Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Дифференциально-трансформаторный датчик

Дифференциально-трансформаторные датчики могут работать в широком диапазоне перемещений: от малых долей миллиметра до десятков сантиметров. Они имеют высокую чувствительность, точность и надежность. Для питания датчиков обычно используется сеть с промышленной частотой 50 Гц, но можно использовать и источники повышенной частоты ( до 10 кГц), что позволяет повысить чувствительность и коэффициент преобразования. [2]

Дифференциально-трансформаторный датчик служит для получения сигнала переменного тока, пропорционального перемещению выходного вала исполнительного механизма. Концевые выключатели предназначены для ограничения предельных положений выходного вала сервомотора при дистанционном управлении. Путевые выключатели выполняют те же функции при автоматическом регулировании. [3]

Дифференциально-трансформаторные датчики со вторичным прибором описанного типа применяются также для дистанционного измерения расхода, температуры и других величин, которые могут быть преобразованы в перемещение сердечника дифференциального трансформатора. При этом конструкция вторичного прибора совершенно не зависит от рода измеряемой величины и пределов измерения, что позволяет выпускать вторичные приборы в большом количестве с использованием всех преимуществ крупносерийного и массового производства. [4]

Дифференциально-трансформаторные датчики в комплекте с приборами типа ЭПИД или ЭПВИ применяют не только для работы с дифманометрами и манометрами, а также и при измерении и регулировании других технологических величин, для измерения которых можно установить дифференциально-трансформаторный датчик, реагирующий на перемещение. Примером может служить применение дифференциально-трансформаторных датчиков на ленточных весах, предназначенных для взвешивания и регулирования количества поступающих сыпучих материалов. [5]

Дифференциально-трансформаторный датчик позволяет осуществлять обратную связь в ( Компенсационных схемах измерения и регулирования. Устранить люфт в передаче на дифференциально-трансформаторный датчик можно, если передвинуть штангу 13, отпустив крепящий ее винт. Головка датчика 2 позволяет удлинять или укорачивать шток плунжера датчика. [7]

Дифференциально-трансформаторные датчики применяют для измерения малых перемещений. Индуктивные датчики являются безынерционными элементами автоматики при условии, что частота входного сигнала изменяется во много раз медленнее по сравнению с частотой источника питания. [8]

Дифференциально-трансформаторный датчик представляет собой катушку с тремя обмотками. Первичная обмотка размещена равномерно по всей длине катушки, две вторичные обмотки занимают по половине ее длины. В осевом канале катушки может перемещаться круглый стальной сердечник – плунжер. Первичную обмотку подключают к источнику переменного тока, вторичные обмотки соединяют последовательно и встречно. С них снимается выходное напряжение. [10]

Дифференциально-трансформаторный датчик имеет катушку с первичной обмоткой ] У, намотанной по всей длине катушки, и две вторичные обмотки Wг и V. Каждая из этих обмоток размещена на половине катушки, внутри к-рои перемещается сердечник. Первичная обмотка питается от сети перем. Вторичные обмотки включены встречно, вследствие чего при симметричном положении сердечника относительно катушки индуктированное суммарное напряжение равно нулю. При смещении сердечника возникает напряжение, прибл. Положение сердечника одного из них, связанного с сильфопом, определяется измеряемым давлением. Второй датчик входит в состав выходного прибора, воспроизводящего показания. Сердечник итого датчика перемещается вспомогат. При соответствии положений сердечников обоих датчиков схема уравновешена и напряжение на входе усилителя равно пулю. При изменении давления равновесие нарушается, на входе усилителя появляется напряжение небаланса и двигатель начинает вращаться. Вращение двигателя прекращается при восстановлении равновесия. Привод сердечника приемного дифференциально-трансформаторного датчика механически связан с указателем, воспроизводящим показание измеряемого давления. Выходной прибор измеряет это давление. [12]

Дифференциально-трансформаторные датчики применяют для измерения малых перемещений. Индуктивные датчики являются безынерционными элементами автоматики при условии, что частота входного сигнала изменяется во много раз медленнее по сравнению с частотой источника питания. [13]

Дифференциально-трансформаторные датчики могут работать в широком диапазоне перемещений: от малых долей миллиметра до десятков сантиметров. Они имеют высокую чувствительность, точность и надежность. Для питания датчиков обычно используется сеть с промышленной частотой 50 Гц, но можно использовать и источники повышенной частоты ( до 10 кГц), что позволяет повысить чувствительность и коэффициент преобразования. [15]

Линейные дифференциальные трансформаторы

Линейные дифференциальные трансформаторы (ЛДТ) являются точным и надежным средством для измерения линейного перемещения. ЛДТ широко используются в современной механообработке, робототехнике, авиации и компьютеризированном производстве. К концу второй мировой войны линейные дифференциальные трансформаторы приобрели распространение в качестве чувствительного элемента в управлении при промышленном производстве на основе опыта использования их в военной авиации, в торпедах и системах управления оружием. Герман Шейвитц (Herman Schaevitz) опубликовал в 1946 году работу «Линейные дифференциальные трансформаторы» (труды SASE, Volume IV, No.2), что ознакомило общественность с областью применения и возможностями ЛДТ.

ЛДТ (см. Рис.6.2) являются датчиками, выходное напряжение с которых пропорционально положению перемещающегося магнитного сердечника. Сердечник перемещается по линейному закону внутри трансформатора, состоящего из центральной, первичной обмотки и двух вторичных обмоток цилиндрической формы. Первичная обмотка возбуждается источником переменного напряжения (частота обычно составляет несколько КГц), наводя при этом во вторичных обмотках напряжения, которые меняются с изменением положения магнитного сердечника внутри сборки. Обычно, сердечник снабжается изнутри резьбой, для того чтобы облегчить крепление немагнитного штока, который в свою очередь прикрепляется к объекту, перемещение и смещение которого будет измеряться.

V OUT = V A – V B

ЛДТ ШЕЙВИТЦА Е100

Рис.6.2. Линейный дифференциальный трансформатор (ЛДТ).

Вторичные обмотки наматываются встречно, и когда сердечник находится в центре, напряжения на вторичных обмотках равны и противоположны по знаку, а выходное результирующее напряжение равно нулю. Когда сердечник смещается от центра, напряжение во вторичной обмотке, в сторону которой этот сердечник смещается, возрастает, в то время как напряжение на противоположной обмотке уменьшается. В результате выходное дифференциальное напряжение меняется линейно в зависимости от положения сердечника. Линейность такой системы по диапазону перемещения весьма высока 0.5 % или лучше. ЛДТ обеспечивает хорошую точность, линейность, чувствительность и разрешение, а также работу без трения и высокую жесткость.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru , E-mail: autex@newmail.ru Автор перевода: Горшков Б.Л.

