Induktivni senzori

Induktivni senzor je parametarski tip pretvornika čiji se princip rada temelji na promjeni induktivnost L ili međusobni induktivitet namota s jezgrom, zbog promjene magnetskog otpora RM magnetskog kruga senzora u koji ulazi jezgra.

Induktivni senzori naširoko se koriste u industriji za mjerenje pomaka i pokrivaju raspon od 1 μm do 20 mm. Također je moguće koristiti induktivni senzor za mjerenje tlakova, sila, protoka plinova i tekućina itd. U tom slučaju se izmjerena vrijednost pomoću različitih osjetljivih elemenata pretvara u promjenu pomaka i zatim se ta vrijednost dovodi do induktivnog mjernog pretvornika.

U slučaju mjerenja tlaka, osjetljivi elementi mogu biti izrađeni u obliku elastične membrane, rukavca i sl. Koriste se i kao senzori blizine, koji se koriste za beskontaktno detektiranje raznih metalnih i nemetalnih predmeta po principu da ili ne.

Prednosti induktivnih senzora:

• jednostavnost i čvrstoća konstrukcije, bez kliznih kontakata;

• mogućnost povezivanja s izvorima frekvencije struje;

• relativno visoka izlazna snaga (do nekoliko desetaka vata);

• značajna osjetljivost.

Nedostaci induktivnih senzora:

• točnost rada ovisi o stabilnosti napona napajanja po frekvenciji;

• rad je moguć samo s izmjeničnom strujom.

Vrste induktivnih pretvarača i njihove konstrukcijske značajke

Prema konstrukcijskoj shemi induktivni senzori se mogu podijeliti na jednostruke i diferencijalne. Induktivni senzor sadrži jednu mjernu granu, diferencijalni jednu - dvije.

U diferencijalnom induktivnom senzoru, kada se izmjereni parametar promijeni, induktivitet dviju identičnih zavojnica se mijenja istovremeno i promjena se događa za istu vrijednost, ali sa suprotnim predznakom.

Kao što je poznato, induktivitet zavojnice:

gdje je W broj zavoja; F — magnetski tok koji ga prožima; I — struja koja prolazi kroz zavojnicu.

Struja je povezana s MDS omjerom:

Gdje dobivamo:

gdje je Rm = HL / F magnetski otpor induktivnog senzora.

Razmotrimo, na primjer, jedan induktivni senzor. Njegov rad se temelji na svojstvu prigušnice sa zračnim rasporom da mijenja svoj induktivitet kako se mijenja vrijednost zračnog raspora.

Induktivni senzor sastoji se od jarma 1, zavojnice 2, armature 3 - koju drže opruge. Izmjenični napon napajanja dovodi se u zavojnicu 2 preko otpora opterećenja Rn. Struja u krugu opterećenja definirana je kao:

gdje je rd aktivni otpor prigušnice; L je induktivitet senzora.

Budući da je aktivni otpor strujnog kruga konstantan, tada do promjene struje I može doći samo zbog promjene induktivne komponente XL = IRn, koja ovisi o veličini zračnog raspora δ.

Svakoj vrijednosti δ odgovara određena vrijednost I, koja stvara pad napona na otporu Rn: Uout = IRn — je izlazni signal senzora. Možete izvesti analitičku ovisnost Uout = f (δ) pod uvjetom da je razmak dovoljno mali i da se lutajući tokovi mogu zanemariti, a magnetski otpor željeza Rmw može se zanemariti u usporedbi s magnetskim otporom zračnog raspora Rmw.

Evo konačnog izraza:

U stvarnim uređajima, aktivni otpor kruga je mnogo manji od induktivnog, tada se izraz svodi na oblik:

Ovisnost Uout = f (δ) je linearna (u prvoj aproksimaciji). Stvarna značajka je sljedeća:

Odstupanje od linearnosti na početku objašnjava se prihvaćenom pretpostavkom Rmzh << Rmv.

Pri malom d magnetski otpor željeza razmjeran je magnetskom otporu zraka.

Odstupanje pri velikom d objašnjava se činjenicom da pri velikom d RL postaje razmjeran vrijednosti aktivnog otpora - Rn + rd.

Općenito, razmatrani induktivni senzor ima niz značajnih nedostataka:

• faza struje se ne mijenja kada se promijeni smjer kretanja;

• ako je potrebno mjeriti pomak u oba smjera, potrebno je postaviti početni zračni raspor, a time i struju I0, što je nezgodno;

• struja opterećenja ovisi o amplitudi i frekvenciji napona napajanja;

• tijekom rada senzora na armaturu djeluje privlačna sila magnetskog kruga koja nije ničim uravnotežena i samim tim unosi grešku u rad senzora.

