Indukčné snímače

Indukčný snímač je parametrický typ prevodníka, ktorého princíp činnosti je založený na zmene indukčnosť L alebo vzájomná indukčnosť vinutia s jadrom, v dôsledku zmeny magnetického odporu RM magnetického obvodu snímača, do ktorého jadro vstupuje.

Indukčné snímače sú široko používané v priemysle na meranie posunov a pokrývajú rozsah od 1 μm do 20 mm. Je tiež možné použiť indukčný snímač na meranie tlakov, síl, prietokov plynov a kvapalín atď. V tomto prípade sa nameraná hodnota prevedie pomocou rôznych citlivých prvkov na zmenu posunu a následne sa táto hodnota privedie do indukčného meracieho prevodníka.

V prípade merania tlaku môžu byť citlivé prvky vyrobené vo forme elastických membrán, rukávov atď. Používajú sa aj ako senzory priblíženia, ktoré slúžia na bezkontaktnú detekciu rôznych kovových a nekovových predmetov na princípe áno alebo nie.

Výhody indukčných snímačov:

• jednoduchosť a pevnosť konštrukcie, bez posuvných kontaktov;

• možnosť pripojenia k zdrojom napájacej frekvencie;

• relatívne vysoký výstupný výkon (až desiatky wattov);

• výrazná citlivosť.

Nevýhody indukčných snímačov:

• presnosť prevádzky závisí od stability napájacieho napätia frekvenciou;

• prevádzka je možná len so striedavým prúdom.

Typy indukčných meničov a ich konštrukčné vlastnosti

Podľa konštrukčnej schémy možno indukčné snímače rozdeliť na jednoduché a diferenciálne. Indukčný snímač obsahuje jednu meraciu vetvu, diferenciálnu jednu - dve.

V diferenciálnom indukčnom snímači sa pri zmene meraného parametra súčasne zmení indukčnosť dvoch rovnakých cievok a zmena nastane o rovnakú hodnotu, ale s opačným znamienkom.

Ako je známe, indukčnosť cievky:

kde W je počet závitov; F - magnetický tok, ktorý ním preniká; I — prúd prechádzajúci cievkou.

Prúd súvisí s MDS pomerom:

Kde sa dostaneme:

kde Rm = HL / Ф je magnetický odpor indukčného snímača.

Zoberme si napríklad jediný indukčný snímač. Jeho činnosť je založená na vlastnosti vzduchovej tlmivky meniť svoju indukčnosť pri zmene hodnoty vzduchovej medzery.

Indukčný snímač pozostáva z strmeňa 1, cievky 2, kotvy 3 — držanej pružinami. Napájacie napätie striedavého prúdu sa privádza do cievky 2 cez odpor záťaže Rn. Prúd v záťažovom obvode je definovaný ako:

kde rd je aktívny odpor tlmivky; L je indukčnosť snímača.

Pretože aktívny odpor obvodu je konštantný, potom zmena prúdu I môže nastať len v dôsledku zmeny indukčnej zložky XL = IRn, ktorá závisí od veľkosti vzduchovej medzery δ.

Každej hodnote δ zodpovedá určitá hodnota I, ktorá vytvára úbytok napätia na odpore Rn: Uout = IRn — je výstupný signál snímača. Analytickú závislosť Uout = f (δ) môžete odvodiť za predpokladu, že medzera je dostatočne malá a rozptylové toky je možné zanedbať a magnetorezistenciu železa Rmw možno zanedbať v porovnaní s magnetorezistenciou vzduchovej medzery Rmw.

Tu je konečný výraz:

V skutočných zariadeniach je aktívny odpor obvodu oveľa menší ako indukčný, potom sa výraz zníži na tvar:

Závislosť Uout = f (δ) je lineárna (v prvej aproximácii). Skutočná funkcia je nasledovná:

Odchýlka od linearity na začiatku je vysvetlená prijatým predpokladom Rmzh << Rmv.

Pri malom d je magnetorezistencia železa úmerná magnetorezistencii vzduchu.

Odchýlka pri veľkom d je vysvetlená skutočnosťou, že pri veľkom d RL je úmerná hodnote aktívneho odporu — Rn + rd.

Uvažovaný indukčný snímač má vo všeobecnosti niekoľko významných nevýhod:

• fáza prúdu sa pri zmene smeru pohybu nemení;

• ak je potrebné merať posun v oboch smeroch, je potrebné nastaviť počiatočnú vzduchovú medzeru a teda prúd I0, čo je nepohodlné;

• zaťažovací prúd závisí od amplitúdy a frekvencie napájacieho napätia;

• pri činnosti snímača pôsobí sila príťažlivosti k magnetickému obvodu na kotvu, ktorá nie je ničím vyvážená a preto vnáša do činnosti snímača chybu.