РАЗДЕЛ 6: Датчики положения и перемещения

ЛДТ обладает широким спектром диапазонов измерения перемещения, обычно от ±100 мкм до ±25 см. Типовые напряжения возбуждения лежат в области от 1 В до 24 В по среднеквадратичной величине (СКВ), и с частотами от 50 Гц до 20 КГц. Основные спецификации для ЛДТ Шейвитца Е100 приведены на Рис.6.3.

♦ Номинальный линейный диапазон: ±0.1 дюйма (±2.54 мм)

♦ Напряжение возбуждения: 3 В СКВ

♦ Рабочие частоты: 50 Гц до 10 КГц (2.5 КГц номинальная)

♦ Линейность: 0.5 % от верхнего предела

♦ Чувствительность: 2.4 мВ/0.001 дюйма/В возбуждения

♦ Входной импеданс первичной обмотки: 660Ω

♦ Выходной импеданс вторичной обмотки: 960Ω

Рис.6.3. Спецификация ЛДТ Шейвитца Е100.

Отметим, что, когда сердечник находится в центре, истинного нуля на выходе не будет, вследствие рассогласования вторичных обмоток и наличия индуктивности рассеяния. К тому же простое измерение выходного напряжения V OUT не даст информации о том, по какую сторону от нулевой позиции находится сердечник.

Цепь нормирования, которая ликвидирует указанные проблемы, и в которой величины выходных напряжений вычитаются, показана на Рис.6.4. Использование данного метода позволяет измерять перемещение сердечника в положительном или отрицательном направлении от центра конструкции.

Рис.6.4. Улучшенная схема обработки выходных сигналов с ЛДТ.

В качестве цепи измеряющей абсолютную величину напряжения можно использовать диодно-емкостной выпрямитель, в то же время для большей точности и линейности лучше использовать прецизионный выпрямитель, как продемонстрировано на Рис.6.5.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru , E-mail: autex@newmail.ru Автор перевода: Горшков Б.Л.

РАЗДЕЛ 6: Датчики положения и перемещения

Рис.6.5. Цепь прецизионного выделения абсолютного значения напряжения (двухполупериодный выпрямитель)

Входной сигнал прикладывается к преобразователю напряжение/ток (ПНТ), который, в свою очередь, подает свой выходной сигнал на вход аналогового перемножителя. Знак сигнала на дифференциальном входе определяется компаратором, выход которого изменяет знак выходного сигнала ПНТ через аналоговый перемножитель. Результирующее выходное напряжение является точной копией абсолютной величины входного напряжения. Эта схема хорошо известна разработчикам интегральных схем (ИС) и она хорошо вписывается в современные биполярные процессы.

На Рис.6.6 показана микросхема нормирования сигналов с ЛДТ AD598 индустриального стандарта , которая выполняет всю необходимую обработку сигналов с данных устройств. С помощью единственного внешнего конденсатора можно менять частоту возбуждения внутреннего генератора от 20 Гц до 20 КГц. Для детектирования амплитудных значений входов каналов А и В используются цепи измерения абсолютной величины, за которыми следуют два фильтра. Для того чтобы сгенерировать относительную функцию [A – B]/[A + B] используются специальные аналоговые цепи. Отметим, что данная функция не зависит от амплитуды напряжения возбуждения на первичной обмотке, безусловно, предполагая, что сумма выходных напряжений ЛДТ остается постоянной по всему рабочему диапазону.

Рис.6.6. Микросхема нормирования сигналов с ЛДТ AD598 (упрощенная).

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru , E-mail: autex@newmail.ru Автор перевода: Горшков Б.Л.

РАЗДЕЛ 6: Датчики положения и перемещения

Последнее является истиной для большинства ЛДТ, но пользователь должен всегда консультироваться с производителем, если данная спецификация ЛДТ отсутствует в техническом описании. Отметим также, что данный метод требует использования 5- проводного ЛДТ.

С помощью единственного внешнего резистора можно устанавливать напряжение возбуждения на выходе AD598 от 1 В до 24 В СКВ. Нагрузочная способность ИС составляет 30 мА СКВ. AD598 может возбуждать ЛДТ по кабелю длиной до 300 футов, и при этом, схема не вносит фазовых сдвигов и не изменяет абсолютной величины значения сигналов. Диапазон выходных сигналов V OUT составляет ±11 В при токе 6 мА и выходные сигналы могут передаваться по кабелю длиной до 1000 футов. Величины входных напряжений в точках V A и V B могут уменьшаться до 100 мВ СКВ.

Устройство нормирования сигналов AD698 (см. Рис.6.7) имеет такие же спецификации как AD598, но процесс обработки сигналов несколько отличен. Отметим, что AD698 работает с 4-проводным ЛДТ и использует метод синхронной демодуляции. Каждый процессор по каналам А и В состоит из устройства выделения абсолютной величины и фильтра. Далее значение выходного сигнала канала А делится на значение выходного сигнала канала В, с тем чтобы конечный выходной сигнал был относительным и не зависел от амплитуды напряжения возбуждения. Отметим, что для AD698 сумма вторичных напряжений с ЛДТ не обязательно должна оставаться постоянной.

A, B =ВЫДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОЙ ВЕЛИЧИНЫ + ФИЛЬТРАЦИЯ

Рис.6.7. Устройство нормирования сигналов с ЛДТ AD698 (упрощенно).

Как показано на Рис.6.8, AD698 можно использовать с полумостовым включением ЛДТ. В этой конфигурации все вторичное напряжение прикладывается к процессору канала В, в то время как напряжение центрального вывода прикладывается к процессору канала А. ЛДТ в полумостовом включении не дает нулевого напряжения и отношение А/В дает сигнал о перемещении сердечника по диапазону.

Следует отметить, что концепция ЛДТ может быть распространена на устройства с вращением, и такие устройства называются вращающимися дифференциальными трансформаторами (ВДТ). Ось ВДТ эквивалентна сердечнику ЛДТ, а обмотки мотаются на неподвижной части сборки – статоре. Однако ВДТ линейны только в относительной узкой области углов и не способны измерять все 360°. Обычно ВДТ линейны в диапазоне ±40° от нулевого положения (0°).

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru , E-mail: autex@newmail.ru Автор перевода: Горшков Б.Л.

РАЗДЕЛ 6: Датчики положения и перемещения

Типичная чувствительность составляет 2 – 3 мВ на вольт выходного напряжения,

на градус угла поворота при входном напряжении 3 В СКВ на частотах от 400 Гц до 20

КГц. Нулевое положение отмечается особыми метками на оси и на статоре.

A, B =ВЫДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОЙ ВЕЛИЧИНЫ + ФИЛЬТРАЦИЯ

Рис.6.8. Полумостовая конфигурация включения ЛДТ.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru , E-mail: autex@newmail.ru Автор перевода: Горшков Б.Л.

