Індуктивні датчики

Індуктивний датчик - це перетворювач параметричного типу, принцип дії якого заснований на зміні індуктивності L або взаімоіндуктівності обмотки з осердям, через зміну магнітного опору RМ магнітного ланцюга датчика, в яку заходить сердечник.

Широке застосування індуктивні датчики знаходять в індустрії для вимірювання переміщень і покривають спектр від 1 мкм до 20 мм. Також можна використовувати індуктивний датчик для вимірювання тиску, сил, рівнів споживання газу та води і т. Д. В даному випадку вимірюваний параметр за допомогою різних чутливих частин перетвориться в зміну переміщення і потім ця величина підводиться до індуктивному вимірювального перетворювача.

У разі вимірювання тисків, чутливі елементи можуть проводитися у вигляді пружних мембран, сильфонів, і т. Д. Вживаються вони і в якості датчиків наближення, які служать для виявлення різних залізних і неметалевих об`єктів безконтактним методом за принципом "так" або "ні".

Плюси індуктивних датчиків:

• простота і міцність конструкції, відсутність ковзних контактів-

• можливість підключення до джерел промислової частоти-

• відносно велика вихідна потужність (до 10-ов Ватт) -

• значуща чутливість.

Недоліки індуктивних датчиків:

• точність роботи залежить від стабільності напруги живлення по частоте-

• імовірна робота лише на змінному струмі.

Типи індуктивних перетворювачів і їх конструктивні особливості

За схемою побудови індуктивні датчики можна поділити на одинарні і диференціальні. Одинарний індуктивний датчик містить одну вимірювальну гілка, диференційний - дві.

У диференціальному индуктивном датчику при зміні вимірюваного параметра відразу змінюються індуктивності 2-ух схожих котушок, при цьому зміна відбувається на одну і ту ж величину, але з оборотним знаком.

Як відомо, індуктивність котушки:

де W- число вітков- Ф - пронизливий її магнітний поток- I - проходить по котушці струм.

Струм пов`язаний з МДС співвідношенням:

Звідки отримуємо:

де Rm = HL / Ф - магнітний опір індуктивного датчика.

Розглянемо, наприклад, одинарний індуктивний датчик. В основу його роботи покладено властивість дроселя з повітряним зазором змінювати свою індуктивність при зміні величини зазору.

Індуктивний датчик складається з ярма 1, обмотки 2, якоря 3 утримується пружинами. На обмотку 2 через опір навантаження Rн подається напруга живлення змінного струму. Струм в ланцюзі навантаження визначається як:

де rд - активний опір дроселя - L - індуктивність датчика.

Оскільки активний опір ланцюга незмінною, то зміна струму I може відбуватися тільки за рахунок зміни індуктивної складової XL = IRн, яка знаходиться в залежності від величини зазору δ.

Кожному значенню δ відповідає певне значення I, що створює падіння напруги на опорі Rн: U вих = IRн - являє собою вихідний сигнал датчика. Можна вивести аналітичну залежність U вих = f (δ), за умови що зазор досить малий і потоками розсіювання можна знехтувати, і знехтувати магнітним опором заліза Rмж в порівнянні з магнітним сопротвление зазору Rмв.

Наведемо кінцеве вираз:

У реальних пристроях активний опір ланцюга набагато менше індуктивного, тоді вираз зводиться до виду:

Залежність U вих = f (δ) має лінійний характер (в першому наближенні). Справжня риса має вигляд:

Відхилення від лінійності спочатку роз`яснюється прийнятим допущенням Rмж<< R>

При малих d магнітне опір заліза можна порівняти з магнітним опором повітря.

Відхилення при величезних d пояснюються тим, що при величезних d RL стає сумірною з величиною активного опору - Rн + rд.

В цілому розглянутий індуктивний датчик має ряд істотних недоліків:

• не змінюється фаза струму при зміні напрямку перемещенія-

• у міру потреби визначати в обох напрямках переміщення необхідно встановлювати вихідний зазор і, як слід, ток I0, що неловко-

• струм у навантаженні залежить від амплітуди і частоти живлячої напруги-

• в процесі роботи датчика на якір діє сила тяжіння до магнітопроводу, яка нічим не врівноважується, і означає заносить похибка в роботу датчика.

