Индуктивни сензори

Индуктивен сензор е преобразувател с параметричен тип, чийто принцип на действие се основава на промяна индуктивност L или взаимната индуктивност на намотката със сърцевината, поради промяна в магнитното съпротивление RM на магнитната верига на сензора, в която влиза сърцевината.

Индуктивните сензори се използват широко в промишлеността за измерване на премествания и обхващат обхвата от 1 μm до 20 mm. Възможно е също така да се използва индуктивен сензор за измерване на налягания, сили, дебити на газ и течност и др. В този случай измерената стойност се преобразува с помощта на различни чувствителни елементи в промяна на изместването и след това тази стойност се подава към индуктивна измервателен преобразувател.

В случай на измерване на налягане, чувствителните елементи могат да бъдат направени под формата на еластични мембрани, маншон и др. Те се използват и като сензори за близост, които се използват за откриване на различни метални и неметални предмети по безконтактен начин върху принципът „да“ или „не“.

Предимства на индуктивните сензори:

• простота и здравина на конструкцията, без плъзгащи се контакти;

• възможност за свързване към източници на честота на захранване;

• относително висока изходна мощност (до десетки ватове);

• значителна чувствителност.

Недостатъци на индуктивните сензори:

• точността на работата зависи от стабилността на захранващото напрежение по честота;

• работата е възможна само при променлив ток.

Видове индуктивни преобразуватели и техните конструктивни характеристики

Според конструктивната схема, индуктивните сензори могат да бъдат разделени на единични и диференциални. Един индуктивен сензор съдържа един измервателен клон, диференциален — два.

В диференциален индуктивен сензор, когато измереният параметър се промени, индуктивността на две еднакви намотки се променя едновременно и промяната настъпва със същата стойност, но с обратен знак.

Както е известно, индуктивност на бобината:

където W е броят на завоите; F — проникващ в него магнитен поток; Аз — токът, преминаващ през намотката.

Токът е свързан с MDS чрез съотношението:

Откъде получаваме:

където Rm = HL / Ф е магнитното съпротивление на индуктивния сензор.

Помислете например за единичен индуктивен сензор. Неговата работа се основава на свойството на дросел с въздушна междина да променя своята индуктивност при промяна на стойността на въздушната междина.

Индуктивният сензор се състои от хомот 1, намотка 2, котва 3 — държана от пружини. Захранващо напрежение на променлив ток се подава към намотка 2 през съпротивлението на натоварване Rн. Токът в натоварващата верига се определя като:

където rd е активното съпротивление на дросела; L е индуктивността на сензора.

Защото активното съпротивление на веригата е постоянно, тогава промяна в тока I може да възникне само поради промяна в индуктивната компонента XL = IRн, която зависи от размера на въздушната междина δ.

Към всяка стойност δ съответства на определена стойност I, която създава спад на напрежението върху съпротивлението Rn: Uout = IRn — е изходният сигнал на сензора. Можете да извлечете аналитичната зависимост Uout = f (δ), при условие че пролуката е достатъчно малка и разсейващите потоци могат да бъдат пренебрегнати, а магнитното съпротивление на желязо Rmw може да бъде пренебрегнато в сравнение с магнитното съпротивление на въздушната междина Rmw.

Ето крайния израз:

В реалните устройства активното съпротивление на веригата е много по -малко от индуктивното, тогава изразът се свежда до формата:

Зависимостта Uout = f (δ) е линейна (в първото приближение). Реалната характеристика е следната:

Отклонението от линейността в началото се обяснява с приетото предположение Rmzh << Rmv.

При малък d магнитното съпротивление на желязото е съизмеримо с магнитното съпротивление на въздуха.

Отклонението при голямо d се обяснява с факта, че при голямо d RL става съизмерим със стойността на активното съпротивление — Rn + rd.

Като цяло разглежданият индуктивен сензор има редица съществени недостатъци:

• фазата на тока не се променя при промяна на посоката на движение;

• ако е необходимо да се измери изместването в двете посоки, е необходимо да се зададе началната въздушна междина и следователно токът I0, което е неудобно;

• токът на натоварване зависи от амплитудата и честотата на захранващото напрежение;

• по време на работата на сензора, силата на привличане към магнитната верига действа върху котвата, която не е балансирана от нищо и следователно внася грешка в работата на сензора.