РАЗДЕЛ 6: Датчики положения и перемещения

Магнитные датчики на основе эффекта Холла

Если пропускать ток в проводнике (или полупроводнике) в присутствии перпендикулярного магнитного потока, то в перпендикулярной плоскости будет сгенерировано напряжение (см. Рис.6.9). Этот эффект называется эффектом Холла и был открыт E.H.Холлом в 1879 году. Напряжение V H известно как напряжение Холла. V H является функцией плотности тока, магнитного поля, плотности переносимого заряда и подвижности носителей в проводнике.

V H = НАПРЯЖЕНИЕ ХОЛЛА

Рис.6.9. Датчик на основе эффекта Холла.

Эффект Холла можно использовать для измерения магнитного поля (и следовательно измерять ток бесконтактным способом), но более общим приложением является контроль перемещения, где имеется неподвижный датчик Холла и маленький магнит, прикрепленный к движущейся части, перемещение которой необходимо определить, например, в распределительном устройстве. Датчик Холла заменяет кулачки распределительного устройства и его электрические контакты, что в существенной мере увеличивает надежность этого устройства (ликвидируются: влияние износа кулачков распределительного устройства, искрение и загрязнение его контактов). Поскольку V H пропорционально магнитному полю, а не скорости изменения магнитного поля, как в случае индукционных датчиков, датчики Холла являются более надежными устройствами при низких скоростях перемещения по сравнению с индукционными.

Читайте также:  Виды впрыска топлива

Многие материалы можно использовать для создания датчиков с эффектом Холла, однако, кремний является предпочтительным материалом, поскольку на одном и том же кристалле можно изготовить как датчик, так и цепи нормирования его сигналов. КМОПпроцессы являются общими для такого приложения. С помощью датчика Холла можно сделать простое устройство измерения скорости вращения, включающего в себя датчик, усилительный каскад и компаратор, как показано на Рис.6.10. Эта цепь предназначена для определения скорости вращения применительно к автомобилю. Датчик реагирует на малое изменение магнитного поля, а компаратор имеет встроенный гистерезис для предотвращения осцилляций. Эти устройства широко распространены и выпускаются многими компаниями.

ПОВОРОТ

КОМПАРАТОР С B ЯЧЕЙКА V H ГИСТЕРЕЗИСОМ

Рис.6.10. Датчик Холла, используемый в качестве датчика вращения.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru , E-mail: autex@newmail.ru Автор перевода: Горшков Б.Л.

РАЗДЕЛ 6: Датчики положения и перемещения

Существует множество других приложений особенно в автомобилестроении, связанных с измерением перемещения заслонок, педалей, подвески и для измерения положения клапанов. AD22151 является линейным датчиком магнитного поля, выходное напряжение которого пропорционально магнитному полю, приложенному перпендикулярно к верхней части его корпуса (см. Рис.6.11). Для минимизации температурных дрейфов характеристик ячейки Холла, объемный элемент Холла и нормирующая электроника объединены в одном кристалле ИС AD22151.

Данная архитектура обладает достаточной универсальностью и для различных приложений требуется минимальное количество внешних компонентов. Основные характеристики ИС включают в себя компенсацию динамического дрейфа смещения путем использования операционного усилителя стабилизированного прерыванием и встроенного датчика температуры. Устройство предназначено для работы с однополярным питанием + 5 В, имеет низкое смещение и малый температурный дрейф и допускает эксплуатацию в диапазоне температур – 40°С до 150°С. Температурная компенсация (устанавливаемая внешним резистором R1 ) может адаптировать ряд магнитных материалов, употребляемых обычно в позиционных датчиках. Диапазон выходных напряжений и усиление можно с легкостью изменять с помощью внешних резисторов. Типовой диапазон усиления составляет от 2 мВ/Гаусс до 6 мВ/Гаусс. Диапазон выходного напряжения можно настраивать на измерение как биполярного (переменного) магнитного поля так и униполярного. Выходное напряжение имеет динамический диапазон приблизительно от-питания-до-питания (+0.5 В до +4.5 В) и может управлять индуктивной нагрузкой током до 1 мА. Во всех конфигурациях выходной сигнал образуется от положительной шины источника питания.

Принцип работы индуктивных датчиков перемещения

Предлагаем Вам ознакомиться с физическими основами работы индуктивных датчиков перемещения производства компании RDP Electronics Ltd (United Kingdom), с их основными параметрами, преимуществами и сферами применения.

Сам термин LVDT (Linear Variable Differential Transformer) – означает линейный дифференциальный трансформатор с переменным коэффициентом передачи.

Рассмотрим принцип работы датчиков на LVDT технологии.

Первичная возбуждающая обмотка
Вторичная обмотка 1
Вторичная обмотка 2
Результирующий сигнал от суммы вторичных обмоток

В принципе имеется две схемы работы — с выходным напряжением и выходным током.


Схема работы с выходным током (4-20мА)

Схема работы с выходным напряжением

Рассмотрим более детально сам процесс измерения перемещения.

Датчик перемещения, работающий по технологии LVDT, состоит из трех обмоток трансформатора — одной первичной и двух вторичных. Степень передачи тока между первичной и двумя вторичными обмотками определяется положением подвижного магнитного сердечника, штока. Вторичные обмотки трансформатора соединены в противофазе.

При нахождении штока в середине трансформатора, напряжение на двух вторичных обмотках равны по амплитуде, а т. к. они соединены противофазно, суммарное напряжение на выходе равно нулю — перемещения нет.

Если шток перемещается от серединного положения в какую либо сторону — происходит увеличение напряжения в одной из вторичных обмоток и уменьшение в другой. В результате суммарное напряжение будет не нулевым — датчик будет фиксировать смещение штока.

Соотношение выходной фазы сигнала по сравнению с фазой возбуждающего сигнала дает возможность электронике понять, в какой части обмотки находится в данный момент шток.

Основная особенность принципа работы индуктивных датчиков перемещения состоит в том, что прямой электрический контакт между чувствительным элементом и трансформатором отсутствует (связь осуществляется через магнитное поле), что дает пользователям абсолютные данные по перемещению, теоретически бесконечную точность разрешения и очень долгий срок службы датчика.

Особенности схемы работы с выходным током — т. к. цепь генератор/демодулятор встроена в сам датчик перемещения и питается от выходного тока 4-20 мА, то нет необходимости во внешнем оборудовании для формирования сигнала.

Особенности схемы работы с выходным напряжением — цепь генератор/демодулятор, встроенная в датчик перемещения обеспечивает возбуждение и преобразует сигнал обратной связи в напряжение постоянного тока. При этом так же не требуется внешнее оборудование для формирования сигнала.

Особенности измерения выходного сигнала.
1) Если выходное напряжение измеряется не фазочувствительным (среднеквадратичным) вольтметром, то отклонение штока в любую сторону от центрального положения в трансформаторе датчика будет соответствовать увеличению выходного напряжения.

Заметим, что кривая не касается горизонтальной оси. Это происходит из-за остаточного выходного напряжения.

2) Если используется фазочувствительная демодуляция, то по выходному сигналу можно судить, в какой части трансформатора находится шток в данный момент.

