Induktīvie sensori

Induktīvais sensors ir parametriska tipa devējs, kura darbības princips ir balstīts uz izmaiņām induktivitāte L vai tinuma savstarpējā induktivitāte ar serdi, mainoties sensora magnētiskās ķēdes magnētiskajai pretestībai RM, kurā serde nonāk.

Induktīvos sensorus plaši izmanto rūpniecībā, lai mērītu pārvietojumus un aptver diapazonu no 1 μm līdz 20 mm. Ir iespējams arī izmantot induktīvo sensoru, lai mērītu spiedienu, spēkus, gāzes un šķidruma plūsmas ātrumus utt. Šajā gadījumā izmērītā vērtība tiek pārveidota, izmantojot dažādus jutīgus elementus, pārvietojuma izmaiņā un pēc tam šī vērtība tiek ievadīta induktīvā mērpārveidotājā.

Spiediena mērīšanas gadījumā jutīgos elementus var izgatavot elastīgu membrānu, uzmavu utt. Tos izmanto arī kā tuvuma sensorus, kas tiek izmantoti dažādu metālisku un nemetālu objektu bezkontakta noteikšanai pēc jā vai nē principa.

Induktīvo sensoru priekšrocības:

• konstrukcijas vienkāršība un izturība, bez bīdāmiem kontaktiem;

• iespēja pieslēgties strāvas frekvences avotiem;

• salīdzinoši liela izejas jauda (līdz desmitiem vatu);

• ievērojama jutība.

Induktīvo sensoru trūkumi:

• darbības precizitāte ir atkarīga no barošanas sprieguma stabilitātes pēc frekvences;

• darbība iespējama tikai ar maiņstrāvu.

Induktīvo pārveidotāju veidi un to konstrukcijas īpatnības

Saskaņā ar konstrukcijas shēmu induktīvos sensorus var iedalīt vienotos un diferenciālos. Induktīvais sensors satur vienu mērīšanas atzaru, diferenciālais - divus.

Diferenciālā induktīvā sensorā, mainoties izmērītajam parametram, vienlaikus mainās divu identisku spoļu induktivitāte un izmaiņas notiek par vienu un to pašu vērtību, bet ar pretēju zīmi.

Kā zināms, spoles induktivitāte:

kur W ir apgriezienu skaits; F — tajā iekļūst magnētiskā plūsma; I — strāva, kas iet caur spoli.

Strāva ir saistīta ar MDS ar koeficientu:

Kur mēs iegūstam:

kur Rm = HL / Ф ir induktīvā sensora magnētiskā pretestība.

Apsveriet, piemēram, vienu induktīvo sensoru. Tās darbība ir balstīta uz gaisa spraugas droseles īpašību mainīt savu induktivitāti, mainoties gaisa spraugas vērtībai.

Induktīvais sensors sastāv no jūga 1, spoles 2, armatūras 3, ko notur atsperes. Spolei 2 tiek piegādāts maiņstrāvas barošanas spriegums caur slodzes pretestību Rn. Strāvu slodzes ķēdē definē šādi:

kur rd ir droseles aktīvā pretestība; L ir sensora induktivitāte.

Tā kā ķēdes aktīvā pretestība ir nemainīga, tad strāvas I izmaiņas var notikt tikai induktīvās komponentes XL = IRn izmaiņu dēļ, kas ir atkarīga no gaisa spraugas δ lieluma.

Katrai vērtībai δ atbilst noteikta vērtība I, kas rada sprieguma kritumu uz pretestības Rn: Uout = IRn — ir sensora izejas signāls. Jūs varat iegūt analītisko atkarību Uout = f (δ), ja sprauga ir pietiekami maza un izkliedētās plūsmas var neņemt vērā, un dzelzs magnētisko pretestību Rmw var neņemt vērā, salīdzinot ar gaisa spraugas magnētisko pretestību Rmw.

Šeit ir pēdējais izteiciens:

Reālās ierīcēs ķēdes aktīvā pretestība ir daudz mazāka nekā induktīvā, tad izteiksme tiek samazināta līdz formai:

Atkarība Uout = f (δ) ir lineāra (pirmajā tuvinājumā). Faktiskā funkcija ir šāda:

Novirze no linearitātes sākumā ir izskaidrojama ar pieņemto pieņēmumu Rmzh << Rmv.

Pie maza d dzelzs magnētiskā pretestība ir samērīga ar gaisa magnētisko pretestību.

Novirze pie liela d ir izskaidrojama ar to, ka pie liela d RL kļūst samērojams ar aktīvās pretestības vērtību — Rn + rd.

Kopumā aplūkotajam induktīvajam sensoram ir vairāki būtiski trūkumi:

• mainot kustības virzienu, strāvas fāze nemainās;

• ja nepieciešams izmērīt pārvietojumu abos virzienos, ir jāiestata sākotnējā gaisa sprauga un līdz ar to arī strāva I0, kas ir neērti;

• slodzes strāva ir atkarīga no barošanas sprieguma amplitūdas un frekvences;

• sensora darbības laikā pievilkšanās spēks pie magnētiskās ķēdes iedarbojas uz armatūru, kuru nekas nelīdzsvaro un tāpēc ievieš kļūdu sensora darbībā.

