Введение. В рамках Государственной системы приборов (ГСП) для измерения теплоэнергетических величин (температуры, давления, расхода жидкости или газа, уровня жидкости и др.) разработан комплект датчиков, состоящих из двух модулей. Один из них преобразует измеряемую физическую величину в силу или перемещение, другой – эту промежуточную величину в унифицированный электрический сигнал постоянного тока.
Модуль, преобразующий измеряемую величину, может быть агрегатно соединен с модулем, преобразующим силу или перемещение в унифицированный электрический сигнал. Первичный и вторичный модули образуют датчик.
Для преобразования промежуточной величины в унифицированный электрический сигнал наибольшее применение нашли электросиловой (с силовой компенсацией), дифференциально-трансформаторный и магнитомодуляционный датчики.
Датчики ГСП с электросиловым преобразователем (с силовой компенсацией). Схема датчика приведена на рис. 4.58. Сила F, развиваемая первичным преобразователем (модулем), через рычажную систему, состоящую из рычагов 1, 2, передается на рычаг 3. На этом рычаге смонтирован сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя 5 и катушка 6 магнитоэлектрического обратного преобразователя 7. Рычажная система преобразует силу F в силу F1 = kF, приведенную в катушке 6. Коэффициент k равен передаточному отношению рычажного механизма. Сила F1 вызывает перемещение якоря дифференциально-трансформаторного преобразователя x. При этом на его выходе появляется напряжение U = k1x. Напряжение усиливается усилителем 8 и преобразуется в ток I = k1k2 х =S 1 x , где S1 – чувствительность прямого преобразователя, k2 коэффициент усиления усилителя. Ток проходит через сопротивление нагрузки R ни обмотку преобразователя обратной связи 6. Под действием тока обратный преобразователь развивает силу, пропорциональную току I и стремящуюся уменьшить перемещение х:
(4.159)
где S2 – чувствительность обратного преобразователя.
Обратный преобразователь развивает силу, аналогичную силе упругости обычной пружины, коэффициент W характеризует ее жесткость.
Сила F1 перемещает сердечник до тех пор, пока она не уравновесится силой обратного преобразователя F ос. Выходной ток преобразователя
(4.160)
при равновесии пропорционален силе F1.
Структурная схема преобразователя может быть представлена, как показано на рис. 4.5. В § 4.1.4 было показано, что если W = S1S2 ” 1, то характеристика преобразователя полностью определяется преобразователем обратной связи. Изменение характеристик прямого преобразователя 1 мало влияет на характеристики сложного преобразователя с обратной связью. Погрешность сложного преобразователя (4.49) в основном определяется погрешностью преобразователя 2 обратной связи. Когда требуется линейная функция преобразования сложного преобразователя силы в унифицированный электрический сигнал, в качестве преобразователя 2 применяется магнитоэлектрический преобразователь. Известно, что он является наиболее точным электромеханическим обратным преобразователем с линейной функцией преобразования.
В некоторых случаях, например для построения расходомеров с сужающими устройствами, требуется функция преобразования 
.В этом случае в качестве обратного применяется электромагнитный преобразователь. При фиксированном перемещении якоря его функция преобразования имеет вид
(4.161)
Поскольку при равновесии подвижной части F1 = F ос, то
(4.162)
где 
.
Чувствительность преобразователя силы (см. рис. 4.58) может в случае необходимости изменяться при настройке в некоторых пределах. Это изменение производится путем изменения передаточного отношения рычажного механизма посредством перемещения подвижной опоры 9 вдоль Глазного рычага 2. Предел изменения входной силы F можно изменять от 5 до 50Н. Для коррекции нулевого положения подвижной системы и для балансировки веса деталей и узлов, присоединенных к преобразователю, имеется регулировочная пружина 10.
Диапазон изменения выходного тока составляет 0 – 5 или 0 – 20мА. Основная приведенная погрешность не превышает ± 0,4 или ± 0,6%. Погрешность не выходит за пределы основной, если сопротивление линии связи между преобразователем и нагрузкой не превышает 1кОм. Включив в качестве сопротивления нагрузки резистор с номинальным значением 2кОм или 500Ом, можно получить унифицированное значение выходного сигнала с предельным значением 10В.
На основе электросилового датчика, агрегатно подсоединяя к нему различные первичные модули, образуют датчики большого числа различных физических величин. Наиболее широкий ряд образован различными датчиками давления или разрежения: датчиками абсолютного (барометрического) и избыточного давления, разности давлений. Датчики разности давлений могут использоваться для измерения напора жидкости или газа в трубах или тяги в дымоходах. В этом случае они называются датчиками напорометров или тягомеров.
Перечисленные датчики имеют линейную функцию преобразования. Датчики разности давления могут использоваться в расходомерах с сужающим устройством. В этом случае датчик разности давлений называется датчиком расходомера. Он имеет функцию преобразования (см. § 4.3.3)
(4.163)
где k – коэффициент пропорциональности; p1 и p2 – давление до и после сужающего устройства.
Первичными измерительными преобразователями в перечисленной группе датчиков служат сильфоны или упругие манометрические трубки. Когда в них подается давление, они деформируются и развивают силу, воздействующую на рычаг 1. Эта сила компенсируется силой, развиваемой электросиловым преобразователем. Диапазоны измерения датчиков давления лежат в пределах от 400Па до 10кПа, классы точности 0,6 и 1,0.
