Индуктивные, оптические и другие виды датчиков широко используются в области промышленной электроники. И в этой статье вы узнаете, что из себя представляют датчики, какими они бывают, как применяются и где их можно приобрести. Особое внимание здесь уделится индуктивным датчикам, принципу их работы, видам и применению. Купить такие датчики непросто, поскольку они не производятся широким тиражом, но если есть заинтересованность в их покупке, приобрести индукционные датчики можно на сайте teko-com.ru .
Для начала давайте узнаем, что такое обычный датчик. Датчик - это устройство, выдающее определенный сигнал при появлении какого-то события. Иными словами, датчик реагирует на некоторые изменения и на его выходе активизируется дискретный, аналоговый или цифровой сигнал.
Виды датчиков
Датчиков существует огромное множество и здесь приведены самые часто используемые из всех видов.
Индуктивные. Активизация происходит благодаря наличию металла в зоне срабатывания. Другие наименования: индукционный, бесконтактный датчик, датчик присутствия или выключатель.
Оптические. По-другому называются фотодатчик, оптический выключатель, в быту датчик освещенности.
Емкостные. Такие датчики реагируют на наличие любого предмета в зоне активности.
Давления. Если нет давления воздуха и масла - сигнал на контроллер и тогда рвет аварийную цепь.
Электрические. Обыкновенные пассивные датчики, которые срабатывают тогда, когда к ним прикасается или давит предмет.
Что же такое индуктивные датчики?
По сути, индуктивный датчик - это прибор, который измеряет перемещение части оборудования. А при превышении пределов проходимости отключает его.
В основе работы датчика значится генератор, в который встроена катушка индуктивности. Собственно, отсюда и происходит название. При появлении металлосодержащего элемента в электромагнитной зоне катушки активизируется сигнал, зона резко меняется и это влияет на работу схемы. Проще говоря, нет металла - нет сигнала.
Виды индуктивных датчиков и параметры по которым датчики отличаются друг от друга.
1. Конструкция корпуса. Корпус бывает двух видов: прямоугольный и цилиндрический. Изготавливаются из металла или пластика.
2. Диаметр датчика. Основные варианты: 12 и 18 мм. Реже применяемы: 4 мм, 8 мм, 22 мм и 30 мм.
3. Количество проводов для подключения. Разделяются на двух-, трех-, четырех- и пятипроводные.
Двухпроводные - подобны выключателям, которыми мы включаем свет. Датчик включается в цепь нагрузки. Такие датчики легко применяются в монтаже, но слабы в нагрузке.
Трехпроводные - самые применяемые. Два проводе для питания и один для нагрузки.
Четырехпроводные - используются как два выхода на нагрузку.
Пятипроводные - применяются при выборе режима работы или состояния выхода.
4. Расстояние переключения. Расстояние до металлической пластины, которое необходимо для точного срабатывания датчика. Для мелких датчиков: от 0 до 2 мм, для средних: от 4 мм до 8 мм и для крупных: до 30 мм.
5. Выходы датчиков. Бывает только три варианта выходов датчиков:
Релейный. Реле коммутирует нужное напряжение либо использует один из проводов питания. Главным плюсом такого выхода является то, что обеспечивается полная развязка от схемы питания счетчика.
Транзисторный PNP. На выходе стоит транзистор PNP, а это значит, что есть коммутация "плюсового" провода. К "минусу" нагрузка включена постоянно.
Транзисторный NPN. На выходе - транзистор NPN, коммутируется "минусовый" провод. К "плюсу" нагрузка включена постоянно.
Применение индуктивного датчика
В области промышленной автоматики индуктивные датчики широко применяются для определения положения какой-то части механизма. Сигнал с выхода переключается на вход контроллера, реле, пускателя и т.п. Главное, чтобы все соответствовало току и напряжению.
Достоинства и недостатки индуктивных датчиков
А сейчас мы узнаем, чем так хороши эти датчики, а чего в них стоит остерегаться.
Простота и надежность конструкции.
Повышенная чувствительность.
Выдержка большой выходной мощности.