Diferenciálne (reverzibilné) indukčné snímače (DID)

Diferenciálne indukčné snímače sú kombináciou dvoch ireverzibilných snímačov a sú vyrobené vo forme systému pozostávajúceho z dvoch magnetických obvodov so spoločnou kotvou a dvoch cievok. Diferenciálne indukčné snímače vyžadujú dva samostatné napájacie zdroje, pre ktoré sa zvyčajne používa izolačný transformátor 5.

Tvar magnetického obvodu môžu byť diferenciálno-indukčné snímače s magnetickým obvodom v tvare písmena W, získavané mostíkmi z elektrickej ocele (pre frekvencie nad 1000 Hz sa používajú zliatiny železo-nikel-permola) a valcové s hustým kruhovým magnetickým obvodom. . Výber tvaru snímača závisí od jeho konštrukčnej kombinácie s ovládaným zariadením. Použitie magnetického obvodu v tvare W je spôsobené pohodlnosťou montáže cievky a zmenšením veľkosti snímača.

Na napájanie diferenciálno-indukčného snímača je použitý transformátor 5 s výstupom pre stredný bod sekundárneho vinutia. Medzi ním a spoločným koncom dvoch cievok je zahrnuté zariadenie 4. Vzduchová medzera je 0,2 až 0,5 mm.

V strednej polohe kotvy, keď sú vzduchové medzery rovnaké, sú indukčné odpory cievok 3 a 3' rovnaké, preto sú hodnoty prúdov v cievkach rovné I1 = I2 a výsledný prúd v zariadení je 0.

Pri miernej odchýlke kotvy v jednom alebo druhom smere sa pod vplyvom regulovanej hodnoty X menia hodnoty medzier a indukčnosti, zariadenie registruje diferenciálny prúd I1-I2, je to funkcia kotvy posunutie zo strednej polohy. Rozdiel v prúdoch sa zvyčajne zaznamenáva pomocou magnetoelektrického zariadenia 4 (mikroampérmetra) s usmerňovacím obvodom B na vstupe.

Charakteristiky indukčného snímača sú:

Polarita výstupného prúdu zostáva nezmenená bez ohľadu na znamienko zmeny impedancie cievok. Pri zmene smeru vychýlenia kotvy od strednej polohy sa fáza prúdu na výstupe snímača mení naopak (o 180°). Pri použití fázovo citlivých usmerňovačov je možné získať indikáciu smeru pohybu kotvy zo strednej polohy. Charakteristiky diferenciálneho indukčného snímača s fázovo-frekvenčným filtrom sú nasledovné:

Chyba prevodu indukčného snímača

Informačná kapacita indukčného snímača je do značnej miery určená jeho chybou pri prevode meraného parametra. Celková chyba indukčného snímača pozostáva z veľkého počtu chybových komponentov.

Je možné rozlíšiť nasledujúce chyby indukčných snímačov:

1) Chyba v dôsledku nelineárnosti charakteristiky. Multiplikačná zložka celkovej chyby.Vzhľadom na princíp indukčného prevodu nameranej hodnoty, ktorý je základom činnosti indukčných snímačov, je podstatný a vo väčšine prípadov určuje merací rozsah snímača. Povinné predmetom hodnotenia počas vývoja snímača.

2) Chyba teploty. Náhodná prísada.Kvôli veľkému počtu teplotne závislých parametrov komponentov snímača môže chyba komponentu dosiahnuť veľké hodnoty a je významná. Vyhodnotiť pri návrhu snímača.

3) Chyba v dôsledku vplyvu vonkajších elektromagnetických polí. Náhodná zložka celkovej chyby. Vyskytuje sa v dôsledku indukcie EMF vo vinutí snímača vonkajšími poľami a v dôsledku zmeny magnetických charakteristík magnetického obvodu pod vplyvom vonkajších polí. V priemyselných priestoroch so silovou elektroinštaláciou sú detekované magnetické polia s indukciou T a frekvenciou prevažne 50 Hz.

Keďže magnetické jadrá indukčných snímačov pracujú pri indukciách 0,1 — 1 T, podiel vonkajších polí bude aj bez tienenia 0,05-0,005 %. Vstup na obrazovku a použitie diferenciálneho snímača znižujú tento podiel približne o dva rády. S chybou vplyvom vonkajších polí by sa teda malo počítať len pri návrhu snímačov s nízkou citlivosťou a nemožnosťou dostatočného tienenia. Vo väčšine prípadov táto zložka chyby nie je významná.