Diferenciālie (reversiālie) induktīvie sensori (DID)

Diferenciālie induktīvie sensori ir divu neatgriezenisku sensoru kombinācija, un tie ir izgatavoti sistēmas veidā, kas sastāv no divām magnētiskām ķēdēm ar kopīgu armatūru un divām spolēm. Diferenciāliem induktīviem sensoriem ir nepieciešami divi atsevišķi barošanas avoti, kuriem parasti tiek izmantots izolācijas transformators 5.

Magnētiskās ķēdes forma var būt diferenciāli-induktīvi sensori ar W-veida magnētisko ķēdi, kas izveidoti ar elektriskā tērauda tiltiem (frekvencēm virs 1000 Hz tiek izmantoti dzelzs-niķeļa-permola sakausējumi) un cilindriski ar blīvu apļveida magnētisko ķēdi. . Sensora formas izvēle ir atkarīga no tā konstruktīvās kombinācijas ar vadāmo ierīci. W-veida magnētiskās ķēdes izmantošana ir saistīta ar spoles montāžas ērtībām un sensora izmēra samazināšanu.

Lai darbinātu diferenciāli-induktīvo sensoru, tiek izmantots transformators 5 ar izeju sekundārā tinuma viduspunktam. Starp to un abu spoļu kopējo galu ir iekļauta ierīce 4. Gaisa sprauga ir 0,2-0,5 mm.

Armatūras vidējā stāvoklī, kad gaisa spraugas ir vienādas, spoļu 3 un 3' induktīvās pretestības ir vienādas, tāpēc strāvu vērtības spoles ir vienādas ar I1 = I2 un iegūtā strāva ierīcē ir 0.

Ar nelielu armatūras novirzi vienā vai otrā virzienā, kontrolētās vērtības X ietekmē mainās spraugu un induktivitātes vērtības, ierīce reģistrē diferenciālo strāvu I1-I2, tā ir armatūras funkcija. nobīde no vidējā stāvokļa. Strāvu starpību parasti reģistrē, izmantojot magnetoelektrisko ierīci 4 (mikroampermetru) ar taisngrieža ķēdi B ieejā.

Induktīvā sensora īpašības ir šādas:

Izejas strāvas polaritāte paliek nemainīga neatkarīgi no spoļu pretestības izmaiņu zīmes. Mainoties armatūras novirzes virzienam no vidējā stāvokļa, strāvas fāze pie sensora izejas mainās pretēji (par 180 °). Izmantojot fāzes jutīgos taisngriežus, no vidējā stāvokļa var iegūt norādi par armatūras kustības virzienu. Diferenciālā induktīvā sensora ar fāzes frekvences filtru raksturojums ir šāds:

Induktīvā sensora pārveidošanas kļūda

Induktīvā sensora informācijas jaudu lielā mērā nosaka tā kļūda, pārveidojot izmērīto parametru. Induktīvā sensora kopējā kļūda sastāv no liela skaita kļūdu komponentu.

Var atšķirt šādas induktīvā sensora kļūdas:

1) Kļūda raksturlīknes nelinearitātes dēļ. Kopējās kļūdas multiplikatīvais komponents.Pateicoties izmērītās vērtības induktīvās pārveidošanas principam, kas ir induktīvo sensoru darbības pamatā, tā ir būtiska un vairumā gadījumu nosaka sensora mērīšanas diapazonu. Obligāti jānovērtē sensora izstrādes laikā.

2) Temperatūras kļūda. Izlases sastāvdaļa.Tā kā sensora komponentiem ir liels no temperatūras atkarīgo parametru skaits, komponenta kļūda var sasniegt lielas vērtības un ir būtiska. Jāvērtē sensoru konstrukcijā.

3) Kļūda ārējo elektromagnētisko lauku ietekmes dēļ. Kopējās kļūdas nejaušā sastāvdaļa. Tas rodas EML indukcijas dēļ sensora tinumā ar ārējiem laukiem un magnētiskās ķēdes magnētisko īpašību izmaiņām ārējo lauku ietekmē. Rūpnieciskajās telpās ar jaudas elektroinstalācijām tiek konstatēti magnētiskie lauki ar indukciju T un frekvenci galvenokārt 50 Hz.

Tā kā induktīvo sensoru magnētiskie serdeņi darbojas pie indukcijām 0,1–1 T, ārējo lauku īpatsvars būs 0,05–0,005% pat tad, ja nav ekranēšanas. Ekrāna ievade un diferenciālā sensora izmantošana samazina šo proporciju par aptuveni divām kārtām. Tādējādi kļūda, kas radusies ārējo lauku ietekmes dēļ, ir jāņem vērā, tikai projektējot sensorus ar zemu jutību un ar neiespējamu pietiekamu ekranējumu. Vairumā gadījumu šī kļūdas sastāvdaļa nav nozīmīga.