Для обеспечения нормальной работы двигателя используется множество механизмов и контроллеров, предназначенных для выполнения разных функций. Одним из таких девайсов является индуктивный датчик. Что это за контроллер, каков его принцип работы, какие бывают виды устройств? Об этом мы поговорим ниже.
[ Скрыть ]
Характеристика индуктивных преобразователей
Индуктивный датчик или представляет собой бесконтактное устройство, предназначенное для контроля положения того или иного объекта, выполненного из металла. Это важно, поскольку девайс может проявлять чувствительность только к металлу.
Функции и принцип действия
Принцип действия девайса основан на изменении амплитуды колебаний генераторного устройства, встроенного в контроллер, при внесении в активную зону определенного металлического объекта. Соответственно, применение девайса возможно только с такими типами объектов. При подаче напряжения на конечный выключатель, который находится в зоне чувствительности, появляется магнитное поле. Это поле способствует образованию вихревых токов, влияние которых отражается на изменении амплитуды колебаний генераторного устройства.
В итоге такие преобразования способствуют появлению аналогового выходного импульса, значение которого может быть разным в зависимости от расстояния между контроллером и объектом. Индуктивный датчик перемещения играет очень важную роль для узлов, которые используются для отслеживания изменения места расположения металлических объектов. Благодаря контроллеру определяется, правильно ли расположен тот или иной объект или нет. В том случае, если предмет находится не там, где нужно, система управления должна будет предпринять все необходимые действия для того, чтобы обеспечить нормальную работу устройства.
Что касается устройства контроллера, то девайс состоит из следующих элементов:
- Генераторный узел, предназначенный для образования электромагнитного поля, которое, в свою очередь, используется для создания зоны активности с объектом.
- Усилительное устройство. Используется для повышения значения амплитуды импульса, чтобы сигнал мог достигнуть нужного параметра.
- Триггер Шмитта. Этот элемент предназначен для обеспечения гистертезиса при переключении девайса.
- Диодный элемент, который свидетельствует о состоянии контроллера. Также светодиод позволяет обеспечить наиболее оптимальный контроль функционирования девайса и указать на оперативность настройки.
- Следующий элемент — компаунд. Его предназначение заключается в обеспечении защиты девайса от попадания влаги внутрь корпуса, а также грязи и пыли, что может привести к его поломке.
- Сам корпус. Корпус контроллера предназначен для обеспечения установки девайса, а также его защиты от всевозможных механических повреждений. Как правило, корпус выполняется из латуни либо полиамида, а также он оснащается всеми необходимыми фиксаторами для крепления (автор видео — канал Lty D).
Типы контроллеров
Системы с индуктивным датчиком могут использовать разные устройства, которые отличаются между собой по следующим параметрам:
- Конструкция девайса, а также тип корпуса, который может быть прямоугольным либо цилиндрическим. Что касается материала, из которого выполняется сам корпус, то он может быть либо металлическим, либо пластмассовым.
- Если речь идет о цилиндрических деталях, то они могут иметь разные размеры корпуса. Как правило, диаметры корпуса составляют 12 и 18 мм, но можно найти и другие девайсы- 4, 8, 22 мм и т.д.
- Следующий параметр — рабочий люфт девайса, составляющий расстояние до стальной пластины контроллера. Для небольших по размерам контроллеров этот показатель составляет от 0 до 2 мм, для контроллеров, диаметр которых составляет 12 и 18 мм, рабочий зазор должен быть 4 и 8 мм соответственно.
- Число проводов для подключения к бортовой сети. Двухпроводные устройства более удобны в плане установки, однако они чувствительно относятся к нагрузке — при слишком высоком или низком сопротивлении их работа может быть нарушена. Трехпроводные детали на сегодняшний день считаются самыми распространенными, в данном случае два контакта используется для питания, а еще один — для нагрузки. Есть также пяти- и четырехпроводные регуляторы, в которых пятый контакт используется для выбора режима функционирования.