Для формирования сигнала всегда используется фазочувствительная демодуляция, т.к. это исключает влияние на выходной сигнал остаточного выходного напряжения и позволяет пользователю знать положение штока в трансформаторе.

Диапазон линейности индуктивного датчика перемещения.
Если мы рассмотрим выходную кривую вне механического диапазона типичного LVDT датчика, то можно заметить, что на краях диапазона кривая изгибается. Это значит, что механический диапазон существенно шире линейного участка работы.

При калибровке датчика, важно, что электрическая нулевая точка используется в качестве ссылки, и что датчик используется в пределах ± FS (полного диапазона) вокруг электрического нулевом положения.

Если проводить калибровку не беря за основу точку ноля вольт, одно из положений полного диапазона будет за пределами линейного диапазона и, следовательно, может привести к ошибке линейности.

Типы индуктивных датчиков перемещения

Тип 1 – несвязанные преобразователи, которые имеют якорь, который отделен от тела корпуса. Части датчика должны быть установлены таким образом, что якорь не прикасался к внутренней трубке корпуса. Сделав это, можно получить абсолютное отсутствие трения при движении чувствительного элемента датчика.

Тип 2 – монолитные преобразователи, которые имеют тефлоновый подшипник, который направляет якорь (шток) по внутренней трубке.

Тип 3 – монолитные преобразователи с возвратной пружиной, которая толкает якорь (шток) наружу.

Внутреннее строение типичного индуктивного датчика перемещения LVDT

Преимущества индуктивных датчиков перемещения LVDT

1. Преимущества над линейными потенциометрами (POTS).

  • Не имеют контакта корпуса и внутренних деталей с чувствительным элементом, что означает, что нет никакого износа при движении штока. POTS датчики имеют контакт с чувствительным элементом и могут быстро изнашиваются, особенно под воздействием вибрации.
  • Можно легко обеспечить защиту от влаги и пыли на требуемом уровне, даже стандартные версии LVDT датчиков обычно имеют гораздо лучший уровень защиты от внешний воздействий, чем POTS.
  • Вибрация не вызывает влияния на пропадание сигнала, в отличие от POTS, где скользящий бегунок может прервать контакт с проводником при вибрации.

2. Преимущества над магнитострикционными датчиками.

  • Не восприимчивы к ударам и вибрации.
  • Менее восприимчивы к паразитным магнитным полям окружающей среды.
  • Система формирования сигнала может быть удалена от чувствительного элемента на некоторое расстояние, что позволяет использовать датчики при работе с высокой температурой и высоким уровнем радиации.
  • Магнитострикционные датчики не имеют короткого штока ±100мм или менее, а это как раз наиболее востребованный диапазон технического применения датчиков перемещения.

3. Преимущества над кодерами (датчиками положения).

  • Имеют лучший аналоговый частотный отклик.
  • Имеют более прочный корпус.
  • Сразу после включения «знают» положение штока, в отличии от кодеров, которым надо указывать постоянную ссылку на известное положение.

4. Преимущества над переменными векторными резистивными преобразователями (VRVT)

  • LVDT датчики как правило более дешевы.
  • Имеют меньший диаметр корпуса.
  • Более прочные и не изнашиваются.
  • Могут использоваться значительно дольше.

5. Преимущества над линейными емкостными датчиками

  • LVDT датчики как правило более дешевы.
  • Менее восприимчивы к внешним условиям эксплуатации.
  • Значительно более прочные.

Особенности индуктивных датчиков перемещения LVDT

  • Максимальная рабочая температура 600°C.
  • Минимальная рабочая температура –220°C (для справки, температура жидкого азота -196°C, температура жидкого гелия -269°С).
  • Могут работать при уровне радиации 100,000 рад.
  • Могут работать при давлении 200Бар.
  • Могут работать под водой, при этом вода может попадать внутрь датчика не причиняя ему вреда. Существует специальная серия подводных датчиков, которые могут без тех. осмотра работать под водов в течении 10-ти лет, работать под водой на глубине до 2,2км. Кабельные разъемы могут подсоединяться так же под водой.

Основные сферы применения LVDT датчиков

Промышленные измерительные системы

  • Регулирующие вентили — везде, где существуют регулирующие вентили индуктивные датчики перемещения могут быть использованы для контроля положения штока вентиля. Особенно, где есть ответственные участки работы, например, в клапанах пара для турбин на электростанциях.
  • Контроль положения шлюзов – погружные датчики перемещения подходят для измерения положения шлюзов в водохозяйственных и канализационных системах.
  • Измерение зазора между валками.
    Для поддержания равномерной толщины проката зазор между валками часто измеряется на обоих концах.
  • Контроль перемещения штоков вентилей на подводных нефте/газо проводах.
  • Контроль работы гидравлических активаторов — измерение перемещения объекта, который передвигает активатор. Благодаря очен высокой износостойкости, данные LVDT датчики перемещения могут выдерживать миллионы циклов перемещения.
  • Контроль положения/перемещения режущих инструментов, отрезающих рулонные материалы.
  • Измеряет положение/смещение роликов, которые используется для выпрямления полосового проката перед штамповкой.
  • Могут быть использованы для динамического измерения размеров (диаметров) рулонов продукта, например, инициировать сигнал к системе управления, когда рулон достигает максимального/минимального размера при наматывании/сматывании материала.

Станки

  • Могут быть использованы в испытательных приспособлениях для измерения круглости, плоскостности и т.д. частей машин для анализа качества их изготовления.
  • Могут быть использованы для оценки и контроля взаимного расположения компонентов деталей в сборке, когда требуется юстировка/подгонка размеров взаимного расположения деталей.

Авиация/космонавтика

  • Могут быть использованы для оценки реакции привода на действие активатора. Например, преобразователь измеряет положение отклонения закрылков крыла самолета при техническом обслуживании. Тут очень важно измерить скорость срабатывания активатора после подачи на него управляющего сигнала, а так же скорость изменения положения закрылков.
  • Анализ Ротора вертолета
    Датчики LVDT используются на вертолетах, чтобы измерить угол наклона лопастей ротора.
  • Могут быть использованы для оценки смещения корпуса двигателя при нагревании.
  • Могут быть использованы для измерения смещения (деформации) лопасти турбины при внешнем воздействии.
  • Могут быть использованы для измерения отклонения диафрагмы сопла реактивного двигателя.
  • Могут быть использованы для испытания крыльев самолетов для измерения их отклонения при нагрузке.

Строительство / Проектирование зданий и сооружений

  • Могут быть использованы для измерения вибрации или деформации мостов при изменении трафика движения или порывов ветра.
  • Могут быть использованы для измерения смещения грунта при строительстве, контроля оползней и насыпных дамб.
  • Могут быть использованы при испытании крупногабаритных строительных конструкций, балок, пролетов моста и т. д. на силовую деформацию.

