Senzori inductivi

Un senzor inductiv este un traductor de tip parametric al cărui principiu de funcționare se bazează pe schimbare inductanţă L sau inductanța reciprocă a înfășurării cu miezul, din cauza unei modificări a rezistenței magnetice RM a circuitului magnetic al senzorului în care intră miezul.

Senzorii inductivi sunt utilizați pe scară largă în industrie pentru a măsura deplasările și acoperă intervalul de la 1 μm la 20 mm. De asemenea, este posibilă utilizarea unui senzor inductiv pentru măsurarea presiunilor, forțelor, debitelor de gaz și lichid etc. În acest caz, valoarea măsurată este convertită folosind diferite elemente sensibile într-o modificare a deplasării și apoi această valoare este alimentată la un traductor de măsurare inductiv.

În cazul măsurării presiunii, elementele sensibile pot fi realizate sub formă de membrane elastice, manșon etc. De asemenea, sunt utilizați ca senzori de proximitate, care sunt utilizați pentru a detecta diverse obiecte metalice și nemetalice fără contact, pe principiul da sau nu.

Avantajele senzorilor inductivi:

• simplitatea și rezistența construcției, fără contacte glisante;

• capacitatea de a se conecta la surse de frecvență de alimentare;

• putere de ieșire relativ mare (până la zeci de wați);

• sensibilitate semnificativă.

Dezavantajele senzorilor inductivi:

• acuratețea funcționării depinde de stabilitatea tensiunii de alimentare prin frecvență;

• funcționarea este posibilă numai cu curent alternativ.

Tipuri de convertoare inductive și caracteristicile lor de proiectare

Conform schemei de construcție, senzorii inductivi pot fi împărțiți în unici și diferențiali. Un senzor inductiv conține o ramură de măsurare, una diferențială - două.

Într-un senzor inductiv diferenţial, atunci când parametrul măsurat se modifică, inductanţa a două bobine identice se modifică simultan şi modificarea are loc cu aceeaşi valoare dar cu semn opus.

După cum se știe, inductanța bobinei:

unde W este numărul de spire; F — flux magnetic care îl pătrunde; I — curentul care trece prin bobină.

Curentul este legat de MDS prin raportul:

Unde ajungem:

unde Rm = HL / Ф este rezistența magnetică a senzorului inductiv.

Luați în considerare, de exemplu, un singur senzor inductiv. Funcționarea sa se bazează pe proprietatea unui șoc cu întrefiere de a-și schimba inductanța pe măsură ce valoarea întrefierului se modifică.

Senzorul inductiv constă dintr-un jug 1, o bobină 2, o armătură 3 — susținută de arcuri. O tensiune de alimentare cu curent alternativ este furnizată bobinei 2 prin rezistența de sarcină Rn. Curentul din circuitul de sarcină este definit ca:

unde rd este rezistența activă a șocului; L este inductanța senzorului.

Deoarece rezistența activă a circuitului este constantă, atunci o modificare a curentului I poate apărea numai datorită unei modificări a componentei inductive XL = IRn, care depinde de dimensiunea spațiului de aer δ.

Fiecărei valori δ îi corespunde o anumită valoare I, care creează o cădere de tensiune pe rezistența Rn: Uout = IRn — este semnalul de ieșire al senzorului. Puteți deriva dependența analitică Uout = f (δ) cu condiția ca decalajul să fie suficient de mic și fluxurile parazite să poată fi neglijate, iar magnetoresistența de fier Rmw poate fi neglijată în comparație cu magnetoresistența întrefierului Rmw.

Iată expresia finală:

În dispozitivele reale, rezistența activă a circuitului este mult mai mică decât cea inductivă, atunci expresia se reduce la forma:

Dependența Uout = f (δ) este liniară (în prima aproximare). Caracteristica reală este următoarea:

Abaterea de la liniaritate la început este explicată prin ipoteza acceptată Rmzh << Rmv.

La d mic, magnetoresistența fierului este proporțională cu magnetoresistența aerului.

Abaterea la d mare se explică prin faptul că la d mare RL devine proporțional cu valoarea rezistenței active — Rn + rd.

În general, senzorul inductiv considerat are o serie de dezavantaje semnificative:

• faza curentului nu se schimbă la schimbarea direcției de mișcare;

• dacă este necesar să se măsoare deplasarea în ambele direcții, este necesar să se stabilească întrefierul inițial și, prin urmare, curentul I0, ceea ce este incomod;

• curentul de sarcină depinde de amplitudinea și frecvența tensiunii de alimentare;

• în timpul funcționării senzorului, asupra armăturii acționează forța de atracție a circuitului magnetic, care nu este echilibrată de nimic și, prin urmare, introduce o eroare în funcționarea senzorului.