На основе электросилового преобразователя разработан ряд буйковых уровнемеров. Принципиальная схема уровнемера типа УБ-Э приведена на рис. 4.59, где применены те же цифровые обозначения, что и на рис. 4.58. Буек 11 представляет собой цилиндр, погруженный в резервуар, уровень жидкости в котором нужно измерить. Эффективный вес буйка зависит от уровня его погружения, поскольку на него действует выталкивающая сила жидкости. Эффективный вес буйка с помощью рычажной системы приводится к Т-образному рычагу 1 электросилового преобразователя и уравновешивается им. Начальный вес подвижной системы уровнемера уравновешивается противовесом 12. Коррекция нуля прибора осуществляется изменением натяга пружины 10. Диаметр буйка может изменяться от 140 до 6мм, длина – от 0,04 до 16м.
В уровнемерах этого типа верхний предел измерения уровня жидкости может изменяться от 0,02 до 16м. Класс точности прибора с диапазоном измерения до 1 м составляет 1,0 или 1,5. При большем пределе измерения он составляет 1,5.
Датчики с электросиловыми преобразователями используются и для измерения температуры (подобно манометрическим термометрам). В зоне, где необходимо измерить температуру, помещается баллон с определенным газом или жидкостью. Баллон с помощью капилляра соединяется с манометрическим элементом датчика давления. При изменении температуры изменяется давление в баллоне, капилляре и в манометрическом элементе. Изменение давления вызывает изменение выходного тока электросилового преобразователя. Диапазон измерения таких манометрических приборов лежит в пределах от 0 – 25 до 0 – 300° С. Имеются приборы с диапазоном от –50 до +150° С. Класс точности термометра может быть 1,0; 1,5; 2,5. Длина капилляра не превышает 2,5м.
Дифференциально-трансформаторные датчики. В датчиках рассматриваемого типа модуль, образующий унифицированный электрический сигнал, состоит из дифференциально-трансформаторного преобразователя и электронного блока. Структурная схема модуля приведена рис. 4.60. Входной величиной модуля является перемещение ферромагнитного якоря.
Дифференциально-трансформаторный преобразователь 1 питается напряжением прямоугольной формы от электронного генератора 2.
При достаточно большой индуктивности обмоток преобразователя 1 и достаточно большой частоте питающего напряжения токи в обмотках изменяются линейно, а выходное напряжение дифференциально-трансформаторного датчика имеет форму, близкую к прямоугольной. Амплитудное значение напряжения пропорционально смещению х якоря относительно нулевого положения. В зависимости от знака смещения это напряжение может быть в фазе или в противофазе с питающим напряжением.
Выходное напряжение преобразователя 1 подается на фазочувствительный выпрямитель 3. Это управляемый выпрямитель, причем полярность выпрямленного напряжения зависит от совпадения или несовпадения фаз входного напряжения U вхи управляющего U у. Управляющее напряжение подается от генератора 2 и имеет постоянную фазу. Фаза входного напряжения изменяется на 180° при изменении знака смешения якоря. Напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя пропорционально смешению якоря и имеет полярность, зависящую от его направления. Это напряжение усиливается усилителем 4 и преобразуется в унифицированный токовый сигнал 0 – 5мА. Для увеличения стабильности усилитель имеет отрицательную обратную связь. Изменением глубины обратной связи регулируется максимальное значение выходного тока. Все элементы схемы питаются от сети переменного тока через источник стабилизированного напряжения 5.
На основе описанного датчика выпускается семейство датчиков давления и перепада давления, аналогичное семейству датчиков давления и перепада давления с силовой компенсацией. Зависимость тока от измеряемой величины линейная. Класс точности может быть от 0,6 до 1,5. Сопротивление линии связи может быть любым в пределах 2,5кОм. Достоинством датчиков является большой срок службы, который составляет 10 лет.
Магнитомодуляционные датчики. Схема модуля с магнитомодуляционным преобразователем приведена на рис. 4.61. Он состоит из магнитомодуляционного преобразователя (рис. 4.61, а) и электронного блока (рис. 4.61, б). Магнитомодуляционный преобразователь имеет две катушки, намотанные на кольцевые ферромагнитные сердечники. Соосно с катушками в соответствии со значением измеряемой величины перемещается постоянный магнит N – S. Его перемещение вызывает изменение индукции в сердечниках катушек и, следовательно, индуктивности катушек. Например, при перемещении сердечника вправо индукция в катушке А уменьшается, а в катушке В возрастает. При этом всоответствии с кривой намагничивания магнитная проницаемость сердечника катушки А возрастает, а у сердечника В падает. Это вызывает увеличение индуктивности катушки А и уменьшение индуктивности катушки В. Катушки А и В включены в схему моста переменного тока с выпрямителем. Выпрямленное напряжение на конденсаторе С 1 пропорционально перемещению магнита, а его полярность зависит от направления перемещения. Это напряжение усиливается усилителем постоянного тока, построенного на интегральном усилителе VT1 и транзисторе VT2, и преобразуется в ток, который через линию дистанционной передачи поступает в сопротивление нагрузки R н. Ток I ос, пропорциональный току нагрузки I н, поступает в обмотку обратной связи, размещенную на магнитопроводе магнитомодуляционного преобразователя, Созданный этим током магнитный поток компенсирует изменение магнитного потока, вызванное перемещением постоянного магнита, т. е. обеспечивает действие обратной связи. Благодаря этой связи уменьшается погрешность, вызванная нестабильностью усилителя, гистерезисом магнитомодуляционного преобразователя и другими причинами.
Сопротивление нагрузки Rн вместе с сопротивлением линии связи для преобразователей с диапазоном изменения тока I н = 0? 5мА не должно превышать 2,5 кОм, а для преобразователей с I н = 0? 20мА не должно превышать 1кОм.
Магнитомодуляционные преобразователи используются для построения датчиков давления и разности давлений, аналогичных датчикам с электросиловым преобразователем.
Основная приведенная погрешность не превышает 0,6; 1,0 или 2,5 %.