Автомобилестроение

  • Могут быть использованы для контроля смещения корпуса двигателя при его испытаниях.
  • Идеальным применением LVDT датчиков может быть тестирование компонентов подвески автотранспорта.
  • Могут быть использованы для контроля изготовления прецизионных компонентов.
  • Могут быть использованы для настройки компонентов двигателя, таких как дизельные форсунки.
  • Могут быть использованы для тестирования сидений, дверей, педалей и ручек транспортных средств для моделирования продления их срока службы.
  • Могут быть использованы для измерения профиля поверхности заготовки, например стекла или других площадных объектов.

Выработка энергии

  • Могут быть использованы для измерения биения вала турбины.
  • Могут быть использованы для контроля положения главного парового клапана, который регулирует поток пара в турбину. Клапан постоянно корректирует свое положения для поддержания постоянной скорости вращения турбины. LVDT датчики идеально подходят для работы в зоне высоких температур, грязи и постоянной вибрации.
  • Могут быть использованы для контроля положения перепускного клапана. Когда откроется перепускной клапан, датчик может испытать температуру 200°C.
Читайте также:  Виды форсунок

Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов

Датчик абсолютных линейных перемещений диапазона 0 – 10 мм
с линейным переменным дифференциальным трансформатором

Введение

Хотя линейный переменный дифференциальный трансформатор (LVDT – linear variable differential transformer) применяется в датчиках абсолютных перемещений с первой половины XX века, его популярность остается по-прежнему довольно высокой. Основные достоинства датчиков с LVDT: простота конструкции первичного и электронного преобразователей, хорошее разрешение, линейность и воспроизводимость, широкий диапазон рабочих температур, отсутствие движущихся электрических контактов и, как следствие, долговечность. Достаточно легко сконструировать LVDT для измерения линейных перемещений в диапазоне 0 . 10 см и более, а также угловых перемещений в диапазоне 0 . 120 0 .

Конструкция первичного (LVDT) и электронного преобразователей

Базовая конструкция LVDT состоит из трех соосных катушек, намотанных на каркасе с центральным отверстием (рис. 1). В отверстии каркаса располагается способный перемещаться в осевом направлении шток с ферромагнитным сердечником. Центральная катушка служит обмоткой возбуждения. На нее подается напряжение возбуждения синусоидальной формы. Боковые катушки, включенные по дифференциальной схеме, играют роль сигнальной обмотки. Когда ферромагнитный сердечник находится в центре (нулевое положение), выходное напряжение сигнальной обмотки приблизительно равно нулю. Когда сердечник смещается в любую сторону относительно нулевого положения, амплитуда выходного сигнала возрастает, пока сердечник не достигнет некоторого крайнего положения. Фаза выходного напряжения относительно напряжения возбуждения равна 0 или 180 0 в зависимости от направления перемещения сердечника от нулевого положения. Приблизительный диапазон измерения перемещений (X) соответствует ходу штока из одного крайнего положения в другое.

Рис. 1. Конструкция и схема работы LVDT.

Электронный преобразователь для работы с LVDT может быть построен по блок-схеме, приведенной на рис. 2. Обмотка возбуждения подключается к генератору синусоидального сигнала. Напряжение с сигнальной обмотки, амплитуда и фаза которого зависят от положения ферромагнитного сердечника по отношению к катушкам, усиливается (при необходимости) и подается на синхродетектор. Сигнал с выхода синхродетектора подается на фильтр низких частот (ФНЧ) и далее используется по назначению.

Рис. 2. Блок-схема электронного преобразователя сигнала LVDT.

Практическая реализация датчика

Чертежи первичного преобразователя: LVDT_011.rar (

13 Кбайт). Внешний вид преобразователя показан на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид LVDT.

Для работы с LVDT могут использоваться специализированные микросхемы, например, AD598/698 (Analog Devices) или NE5521 (Philips). Однако первая стоит довольно дорого (около 50 $), а вторая, по слухам, снята с производства по причине утраты маски. Поэтому в ряде случаев может быть актуальной разработка собственных схем электронных преобразователей на дискретных элементах. На рис. 4 представлен один из вариантов схемы.

Рис. 4. Схема электрическая принципиальная электронного преобразователя сигнала LVDT.

На операционном усилителе (ОУ) DA1.1 (LM324) собран генератор синусоидального напряжения частотой 5 кГц с амплитудным значением приблизительно 1 В. Это напряжение подается на обмотку возбуждения I LVDT1. На рис. 5 показаны осциллограммы сигналов на обмотке возбуждения (I) и сигнальной обмотке (IIA + IIB) при двух крайних положениях штока (ферромагнитного сердечника).

а) б)

Рис. 5. Сигналы на обмотке возбуждения и сигнальной обмотке LVDT при крайних положениях ферромагнитного сердечника (I – обмотка возбуждения: 0.5 В/дел., 50 мкс/дел., II – сигнальная обмотка: 0.2 В/дел, 50 мкс/дел.).

Напряжение с сигнальной обмотки LVDT1 подается на усилитель DA1.3 с полосовым фильтром. На ОУ DA1.2, DA1.4 собран синхродетектор, к выходу которого подключен ФНЧ на элементах R13C6. Для питания электронного преобразователя используется однополярный источник напряжением +5 вольт. Потребляемый ток не превышает 4 мА. Диапазон изменения выходного напряжения (между контактами OUT и Vref) составляет -0.6 . +0.6 вольт, что соответствует диапазону измеряемых перемещений 0 . 12 мм (от одного крайнего положения штока до другого), то есть чувствительность датчика в среднем составляет 100 мВ/мм.

Вышеприведенная конструкция датчика перемещений разрабатывалась для измерений с точностью не хуже 10 %, но при необходимости достаточно легко может быть достигнута точность измерений 1 % и даже выше.

Расчет катушек LVDT производился с помощью программы Coil [1].

Состояние разработки:

Изготовлен пробный образец датчика, произведены испытания.

Ссылки:

  • Датчик – устройство, являющееся первичным элементом цепи измерения, контроля или регулировки какой-либо физической величины, изменяемый вместе с этой величиной некоторый параметр которого (сигнал) может преобразовываться данной цепью для дальнейшего использования в соответствии с предназначением цепи.

Дифференциальные трансформаторные датчики – ДТД

Страницы работы

Содержание работы

2. Дифференциальные трансформаторные датчики — ДТД

Дифференциальные трансформаторные датчики благодаря сво­им ценным качествам получили наибольшее распространение для измерения неэлектрических величин. К числу положительных ка­честв следует отнести:

1) высокую чувствительность, которая обеспечивается за счет возможного выполнения вторичной обмотки датчика с большим числом витков;

2) возможность измерения весьма малых перемещений. Это объясняется тем, что датчик имеет высокое выходное сопротивление, которое хорошо согласуется с входным сопротивлением электронного усилителя. Применение последнего позволяет измерить незначительные перемещения (до нескольких микрометров).

