CN85101004B - 耐蒸汽耐高温差动变压器位移传感器 - Google Patents
耐蒸汽耐高温差动变压器位移传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种耐蒸汽、耐高温、耐高液体压力的差动变压器位移传感器，其特点是：线圈筒、外壳、磁芯连杆均由可加工陶瓷棒(管)制成，初级及次级绕组均为单层平绕；匝与匝之间留有间隔相等的空隙；它能稳定地工作在高载频下，用以测定动态或静态位移。它的工作温度范围很宽，机械强度及热稳定性高，频响宽，抗干扰，能接长导线遥测，克服了传统的差动变压器位移传感器的局限性，扩大了它的用途，提高了位移测量的水平。
Description
本发明系非电量电测技术领域中一种测量位移的传感器-差动变压器式位移传感器的改进。
目前国内外差动变压器位移传感器的结构，初级和次级绕组都是十多层，甚至数十层，匝数在1000匝以上，高达五、六千匝，导线直径细，一般为φ0.04～φ0.16mm，它的次级负载电阻大于次级阻抗，在10千欧以上，次级工作电流微小。它的载波(励磁)频率一般在10KHz以下，最高为25KHz，它需用昂贵的玻莫合金屏蔽。它的缺点有：使用的环境(液体)压力不高，在50kg/cm2以下；不能耐蒸汽蒸煮，易受50Hz工频电干扰，连接电缆较短，在10米左右，测振的频率响应不高，在2KHz左右，工作环境温度为-20℃～+80℃；因此限制了它的用途。“非电量电测技术”(1983年6月北京第一版，机械工业出版社出版)对其原理和结构作了描述。英国专利G B2080632提出了高载频的结构，可以提高测振频响，但它仍存在上述的其他缺点，并且它的次级残余(零点)电压大，以致线性和精度不高，量程小，不能耐蒸汽耐高温耐高液体压力。
由于核废料贮存，建筑材料及地震机制科研工作和蒸汽液面监测等都需要使用一种耐蒸汽、耐高温、耐高液体压力的位移传感器。
本发明提供了一种耐蒸汽、耐高温、耐高液体压力，工作温度范围宽，频响宽，能接长电缆遥测，高精度及稳定性的差动变压器位移传感器，用作静态及动态位移测量。
本发明在差动变压器初、次级绕组设计上摈弃了通常遵循的方法，提出了差动变压器初、次级绕组与连接电缆的波阻抗匹配的方法。
实现本发明所提供的耐蒸汽、耐高温、耐高液体压力差动变压器位移传感器的实施例见图1，它的构造是：
圆筒形线圈筒1、磁芯接杆2，圆筒形外壳(图中省略)均由可加工陶瓷棒(管)制成；并有圆柱形磁芯3，线圈筒上绕有初级绕组4和次级绕组5。磁芯处于线圈筒中，能自由移动，次级输出电压与磁芯位移在一定范围内成线性关系。
一般陶瓷质地硬，易碎，不能进行机械加工，不能制成构成本项传感器的各种机械部件，不能达到耐蒸汽耐高温的位移测量要求。
初级绕组与次级绕组均为单层，使初、次级之间的分布电容近似于零。
初级和次线绕组绕在线圈筒的外圆上，匝与匝之间留有间隔相等的空隙Δd(0.2～1mm)，避免绕组短路，并使其具有绝缘性能及散热。
初级与次级绕组用直径较粗的高强度(或聚酰亚胺)漆包铜导线平绕，直径为φ0.71～φ0.1mm，比传统的及英国专利GB2080632粗几倍，初、次级绕组匝数仅数十匝(在大位移时则可达数百匝)，比传统的及上述英国专利少几倍，甚至少100倍，使它们电阻值很小，近似于零(初级约为0.2～1Ω，每个次级约为0.2～1Ω)容易绕制；因导线直径粗，机械强度就高，因电阻值近似于零，热稳定性就好；由于电阻值近似于零，在50Hz工频电干扰时，等于将电缆短路，因此不易受50Hz工频电干扰，绕组不需用昂贵的玻莫合金屏蔽外罩，并且初、次级绕组的漆包铜导线比传统的少很多，降低了生产成本。
