Induktivni senzorji

Induktivni senzor je pretvornik parametričnega tipa, katerega princip delovanja temelji na spremembi induktivnost L ali medsebojna induktivnost navitja z jedrom, zaradi spremembe magnetnega upora RM magnetnega kroga senzorja, v katerega vstopi jedro.

Induktivni senzorji se pogosto uporabljajo v industriji za merjenje pomikov in pokrivajo območje od 1 μm do 20 mm. Možna je tudi uporaba induktivnega senzorja za merjenje tlakov, sil, pretoka plinov in tekočin itd. V tem primeru se izmerjena vrednost s pomočjo različnih občutljivih elementov pretvori v spremembo pomika, nato pa se ta vrednost dovede do induktivnega merilnega pretvornika.

V primeru merjenja tlaka so občutljivi elementi lahko izdelani v obliki elastičnih membran, tulcev itd. Uporabljajo se tudi kot senzorji bližine, ki se uporabljajo za brezkontaktno zaznavanje različnih kovinskih in nekovinskih predmetov po principu da ali ne.

Prednosti induktivnih senzorjev:

• enostavnost in trdnost konstrukcije, brez drsnih kontaktov;

• možnost priključitve na vire moči;

• relativno visoka izhodna moč (do več deset vatov);

• pomembna občutljivost.

Slabosti induktivnih senzorjev:

• natančnost delovanja je odvisna od stabilnosti napajalne napetosti po frekvenci;

• delovanje je možno samo z izmeničnim tokom.

Vrste induktivnih pretvornikov in njihove konstrukcijske značilnosti

Po konstrukcijski shemi lahko induktivne senzorje razdelimo na enojne in diferencialne. Induktivni senzor vsebuje eno merilno vejo, diferenčni eno - dve.

V diferenčnem induktivnem senzorju se ob spremembi izmerjenega parametra istočasno spremeni induktivnost dveh enakih tuljav in pride do spremembe za isto vrednost, vendar z nasprotnim predznakom.

Kot je znano, induktivnost tuljave:

kjer je W število obratov; F - magnetni tok, ki prodira vanj; I - tok, ki teče skozi tuljavo.

Tok je povezan z MDS z razmerjem:

Kje dobimo:

kjer je Rm = HL / Ф magnetni upor induktivnega senzorja.

Razmislite na primer o enem induktivnem senzorju. Njegovo delovanje temelji na lastnosti dušilke z zračno režo, da spremeni svojo induktivnost, ko se spremeni vrednost zračne reže.

Induktivni senzor je sestavljen iz jarma 1, tuljave 2, armature 3, ki jo držijo vzmeti. Napajalna napetost izmeničnega toka se dovaja tuljavi 2 preko obremenitvenega upora Rn. Tok v tokokrogu bremena je definiran kot:

kjer je rd aktivni upor dušilke; L je induktivnost senzorja.

Ker je aktivni upor vezja konstanten, lahko pride do spremembe toka I samo zaradi spremembe induktivne komponente XL = IRn, ki je odvisna od velikosti zračne reže δ.

Vsaki vrednosti δ ustreza določena vrednost I, ki ustvarja padec napetosti na uporu Rn: Uout = IRn — je izhodni signal senzorja. Analitično odvisnost Uout = f (δ) lahko izpeljete pod pogojem, da je reža dovolj majhna in je mogoče zanemariti blodeče tokove ter zanemariti železovo magnetno upornost Rmw v primerjavi z magnetno upornostjo zračne reže Rmw.

Tukaj je končni izraz:

V resničnih napravah je aktivni upor vezja veliko manjši od induktivnega, potem se izraz zmanjša na obliko:

Odvisnost Uout = f (δ) je linearna (v prvem približku). Dejanska funkcija je naslednja:

Odstopanje od linearnosti na začetku je pojasnjeno s sprejeto predpostavko Rmzh << Rmv.

Pri majhnem d je magnetni upor železa sorazmeren z magnetnim uporom zraka.

Odstopanje pri velikem d je razloženo z dejstvom, da pri velikem d RL postane sorazmeren z vrednostjo aktivnega upora - Rn + rd.

Na splošno ima obravnavani induktivni senzor številne pomembne pomanjkljivosti:

• faza toka se ne spremeni, ko se spremeni smer gibanja;

• če je treba meriti premik v obe smeri, je treba nastaviti začetno zračno režo in s tem tok I0, kar je neprijetno;

• tok obremenitve je odvisen od amplitude in frekvence napajalne napetosti;

• med delovanjem senzorja deluje sila privlačnosti magnetnega kroga na armaturo, ki ni z ničemer uravnotežena in zato vnaša napako v delovanje senzorja.