Диференциални (обратими) индуктивни сензори (DID)

Диференциалните индуктивни сензори са комбинация от два необратими сензора и са направени под формата на система, състояща се от две магнитни вериги с обща арматура и две намотки. Диференциалните индуктивни сензори изискват два отделни захранвания, за които обикновено се използва изолационен трансформатор 5.

Формата на магнитната верига може да бъде диференциално-индуктивни сензори с W-образна магнитна верига, набирани от мостове от електрическа стомана (при честоти над 1000Hz се използват сплави от желязо-никел-пермола), и цилиндрични с плътна кръгла магнитна верига. Изборът на формата на сензора зависи от неговата конструктивна комбинация с контролираното устройство. Използването на W-образна магнитна верига се дължи на удобството при сглобяването на бобината и намаляването на размерите на сензора.

За захранване на диференциално-индуктивния сензор се използва трансформатор 5 с изход за средна точка на вторичната намотка. Устройството 4 е включено между него и общия край на двете намотки.Въздушната междина е 0,2-0,5 мм.

При средното положение на котвата, когато въздушните пролуки са еднакви, индуктивните съпротивления на бобините 3 и 3 ‘са еднакви, следователно стойностите на токовете в бобините са равни на I1 = I2 и получената токът в устройството е 0.

С леко отклонение на котвата в една или друга посока, под влияние на контролираната стойност X, стойностите на пролуките и индуктивностите се променят, устройството регистрира диференциалния ток I1-I2, това е функция на котвата изместване от средното положение. Разликата в токовете обикновено се записва с помощта на магнитоелектрическо устройство 4 (микроамперметър) с токоизправителна верига В на входа.

Характеристиките на индуктивния сензор са:

Полярността на изходния ток остава непроменена, независимо от знака на промяната в импеданса на бобините. Когато посоката на отклонение на котвата от средното положение се промени, фазата на тока на изхода на сензора се променя в обратна (на 180 °). При използване на чувствителни към фаза токоизправители може да се получи индикация за посоката на движение на котвата от средното положение. Характеристиките на диференциален индуктивен сензор с фазов честотен филтър са както следва:

Грешка при преобразуване на индуктивен сензор

Информационният капацитет на индуктивен сензор се определя до голяма степен от неговата грешка при преобразуване на измерения параметър. Общата грешка на индуктивен сензор се състои от голям брой компоненти на грешката.

Могат да се разграничат следните грешки на индуктивния сензор:

1) Грешка поради нелинейност на характеристиката. Мултипликативният компонент на общата грешка.Поради принципа на индуктивно преобразуване на измерената стойност, който стои в основата на работата на индуктивните сензори, той е от съществено значение и в повечето случаи определя обхвата на измерване на сензора. Задължително подлежи на оценка при разработване на сензор.

2) Температурна грешка. Случайна съставка. Поради големия брой температурно зависими параметри на компонентите на сензора, грешката на компонента може да достигне големи стойности и е значителна. Да се ​​оценява в дизайна на сензора.

3) Грешка поради влиянието на външни електромагнитни полета. Случайният компонент на общата грешка. Възниква поради индуцирането на ЕМП в намотката на сензора от външни полета и поради промяна в магнитните характеристики на магнитната верига под въздействието на външни полета. В промишлени помещения със силови електрически инсталации се откриват магнитни полета с индукция Т и честота главно 50 Hz.

Тъй като магнитните ядра на индуктивните сензори работят при индукции от 0,1 — 1 T, делът на външните полета ще бъде 0,05-0,005% дори при липса на екраниране. Въвеждането на екрана и използването на диференциален сензор намаляват тази пропорция с около два порядъка. По този начин грешката от влиянието на външни полета трябва да се има предвид само при проектирането на сензори с ниска чувствителност и с невъзможността за достатъчно екраниране. В повечето случаи този компонент на грешката не е значителен.