初、次级绕组和它们的引出线之间都没有焊接点，初级绕组及每个次级绕组和它们的引出线都分别由一根完整的高强度漆包铜导线或聚酰亚胺漆包铜导线绕成；引出线与绕组之间用云母片或聚酰严胺薄膜绝缘。
制成的初、次级绕组用聚酰亚胺薄膜包裹及扎紧，再套入可加工陶瓷的外壳中。磁芯连杆与被测物相连接，以保证在高温时位移(变形)测量的准确。
它的初级和次级绕组为七段式结构，例如可为如下结构：
图1为结构图，图2为初、次级绕组缠绕图，图3为初、次级连接电路图。
将初级绕组(一个)分成相等的三段，(图2中，12、14、16)次级绕组(二个)分成相等的四段(图2中的11、13、15、17、)在静态位移测量时，初级绕组的缠绕方向与两个次级绕组的缠绕方向相同(也可相反)，但两个次级绕组的缠绕方向是相同的，并且接成串接，电路如图3。为了提高抗干扰能力和稳定性，用大讯号电压传输，因此将次级两个绕组接成串接，次级每边绕组匝数相等是对称的，它的输出电压较大，经对称电缆传输后，两个次组绕组的电压差值，分别经倍压及相敏解调后，在末级负载电阻上取出。在动态位移测量时，则次级两个绕组接成差接。
初级绕组的中间一段绕在可加工陶瓷线圈筒的中部，初级绕组和次级绕组每段之间互相间隔缠绕，交替绕在可加工陶瓷线圈筒上，使初级的励磁磁场在可加工陶磁管上能均匀分布，增加线性范围，初级绕组的每段匝数和长度要彼此相等，次级绕组每段匝数和长度也要彼此相等，初、次级引出线需与线圈缠绕方向垂直地引出，使次级输出残余电压最小。
每根初、次级引出线在高温+700℃以下300℃以上时套上小陶瓷管，在+300℃以下，200℃以上时套上聚酰亚胺管，在+200℃以下时套上聚四氟乙烯管绝缘。
初级绕组匝数与每个次级绕组匝数的比例取1∶1(由于初级段数为3段，次级段数为4段，因此初级总匝数与每个次级绕组的总匝数，两者可相差1匝)，初级与次级的线径相同。
初级绕组、次级绕组都分别与连接电缆的波阻抗匹配。
初级由稳定的振荡器供给200KHz(可为50KHz至2MHz)的高载频电压励磁(供电)，此电压在3伏(有效值)以上，初级电压愈高，次级输出电压愈大。
磁芯可选用圆柱形紫铜管制成，嵌入连杆一端的槽中，磁芯能在线圈筒中自由移动。
磁芯的长度最好等于线圈长度的0.25～0.8。本发明提供的差动变压器位移传感器在采取上述措施后工作环境范围很宽，能耐蒸汽及液体压力，它的技术性能有：
+700℃～-50℃；量程±1、±3、±10mm：线性0.5％～2％；环境(液体中)压力500kg/cm2。+300℃～-50℃；耐蒸汽；环境(液体中)压力1000kg/cm；量程±1、±3、±10mm；线性0.3％～1％。
+120℃～-50℃，耐蒸汽，环境(液体中)压力1400kg/cm2，量程±1～50mm，有十一种传感器，系列化，线性0.1％～0.5％，分辨力可达0.01微米。
再者本项发明的差动变压器位移传感器的优点还有：次级残余电压小，可达0.2m v，次级对初级的电压(或电流)的转换效率高达35％，所需的放大器的放大倍数比传统的差动变压器所需的放大倍数要小，次级(每边)电压放大35倍，即可得到0.2微米的精度，再适当放大就可得到0.01微米的精度，一挡分度值达
