Измерительные цепи для датчика с синусоидальным магнитным полем. Эквивалентная схема индуктора. Векторная диаграмма токов и напряжений индуктора

 Измерительные цепи для датчика с синусоидальным магнитным полем

Наиболее просто организовать магнитное поле синусоидальной формы с частотой, равной частоте сети. Для этого достаточно подать соответствующее напряжение на индуктор. Однако, при этом на входе датчика будет присутствовать, кроме электрохимической э.д.с. напряжение трансформаторной э.д.с, напряжение, совпадающее по фазе с полезным сигналом и полезная составляющая. Возникает вопрос, каким образом селектировать данные напряжения? Как правило, различают где полезный сигнал, а где трансформаторная э.д.с, привязываясь к магнитному потоку Ф. С этой целью на магнитопроводе индуктора располагают еще одну обмотку, напряжение которой используют в качестве опорного и, кроме того, в качестве сигнала, несущего информацию об индукции магнитного ноля датчика.

Эквивалентная схема индуктора представлена на рис 1,

Рис.1. Эквивалентная    схема    индуктора.

где приняты следующие обозначения:

Епит - напряжение питания индуктора;

Rм -   омическое сопротивление обмотки возбуждения (сопротивление "меди");

Rп -   эквивалентное сопротивление потерь в сети, вызванных вихревыми потоками, гистерезисом и дополнительными потерями   (на вязкость и др);

L -   индуктивность обмотки возбуждения индуктора;

Iи -   ток индуктора;

IL -   ток индуктивности L, создающий магнитный поток Ф;

Iп - ток потерь в стали;

Uав - напряжение на индукторе, при условии, что Rм=0.

Векторная диаграмма, поясняющая фазовые и амплитудные соотношения между токами и напряжениями эквивалентной схемы представлена на рис2.

Рис2. Векторная диаграмма токов и напряжений индуктора.

Для данной диаграммы верны следующие соотношения:

Епит = Uав + Iи× Км;

Iи =IL + Iп;

Uав =  јώL×IL;

Uав = Iп ×Rп.

Как видно из векторной диаграммы ток IL, создающий поток Ф, не совпадает с током индуктора Iп, а степень несовпадения определяется током потерь Iп. Если потери в стали отсутствуют (Rп=, Iп = 0), то ток IL(Ф) совпадает с током индуктора. Естественно данная ситуация может быть только при постоянном или крайне медленно изменяющемся напряжении питания Епит. Однако, при питании индуктора переменным напряжением сетевой частоты потери всегда присутствуют. И, кроме того, потери в стали существенно изменяются, при изменении температуры индуктора (температуры измеряемой среды, находящейся в типовом контакте с индуктором). Из изложенного ясно, что сигнал, необходимый для селекции полезной составляющей на фоне трансформаторной э.д.с, необходимо формировать привязываясь к току IL или потоку Ф. Для указанной цели служит дополнительная обмотка w_оп, расположенная на индукторе. Напряжение на этой обмотке Uоп имеет вид:

где К - коэффициент пропорциональности, учитывающий конструктивные данные обмотки.

Из полученного выражения видно, что  сдвинуто относительно тока IL на 90 градусов. Трансформаторная э.д.с.  в выходном сигнале датчика будет совпадать с напряжением на обмотке . В сущности, измеряемая среда, электроды и измерительная цепь создают обмотку, аналогичную обмотке , расположенную только не на магнитопроводе, а в зазоре индуктора. Векторная диаграмма, поясняющая расположение трансформаторной э.д.с.  и полезной составляющей  относительно тока IL(или потока Ф),представлена на рис.3.

Рис3. Векторная диаграмма выходных напряжений электромагнитного датчика.

Схематично подобный подход представлен на рис.4, где приняты следующие обозначения:

 - обмотка возбуждения;

 - обмотка, при помощи которой получают опорное напряжение:

-напряжение на опорной катушке  ;

Ф    - магнитный поток, изменяющийся по синусоидальному закону;

Uпол- напряжение на электродах, пропорциональное расходу;

Uиз - напряжение на электродах, пропорциональное трансформаторной э.д.с.

18а

Пусть магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения   имеет следующий вид:

где:     - круговая частота напряжения питания.

Тогда напряжение трансформаторной э.д.с. е_тр будет иметь следующий вид:

где: Ктр - коэффициент пропорциональности, определяемый конструктивными