- Еще один параметр, по которым устройства могут отличаться, заключается в различии полярности. Релейные датчики позволяют коммутировать нужное значение напряжения или один из контактов питания. В транзисторных датчиках типа PNP на выходе устанавливается специальный транзисторный элемент, позволяющий коммутировать плюсовой выход. Что касается минуса, то в данном случае он подключен постоянно. Также есть транзисторные устройства NPN, в данном случае постоянно запитан плюс, а мину коммутируется транзисторным элементом.
Фотогалерея «Схемы подключения»
Достоинства и недостатки
Индуктивный датчик вращающихся оборотов (к примеру, ДПКВ) или другого типа, как и любое устройство, может иметь свои достоинства и недостатки. Предлагаем с ними ознакомиться.
Начнем с преимуществ:
- Во-первых, такие регуляторы характеризуются достаточно простой конструкцией, что позволяет обеспечить высокую надежность их работы. Конструктивно в элементе отсутствуют скользящие контакты, благодаря чему обеспечивается надежная работа датчика, так как контакты не изнашиваются и не выходят из строя.
- При необходимости такой регулятор можно своими руками подключить к электрической сети с промышленной частотой.
- Повышенная чувствительность регулятора, что позволяет обеспечить его наиболее эффективную и бесперебойную работу.
- При необходимости такие приборы могут работать в условиях высоких выходных мощностей.
Что касается недостатков:
- Нелинейные значения могут привести к появлению погрешностей, что связано с использованием принципа индуктивного преобразования.
- Правильная работа детали возможна при определенной температуре. Если температура не будет соответствовать нормированному диапазону, это может привести к появлению больших погрешностей.
- Появлению погрешностей могут способствовать и образование электромагнитного поля вне датчика.
Цена вопроса
Стоимость товара зависит от многих характеристик, в частности, области применения. В среднем цены на индуктивные регуляторы начинаются от 500 рублей и выше.
Видео «Как подключить индукционный регулятор?»
Наглядная инструкция на примере подключения регулятора в мотоцикле Юпитер приведена в ролике ниже (автор — Вадим Карамов).
Индуктивные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении индуктивности путем изменения магнитного сопротивления датчика.
Большую популярность индуктивные датчики получили на производстве для измерения перемещений в интервале от 1 микрометра до 20 мм. Индуктивный датчик можно применять для замера уровней жидкости, газообразных веществ, давлений, различных сил. В этих случаях диагностируемый параметр преобразуется чувствительными компонентами в перемещение, далее эта величина поступает на индуктивный преобразователь.
Для замера давления применяются чувствительные элементы. Они играют роль датчиков приближения, предназначенные для выявления разных объектов бесконтактным методом.
Виды и устройство
Индуктивные датчики разделяются по схеме построения на 2 вида:
- Одинарные датчики.
- Дифференциальные датчики.
Первый вид модели имеет одну ветвь измерения, в отличие от дифференциального датчика, у которого две измерительные ветви.
В дифференциальной модели при изменении диагностируемого параметра изменяются индуктивности 2-х катушек. При этом изменение осуществляется на одинаковое значение с противоположным знаком.
Индуктивность катушки вычисляется по формуле: L = WΦ/I
Где W – количество витков; Ф – магнитный поток; I – сила тока, протекающего по катушке. Сила тока взаимосвязана с магнитодвижущей силой следующим отношением: I = Hl/W
Из этой формулы получаем: L = W²/Rm
Где R m = H*L/Ф – магнитное сопротивление.
Работа одинарного датчика заключается в свойстве дросселя, изменять индуктивность при увеличении или уменьшении воздушного промежутка.
Конструкция датчика включает в себя ярмо (1), витки обмотки (2), якорь (3), который фиксируется пружинами. По сопротивлению поступает переменный ток на обмотку. Сила тока в нагрузочной цепи вычисляется:
L – индуктивность датчика, r d – активное дроссельное сопротивление. Оно является постоянной величиной, поэтому изменение силы тока I может осуществляться только путем изменения составляющей индуктивности XL=I R н , зависящей от размера воздушного промежутка δ .
Каждой величине зазора соответствует некоторое значение тока, определяющего падение напряжения на резисторе R н: U вых =I*R н – является сигналом выхода датчика. Можно определить следующую зависимость U вых = f (δ) , при одном условии, что зазор очень незначительный и потоки рассеивания можно не учитывать, как и магнитное сопротивление металла R мж в сравнении с магнитным сопротивлением зазора воздуха R мв.