Diferencialni (reverzibilni) induktivni senzorji (DID)

Diferencialni induktivni senzorji so kombinacija dveh ireverzibilnih senzorjev in so izdelani v obliki sistema, sestavljenega iz dveh magnetnih krogov s skupno armaturo in dvema tuljavama. Diferencialni induktivni senzorji zahtevajo dva ločena napajanja, za katera se običajno uporablja izolacijski transformator 5.

Oblika magnetnega vezja je lahko diferencialno-induktivni senzorji z magnetnim vezjem v obliki črke W, ki ga nabirajo mostovi iz električnega jekla (za frekvence nad 1000Hz se uporabljajo zlitine železo-nikelj-permola) in cilindrični z gostim krožnim magnetnim vezjem . Izbira oblike senzorja je odvisna od njegove konstruktivne kombinacije z nadzorovano napravo. Uporaba magnetnega vezja v obliki črke W je posledica priročnosti sestavljanja tuljave in zmanjšanja velikosti senzorja.

Za napajanje diferencialno-induktivnega senzorja se uporablja transformator 5 z izhodom za srednjo točko sekundarnega navitja. Med njim in skupnim koncem obeh tuljav je nameščena naprava 4. Zračna reža je 0,2-0,5 mm.

V srednjem položaju armature, ko so zračne reže enake, sta induktivni upor tuljav 3 in 3' enak, zato so vrednosti tokov v tuljavah enake I1 = I2 in posledično tok v napravi je 0.

Z rahlim odstopanjem armature v eno ali drugo smer se pod vplivom nadzorovane vrednosti X spremenijo vrednosti vrzeli in induktivnosti, naprava registrira diferenčni tok I1-I2, to je funkcija armature premik iz srednjega položaja. Razlika v tokovih se običajno zabeleži z magnetoelektrično napravo 4 (mikroampermeter) z usmerniškim vezjem B na vhodu.

Značilnosti induktivnega senzorja so:

Polarnost izhodnega toka ostane nespremenjena ne glede na znak spremembe impedance tuljav. Ko se spremeni smer odstopanja armature od srednjega položaja, se faza toka na izhodu senzorja spremeni obratno (za 180 °). Pri uporabi fazno občutljivih usmernikov lahko na srednji položaj dobimo indikacijo smeri gibanja armature. Značilnosti diferenčnega induktivnega senzorja s fazno-frekvenčnim filtrom so naslednje:

Napaka pretvorbe induktivnega senzorja

Informacijska zmogljivost induktivnega senzorja je v veliki meri odvisna od njegove napake pri pretvorbi izmerjenega parametra. Skupna napaka induktivnega senzorja je sestavljena iz velikega števila komponent napake.

Razlikujemo lahko naslednje napake induktivnega senzorja:

1) Napaka zaradi nelinearnosti karakteristike. Multiplikativna komponenta skupnega pogreška Zaradi principa induktivne pretvorbe izmerjene vrednosti, ki je osnova delovanja induktivnih senzorjev, je bistvena in v večini primerov določa merilno območje senzorja. Obvezno predmet ovrednotenja med razvojem senzorja.

2) Temperaturna napaka. Naključna sestavina.Zaradi velikega števila temperaturno odvisnih parametrov komponent senzorja lahko napaka komponente doseže velike vrednosti in je pomembna. Oceniti pri načrtovanju senzorja.

3) Napaka zaradi vpliva zunanjih elektromagnetnih polj. Naključna komponenta skupne napake. Nastane zaradi indukcije EMF v navitju senzorja z zunanjimi polji in zaradi spremembe magnetnih karakteristik magnetnega vezja pod vplivom zunanjih polj. V industrijskih prostorih z električnimi napeljavami se zaznavajo magnetna polja z indukcijo T in frekvenco večinoma 50 Hz.

Ker magnetna jedra induktivnih senzorjev delujejo pri indukcijah 0,1-1 T, bo delež zunanjih polj 0,05-0,005% tudi v odsotnosti zaščite. Zaslonski vnos in uporaba diferenčnega senzorja zmanjšata ta delež za približno dva reda velikosti. Tako je treba napako zaradi vpliva zunanjih polj upoštevati le pri načrtovanju senzorjev z nizko občutljivostjo in z nemožnostjo zadostne zaščite. V večini primerov ta komponenta napake ni pomembna.