Diferencijalni (reverzibilni) induktivni senzori (DID)

Diferencijalni induktivni senzori su kombinacija dva ireverzibilna senzora i izvedeni su u obliku sustava koji se sastoji od dva magnetska kruga sa zajedničkom armaturom i dvije zavojnice. Diferencijalni induktivni senzori zahtijevaju dva odvojena izvora napajanja, za koje se obično koristi izolacijski transformator 5.

Oblik magnetskog kruga može biti diferencijalno-induktivni senzor s magnetskim krugom u obliku slova W, regrutiran mostovima od elektrotehničkog čelika (za frekvencije iznad 1000Hz koriste se legure željezo-nikal-permola) i cilindrični s gustim kružnim magnetskim krugom. . Izbor oblika senzora ovisi o njegovoj konstruktivnoj kombinaciji s kontroliranim uređajem. Upotreba magnetskog kruga u obliku slova W je zbog pogodnosti sastavljanja zavojnice i smanjenja veličine senzora.

Za napajanje diferencijalno-induktivnog senzora koristi se transformator 5 s izlazom za srednju točku sekundarnog namota. Između njega i zajedničkog kraja dviju zavojnica nalazi se uređaj 4. Zračni raspor je 0,2-0,5 mm.

U srednjem položaju armature, kada su zračni raspori isti, induktivni otpori zavojnica 3 i 3' su isti, stoga su vrijednosti struja u zavojnicama jednake I1 = I2 i rezultirajuća struja u uređaju je 0.

S blagim odstupanjem armature u jednom ili drugom smjeru, pod utjecajem kontrolirane vrijednosti X, mijenjaju se vrijednosti razmaka i induktiviteta, uređaj registrira diferencijalnu struju I1-I2, to je funkcija armature pomak iz srednjeg položaja. Razlika u strujama obično se bilježi pomoću magnetoelektričnog uređaja 4 (mikroampermetar) s ispravljačkim krugom B na ulazu.

Karakteristike induktivnog senzora su:

Polaritet izlazne struje ostaje nepromijenjen bez obzira na predznak promjene impedancije zavojnica. Kada se promijeni smjer odstupanja armature od srednjeg položaja, faza struje na izlazu senzora mijenja se obrnuto (za 180 °). Kod korištenja fazno osjetljivih ispravljača indikacija smjera kretanja armature može se dobiti iz srednjeg položaja. Karakteristike diferencijalnog induktivnog senzora s fazno-frekvencijskim filtrom su sljedeće:

Greška pretvorbe induktivnog senzora

Informacijski kapacitet induktivnog senzora uvelike je određen njegovom pogreškom pri pretvorbi mjerenog parametra. Ukupna pogreška induktivnog senzora sastoji se od velikog broja komponenti pogreške.

Mogu se razlikovati sljedeće pogreške induktivnog senzora:

1) Pogreška zbog nelinearnosti karakteristike. Multiplikativna komponenta ukupne pogreške Zbog principa induktivne pretvorbe mjerne veličine, koji je temelj rada induktivnih senzora, bitna je i u većini slučajeva određuje mjerno područje senzora. Obavezno predmet evaluacije tijekom razvoja senzora.

2) Greška temperature. Slučajni sastojak.Zbog velikog broja parametara komponenti senzora ovisnih o temperaturi, pogreška komponente može doseći velike vrijednosti i značajna je. Treba ocijeniti u dizajnu senzora.

3) Pogreška zbog utjecaja vanjskih elektromagnetskih polja. Slučajna komponenta ukupne pogreške. Nastaje zbog indukcije EMF u namotu senzora vanjskim poljima i zbog promjene magnetskih karakteristika magnetskog kruga pod utjecajem vanjskih polja. U industrijskim prostorijama s energetskim električnim instalacijama detektiraju se magnetska polja s indukcijom T i frekvencijom uglavnom od 50 Hz.

Budući da magnetske jezgre induktivnih senzora rade na indukciji od 0,1 — 1 T, udio vanjskih polja bit će 0,05-0,005% čak i u odsutnosti zaštite. Unos zaslona i uporaba diferencijalnog senzora smanjuju ovaj udio za otprilike dva reda veličine. Dakle, pogrešku zbog utjecaja vanjskih polja treba uzeti u obzir samo pri projektiranju senzora niske osjetljivosti i s nemogućnošću dostatne zaštite. U većini slučajeva ova komponenta pogreške nije značajna.