3) значительный линейный участок характеристики

ДТД представляет собой два совмещенных трансформатора с общим подвижным якорем. Различают несколько конструктивных форм дифференциально-трансформаторных датчиков, которые от­личаются друг от друга магнитной системой: плоские ДТД с магнитопроводом плоской формы и цилиндрические ДТД, v которых магнитопровод имеет круглое сечение.

Плоский ДТД с двумя раздельными магнитопроводами

(рис. 7.9, а). Каждый из магнитопроводов датчика имеет первичную w1 и вторичную w2 обмотки. Обе половины пер­вичной обмотки имеют одинаковое число витков и включаются по­следовательно, а вторичные обмотки—встречно (рис. 7.9, б).

Магнитодвижущая сила (м.д.с.) F = Iw1 созданная током I, протекающим в последовательно соединенных первичных обмотках, наводит в каждом магнитопроводе датчика магнитный поток, со­стоящий из: а) магнитного потока рассеяния Фр между полюсами. Величина этого магнитного потока одинакова для обоих магнито­проводов и не изменяется с изменением положения якоря; б) ра­бочих магнитных потоков Ф1 и Ф2 между полюсами и якорем. Ве­личина рабочих потоков зависит от намагничивающей силы lw и магнитной проводимости G между полюсом и якорем. Магнитная проводимость воздушных зазоров G— величина, обратная магнит-ному сопротивлению Rм магнитной цепи.

Величина магнитной проводимости зависит от площади полю­са S и длины зазора δв следующим образом:

2) μ — магнитная проницаемость воздуха (μ = 4л1О 7 Г/м).

Значения магнитных потоков определяются выражениями:

Э. д. с. Е1 и Е2, наводимые во вторичных обмотках, подсчитываются по формулам:

При нейтральном положении якоря имеет место равенство ве­личин

Результирующая э. д. с. на выходе дат­чика равна нулю. При воздействии на якорь контролируемой ве­личины зазор между якорем и одним из сердечников становится меньше, т. е. δв1 = δ – ∆х (при смещении якоря вверх), а между другим сердечником и якорем становится больше, т. е.

δв2 = δ + ∆х, где ∆х —смещение якоря. Соответственно изменяются проводимо­сти: G1= Go + ∆C1, G2 = GQ∆G2. Подставляя данные значений проводимостей C1 и G2 в формулы (7.21) и (7.22), получим:

В некоторых пределах смещения якоря от нейтрального поло­жения изменение проводимостей рабочих зазоров с некоторым при­ближением можно считать пропорциональным смещению якоря ∆х, т. е.

где κ — коэффициент пропорциональности.

Подставляя (7.25) в (7.23) и (7.24), после некоторого преобра­зования получим значение э. д. с. на выходе датчика

где ω = 2πf В зависимости от направления перемещения якоря меняется фаза результирующего э.д.с.

Плоский ДТД с общим магнитопроводом (рис. 7 10) Такой датчик реагирует не на изменение величины воздуш­ного зазора а на изменение его площади. На среднем сердечнике размещается первичная катушка w1, на двух крайних -вторичные w2 (вторичные обмотки включены встречно).

Магнитный поток Ф, определяемый первичной катушкой, разветвляется вправо и влево пропорционально магнитным проводимостям левой и правой частей магнитопровода. При симметричном рас­положении якоря в магнитопроводе магнитные проводимости обеих час­тей системы равны друг другу, т. е. G1 = G2 и, сле­довательно, равны значе­ния э. д. с. для обеих вто­ричных катушек Е12. При смещении якоря вле­во или вправо изменяют­ся, значения магнитных проводимостей G1 и G2соответственно изменяют­ся потоки Ф2 или Ф1 ,а следовательно,

на 180° при смещении якоря в другую сторону от нейтрального по­ложения.

Цилиндрический ДТД с сосредоточенной первичной обмоткой (рис. 7.11); применяется, как правило, при малых ходах якоря (до 1 мм). На общем изоляционном каркасе 1 расположены три катушки: первичная w1 и две вторичные w2и w2“. Обе вторичные катушки имеют строго одинаковое число вит­ков и выполняются проводом одного диаметра. Внутри катушек перемещается якорь 3 цилиндрической формы (плунжер), на ко­торый воздействует контролируемая величина х. Снаружи катушки охватываются круглым магнитопроводом 2 из листовой электро­технической стали.

При нейтральном положении якоря наведенные в обмотках э. д. с. будут ргзны 1 = Е2), а выходное значение э. д. с. равно нулю (∆E = 0). При смещении якоря вверх или вниз от нейтраль­ного положения на величину ∆х: нарушается равенство э. д. с. (так как магнитный поток в одной катушке, например w2‘, увеличивает­ся, а в другой, w2”, уменьшается) и результирующая э.д.с, равная разности э. д. с. в катушках, приобретает некоторое значение (при встречном включении вторичных катушек)

Где ω- угловая частота; I- ток, протекающий в первичной катушке; ω1 – число витков первичной катушки; ω2 общее число витков вторичной катушки; к- коэффициент пропорциональности; ∆х – величина смещения якоря. Фаза выходной величины э. д. с. зависит or направления перемещения якоря.

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Датчики давления

Общие сведения

Давление – одна из важных физических характеристик текучих сред – жидкостей, расплавленных металлов и газов. В машиностроении разнообразные жидкости и газы широко используются в качестве рабочих тел систем машин и механизмов, поэтому нередко возникает необходимость измерения и контроля над давлением в этих средах.

Конструкции современных автомобилей также используют большое число датчиков давления различных жидкостных и газообразных текучих сред, и их количество постоянно растет.
Независимо от метода измерения, датчики могут определять избыточное, абсолютное или дифференциальное давление. При этом могут использоваться разные единицы измерения давления.
Чтобы исключить возможную путаницу в этих единицах, в таблице 1 приведены соотношения между используемыми в различных технических источниках единицами измерения давления.

Таблица 1. Единицы измерения давления

* внесистемная единица измерения давления, иногда употребляемая в США и некоторых англоязычных странах.

В таблице 2 приведены некоторые узлы автомобиля, где имеется необходимость измерения давления с целью получения управляющих сигналов для ЭСАУ.

Таблица 2. Некоторые датчики давления, применяемые в автомобильной технике

Абсолютное давление во впускном коллектореБарометрическое давлениеДавление в системе рециркуляции выхлопных газовДавление топливаДавление топлива Common RailДавление маслаДавление тормозной жидкостиДавление газа

Датчики барометрического и абсолютного давления во впускном коллекторе

Такие датчики используются в ЭСАУ автомобильных двигателей для определения объемного расхода воздуха, с целью регулирования количества впрыскиваемого за рабочий цикл топлива. Это регулирование необходимо для обеспечения заданного состава топливовоздушной смеси на различных режимах работы ДВС и при различных внешних условиях.

Этот способ измерения дешевле в реализации по сравнению с непосредственным измерением массового расхода воздуха, но менее точен и используется в бортовых диагностических системах второго поколения OBD-II.