Окончательно получается выражение:
На практике активное сопротивление цепи несравнимо ниже индуктивного. Поэтому формула принимает вид:
Из недостатков одинарных можно отметить:
- При эксплуатации датчика на якорь воздействует сила притяжения к сердечнику. Эта сила не уравновешена никакими методами, поэтому она снижает точность функционирования датчика, и вносит некоторый процент погрешности.
- Сила нагрузочного тока зависит от амплитуды напряжения и ее частоты.
- Чтобы измерить перемещение в двух направлениях, нужно установить первоначальное значение зазора, что доставляет определенные неудобства.
Дифференциальные индуктивные датчики объединяют в себе два нереверсивных датчика и изготавливаются в виде некоторой системы, которая состоит из 2-х магнитопроводов, имеющих два отдельных источника напряжения. Для этого чаще всего применяется разделительный трансформатор (5).
Дифференциальные датчики классифицируются по форме сердечника:
- Индуктивные датчики с Ш-образной формой магнитопровода, выполненного в виде листов электротехнической стали. При частоте более 1 килогерца для сердечника используют пермаллой.
- Цилиндрические индуктивные датчики с круглым магнитопроводом.
Форму датчика выбирают в зависимости от конструкции и ее сочетания с механизмом. Использование магнитопровода Ш-образной формы является удобным для сборки катушки и снижения габаритных размеров индуктивного датчика.
Для функционирования дифференциального датчика применяют питание от трансформатора (5), который имеет вывод от средней точки. Между этим выводом и общим проводом катушек подключают прибор (4). При этом воздушный промежуток находится в пределах от 0,2 до 0,5 мм.
При расположении якоря в средней позиции при равных промежутках индуктивные сопротивления обмоток (3 и 3′) равны. Значит, значения токов катушек также одинаковы, и общий полученный ток в устройстве равен нулю.
При малом отклонении якоря в любую сторону изменяется значение воздушных промежутков и индуктивностей. Поэтому прибор определяет ток разности I 1 -I 2 , который определен функцией перемещения якоря от средней позиции. Разность токов чаще всего определяется магнитоэлектрическим устройством (4), выполненным по типу микроамперметра со (В) на входе.
Полярность тока не зависит от изменения общего сопротивления катушек. При применении фазочувствительных схем выпрямления можно определить направление перемещения якоря от средней позиции.
Параметры
- Одним из параметров индуктивных датчиков является диапазон срабатывания . По этому параметру выбирают датчики, однако он не настолько важен. В инструкции по датчику даны номинальные параметры питания при эксплуатации устройства при температуре +20 градусов. Постоянное напряжение для датчика – 24 В, а переменное 230 В. Обычно датчик работает в совершенно других условиях.
На практике при подборе датчика важны два показателя интервала срабатывания:
— Полезный.
— Эффективный.
Показания первого вычисляются как + 10% от 2-го при температуре 25-70 градусов. Показания 2-го отличаются от номинала на 10%. Интервал температуры при этом увеличивается с 18 до 28 градусов. Если при втором параметре применяется номинальное напряжение, то при первом есть разброс 85-110%.
- Другим параметром является гарантированный предел срабатывания . Он колеблется от нуля до 81% от номинала.
- Также следует учитывать параметры: повторяемость и гистерезис , который равен расстоянию между конечными позициями работы датчика. Его оптимальная величина равна 20% от эффективного интервала срабатывания.
- Нагрузочный ток . Изготовители иногда производят датчики специального исполнения на 500 миллиампер.
- Частота отклика . Этот параметр определяет наибольшую величину возможности переключения в герцах. Основные промышленные датчики имеют частоту отклика 1000 герц.
Методы подключения на схемах
Имеется несколько видов индуктивных датчиков с различным числом проводов для подключения. Рассмотрим основные виды подключений разных индуктивных датчиков.
