Это второе свойство компенсационной схемы.

В схеме же рис. 4.29 характеристики вторичного преобразователя 2 существенно влияют на качество измерения, как было показано выше.

В позиционной схеме рис. 4.29 чувствительный элемент выполняет очень сложную функцию – принимает информацию об изменении давления и преобразует ее в перемещение нужной величины. Он является сложным преобразователем и движителем одновременно. От него требуются характеристики: высокая чувствительность, отсутствие гистерезиса, стабильность во времени.

Функции чувствительного элемента в компенсационной схеме проще – преобразовывать давление в силу, не совершая значительных перемещений рабочего центра. Идеально – это поршень без трения. Такие задачи, как передавать информацию в решающее устройство в виде перемещения, стабильность во времени, иметь малый гистерезис в этой схеме переносится на элемент обратной связи (механическая пружина, электромагнит). В этом заключается третье свойство компенсационной силовой схемы.

На рис. 4.30 и рис. 4.31 приведены принципиальная и конструктивная схемы компенсационного датчика давления с механической точеной высокоточной пружиной в качестве эталона силы, который был разработан и изготовлен УКБП.

Новизна этого датчика заключается в том, что с целью повышения виброустойчивости, точеная пружина выполнена с витками переменной жесткости.

Рис. 4.30. Принципиальная схема компенсационного датчика давления:

1 – чувствительный элемент, 2 – нуль-орган, 3 – усилитель с двигателем, 4 – пружина, 5 – выходное устройство, 6 – винты, 7 – редуктор, 8 – противовес, 9 – шарнир, 10 – упор

В современных датчиках давления для СВС в качестве эталона силы применяется катушка с намоткой, помещенная в поле постоянного магнита (рис. 4.32). Чувствительным элементом является сильфон. Измеряемое давление поступает в сильфон, вызывает незначительную деформацию, коромысло 7 поворачивается, изменяется индуктивное сопротивление катушек 1, включенных в схему моста. Сигнал разбаланса поступает в усилитель-демодулятор 2, усиливается и поступает в виде постоянного тока в катушку 4, жестко связанную с коромыслом 7. Взаимодействие электрического тока катушки 4 с полем магнита 3 приводит к появлению силы, которая уравновешивает силу сильфона 6. Катушки нуль-органа 1 включены противоположно действию силы сильфона.

При малых деформациях сильфона его жесткость практически постоянна, а значит ток, протекающий в катушке 4, пропорционален измеряемому давлению. Выходным сигналом датчика является напряжение постоянного тока, снимаемое с резистора 5, который включен последовательно с намоткой катушки 4.

Рис. 4.31. Конструктивная схема компенсационного датчика давления

Рис. 4.32. Принципиальная схема компенсационного датчика давления: 1 – нуль-орган; 2 – усилитель; 3 – постоянный магнит; 4 – силовая катушка; 5 – резистор; 6 – сильфон; 7 – коромысло; 8 – безлюфтовый упругий шарнир

Датчиками давления для СВС на схеме силовой компенсации занимаются несколько известных в мире фирм. Но наибольших результатов достигла французская фирма Кроузет (Crouzet). Ее датчики давления типа 43 и 44 для измерения статического и дифференциального давлений имеют следующие характеристики: погрешность от диапазона ± 0,01 %, разрешающая способность 0,00075 мм рт. ст., гистерезис менее 0,0075 мм рт. ст., напряжение питания ± 15 В, потребляемая мощность 1 – 2 Вт, масса 0,26 кг, габаритные размеры .

К недостаткам компенсационных датчиков давления в целом следует отнести то, что выходным сигналом ее является непрерывный аналоговый сигнал. Для его использования в цифровых СВС требуется применение дополнительно высокоразрядного АЦП, что приводит к потере точности и удорожанию системы.