即精度很高，抗干扰能力强，节省了昂贵的玻莫合金屏蔽外罩，绕组的匝数少，节省了铜线，导线直径粗，容易绕制，绕制的成功率高达100％，降低了生产成本。连接电缆长达1500米。传感器之间互换性能好，在动态测量时，测振频响为0～20KHz，频响最宽、可用它制作压力计或加速度计。线圈(初、次级绕组)可以做得很短，线圈长度与全量程之比值达3∶1。
本发明所提供的差动变压器有很高的精度和准确度，机械强度高；热稳定性好；它克服了传统的差动变压器位移传感器的载波频率提高时线性变坏，达不到要求的难关，克服了耐蒸汽、耐高温及耐高液体压力的难关，因而能耐蒸汽，更能防水防潮。它能广泛地应用到工业、交通、水电、矿山、航空、建筑、机械、地震、化工、轧钢、核废料贮存、核电站运行等科研、生产和野外试验检测中，并能用于自动控制配套中，能用它制造压力计、加速度计、蒸汽液面计、轧钢机监测、核废料贮存岩石受热变形的检测、加汽混凝土变形的检测、荷重传感器、电子秤、地壳深部位移(地震预报)、深海钻井平台变形监测等，它扩大了差动变压器位移传感器的用途，提高了测量仪器的水平。
Claims (4)
1.一种测量位移的差动变压器式位移传感器，由陶瓷管制成的圆筒形线圈筒、处于线圈筒中能自由移动的磁芯和磁芯连杆、初级和次级绕组以及圆筒形外壳构成，其特征在于：
圆筒形线圈筒(1)、磁芯连杆(2)和圆筒形外壳均由可加工陶瓷管或棒制成；初级绕组(4)和次级绕组(5)均为单层；初、次级绕组绕在线圈筒外圆上，匝与匝之间形成间隔为0.2～1mm的相等的空隙Δd；初、次级绕组均为单层，用直径φ0.71～φ0.1mm的高强度漆包铜导线或聚酰亚胺漆包铜导线平绕；初、次级绕组匝数为数十匝到数百匝，初级电阻值约为0.2～1Ω，每个次级电阻值约为0.2～1Ω；初、次级绕组与它们的引出线之间没有焊接点，均分别由一根完整的高强度漆包铜导线或聚酰亚胺漆包铜导线绕成；引出线与绕组之间用云母片或聚酰严胺薄膜绝缘；初、次级绕组用聚酰亚胺薄膜包裹及扎紧，再套入上述可加工陶瓷的外壳中；初、次级绕组结构为七段式：初级绕组、次级绕组都分别与连接电缆的波阻抗匹配；初级由稳定的振荡器供给50KHz～2MHz、电压大于3伏(有效值)的高载频电压励磁(供电)。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的初、次级绕组的七段式结构为：
一个初级绕组分成相等的三段，二个次级绕组分成相等的四段；在静态位移测量时，初级绕组的缠绕方向与两个次级绕组的缠绕方向相同或相反，但两个次级绕组的缠绕方向是相同的，并且接成串接，次级每边绕组匝数相等是对称的，在动态位移测量时，则次级两个绕组接成差接；
初级绕组的中间一段绕在上述可加工陶瓷线圈筒的中部，次级绕组四段与剩下的两段初级绕组交替地绕在线圈筒上；初级绕组每段匝数与长度要彼此相等，次级绕组的每段匝数和长度也要彼此相等；初、次级引出线与线圈缠绕方向垂直地引出，并且在+700℃以下300℃以上时套上小陶瓷管，在+300℃以下200℃以上时套上聚酰严胺管，在+200℃以下时套上聚四氟乙烯管绝缘；初级绕组匝数与每个次级绕组匝数的比例取1∶1；初级与次级的线径相同。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于磁芯(3)由圆柱形紫铜管制成。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于磁芯的长度为线圈长度的0.25～0.8。
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