Диференціальні (реверсивні) електромагнітні датчики (ДІД)

Диференціальні індуктивні датчики є сукупність 2-ух нереверсивними датчиків і виробляються у вигляді системи, що складається з 2-ух магнитопроводов із загальним якорем і 2-мя котушками. Для диференціальних індуктивних датчиків потрібні два роздільних джерела живлення, навіщо зазвичай вживається розділовий трансформатор 5.

За формою муздрамтеатру можуть бути диференційно-індуктивні датчики з магнітопроводом Ш-подібної форми, набрані з мостів електротехнічної сталі (при частотах вище 1000 Гц використовуються железонікелевие сплави - пермолой), і циліндричні із суцільним магнітопроводом круглого перетину. Вибір форми датчика залежить від конструктивного поєднання його з контрольованим пристроєм. Застосування Ш-образного магнітопровода обгрунтовано зручністю збірки котушки і зменшенням габаритів датчика.

Для харчування диференційно-індуктивного датчика вживають трансформатор 5 з висновком середньої точки на вторинній обмотці. Між ним і загальним кінцем обох котушок включається прилад 4. Зазор 0,2-0,5 мм.

При середньому положенні якоря, коли зазори схожі, індуктивні опору котушок 3 і 3 `схожі як слід величини струмів в котушках рівні I1 = I2 і результуючий струм в приладі дорівнює 0.

При маленькому відхиленні якоря в ту або іншу сторону під дією контрольованої величини Х змінюються величини зазорів і індуктивностей, прилад реєструє різницевий струм I1-I2, він є функцією зсуву якоря від середнього положення. Різниця струмів зазвичай реєструється за допомогою магнітоелектричного приладу 4 (микроамперметра) з випрямної схемою В на вході.

Риса індуктивного датчика має вигляд:

Полярність вихідного струму залишається постійною незалежно від знака конфігурації повного опору котушок. При зміні напрямку відмінності якоря від середнього положення змінюється на зворотну (на 180 °) фаза струму на виході датчика. При використанні фазочувствительного випрямних схем можна отримати індикацію напрямки переміщення якоря від середнього положення. Риса диференціального індуктивного датчика з ФЧВ має вигляд:

Похибка перетворення індуктивного датчика

Інформативна здатність індуктивного датчика в значній мірі визначається його похибкою перетворення вимірюваного параметра. Сумарна похибка індуктивного датчика складається з величезної кількості складових похибок.

Можна виділити наступні похибки індуктивного датчика:

1) Похибка від нелінійності властивості. Мультиплікативна складова загальної похибки. Через принципу індуктивного перетворення вимірюваної величини, що лежить в основі роботи індуктивних датчиків, є значущою і майже завжди визначає спектр вимірювання датчика. Неодмінно підлягає оцінці при розробці датчика.

2) Температурна похибка. Випадкова складова. Зважаючи на величезну числа залежних від температури характеристик складових частин датчика складова похибка може досягти величезних величин і є значущою. Чи підлягає оцінці при розробці датчика.

3) Похибка від впливу зовнішніх електричних полів. Випадкова складова загальної похибки. З`являється через індукування ЕРС в обмотці датчика зовнішніми полями і через зміну магнітних характеристик муздрамтеатру під дією зовнішніх полів. У виробничих приміщеннях з силовими електроустановками виявляються магнітні поля з індукцією Тл і частотою в головному 50 Гц.

Так як магнітопроводи індуктивних датчиків працюють при індукціях 0,1 - 1 Тл, то дещиця від зовнішніх полів складе 0,05-0,005% навіть в разі відсутності екранування. Введення екрану і застосування диференціального датчика знижують цю частку приблизно на два порядки. Таким чином, похибка від впливу зовнішніх полів повинна прийматися до розгляду лише при проектуванні датчиків малої чутливості і з неможливістю достатньою екранування. У більшості випадків ця складова похибки не є значущою.

