差压变送器的综合温度补偿技术

差动变压器的综合温度补偿技术

王现军1，冯荣耀1，杜保强2

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摘 要：在介绍差动变压器传感器基本原理的基础上，主要分析了各种温度误差产生的原因，并提出了一种实现对温度误差进行综合补偿的新方法。
关键词：差动；变压器；综合补偿；温度误差

1引言
差动变压器式传感器，因其结构简单、测量精度高、线性误差小等优点，常用来检测1～100 mm范围的机械位移，但差动变压器易受到温度的影响，使其应用受到很大的限制，且受温度影响的因素几乎包括传感器系统的所有部件和材料，所以采用传统的单一参数温度补偿，很难达到理想的效果。在研制一种微位移测量传感器时，我们综合分析研究了各种温度附加误差，采用负反馈组成闭环系统，实现了对温度误差的综合补偿，取得了很好的效果。
2基本原理
差动变压器及其测量电路如图1所示，铁心上下产生位移时会引起U1和U2相反的变化，显然ΔU=U1-U2，若不考虑涡损、磁损及杂散电容，并设二次侧负载电阻值很高，差动变压器及测量电路的等效电路如图2所示，图中Rp，Ip，Lp分别为一次侧的电阻、电流和电感，è1，è2为二次侧感应电动势，è0为励磁电动势，U1，U2为二次侧直流电压，r1，r2为二次侧绕组电阻。
由电路理论知：

其中：ω为电源频率；
X为铁心的位移；
Kad为交—直流电压变换系数；
KM为线圈互感M和铁心位移X的变换系数。




传感器的灵敏度系数：

3温度附加误差
（1）原边绕组的电感RP随温度T升高而增大

其中：RP0为0℃时RP的阻值；α为铜导线的电阻温度系数。
（2）原边绕组的电感LP随温度T升高而下降，原因是铁心的磁导率、磁滞损耗及涡流损耗等参数与T有关，LP和T之间的关系可表示为：
LP=LP0(1-βT)
其中：LP0为0 ℃时LP的电感值；β为电感温度系数。
（3）变换系数KM随T升高而下降，原因是温度升高会引起线圈互感M1，M2的明显下降，KM与T之间关系可表示为：
KM=KM0(1-γT)
其中：KM0为0 ℃时KM的值；γ为KM的温度系数。
（4）由于二次侧电阻r1，r2以及整流二极管正向电阻r0与温度T有关，最终引起电压变系数Kad随时温度而变化。
综上分析，说明差动变压器式传感器的灵敏度S是环境温度T的函数，而且关系极其复杂，实验证明当环境温度T变化ΔT=50 ℃引入的灵敏度误差高达3.4%，直接引起传感器的线性变差。
由式（2）可知，能够提高灵敏度S稳定性的措施很多，其中提高励磁电压E0、频率ω的稳定性是有效的。但通过实验发现，这并不能克服差动变压器传感器自身造成的灵敏度S随温

度T升高而显著下降的趋势，因此，也很难进行温度补偿。
4温度误差综合补偿
若采用在一次侧或二次侧线路中串接热敏电阻，实验证明，可使温度附加误差降低为1.0%，但这种补偿法只能满足一般的工程要求。精确测量时，效果并不理想，为此，我们设计了如图3所示的电路，进行反馈式补偿。
反馈式补偿的关键是如何提取出灵敏度的误差信息，为此，在二次侧增加2个绕组Ⅰ和Ⅱ，目的是检测灵敏度S，其中E1和Ⅰ绕组，E2和Ⅱ绕组采用双线并绕而成，但Ⅰ和Ⅱ之间不是采用反接而是顺接方式。这样，Ⅰ和Ⅱ绕组的顺接电压经交、直变换后取出信号Uf，显然Uf与E1和E2成正比，即正比于灵敏度S，因此，E1和U2正比于灵敏度S。



UR是参考电压，Uf和UR进行比较，比较结果经运放A进行放大，再经功放管Q进行功率放大，进而控制电感式多谐振荡器的电源供给电压。从而达到控制多谐振荡器输出电压E0幅度的目的，这样不仅可以自动补偿环境温度T对灵敏度S的影响，而且可以自动补偿励磁电动势E0、频率ω的变化所造成的影响，同时，也改善了传感器的线性关系。
5结论
（1）综合补偿的精度主要取决参比电压UR的稳定性（主要是稳压管的温度系数α）和集成运放A的输入失调参数温飘系数β。
实际的电路中，UR=4.5 V，α0.46×10-4/℃，β20μV/℃，ΔT=50 ℃，其温度补偿精度可达0.17%，可见其补偿精度是很高的。
（2）采用单一参数温度补偿，仅能满足一般的工程要求，若要精确测量，可采用反馈式综合补偿。显然，反馈式综合补偿具有更好的发展前景和普遍意义。

参考文献

［1］王绍纯自动检测技术［M］.北京：冶金工业出版社，1995
［2］张福芬现代应用传感器电路［M］.北京：中国计量出版社，1997
［3］余瑞芳传感器原理及工程应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2001

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