Индуктивный датчик - это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении индуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие изменения магнитного сопротивления RМ магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.
Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм. Также можно использовать индуктивный датчик для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидкости и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю.
В случае измерения давлений, чувствительные элементы могут выполняться в виде упругих мембран, сильфонов, и т. д. Используются они и в качестве датчиков приближения, которые служат для обнаружения различных металлических и неметаллических объектов бесконтактным способом по принципу “да” или “нет”.
Достоинства индуктивных датчиков:
-
простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;
-
возможность подключения к источникам промышленной частоты;
-
относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);
-
значительная чувствительность.
Недостатки индуктивных датчиков:
-
точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;
-
возможна работа только на переменном токе.
Типы индуктивных преобразователей и их конструктивные особенности
По схеме построения индуктивные датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный индуктивный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две.
В дифференциальном индуктивном датчике при изменении измеряемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком.
Как известно, индуктивность катушки:
где W– число витков; Ф – пронизывающий ее магнитный поток; I – проходящий по катушке ток.
Ток связан с МДС соотношением:
Откуда получаем:
где Rm = HL / Ф – магнитное сопротивление индуктивного датчика.
Рассмотрим, например, одинарный индуктивный датчик. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величены воздушного зазора.
Индуктивный датчик состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3- удерживается пружинами. На обмотку 2 через сопротивление нагрузки Rн подается напряжение питания переменного тока. Ток в цепи нагрузки определяется как:
где rд - активное сопротивление дросселя ; L - индуктивность датчика.
Т.к. активное сопротивление цепи величина постоянная, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей XL=IRн , которая зависит от величены воздушного зазора δ.
Каждому значению δ соответствует определенное значение I, создающего падение напряжения на сопротивлении Rн: Uвых=IRн - представляет собой выходной сигнал датчика. Можно вывести аналитическую зависимость Uвых=f(δ), при условии что зазор достаточно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа Rмж по сравнению с магнитным сопротвлением воздушного зазора Rмв.
Приведем конечное выражение:
В реальных устройствах активное сопротивление цепи намного меньше индуктивного, тогда выражение сводится к виду:
Зависимость Uвых=f(δ) имеет линейный характер (в первом приближении). Реальная характеристика имеет вид:
Отклонение от линейности в начале объясняется принятым допущением Rмж<< Rмв.
При малых d магнитное сопротивление железа соизмеримо с магнитным сопротивлением воздуха.
Отклонение при больших d объясняются тем, что при больших d RL становится соизмеримой с величиной активного сопротивления - Rн+rд.
В целом рассмотренный индуктивный датчик имеет ряд существенных недостатков:
-
не меняется фаза тока при изменении направления перемещения;
-
при необходимости измерять в обоих направлениях перемещение нужно устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, ток I0,что неудобно;
-
ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения;
-
в процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается, и значит вносит погрешность в работу датчика.
Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики (ДИД)
Дифференциальные индуктивные датчики представляет собой совокупность двух нереверсивных датчиков и выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками. Для дифференциальных индуктивных датчиков необходимы два раздельных источника питания, для чего обычно используется разделительный трансформатор 5.
По форме магнитопровода могут быть дифференциально-индуктивные датчики с магнитопроводом Ш-образной формы, набранные из мостов электротехнической стали (при частотах выше 1000Гц применяются железоникелевые сплавы - пермолой), и цилиндрические со сплошным магнитопроводом круглого сечения. Выбор формы датчика зависит от конструктивного сочетания его с контролируемым устройством. Применение Ш-образного магнитопровода обусловлено удобством сборки катушки и уменьшением габаритов датчика.
Для питания дифференциально-индуктивного датчика используют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке. Между ним и общим концом обеих катушек включается прибор 4. Воздушный зазор 0,2-0,5 мм.
При среднем положении якоря, когда воздушные зазоры одинаковы, индуктивные сопротивления катушек 3 и 3' одинаковы следовательно величины токов в катушках равны I1=I2 и результирующий ток в приборе равен 0.
При небольшом отклонении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величены Х меняются величины зазоров и индуктивностей, прибор регистрирует разностный ток I1-I2, он является функцией смещения якоря от среднего положения. Разность токов обычно регистрируется с помощью магнитоэлектрического прибора 4 (микроамперметра) с выпрямительной схемой В на входе.
Характеристика индуктивного датчика имеет вид:
Полярность выходного тока остается неизменной независимо от знака изменения полного сопротивления катушек. При изменении направления отклонения якоря от среднего положения меняется на противоположную (на 180°) фаза тока на выходе датчика. При использовании фазочувствительных выпрямительных схем можно получить индикацию направления перемещения якоря от среднего положения. Характеристика дифференциального индуктивного датчика с ФЧВ имеет вид:
Погрешность преобразования индуктивного датчика
Информативная способность индуктивного датчика в значительной мере определяется его погрешностью преобразования измеряемого параметра. Суммарная погрешность индуктивного датчика складывается из большого числа составляющих погрешностей.
Можно выделить следующие погрешности индуктивного датчика:
1) Погрешность от нелинейности характеристики. Мультипликативная составляющая общей погрешности. Из-за принципа индуктивного преобразования измеряемой величины, лежащего в основе работы индуктивных датчиков, является существенной и в большинстве случаев определяет диапазон измерения датчика. Обязательно подлежит оценке при разработке датчика.