4) Kļūda magnetoelastīgā efekta dēļ. Tas rodas magnētiskās ķēdes deformāciju nestabilitātes dēļ sensora montāžas laikā (piedevas sastāvdaļa) un deformāciju izmaiņām sensora darbības laikā (patvaļīga sastāvdaļa). Aprēķini, ņemot vērā spraugu esamību magnētiskajā ķēdē, parāda, ka mehānisko spriegumu nestabilitātes ietekme magnētiskajā ķēdē izraisa pasūtījuma sensora izejas signāla nestabilitāti, un vairumā gadījumu šo komponentu var īpaši neievērot.

5) Kļūda spoles deformācijas sensora efekta dēļ.Izlases sastāvdaļa. Uztinot sensora spoli, vadā tiek izveidots mehānisks spriegojums. Šo mehānisko spriegumu maiņa sensora darbības laikā izraisa izmaiņas spoles pretestībā pret līdzstrāvu un līdz ar to arī sensora izejas signāla izmaiņas. Parasti pareizi izstrādātiem sensoriem, tas ir, šo komponentu nevajadzētu īpaši apsvērt.

6) Novirze no savienojošā kabeļa. Tas rodas kabeļa elektriskās pretestības nestabilitātes dēļ temperatūras vai deformāciju ietekmē un EML indukcijas dēļ kabelī ārējo lauku ietekmē. Ir kļūdas nejauša sastāvdaļa. Kabeļa pašas pretestības nestabilitātes gadījumā sensora izejas signāla kļūda. Savienojošo kabeļu garums ir 1-3 m un reti vairāk. Ja kabelis ir izgatavots no šķērsgriezuma vara stieples, kabeļa pretestība ir mazāka par 0,9 omi, pretestības nestabilitāte. Tā kā sensora pretestība parasti ir lielāka par 100 omi, sensora izejas kļūda var būt tikpat liela kā Tāpēc sensoriem ar zemu darbības pretestību ir jānovērtē kļūda. Citos gadījumos tam nav nozīmes.

7) Projektēšanas kļūdas.Tie rodas šādu iemeslu ietekmē: mērīšanas spēka ietekme uz sensora detaļu deformācijām (piedeva), mērīšanas spēka starpības ietekme uz deformāciju nestabilitāti (reizinošā), mērstieņa vadotnes mērimpulsa pārraides laikā (reizinošs), mērīšanas impulsa pārnešanas nestabilitāte kustīgo daļu spraugu un pretstrāvas dēļ (gadījuma rakstura). sensora mehāniskie elementi un nav raksturīgi induktīviem sensoriem. Šo kļūdu novērtējums tiek veikts pēc zināmajām mērierīču kinemātiskās pārraides kļūdu novērtēšanas metodēm.

8) Tehnoloģiskās kļūdas. Tās rodas tehnoloģisko noviržu rezultātā sensoru detaļu (piedevas) relatīvajā pozīcijā, detaļu un spoļu parametru izkliedes rezultātā ražošanas laikā (piedeva), tehnoloģisko spraugu un hermētiskuma ietekmes dēļ detaļu savienojumos un vadotnēs ( patvaļīgi).

Tehnoloģiskās kļūdas sensora struktūras mehānisko elementu izgatavošanā arī nav raksturīgas induktīvā sensoram; tos novērtē, izmantojot mehāniskajām mērierīcēm ierastās metodes. Kļūdas magnētiskās ķēdes un sensoru spoļu ražošanā izraisa sensoru parametru izkliedi un grūtības, kas rodas, nodrošinot to savstarpēju aizvietojamību.

9) Sensora novecošanas kļūda.Šo kļūdas komponentu izraisa, pirmkārt, sensora struktūras kustīgo elementu nodilums un, otrkārt, sensora magnētiskās ķēdes elektromagnētisko raksturlielumu izmaiņas laika gaitā. Kļūda jāuzskata par nejaušu. Izvērtējot kļūdu nodiluma dēļ, tiek ņemts vērā sensora mehānisma kinemātiskais aprēķins katrā konkrētajā gadījumā. Sensora projektēšanas stadijā šajā gadījumā ieteicams iestatīt sensora kalpošanas laiku normālos darbības apstākļos, kura laikā papildu nodiluma kļūda nepārsniegs norādīto vērtību.

Materiālu elektromagnētiskās īpašības laika gaitā mainās.

Vairumā gadījumu izteiktie elektromagnētisko raksturlielumu maiņas procesi beidzas pirmajās 200 stundās pēc magnētiskās ķēdes termiskās apstrādes un demagnetizācijas. Nākotnē tie paliek praktiski nemainīgi un nespēlē nozīmīgu lomu kopējā induktīvā sensora kļūdā.

Iepriekš minētais induktīvā sensora kļūdas komponentu apsvērums ļauj novērtēt to lomu sensora kopējās kļūdas veidošanā. Vairumā gadījumu noteicošais faktors ir raksturlīknes nelinearitātes kļūda un induktīvā pārveidotāja temperatūras kļūda.