Индуктивный датчик — это преобразователь параметрического типа, принцип деяния которого основан на изменении индуктивности L либо взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие конфигурации магнитного сопротивления RМ магнитной цепи датчика, в которую заходит сердечник.

Обширное применение индуктивные датчики находят в индустрии для измерения перемещений и покрывают спектр от 1 мкм до 20 мм. Также можно использовать индуктивный датчик для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и воды и т. д. В данном случае измеряемый параметр при помощи разных чувствительных частей преобразуется в изменение перемещения и потом данная величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю.

В случае измерения давлений, чувствительные элементы могут производиться в виде упругих мембран, сильфонов, и т. д. Употребляются они и в качестве датчиков приближения, которые служат для обнаружения разных железных и неметаллических объектов бесконтактным методом по принципу “да” либо “нет”.

Плюсы индуктивных датчиков:

• простота и крепкость конструкции, отсутствие скользящих контактов;

• возможность подключения к источникам промышленной частоты;

• относительно большая выходная мощность (до 10-ов Ватт);

• значимая чувствительность.

Недочеты индуктивных датчиков:

• точность работы находится в зависимости от стабильности питающего напряжения по частоте;

• вероятна работа лишь на переменном токе.

Типы индуктивных преобразователей и их конструктивные особенности

По схеме построения индуктивные датчики можно поделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный индуктивный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две.

В дифференциальном индуктивном датчике при изменении измеряемого параметра сразу меняются индуктивности 2-ух схожих катушек, при этом изменение происходит на одну и ту же величину, но с оборотным знаком.

Как понятно, 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.

Разглядим, к примеру, одинарный индуктивный датчик. В базу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величены 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 неизменная, то изменение тока I может происходить только за счет конфигурации индуктивной составляющей XL=IRн , которая находится в зависимости от величены 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 довольно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа Rмж по сопоставлению с магнитным сопротвлением 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 нрав (в первом приближении). Настоящая черта имеет вид:

Отклонение от линейности сначала разъясняется принятым допущением Rмж<< Rмв.

При малых d магнитное сопротивление железа соизмеримо с магнитным сопротивлением воздуха.

Отклонение при огромных d объясняются тем, что при огромных d RL становится соизмеримой с величиной активного сопротивления — Rн+rд.

В целом рассмотренный индуктивный датчик имеет ряд существенных недочетов:

• не изменяется фаза тока при изменении направления перемещения;

• по мере надобности определять в обоих направлениях перемещение необходимо устанавливать исходный зазор и, как следует, ток I0,что неловко;

• ток в нагрузке находится в зависимости от амплитуды и частоты питающего напряжения;

• в процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается, и означает заносит погрешность в работу датчика.

Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики (ДИД)

Дифференциальные индуктивные датчики представляет собой совокупа 2-ух нереверсивных датчиков и производятся в виде системы, состоящей из 2-ух магнитопроводов с общим якорем и 2-мя катушками. Для дифференциальных индуктивных датчиков нужны два раздельных источника питания, зачем обычно употребляется 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 используются железоникелевые сплавы — пермолой), и цилиндрические со сплошным магнитопроводом круглого сечения. Выбор формы датчика находится в зависимости от конструктивного сочетания его с контролируемым устройством. Применение Ш-образного магнитопровода обосновано удобством сборки катушки и уменьшением габаритов датчика.

Для питания дифференциально-индуктивного датчика употребляют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке. Меж ним и общим концом обеих катушек врубается прибор 4. Зазор 0,2-0,5 мм.

При среднем положении якоря, когда зазоры схожи, индуктивные сопротивления катушек 3 и 3′ схожи как следует величины токов в катушках равны I1=I2 и результирующий ток в приборе равен 0.

При маленьком отклонении якоря в ту либо иную сторону под действием контролируемой величены Х изменяются величины зазоров и индуктивностей, прибор регистрирует разностный ток I1-I2, он является функцией смещения якоря от среднего положения. Разность токов обычно регится при помощи магнитоэлектрического прибора 4 (микроамперметра) с выпрямительной схемой В на входе.

Черта индуктивного датчика имеет вид:

Полярность выходного тока остается постоянной независимо от знака конфигурации полного сопротивления катушек. При изменении направления отличия якоря от среднего положения изменяется на обратную (на 180°) фаза тока на выходе датчика. При использовании фазочувствительных выпрямительных схем можно получить индикацию направления перемещения якоря от среднего положения. Черта дифференциального индуктивного датчика с ФЧВ имеет вид:

Погрешность преобразования индуктивного датчика

Информативная способность индуктивного датчика в значимой мере определяется его погрешностью преобразования измеряемого параметра. Суммарная погрешность индуктивного датчика складывается из огромного числа составляющих погрешностей.

Можно выделить последующие погрешности индуктивного датчика:

1) Погрешность от нелинейности свойства. Мультипликативная составляющая общей погрешности. Из-за принципа индуктивного преобразования измеряемой величины, лежащего в базе работы индуктивных датчиков, является значимой и почти всегда определяет спектр измерения датчика. Непременно подлежит оценке при разработке датчика.