В некоторых конструкциях ЭСАУ двигателей такой датчик давления используется совместно с расходомером воздуха, а в двигателях с наддувом могут использоваться несколько датчиков давления.

Датчики барометрического (атмосферного) давления адаптируют ЭБУ двигателя к перепадам высоты и изменениям атмосферного давления. Обычно применяются совместно с объемным расходомером воздуха в одном корпусе.

Измерение атмосферного давления производится при включении зажигании до запуска ДВС. Если автомобиль эксплуатируется в условиях больших перепадов высот (например, в горах), для адаптации подачи топлива к новой высоте необходимо останавливаться и перезапускать двигатель.

Рис. 1. Комбинированный датчик барометрического давления и разрежения:
а) Ford, б) Chrysler; 1 – трубка соединения вакуумного шланга с впускным коллектором; 2 – трубка соединения с атмосферой

Читайте также:  Безопасность современного автомобиля

Часто в системах управления двигателем используются комбинированные датчики, измеряющие и атмосферное давление, и давление во впускном коллекторе (рис. 1). Такие датчики иногда называют MAP-сенсорами (Manifold Air Pressure) и крепят непосредственно к стенке впускного коллектора.

Датчики, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций.

Датчики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыкание и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испытывающей измеряемое давление.

Датчики давления непрерывного действия представляют собой либо потенциометр, ползунок которого связан с мембраной, либо катушку индуктивности, в которую мембрана под действием давления вдвигает магнитный сердечник.

Интегральные датчики давления подключаются к ЭБУ через коммутатор и АЦП. В зависимости от разрядности контроллера шаг дискретизации показаний датчика может составлять до 4 мс (8-разрядный), до 2 мс (16-разрядный). Эти датчики отличаются небольшими размерами, высокой надежностью и унифицированным выходным сигналом, благодаря чему, они используются для подключения к аналоговым или импульсным входам микроконтроллера.

В современных ЭСАУ применяются микромеханические или толстопленочные датчики давления . Микромеханические датчики давления (рис. 2) имеют более прогрессивную конструкцию, и обеспечивает более высокую точность измерений. Большинство современных датчиков давления построены по микромеханической технологии.
Микромеханические датчики, это полупроводниковые датчики с преобразователем давления на кремниевом кристалле в работе которых используется пьезорезистивный эффект (рис. 2, 3).

На поверхности кремниевого кристалла сформирован мост из четырех тензорезисторов, ток через которые изменяется под действием прогиба чувствительной диафрагмы. С одной стороны диафрагмы расположена камера с вакуумом, с другой на диафрагму воздействует давление воздуха во впускном коллекторе.
В зависимости от конструкции датчика, давление воздействует непосредственно на диафрагму или через защитный слой.

Рис. 2. Микромеханические пьезорезистивные датчики T-MAP BOSCH абсолютного давления до 400 кПа: а) типичный внешний вид датчика; б) конструкция сенсорной ячейки: 1-защитный гель; 2-давление; 3-сенсорный чип; 4-присоединяемые выводы; 5-керамическая подложка; 6-стеклянное основание; в) конструкция датчика давления: 1-присоединяемые выводы; 2-крышка; 3-сенсорный кристалл; 4-керамическая подложка; 5-корпус с фитингом измеряемого давления; 6-прокладка; 7-NTC-элемент

Рис. 3. Упрощенная электрическая схема датчика абсолютного (атмосферного) давления с цепями компенсации:
А – цепь температурной компенсации, В – измерительный мост, С – подстройка нуля, D – коэффициент усиления, Е – термокомпенсация усилителя

В корпусе датчика также размещается независимый датчик температуры воздуха для температурной компенсации и усилитель мостового напряжения, на выходе которого формируется сигнал в пределах 0,5…5 В.
На основании выходного напряжения ЭБУ оценивает давление во впускном коллекторе, чем больше давление воздуха, тем выше напряжение (обычно зависимость давления и выходного напряжения является линейной, т. е. график представляет собой наклонную прямую линию).

Информацию о давлении в зависимости от конструкции датчика несет величина выходного напряжения или его частота.
Погрешность датчика абсолютного давления во впускном коллекторе обычно составляет порядка 1%, а датчика барометрического давления – около 1,5%, причем, по краям рабочего диапазона погрешность растет как по температуре, так и по давлению.

Датчики давления в жидкостных средах

Работа таких датчиков, как правило, основана на преобразовании перемещения упругой диафрагмы в положение переключателя или движка потенциометра. На таком принципе, например, в старых конструкциях, работали датчики давления масла в ДВС.

В современных автомобилях все больше используются кремниевые или керамические интегральные датчики. Непосредственно в корпусе датчика размещают унифицирующие преобразователи. Имеется защита от электромагнитных помех, микросхемы работают при температуре -40. +150 °С в условиях вибраций, при различных давлениях в агрессивных химических средах.

Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail (рис. 4) вворачивается непосредственно в топливную рейку высокого давления. Топливо попадает в датчик через отверстие в аккумуляторе и канал в корпусе датчика и под давлением воздействует на диафрагму.
Чувствительный полупроводниковый элемент датчика, расположенный на диафрагме, преобразует давление в электрический сигнал, который усиливается в обрабатывающем контуре и поступает в ЭБУ.

Рис. 4. Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail:
1 – электрические выводы; 2 – чип со схемой обработки сигнала; 3 – диафрагма с чувствительным элементом; 4 – топливный канал

В таких датчиках прогиб диафрагмы приблизительно на 1 мм при давлении 1500 бар, изменяет электрическое сопротивление чувствительного элемента и вызывает изменение напряжения в измери-тельном мосту, на который подается питание 5 В.
Первичный сигнал изменяется в диапазоне 0…70 мВ, в зависимости от прилагаемого давления, и затем усиливается в контуре обработки сигнала до 0,5…4,5 В.
Точность измерения давления датчиком в главном рабочем диапазоне составляет ±2% от полной шкалы.

В автомобилях с автоматической трансмиссией применяются датчики измеряющие давление масла в коробке передач.
Для работы антиблокировочной системы тормозов (ABS) необходимо измерять давление в тормозных контурах.
Давление жидкости в тормозной гидравлической системе выше, чем в коробке переключения передач. Например, в тормозной системе автомобиля оно составляет до 10…15 бар, а в контурах ABS оно может достигать 35 бар.
Конструкция и принцип работы таких датчиков подобен рассмотренным выше датчикам.

Датчики давления в газовых средах

Известно, что автомобиль производит токсичные отходы в процессе эксплуатации: 60% в виде выхлопных газов, 20% в виде картерных газов и 20% за счет испарений топлива. Со всеми этими выбросами успешно борются соответствующие системы в составе ЭСАУ двигателем.