4) Napaka zaradi magnetoelastičnega učinka. Nastane zaradi nestabilnosti deformacij magnetnega kroga med sestavljanjem senzorja (aditivna komponenta) in zaradi sprememb deformacij med delovanjem senzorja (poljubna komponenta). Izračuni ob upoštevanju prisotnosti vrzeli v magnetnem vezju kažejo, da vpliv nestabilnosti mehanskih napetosti v magnetnem vezju povzroča nestabilnost izhodnega signala senzorja reda, v večini primerov pa je to komponento mogoče posebej zanemariti.

5) Napaka zaradi učinka merilnika napetosti tuljave.Naključna sestavina. Pri navijanju senzorske tuljave se v žici ustvari mehanska napetost. Sprememba teh mehanskih obremenitev med delovanjem senzorja povzroči spremembo upora tuljave na enosmerni tok in s tem spremembo izhodnega signala senzorja. Običajno za pravilno zasnovane senzorje te komponente ne bi smeli posebej obravnavati.

6) Odstopanje od priključnega kabla. Nastane zaradi nestabilnosti električne upornosti kabla pod vplivom temperature ali deformacij in zaradi indukcije EMF v kablu pod vplivom zunanjih polj. Je naključna komponenta napake. V primeru nestabilnosti lastnega upora kabla pride do napake izhodnega signala senzorja. Dolžina priključnih kablov je 1-3 m in redko več. Ko je kabel izdelan iz bakrene žice s prečnim prerezom, je upornost kabla manjša od 0,9 Ohma, upornost je nestabilna. Ker je impedanca senzorja običajno večja od 100 ohmov, je lahko napaka v izhodu senzorja velika kot Zato je treba za senzorje z nizkim delovnim uporom napako oceniti. V drugih primerih ni pomembno.

7) Napake pri oblikovanju.Nastanejo pod vplivom naslednjih razlogov: vpliv merilne sile na deformacije delov senzorja (aditivni), vpliv razlike v merilni sili na nestabilnost deformacij (multiplikativni), vpliv vodila merilne palice med prenosom merilnega impulza (multiplikativno), nestabilnost prenosa merilnega impulza zaradi vrzeli in zračnosti gibljivih delov (naključno) Napake v konstrukciji so predvsem posledica pomanjkljivosti v konstrukciji mehanske elemente senzorja in niso specifični za induktivne senzorje. Vrednotenje teh pogreškov poteka po znanih metodah za ocenjevanje pogreškov kinematičnih prenosov merilnih naprav.

8) Tehnološke napake. Nastanejo kot posledica tehnoloških odstopanj v relativnem položaju delov senzorjev (aditiv), razpršitve parametrov delov in tuljav med proizvodnjo (aditiv), vpliva tehnoloških vrzeli in tesnosti v povezavah delov in v vodilih ( arbitrarna).

Tudi tehnološke napake pri izdelavi mehanskih elementov senzorske konstrukcije niso značilne za induktivni senzor; ovrednoteni so z običajnimi metodami za mehanske merilne naprave. Napake pri izdelavi magnetnega vezja in senzorskih tuljav vodijo do razpršitve parametrov senzorjev in do težav, ki nastanejo pri zagotavljanju medsebojne zamenljivosti slednjih.

9) Napaka staranja senzorja.To komponento napake povzroči, prvič, obraba gibljivih elementov strukture senzorja in, drugič, sprememba elektromagnetnih karakteristik magnetnega vezja senzorja skozi čas. Napako je treba šteti za naključno. Pri oceni pogreška zaradi obrabe se upošteva kinematični izračun senzorskega mehanizma v vsakem posameznem primeru. V fazi načrtovanja senzorja je v tem primeru priporočljivo nastaviti življenjsko dobo senzorja v normalnih delovnih pogojih, med katerimi dodatna napaka obrabe ne bo presegla navedene vrednosti.

Elektromagnetne lastnosti materialov se s časom spreminjajo.

V večini primerov se izraziti procesi spreminjanja elektromagnetnih karakteristik končajo v prvih 200 urah po toplotni obdelavi in ​​razmagnetenju magnetnega kroga. V prihodnosti ostanejo praktično konstantni in ne igrajo pomembne vloge pri skupni napaki induktivnega senzorja.

Zgornja obravnava komponent napake induktivnega senzorja omogoča ovrednotenje njihove vloge pri oblikovanju skupne napake senzorja. V večini primerov je odločilen faktor napaka zaradi nelinearnosti karakteristike in temperaturna napaka induktivnega pretvornika.