Senzori diferenţiali (reversibili) inductivi (DID)

Senzorii diferenţiali inductivi sunt o combinaţie a doi senzori ireversibili şi sunt realizaţi sub forma unui sistem format din două circuite magnetice cu o armătură comună şi două bobine. Senzorii inductivi diferențiali necesită două surse de alimentare separate, pentru care se utilizează de obicei un transformator de izolare 5.

Forma circuitului magnetic poate fi senzori diferenţial-inductivi cu un circuit magnetic în formă de W, recrutaţi prin punţi de oţel electric (pentru frecvenţe peste 1000 Hz se folosesc aliaje fier-nichel-permola) şi cilindrici cu un circuit magnetic circular dens. . Alegerea formei senzorului depinde de combinația constructivă a acestuia cu dispozitivul controlat. Utilizarea unui circuit magnetic în formă de W se datorează confortului de asamblare a bobinei și de a reduce dimensiunea senzorului.

Pentru alimentarea senzorului diferențial-inductiv, se folosește un transformator 5 cu o ieșire pentru punctul de mijloc al înfășurării secundare. Între acesta și capătul comun al celor două bobine este inclus dispozitivul 4. Interferul de aer este de 0,2-0,5 mm.

În poziția de mijloc a armăturii, când golurile de aer sunt aceleași, rezistențele inductive ale bobinelor 3 și 3' sunt aceleași, prin urmare, valorile curenților din bobine sunt egale cu I1 = I2 și rezultatul curentul din dispozitiv este 0.

Cu o ușoară abatere a armăturii într-o direcție sau alta, sub influența valorii controlate X, valorile golurilor și inductanțelor se modifică, dispozitivul înregistrează curentul diferențial I1-I2, aceasta este o funcție a armăturii deplasare din pozitia de mijloc. Diferența de curenți este de obicei înregistrată folosind un dispozitiv magnetoelectric 4 (microampermetru) cu un circuit redresor B la intrare.

Caracteristicile senzorului inductiv sunt:

Polaritatea curentului de ieșire rămâne neschimbată indiferent de semnul modificării impedanței bobinelor. Când direcția de abatere a armăturii de la poziția de mijloc se schimbă, faza curentului la ieșirea senzorului se schimbă în sens invers (cu 180 °). Când se utilizează redresoare sensibile la fază, o indicație a direcției de deplasare a armăturii poate fi obținută din poziția de mijloc. Caracteristicile unui senzor inductiv diferenţial cu filtru de fază-frecvenţă sunt următoarele:

Eroare de conversie a senzorului inductiv

Capacitatea de informare a unui senzor inductiv este determinată în mare măsură de eroarea acestuia la conversia parametrului măsurat. Eroarea totală a unui senzor inductiv constă dintr-un număr mare de componente de eroare.

Se pot distinge următoarele erori ale senzorului inductiv:

1) Eroare datorată neliniarității caracteristicii. Componenta multiplicativa a erorii totale Datorita principiului conversiei inductive a valorii masurate, care sta la baza functionarii senzorilor inductivi, este esentiala si in majoritatea cazurilor determina domeniul de masurare al senzorului. Obligatoriu supus evaluării în timpul dezvoltării senzorilor.

2) Eroare de temperatură. Ingredient aleatoriu.Datorită numărului mare de parametri dependenți de temperatură ai componentelor senzorului, eroarea componentei poate atinge valori mari și este semnificativă. De evaluat în proiectarea senzorilor.

3) Eroare datorată influenței câmpurilor electromagnetice externe. Componenta aleatorie a erorii totale. Apare din cauza inducerii EMF în înfășurarea senzorului de către câmpuri externe și datorită unei modificări a caracteristicilor magnetice ale circuitului magnetic sub influența câmpurilor externe. În spațiile industriale cu instalații electrice de putere sunt detectate câmpuri magnetice cu T de inducție și frecvență în principal 50 Hz.

Deoarece nucleele magnetice ale senzorilor inductivi funcționează la inducții de 0,1 - 1 T, ponderea câmpurilor externe va fi de 0,05-0,005% chiar și în absența ecranării. Intrarea pe ecran și utilizarea unui senzor diferențial reduc această proporție cu aproximativ două ordine de mărime. Astfel, eroarea datorată influenței câmpurilor externe trebuie luată în considerare numai la proiectarea senzorilor cu sensibilitate scăzută și cu imposibilitatea unei ecranări suficiente. În cele mai multe cazuri, această componentă de eroare nu este semnificativă.