Для уменьшения вредного влияния испарений топлива они из бака поступают в адсорбер с активированным углем, объемом 850. 1000 см 3 , где накапливаются и сжигаются в двигателе в определенное время. На рис. 5 показана система улавливания паров бензина из топливного бака, в которой для управления продувкой адсорбера используется клапан с дифференциальным датчиком давления между давлением в задроссельной зоне впускного коллектора и давлением паров топлива в баке с рабочим диапазоном ±3,5 кПа.

Рис. 5. Система улавливания паров бензина

В современных двигателях для уменьшения содержания окислов азота (NOx) в выхлопных газах используется система EGR (exhaust gas recirculation) рециркуляции выхлопных газов. Это система является частью ЭСАУ двигателем.
Окислы азота возникают в камере сгорания при температуре выше 1370 °С. В присутствие солнечного света NOx вступает в реакцию с углеводородом, образуя канцерогенный фотохимический смог.

На частичных режимах работы двигателя ЭСАУ снижает температуру сгорания рабочей смеси, путем введением небольшого количества (6. 10%) выхлопных газов из выпускного во впускной коллектор. Так как выхлопные газы инертны, то они разбавляют топливовоздушную смесь, не изменяя соотношения воздух/топливо.
Регулирование количества подаваемых отработавших газов производится клапаном EGR, исправность работы которого постоянно контролируется ЭБУ.
Например, на некоторых автомобилях в трубе между EGR и впускным коллектором измеряется дифференциальное давление по обе стороны с помощью датчика дифференциального давления. Когда клапан EGR открывается, это давление убывает, когда клапан EGR закрыт, давление по обе стороны вставки становится одинаковым.

При сгорании топлива в дизеле образуются частицы сажи – микроскопические углеродистые частицы диаметром около 0,05 мкм на которых адсорбируются различные углеводородные соединения, оксиды металлов и сера. Состав частиц сажи зависит от параметров рабочего процесса, режимов работы двигателя и состава топлива. Некоторые углеводородные соединения опасны для здоровья человека.
Сажевый фильтр задерживает содержащиеся в газах частицы сажи. При заполнении фильтра сажей до определенной величины система управления двигателем запускает процесс активной регенерации. Степень заполнения фильтра сажей определяется блоком управления по его газодинамическому сопротивлению с помощью дифференциального датчика перепада давления до сажевого фильтра и после (рис. 6).

Рис. 6. Дифференциальный датчик давления перепада давления

Мембранные потенциометрические датчики давления

В таких датчиках чувствительным элементом является гибкая диафрагма или мембрана. При изменении давления ее перемещение преобразуется в положение движка потенциометра.
Недостатки потенциометрических датчиков заключаются в износе, а также в статическом трении из-за чего затруднено регулирование в диапазоне менее 0,5% от номинала.

Рис. 7. Потенциометрический датчик давления:
1 – преобразователь; 2 – щетка; 3 – контакты разъема; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка; 6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – рычаг; 9 – шток; 10,13 – корпус; 11 – мембрана; 12 – канал

Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контактом – один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения, в котором скользящий контакт (движок) соединен с перемещающейся под действием давления мембраной, а остальная часть потенциометра закреплена неподвижно.
Движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке, поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде чередующихся малых и больших скачков. Малый скачок возникает, когда движок замыкает два соседних витка, большой – в момент перехода движка к следующему витку и размыкания контакта с предыдущим витком.
Следовательно, разрешение такого преобразователя зависит от диаметра провода и может быть повышено путем использования более тонкого провода. Потенциометр с плотностью намотки 50 витков на миллиметр имеет предельное разрешение 20 мкм, что близко к практическому пределу.

В современных автомобилях используются потенциометры, выполненные по пленочной технологии, где резистивный элемент представляет собой керамическое основание с нанесённой топологией проводникового, резистивного и защитного слоёв.
Такие датчики могут эксплуатироваться в достаточно жёстких условиях.

Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов (ЛДТ)

Линейный дифференциальный трансформатор – это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный перемещению ферромагнитного сердечника под действием смещения диафрагмы. ЛДТ состоит из первичной и двух вторичных обмоток, симметрично расположенных на цилиндрическом каркасе. Свободно движущийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник в форме стержня обеспечивает связь этих обмоток через магнитный поток (рис. 8 ).

Рис. 8. Принципиальная схема линейного дифференциального трансформатора

При подаче переменного напряжения U1 на первичную обмотку (3. 15 В с частотой 2. 5 кГц) в двух вторичных обмотках наводятся ЭДС взаимной индукции.
Вторичные обмотки включены последовательно и встречно, поэтому результирующий выходной сигнал U0 преобразователя представляет собой разность этих напряжений и равен нулю, когда сердечник находится в центральной (нулевой) позиции.
При перемещении сердечника из нулевой позиции напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, к которой движется сердечник, возрастает, а напряжение, индуцируемое в другой вторичной обмотке, уменьшается.
В результате вырабатывается дифференциальный выходной сигнал, величина которого линейно зависит от положения сердечника. Фаза выходного напряжения изменяется скачком на 180° при переходе через нулевую позицию. Информацию о перемещении несет амплитуда и фаза выходного сигнала.
Погрешность подобного преобразования перемещения сердечника в напряжение составляет около 0,25%. Коэффициент трансформации дифференциального трансформатора 10:1. 2:1.

На автомобилях ЛДТ обычно не используются, но могут применяться, например, для измерения абсолютного давления во впускном коллекторе, давления масла, топлива и т.п. ЛДТ характеризуется отсутствием трения, стабильностью выходного сигнала и способностью работать в агрессивных средах.

Емкостные датчики давления

Емкостные датчики давления используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками-электродами. Принципиально конструкция состоит из конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на упругой металлической мембране (или выполнена в виде мембраны). При изменении давления мембрана с электродом деформируется, и расстояние между обкладками конденсатора изменяется.

Рис. 9. Емкостной датчик с кремниевым чувствительным элементом

На приведенном рисунке одна из обкладок конденсатора выполнена в виде упругой мембраны, которая прогибается при изменении действующего на нее давления. Мембраны для таких датчиков обычно выполняются из кремния (рис. 9) или керамики, при этом конструкции датчиков аналогичны независимо от материала мембраны.

На кремниевой подложке расположен твердый слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора. В изолирующем слое стекла и кварца закрепляется кремниевая мембрана, являющаяся второй обкладкой конденсатора. В этом же изолирующем слое имеются токопроводящие электроды от обеих обкладок конденсатора. Между обкладками образуется герметичная полость или вакуум. Иногда пространство между обкладками заполняется маслом или какой-нибудь органической жидкостью.

Подобные датчики все чаще используются в различных системах автомобиля, например, для измерения давления в шинах, во впускном коллекторе двигателя и т.п. Например, емкость подобных конденсаторов применяемых для измерения давления впуска в двигатель и меняется линейно примерно от 32 до 39 пФ при изменении давления от 17 до 105 кПа. Размеры такого датчика 6,7×6,7 мм.

Ссылка на основную публикацию