Частотные датчики для измерения неэлектрических величин на основе LC-генераторов

Методы построения LC-генераторов. В большинстве случаев при построении частотных датчиков находят применение генераторы с параллельными LC-контурами. В реальных схемах наряду с простейшим двухэлементным контуром часто используются трех- и четырехэлементные резонансные контуры, позволяющие уменьшить связь частотозадающей цепи с усилителем, и таким образом повысить стабильность частоты. В технической литературе схемы 1 и 2 часто называют индуктивными трехточечными схемами или схемами Хартли, схемы V и VI — емкостными трехточечными схемами или схемами Колпица, а генераторы с контурами III и IV называют генераторами Лапкина и с контурами VII и VIII — генераторами Клаппа. Таким образом, минимальные значения коэффициентов pl и р2 ограничены крутизной используемого усилителя. Чаще других при построении частотных датчиков находят применение генераторы по схеме Клаппа или Лапкина. На практике используются и другие генераторы. Полупеременный резистор позволяет установить нужную величину фактора регенерации путем регулировки связи усилителя с контуром или путем регулировки отрицательной обратной связи в самом усилителе.

Погрешности, вносимые LC-генератором в общую погрешность датчика, складываются из нестабильности и нелинейности.

Нестабильность частоты LC-генератора вызывается изменением параметров избирательной цепи (емкости, индуктивности, добротности контура) и изменением характеристик усилителя (фазового сдвига, входных и выходных емкостей и сопротивлений). В свою очередь причинами этих изменений являются изменения окружающей температуры, напряжения питания, а также нестабильность элементов генератора с течением времени. В настоящее время не составляет проблемы стабилизировать напряжение питания генератора и исключить тем самым соответствующую составляющую нестабильности частоты. Однако при испытаниях генератора имеет смысл отключать стабилизатор и снимать зависимость частоты от напряжения питания, так как эта зависимость характеризует влияние усилителя на частоту генератора. У лучших образцов LC-генераторов изменение напряжения питания на 10% вызывает изменение частоты порядка (2 / 5)10% или (2 /5) 105. У большинства LC-генераторов частота изменяется на (2/ 5) 10-2% при изменении напряжения питания на 10%.

Температурный коэффициент частоты генератора определяется в основном нестабильностью элементов LC-контура и при использовании конденсаторов и катушек индуктивности с весьма малыми температурными коэффициентами может быть снижен до величины порядка 2*10-2% на 10 град (2*10-5 1/град). Вообще же значения температурного коэффициента частоты LC-генераторов лежат в пределах (5/ 10) 10-2% на 10 град или (5/10) 10-5 1/град.

При использовании катушек индуктивности с ферритовыми сердечниками следует учесть, что температурный коэффициент магнитной проницаемости ферритов может достигать величины 5—7% на 10град. Значение температурного коэффициента имеет большой разброс от партии к партии при одной и той же марке материала и изменяется, кроме того, в диапазоне температур. Уменьшить температурный коэффициент индуктивности можно введением воздушного зазора в магнитопроводе. Зависимость индуктивности от температуры при этом уменьшается во столько же раз, во сколько индуктивность сердечника без зазора больше индуктивности сердечника с зазором. Нестабильность частоты LC-контура с катушкой индуктивности на ферритовом сердечнике с зазором может составлять примерно 0,1% на 10 град в диапазоне температур от 20 до 70° С .

При построении частотного датчика целесообразно не изменяющийся элемент контура подбирать с таким температурным коэффициентом, который скорректирует температурный коэффициент всего датчика в целом. Возможна также ручная подрегулировка этих элементов в соответствии с температурой. В силоизмерительном датчике с индуктивным первичным преобразователем подрегулировкой емкостей в зависимости от температуры окружающей среды удалось снизить температурную погрешность датчика в целом до (3/5) 10~ % на 10 град.

Для уменьшения нестабильности частоты следует по возможности изолировать генератор от влияния окружающей среды. Например, генератор описанного в работе датчика для измерения давления в трубопроводе помещался в скважину на глубину 3м, где температура в течение года колебалась в пределах 4,5 + 0,9° С. Суточный дрейф частоты такого датчика не превышал 5-10-4 (0,05%). В частотном датчике, предназначенном для кондуктометрических измерений, катушка колебательного контура генератора по схеме Клаппа и дроссель в цепи катода лампы, намотанные на кварцевой трубке, вместе с лампой и переменным конденсатором находились внутри экрана с двойными стенками, между которыми пропускалась термостатированная вода. Кратковременная нестабильность частоты такого генератора составляла величину порядка 10-8 -10-9 (10-6 — 10-7%).

При прочих равных условиях стабильность частоты тем выше, чем выше добротность контура. Добротность определяется в основном потерями в катушке индуктивности. На (рис.2.1) приведены экспериментально полученные значения добротности LC-контура при использовании катушек индуктивности с ферритовыми сердечниками в функции частоты при различных величинах воздушного зазора в магнито-проводе. Катушка индуктивности имела следующие данные: число витков обмотки 2 Х 50 из провода литцендрат 6 Х 0,07мм, сердечник броневого типа диаметром 11 мм из марганцецинкового феррита с магнитной проницаемостью Ц = 2000. Зависимости, приведенные на (рис.2.1), показывают, что диапазон наиболее выгодных рабочих частот генератора с катушками на ферритах равен 300 — — 1200 кГц. В этом диапазоне частот добротность контура составляет не менее 120 — 160.

Информация по теме:

Анализ АНВ на воздушном транспорте в период 2004-2011 гг
От надежной и безопасной работы транспорта зависит вся деятельность и жизнь населения страны. Ежегодно в России перевозится транспортом около 3,5 млрд. тонн грузов. Ежесуточно всеми видами транспорта перевозится более 100 млн. человек. Но при этом, на транспорте происходит значительное количество к ...

Основные параметры международных перевозок железнодорожным транспортом
Остановимся на перевозках железнодорожным транспортом. В 2006 году объем ж/д перевозок составил треть (32%) объема грузоперевозок, или $22,4 млрд. в стоимостном выражении. Это на 1,5% ниже уровня 2005 года. Чаще всего ж/д транспортом перевозят сырье – нефтяной мазут, битум и гудрон, бензин, неметал ...

Обмен данными посредством шины CAN
Применяемая на автомобилях система CAN позволяет объединить в локальную сеть электронные блоки управления или сложные датчики. Обозначение CAN является аббревиатурой от английского словосочетания Controller Area Network (локальная сеть, связывающая блоки управления). Применение системы CAN на автом ...