4) Грешка поради магнитоеластичния ефект. Възниква поради нестабилността на деформациите на магнитната верига по време на сглобяването на сензора (адитивен компонент) и поради промени в деформациите по време на работа на сензора (произволен компонент). Изчисленията, отчитащи наличието на празнини в магнитната верига, показват, че влиянието на нестабилността на механичните напрежения в магнитната верига причинява нестабилност на изходния сигнал на сензора за поръчка и в повечето случаи този компонент може да бъде пренебрегнат специално.

5) Грешка поради тензометричния ефект на намотката. Случайна съставка. При навиване на бобината на сензора в проводника се създава механично напрежение. Промяната в тези механични напрежения по време на работа на сензора води до промяна в съпротивлението на намотката към постоянен ток и следователно до промяна в изходния сигнал на сензора. Обикновено за правилно проектирани сензори, тоест този компонент не трябва да се взема предвид специално.

6) Отклонение от свързващия кабел. Възниква поради нестабилността на електрическото съпротивление на кабела под въздействието на температура или деформации и поради индукция на ЕРС в кабела под въздействието на външни полета. Е случаен компонент на грешката. В случай на нестабилност на собственото съпротивление на кабела, грешката на изходния сигнал на сензора. Дължината на свързващите кабели е 1-3 м и рядко повече. Когато кабелът е направен от медна жица с напречно сечение, съпротивлението на кабела е по-малко от 0,9 Ohm, нестабилност на съпротивлението. Тъй като импедансът на сензора обикновено е по -голям от 100 ома, грешката в изхода на сензора може да бъде толкова голяма, колкото. Следователно, за сензори с ниско съпротивление при работа, грешката трябва да бъде оценена. В други случаи тя не е значима.

7) Грешки при проектирането. Те възникват под въздействието на следните причини: влиянието на измервателната сила върху деформациите на сензорните части (добавка), влиянието на разликата в измервателната сила върху нестабилността на деформациите (мултипликативна), влиянието на водачите на измервателния прът при предаването на измервателния импулс (мултипликативно), нестабилността на прехвърлянето на измервателния импулс поради пролуки и люфт на движещите се части (случаен).Грешките при проектирането се определят преди всичко от дефекти в дизайна на механичните елементи на сензора и не са специфични за индуктивните сензори. Оценката на тези грешки се извършва съгласно известните методи за оценка на грешките на кинематичните предавания на измервателните устройства.

8) Технологични грешки. Те възникват в резултат на технологични отклонения в относителното положение на сензорните части (добавка), разсейването на параметрите на частите и намотките по време на производството (добавка), влиянието на технологичните пропуски и херметичността във връзките на частите и в водачи (произволни).

Технологичните грешки при производството на механичните елементи на сензорната конструкция също не са специфични за индуктивния сензор; те се оценяват с помощта на обичайните методи за механични измервателни устройства. Грешките при производството на магнитната верига и сензорните бобини водят до разсейване на параметрите на сензорите и до трудности, възникващи при осигуряването на взаимозаменяемост на последните.

9) Грешка при стареене на сензора. Този компонент на грешката се причинява, първо, от износването на движещите се елементи на сензорната структура и, второ, от промяната във времето на електромагнитните характеристики на магнитната верига на сензора. Грешката трябва да се разглежда като случайна. При оценката на грешката поради износване се взема предвид кинематичното изчисление на сензорния механизъм във всеки конкретен случай. В етапа на проектиране на сензора в този случай е препоръчително да се настрои експлоатационният живот на сензора при нормални работни условия, през които допълнителната грешка от износване няма да надвишава определената стойност.

Електромагнитните свойства на материалите се променят с течение на времето.

В повечето случаи изразените процеси на промяна на електромагнитните характеристики приключват в рамките на първите 200 часа след термичната обработка и размагнитването на магнитната верига. В бъдеще те остават практически постоянни и не играят значителна роля в общата грешка на индуктивния сензор.

Горното разглеждане на компонентите на грешката на индуктивен сензор дава възможност да се оцени тяхната роля при формирането на общата грешка на сензора. В повечето случаи определящият фактор е грешката от нелинейността на характеристиката и температурната грешка на индуктивния преобразувател.