4) Chyba v dôsledku magnetoelastického efektu. Vzniká v dôsledku nestability deformácií magnetického obvodu pri montáži snímača (prídavný komponent) a v dôsledku zmien deformácií počas prevádzky snímača (ľubovoľný komponent). Výpočty zohľadňujúce prítomnosť medzier v magnetickom obvode ukazujú, že vplyv nestability mechanických napätí v magnetickom obvode spôsobuje nestabilitu výstupného signálu snímača objednávky a vo väčšine prípadov je možné túto zložku špecificky zanedbať.

5) Chyba spôsobená tenzometrickým efektom cievky.Náhodná prísada. Pri navíjaní cievky snímača vzniká v drôte mechanické napätie. Zmena týchto mechanických napätí počas prevádzky snímača má za následok zmenu odporu cievky voči jednosmernému prúdu a tým aj zmenu výstupného signálu snímača. Zvyčajne pre správne navrhnuté snímače, to znamená, že tento komponent by sa nemal brať do úvahy.

6) Odchýlka od spojovacieho kábla. Vyskytuje sa v dôsledku nestability elektrického odporu kábla pod vplyvom teploty alebo deformácií a v dôsledku indukcie EMF v kábli pod vplyvom vonkajších polí. Je náhodná zložka chyby. V prípade nestability vlastného odporu kábla chyba výstupného signálu snímača. Dĺžka spojovacích káblov je 1-3 m a zriedka viac. Keď je kábel vyrobený z medeného drôtu s prierezom, odpor kábla je menší ako 0,9 Ohm, nestabilita odporu. Pretože impedancia snímača je zvyčajne väčšia ako 100 ohmov, chyba vo výstupe snímača môže byť až Preto pri snímačoch s nízkym prevádzkovým odporom treba chybu odhadnúť. V ostatných prípadoch to nie je podstatné.

7) Chyby v dizajne.Vznikajú pod vplyvom nasledujúcich príčin: vplyv meracej sily na deformácie častí snímača (aditívny), vplyv rozdielu meracej sily na nestabilitu deformácií (multiplikatívne), vplyv vedenia meracej tyče pri prenose meracieho impulzu (multiplikatívne), nestabilita prenosu meracieho impulzu v dôsledku medzier a vôle pohyblivých častí (náhodná) Konštrukčné chyby sú primárne určené chybami v konštrukcii meracieho impulzu. mechanické prvky snímača a nie sú špecifické pre indukčné snímače. Vyhodnotenie týchto chýb sa uskutočňuje podľa známych metód vyhodnocovania chýb kinematických prenosov meracích zariadení.

8) Technologické chyby. Vznikajú v dôsledku technologických odchýlok vzájomnej polohy dielov snímača (aditívum), rozptylu parametrov dielov a cievok pri výrobe (aditívum), vplyvom technologických medzier a tesnosti v spojoch dielov a vo vedení ( svojvoľný).

Technologické chyby pri výrobe mechanických prvkov konštrukcie snímača tiež nie sú špecifické pre indukčný snímač; vyhodnocujú sa metódami obvyklými pre mechanické meracie zariadenia. Chyby pri výrobe magnetického obvodu a cievok snímača vedú k rozptylu parametrov snímačov a k ťažkostiam pri zabezpečovaní ich vzájomnej zameniteľnosti.

9) Chyba starnutia snímača.Táto chybová zložka je spôsobená jednak opotrebovaním pohyblivých prvkov konštrukcie snímača a jednak časovou zmenou elektromagnetických charakteristík magnetického obvodu snímača. Chybu treba považovať za náhodnú. Pri vyhodnocovaní chyby v dôsledku opotrebovania sa berie do úvahy kinematický výpočet mechanizmu snímača v každom konkrétnom prípade. Vo fáze návrhu snímača sa v tomto prípade odporúča nastaviť životnosť snímača pri bežných prevádzkových podmienkach, počas ktorých dodatočná chyba opotrebovania nepresiahne stanovenú hodnotu.

Elektromagnetické vlastnosti materiálov sa časom menia.

Vo väčšine prípadov sa výrazné procesy zmeny elektromagnetických charakteristík končia počas prvých 200 hodín po tepelnom spracovaní a demagnetizácii magnetického obvodu. V budúcnosti zostávajú prakticky konštantné a nezohrávajú významnú úlohu v celkovej chybe indukčného snímača.

Vyššie uvedené zohľadnenie komponentov chyby indukčného snímača umožňuje vyhodnotiť ich úlohu pri tvorbe celkovej chyby snímača. Vo väčšine prípadov je určujúcim faktorom chyba z nelineárnosti charakteristiky a teplotná chyba indukčného meniča.