4) Похибка від Магнітопружний ефекту. З`являється через нестабільність деформацій муздрамтеатру при складанні датчика (адитивна складова) і через зміну деформацій в процесі використання датчика (випадкова складова). Розрахунки з урахуванням наявності зазорів в муздрамтеатрі демонструють, що вплив нестабільності механічної напруги в муздрамтеатрі викликає нестабільність вихідного сигналу датчика порядку, і майже завжди ця складова може спеціально не враховуватися.

5) Похибка від тензометрического ефекту обмотки. Випадкова складова. При намотуванні котушки датчика в проводі створюються механічні напруги. Зміна цих механічних напружень в процесі використання датчика веде до зміни опору котушки постійному струму і, як слід, до зміни вихідного сигналу датчика. Зазвичай для вірно спроектованих датчиків, т. Е. Цю складову не слід спеціально врахувати.

6) Похибка від з`єднувального кабелю. З`являється через нестабільність електричного опору кабелю під дією температури або деформацій і через наведень ЕРС в кабелі під дією зовнішніх полів. Є випадкової складової похибки. При нестабільності власного опору кабелю похибка вихідного сигналу датчика. Довжина сполучних кабелів складає 1-3 м і зрідка більше. При виконанні кабелю з мідного дроту перетином опір кабелю найменш 0,9 Ом, нестабільність опору. Так як повний опір датчика зазвичай більше 100 Ом, похибка вихідного сигналу датчика може скласти величину. Отже, для датчиків, що мають маленький опір в робочому режимі, похибка слід оцінювати. В інших випадках вона не є значущою.

7) Конструктивні похибки. З`являються під дією наступних обставин: вплив вимірювального зусилля на деформації деталей датчика (адитивна), вплив перепаду вимірювального зусилля на нестабільність деформацій (мультиплікативна), вплив напрямних вимірювального стержня на передачу вимірювального імпульсу (мультиплікативна), нестабільність передачі вимірювального імпульсу внаслідок зазорів і люфтів рухомих частин (випадкова). Конструктивні похибки спочатку визначаються недоліками в конструкції механічних частин датчика і не є специфічними для індуктивних датчиків. Оцінка цих похибок робиться з відомих методів оцінки похибок кінематичних передач вимірювальних пристроїв.

8) Технологічні похибки. З`являються внаслідок технологічних відхилень обопільного положення деталей датчика (адитивна), розкиду характеристик деталей і обмоток при виготовленні (адитивна), впливу технологічних зазорів і натягів в з`єднанні деталей і в напрямних (випадкова).

Технологічні похибки виробництва механічних частин конструкції датчика також не є специфічними для індуктивного датчика, їх оцінка робиться звичайними для механічних вимірювальних пристроїв методами. Похибки виробництва муздрамтеатру і котушок датчика ведуть до розкиду характеристик датчиків і до ускладнень, що виникають при забезпеченні взаємозамінності останніх.

9) Похибка від старіння датчика. Ця складова похибки викликається, по-1-х, зносом рухомих частин конструкції датчика і, по-2-х, конфігурацією в часі електричних рис муздрамтеатру датчика. Похибка слід розглядати як випадкову. При оцінці похибки від зносу до уваги береться кінематичний розрахунок механізму датчика в кожному конкретному випадку. На стадії конструювання датчика в даному випадку доцільно ставити термін служби датчика в звичайних для нього умовах експлуатації, за час якого додаткова похибка від зносу не перевищить цієї величини.

Електричні характеристики матеріалів змінюються в часі.

У більшості випадків виражені процеси конфігурації електричних рис повинні бути завершені протягом перших 200 годин після термічної обробки і розмагнічування муздрамтеатру. У майбутньому вони залишаються фактично незмінними і не грають суттєвої ролі в загальній похибки індуктивного датчика.

Проведене вище розгляд складових похибки індуктивного датчика дає можливість оцінити їх роль у формуванні загальної похибки датчика. Майже завжди визначальними є похибка від нелінійності властивості і температурна похибка індуктивного перетворювача.