4) Eroare datorată efectului magnetoelastic. Apare din cauza instabilității deformărilor circuitului magnetic în timpul asamblării senzorului (componentă aditivă) și din cauza modificărilor deformațiilor în timpul funcționării senzorului (componentă arbitrară). Calculele care țin cont de prezența golurilor în circuitul magnetic arată că influența instabilității solicitărilor mecanice în circuitul magnetic determină instabilitatea semnalului de ieșire al senzorului de comandă și, în majoritatea cazurilor, această componentă poate fi neglijată în mod specific.

5) Eroare din cauza efectului de extensometru al bobinei.Ingredient aleatoriu. La înfășurarea bobinei senzorului, se creează o tensiune mecanică în fir. O modificare a acestor solicitări mecanice în timpul funcționării senzorului are ca rezultat o modificare a rezistenței bobinei la curentul continuu și, prin urmare, o modificare a semnalului de ieșire al senzorului. De obicei, pentru senzori proiectați corespunzător, adică această componentă nu trebuie luată în considerare în mod specific.

6) Abatere de la cablul de conectare. Apare din cauza instabilității rezistenței electrice a cablului sub influența temperaturii sau a deformărilor și datorită inducerii EMF în cablu sub influența câmpurilor externe. Este componenta aleatorie a erorii. În caz de instabilitate a rezistenței proprii a cablului, eroarea semnalului de ieșire al senzorului. Lungimea cablurilor de conectare este de 1-3 m și rareori mai mult. Când cablul este realizat din sârmă de cupru cu secțiune transversală, rezistența cablului este mai mică de 0,9 Ohm, instabilitate a rezistenței. Deoarece impedanța senzorului este de obicei mai mare de 100 ohmi, eroarea la ieșirea senzorului poate fi la fel de mare ca Prin urmare, pentru senzorii cu rezistență scăzută de funcționare, eroarea trebuie estimată. În alte cazuri, nu este semnificativ.

7) Erori de proiectare.Acestea apar sub influența următoarelor motive: influența forței de măsurare asupra deformărilor părților senzorului (aditiv), influența diferenței de forță de măsurare asupra instabilității deformațiilor (multiplicative), influența ghidajele tijei de măsurare în timpul transmiterii impulsului de măsurare (multiplicativ), instabilitatea transferului impulsului de măsurare din cauza golurilor și a jocului pieselor mobile (aleatorie).Erorile de proiectare sunt determinate în primul rând de defectele de proiectare ale elementele mecanice ale senzorului și nu sunt specifice senzorilor inductivi. Evaluarea acestor erori se realizează conform metodelor cunoscute de evaluare a erorilor transmisiilor cinematice ale aparatelor de măsură.

8) Erori tehnologice. Acestea apar ca urmare a abaterilor tehnologice în poziția relativă a pieselor senzorului (aditiv), a dispersării parametrilor pieselor și bobinelor în timpul producției (aditiv), a influenței golurilor tehnologice și a etanșeității în conexiunile pieselor și în ghidaje ( arbitrar).

Erorile tehnologice în fabricarea elementelor mecanice ale structurii senzorului nu sunt, de asemenea, specifice senzorului inductiv; se evaluează folosind metodele uzuale la aparatele mecanice de măsură. Erorile în fabricarea circuitului magnetic și a bobinelor senzorilor duc la dispersarea parametrilor senzorilor și la apariția dificultăților în asigurarea interschimbabilității acestora din urmă.

9) Eroare de îmbătrânire a senzorului.Această componentă de eroare este cauzată, în primul rând, de uzura elementelor în mișcare ale structurii senzorului și, în al doilea rând, de modificarea în timp a caracteristicilor electromagnetice ale circuitului magnetic al senzorului. Eroarea trebuie considerată accidentală. La evaluarea erorii datorate uzurii, se ia în considerare calculul cinematic al mecanismului senzorului în fiecare caz specific. În faza de proiectare a senzorului, în acest caz, se recomandă setarea duratei de viață a senzorului în condiții normale de funcționare, timp în care eroarea suplimentară de uzură nu va depăși valoarea specificată.

Proprietățile electromagnetice ale materialelor se modifică în timp.

În cele mai multe cazuri, procesele pronunțate de modificare a caracteristicilor electromagnetice se termină în primele 200 de ore după tratamentul termic și demagnetizarea circuitului magnetic. În viitor, acestea rămân practic constante și nu joacă un rol semnificativ în eroarea generală a senzorului inductiv.

Considerarea de mai sus a componentelor erorii unui senzor inductiv face posibilă evaluarea rolului acestora în formarea erorii totale a senzorului. În cele mai multe cazuri, factorul determinant este eroarea din neliniaritatea caracteristicii și eroarea de temperatură a convertorului inductiv.