2) Температурная погрешность. Случайная составляющая. Ввиду большого числа зависимых от температуры параметров составных частей датчика составляющая погрешность может достичь больших величин и является существенной. Подлежит оценке при разработке датчика.
3) Погрешность от влияния внешних электромагнитных полей. Случайная составляющая общей погрешности. Возникает из-за индуцирования ЭДС в обмотке датчика внешними полями и из-за изменения магнитных характеристик магнитопровода под действием внешних полей. В производственных помещениях с силовыми электроустановками обнаруживаются магнитные поля с индукцией Тл и частотой в основном 50 Гц.
Поскольку магнитопроводы индуктивных датчиков работают при индукциях 0,1 – 1 Тл, то доля от внешних полей составит 0,05–0,005% даже в случае отсутствия экранирования. Введение экрана и применение дифференциального датчика снижают эту долю примерно на два порядка. Таким образом, погрешность от влияния внешних полей должна приниматься в рассмотрение только при проектировании датчиков малой чувствительности и с невозможностью достаточной экранировки. В большинстве случаев эта составляющая погрешности не является существенной.
4) Погрешность от магнитоупругого эффекта. Возникает из-за нестабильности деформаций магнитопровода при сборке датчика (аддитивная составляющая) и из-за изменения деформаций в процессе эксплуатации датчика (случайная составляющая). Расчеты с учетом наличия зазоров в магнитопроводе показывают, что влияние нестабильности механических напряжений в магнитопроводе вызывает нестабильность выходного сигнала датчика порядка, и в большинстве случаев эта составляющая может специально не учитываться.
5) Погрешность от тензометрического эффекта обмотки. Случайная составляющая. При намотке катушки датчика в проводе создаются механические напряжения. Изменение этих механических напряжений в процессе эксплуатации датчика ведет к изменению сопротивления катушки постоянному току и, следовательно, к изменению выходного сигнала датчика. Обычно для правильно спроектированных датчиков , т. е. эту составляющую не следует специально учитывать.
6) Погрешность от соединительного кабеля. Возникает из-за нестабильности электрического сопротивления кабеля под действием температуры или деформаций и из-за наводок ЭДС в кабеле под действием внешних полей. Является случайной составляющей погрешности. При нестабильности собственного сопротивления кабеля погрешность выходного сигнала датчика. Длина соединительных кабелей составляет 1–3 м и редко больше. При выполнении кабеля из медного провода сечением сопротивление кабеля менее 0,9 Ом, нестабильность сопротивления . Поскольку полное сопротивление датчика обычно больше 100 Ом, погрешность выходного сигнала датчика может составить величину . Следовательно, для датчиков, имеющих малое сопротивление в рабочем режиме, погрешность следует оценивать. В остальных случаях она не является существенной.
7) Конструктивные погрешности. Возникают под действием следующих причин: влияние измерительного усилия на деформации деталей датчика (аддитивная), влияние перепада измерительного усилия на нестабильность деформаций (мультипликативная), влияние направляющих измерительного стержня на передачу измерительного импульса (мультипликативная), нестабильность передачи измерительного импульса вследствие зазоров и люфтов подвижных частей (случайная). Конструктивные погрешности в первую очередь определяются недостатками в конструкции механических элементов датчика и не являются специфическими для индуктивных датчиков. Оценка этих погрешностей производится по известным способам оценки погрешностей кинематических передач измерительных устройств.
8) Технологические погрешности. Возникают вследствие технологических отклонений взаимного положения деталей датчика (аддитивная), разброса параметров деталей и обмоток при изготовлении (аддитивная), влияния технологических зазоров и натягов в соединении деталей и в направляющих (случайная).
Технологические погрешности изготовления механических элементов конструкции датчика также не являются специфическими для индуктивного датчика, их оценка производится обычными для механических измерительных устройств способами. Погрешности изготовления магнитопровода и катушек датчика ведут к разбросу параметров датчиков и к затруднениям, возникающим при обеспечении взаимозаменяемости последних.
9) Погрешность от старения датчика. Эта составляющая погрешности вызывается, во-первых, износом подвижных элементов конструкции датчика и, во-вторых, изменением во времени электромагнитных характеристик магнитопровода датчика. Погрешность следует рассматривать как случайную. При оценке погрешности от износа во внимание принимается кинематический расчет механизма датчика в каждом конкретном случае. На стадии конструирования датчика в этом случае целесообразно задавать срок службы датчика в нормальных для него условиях эксплуатации, за время которого дополнительная погрешность от износа не превысит заданной величины.
Электромагнитные свойства материалов изменяются во времени.
В большинстве случаев выраженные процессы изменения электромагнитных характеристик заканчиваются в течение первых 200 часов после термообработки и размагничивания магнитопровода. В дальнейшем они остаются практически постоянными и не играют существенной роли в общей погрешности индуктивного датчика.
Проведенное выше рассмотрение составляющих погрешности индуктивного датчика дает возможность оценить их роль в формировании общей погрешности датчика. В большинстве случаев определяющими являются погрешность от нелинейности характеристики и температурная погрешность индуктивного преобразователя.