4) Pogreška zbog magnetoelastičnog efekta. Nastaje zbog nestabilnosti deformacija magnetskog kruga tijekom montaže senzora (aditivna komponenta) i zbog promjena deformacija tijekom rada senzora (proizvoljna komponenta). Proračuni koji uzimaju u obzir prisutnost praznina u magnetskom krugu pokazuju da utjecaj nestabilnosti mehaničkih naprezanja u magnetskom krugu uzrokuje nestabilnost izlaznog signala senzora reda, au većini slučajeva ova se komponenta može posebno zanemariti.

5) Pogreška zbog učinka mjerača naprezanja zavojnice.Slučajni sastojak. Prilikom namatanja zavojnice senzora u žici se stvara mehanička napetost. Promjena tih mehaničkih naprezanja tijekom rada senzora rezultira promjenom otpora zavojnice na istosmjernu struju i stoga promjenom izlaznog signala senzora. Obično za pravilno dizajnirane senzore, to jest, ovu komponentu ne treba posebno razmatrati.

6) Odstupanje od priključnog kabela. Nastaje zbog nestabilnosti električnog otpora kabela pod utjecajem temperature ili deformacija te zbog indukcije EMF-a u kabelu pod utjecajem vanjskih polja. Slučajna je komponenta pogreške. U slučaju nestabilnosti vlastitog otpora kabela, pogreška izlaznog signala senzora. Duljina spojnih kabela je 1-3 m, a rijetko više. Kada je kabel izrađen od bakrene žice poprečnog presjeka, otpor kabela je manji od 0,9 Ohma, otpor je nestabiln. Budući da je impedancija senzora obično veća od 100 ohma, greška u izlazu senzora može biti velika kao Stoga se za senzore s niskim radnim otporom pogreška mora procijeniti. U drugim slučajevima, to nije značajno.

7) Greške u dizajnu.Nastaju pod utjecajem sljedećih razloga: utjecaj mjerne sile na deformacije dijelova senzora (aditivni), utjecaj razlike mjerne sile na nestabilnost deformacija (multiplikativni), utjecaj vodilice mjerne letve tijekom prijenosa mjernog impulsa (multiplikativno), nestabilnost prijenosa mjernog impulsa zbog zazora i zazora pokretnih dijelova (slučajno).Greške u projektiranju prvenstveno su određene nedostacima u dizajnu mehanički elementi senzora i nisu specifični za induktivne senzore. Procjena ovih pogrešaka provodi se prema poznatim metodama za ocjenu pogrešaka kinematičkih prijenosnika mjernih uređaja.

8) Tehnološke greške. Nastaju kao rezultat tehnoloških odstupanja u relativnom položaju dijelova senzora (aditiv), disperzije parametara dijelova i zavojnica tijekom proizvodnje (aditiv), utjecaja tehnoloških praznina i nepropusnosti u spojevima dijelova i vodilica ( proizvoljan).

Tehnološke pogreške u izradi mehaničkih elemenata strukture senzora također nisu specifične za induktivni senzor; ocjenjuju se uobičajenim metodama za mehaničke mjerne uređaje. Pogreške u proizvodnji magnetskog kruga i zavojnica senzora dovode do disperzije parametara senzora i do poteškoća koje nastaju u osiguravanju zamjenjivosti potonjih.

9) Greška starenja senzora.Ova komponenta pogreške uzrokovana je, prvo, trošenjem pokretnih elemenata strukture senzora i, drugo, promjenom elektromagnetskih karakteristika magnetskog kruga senzora tijekom vremena. Pogrešku treba smatrati slučajnom. Pri ocjeni pogreške zbog istrošenosti uzima se u obzir kinematski proračun mehanizma senzora u svakom konkretnom slučaju. U fazi projektiranja senzora, u ovom slučaju, preporuča se postaviti životni vijek senzora u normalnim radnim uvjetima, tijekom kojih dodatna pogreška trošenja neće premašiti navedenu vrijednost.

Elektromagnetska svojstva materijala mijenjaju se tijekom vremena.

U većini slučajeva izraženi procesi promjene elektromagnetskih karakteristika završavaju unutar prvih 200 sati nakon toplinske obrade i demagnetizacije magnetskog kruga. U budućnosti ostaju praktički konstantni i ne igraju značajnu ulogu u ukupnoj pogrešci induktivnog senzora.

Gornje razmatranje komponenti pogreške induktivnog senzora omogućuje procjenu njihove uloge u formiranju ukupne pogreške senzora. U većini slučajeva, odlučujući čimbenik je pogreška zbog nelinearnosti karakteristike i temperaturna pogreška induktivnog pretvarača.