2) Температурная погрешность. Случайная составляющая. Ввиду огромного числа зависимых от температуры характеристик составных частей датчика составляющая погрешность может достигнуть огромных величин и является значимой. Подлежит оценке при разработке датчика.

3) Погрешность от воздействия наружных электрических полей. Случайная составляющая общей погрешности. Появляется из-за индуцирования ЭДС в обмотке датчика наружными полями и из-за конфигурации магнитных черт магнитопровода под действием наружных полей. В производственных помещениях с силовыми электроустановками обнаруживаются магнитные поля с индукцией Тл и частотой в главном 50 Гц.

Так как магнитопроводы индуктивных датчиков работают при индукциях 0,1 – 1 Тл, то толика от наружных полей составит 0,05–0,005% даже в случае отсутствия экранирования. Введение экрана и применение дифференциального датчика понижают эту долю приблизительно на два порядка. Таким макаром, погрешность от воздействия наружных полей должна приниматься в рассмотрение только при проектировании датчиков малой чувствительности и с невыполнимостью достаточной экранировки. Почти всегда эта составляющая погрешности не является значимой.

4) Погрешность от магнитоупругого эффекта. Появляется из-за непостоянности деформаций магнитопровода при сборке датчика (аддитивная составляющая) и из-за конфигурации деформаций в процессе использования датчика (случайная составляющая). Расчеты с учетом наличия зазоров в магнитопроводе демонстрируют, что воздействие непостоянности механических напряжений в магнитопроводе вызывает непостоянность выходного сигнала датчика порядка, и почти всегда 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 использования датчика ведет к изменению сопротивления катушки неизменному току и, как следует, к изменению выходного сигнала датчика. Обычно для верно спроектированных датчиков , т. е. эту составляющую не следует специально учесть.

6) Погрешность от соединительного кабеля. Появляется из-за непостоянности электронного сопротивления кабеля под действием температуры либо деформаций и из-за наводок ЭДС в кабеле под действием наружных полей. Является случайной составляющей погрешности. При непостоянности собственного сопротивления кабеля погрешность выходного сигнала датчика. Длина соединительных кабелей составляет 1–3 м и изредка больше. При выполнении кабеля из медного провода сечением сопротивление кабеля наименее 0,9 Ом, непостоянность сопротивления . Так как полное сопротивление датчика обычно больше 100 Ом, погрешность выходного сигнала датчика может составить величину . Как следует, для датчиков, имеющих маленькое сопротивление в рабочем режиме, погрешность следует оценивать. В других случаях она не является значимой.

7) Конструктивные погрешности. Появляются под действием последующих обстоятельств: воздействие измерительного усилия на деформации деталей датчика (аддитивная), воздействие перепада измерительного усилия на непостоянность деформаций (мультипликативная), воздействие направляющих измерительного стержня на передачу измерительного импульса (мультипликативная), непостоянность передачи измерительного импульса вследствие зазоров и люфтов подвижных частей (случайная). Конструктивные погрешности сначала определяются недочетами в конструкции механических частей датчика и не являются специфичными для индуктивных датчиков. Оценка этих погрешностей делается по известным методам оценки погрешностей кинематических передач измерительных устройств.

8) Технологические погрешности. Появляются вследствие технологических отклонений обоюдного положения деталей датчика (аддитивная), разброса характеристик деталей и обмоток при изготовлении (аддитивная), воздействия технологических зазоров и натягов в соединении деталей и в направляющих (случайная).

Технологические погрешности производства механических частей конструкции датчика также не являются специфичными для индуктивного датчика, их оценка делается обыкновенными для механических измерительных устройств методами. Погрешности производства магнитопровода и катушек датчика ведут к разбросу характеристик датчиков и к затруднениям, возникающим при обеспечении взаимозаменяемости последних.

9) Погрешность от старения датчика. Эта составляющая погрешности вызывается, во-1-х, износом подвижных частей конструкции датчика и, во-2-х, конфигурацией во времени электрических черт магнитопровода датчика. Погрешность следует рассматривать как случайную. При оценке погрешности от износа во внимание принимается кинематический расчет механизма датчика в каждом определенном случае. На стадии конструирования датчика в данном случае целенаправлено задавать срок службы датчика в обычных для него критериях эксплуатации, за время которого дополнительная погрешность от износа не превзойдет данной величины.

Электрические характеристики материалов меняются во времени.

Почти всегда выраженные процессы конфигурации электрических черт завершаются в течение первых 200 часов после термической обработки и размагничивания магнитопровода. В предстоящем они остаются фактически неизменными и не играют значимой роли в общей погрешности индуктивного датчика.

Проведенное выше рассмотрение составляющих погрешности индуктивного датчика дает возможность оценить их роль в формировании общей погрешности датчика. Почти всегда определяющими являются погрешность от нелинейности свойства и температурная погрешность индуктивного преобразователя.