- Двухпроводные индуктивные датчики подключаются непосредственно в нагрузочную цепь. Это наиболее простой способ, однако в нем есть особенности. Для такого способа для нагрузки требуется номинальное сопротивление. Если это сопротивление будет больше или меньше, то устройство функционирует некорректно. При включении датчика на постоянный ток нельзя забывать о полярности выводов.
- Трехпроводные индуктивные датчики наиболее популярны. В них имеется два проводника для подключения питания, а один для нагрузки.
- Четырехпроводные и пятипроводные индуктивные датчики. У них два провода на питание, другие два на нагрузку, пятый проводник для выбора режима эксплуатации.
Цветовая маркировка
Маркировка проводников цветом является очень удобной для осуществления обслуживания и монтажа датчиков. Их выходные проводники промаркированы определенным цветом:
- Минус – синий.
- Плюс – красный.
- Выход – черный цвет.
- Второй проводник выхода – белый цвет.
Погрешности
Погрешность преобразования диагностируемого параметра влияет на способность выдачи информации индуктивным датчиком. Суммарная погрешность состоит из множества различных погрешностей.
- Электромагнитная погрешность является случайной величиной. Она появляется вследствие индуцирования ЭДС в катушке датчика наружными магнитными полями. На производстве возле силовых электрических устройств существуют магнитные поля чаще всего частотой 50 герц.
- Погрешность от температуры также является случайным значением, так как работа большого количества элементов датчика зависит от температуры и является значительной величиной, учитываемой при проектировании датчиков.
- Погрешность магнитной упругости . Она появляется от нестабильности деформаций сердечника при сборке прибора, а также из-за изменения деформаций при работе. Влияние нестабильности напряжений в магнитопроводе образует нестабильность сигнала на выходе.
- Погрешности устройства появляются по причине влияния измеряющей силы на деформации элементов датчика, а также влияния скачка усилия измерения на нестабильность деформации. Также на погрешность влияют люфты и зазоры в подвижных частях конструкции датчика.
Погрешность кабеля образуется от непостоянной величины сопротивления, деформации кабеля и его температуры, наводок электродвижущей силы в кабеле от внешних полей.
- Тензометрическая погрешность случайная величина и зависит от качества намотки витков провода. При намотке возникают механические напряжения, изменение которых при функционировании датчика приводит к изменению сопротивления обмотки постоянному току, а значит, изменению сигнала на выходе. Чаще всего в качественных датчиках эту погрешность не учитывают.
- Погрешность старения датчика появляется от износа движущихся частей устройства датчика, а также постоянного изменения электромагнитных свойств магнитопровода. Такую погрешность считают также случайным значением. При определении погрешности износа учитывается кинематика устройства датчика. При проектировании датчика рекомендуется определять его срок эксплуатации в нормальном режиме, за период которого погрешность от износа не превзойдет заданного значения.
- Погрешность технологии появляется при отклонениях от техпроцесса изготовления датчика, разброса параметров катушек и элементов при сборке, от влияния натягов и зазоров при сопряжении деталей. Оценка погрешности технологии производится простыми механическими измерителями.
Электромагнитные параметры материалов и их свойства со временем меняются. Чаще всего процессы изменения свойств материалов происходят в первые 200 часов после термообработки сердечника магнитопровода. Далее эти свойства остаются теми же, и не влияют на полную погрешность датчика.
Достоинства
- Большая чувствительность.
- Повышенная мощность выхода, до нескольких десятков Вт.
- Возможность подключения к промышленным источникам частоты.
- Прочное и простое устройство.
- Нет трущихся контактов.
Недостатки
- Способны функционировать только на переменном напряжении.
- Стабильность питания и частота влияют на точность работы датчика.
Сфера использования
- Медицинские аппараты.
- Бытовая техника.
- Автомобильная промышленность.
- Робототехническое оборудование.
- Промышленная техника регулирования и измерения.
PS. Платиновый провод при эксплуатации неизбежно загрязняется. Чтобы предотвратить такое загрязнение после того, как двигатель будет выключен, провод на одну секунду накаляется до температуры 1000 С. Вся пыль, которая на него налипла, моментально сгорает.
Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов (платина, несколько хуже - медь и никель), так и из полупроводников.
По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).
Служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.
Принцип действия индуктивных датчиков состоит в преобразовании линейного перемещения в изменение индуктивности катушки датчика.
Устройство и принцип работы индуктивных датчиков
Индуктивный датчик функционирует следующим образом (на примере датчика частоты вращения):
Принцип действия. В основе работы индуктивных датчиков частоты вращения лежит явление электромагнитной индукции. Датчики выполнены в виде катушек с магнитными сердечниками. При прохождении под сердечником зубца ферромагнитного диска (например, зубца венца маховика коленчатого вала двигателя) магнитный проток датчика изменяется, и в катушке датчика индуцируется электродвижущая сила. Амплитуда импульсов зависит от частоты вращения коленчатого вала и зазора между сердечником и зубцом маховика
Индуктивные преобразователи имеют множество различных конструкций:
а) индуктивный преобразователь переменной длиной воздушного зазора δ.
Характеризуется нелинейной зависимостью L = f(δ).
Такие преобразователи обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01 - 5 мм.
б) индуктивный преобразователь с переменным сечением воздушного зазора. Имеет значительно меньшую чувствительностью, но линейную зависимость L = f(δ).
Эти преобразователи используют при перемещениях до 10 - 15 мм.
в) индуктивные преобразователи дифференциальные преобразователи, в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов.
Имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов.
Области применения индуктивных датчиков.
1. Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм.
2. Для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидкости и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю.
Достоинства индуктивных датчиков:
Простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;
Возможность подключения к источникам промышленной частоты;
Относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);
Значительная чувствительность.
Недостатки индуктивных датчиков:
Точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;
Возможна работа только на переменном токе.
Примеры применения индуктивных датчиков:
1. Датчик положения коленчатого вала:
Датчик положения коленчатого вала установлен на кронштейне около шкива привода генератора (см. Фото-2).
Для генерации импульса синхронизации оборотов коленвала на шкиве отсутствуют два зуба (см.Фото-2 и Рис. 1).
Индуктивный датчик - это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие изменения магнитного сопротивления RМ магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.
Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм. Также можно использовать индуктивный датчик для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидкости и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю.
В случае измерения давлений, чувствительные элементы могут выполняться в виде упругих мембран, сильфонов, и т. д. Используются они и в качестве датчиков приближения, которые служат для обнаружения различных металлических и неметаллических объектов бесконтактным способом по принципу “да” или “нет”.
Достоинства индуктивных датчиков:
простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;
возможность подключения к источникам промышленной частоты;
относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);
значительная чувствительность.
Недостатки индуктивных датчиков:
точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;
возможна работа только на переменном токе.
Типы индуктивных преобразователей и их конструктивные особенности
По схеме построения индуктивные датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный индуктивный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две.
В дифференциальном индуктивном датчике при изменении измеряемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком.
Как известно, :
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.
Рассмотрим, например, одинарный индуктивный датчик. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величены воздушного 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 постоянная, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей XL=IRн, которая зависит от величены воздушного 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 достаточно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа Rмж по сравнению с магнитным сопротвлением воздушного 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 характер (в первом приближении). Реальная характеристика имеет вид:
Отклонение от линейности в начале объясняется принятым допущением Rмж<< Rмв.
При малых d магнитное сопротивление железа соизмеримо с магнитным сопротивлением воздуха.
Отклонение при больших d объясняются тем, что при больших d RL становится соизмеримой с величиной активного сопротивления - Rн+rд.
В целом рассмотренный индуктивный датчик имеет ряд существенных недостатков:
не меняется фаза тока при изменении направления перемещения;
при необходимости измерять в обоих направлениях перемещение нужно устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, ток I0,что неудобно;
ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения;
в процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается, и значит вносит погрешность в работу датчика.
Дифференциальные индуктивные датчики представляет собой совокупность двух нереверсивных датчиков и выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками. Для дифференциальных индуктивных датчиков необходимы два раздельных источника питания, для чего обычно используется 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 применяются железоникелевые сплавы - пермолой), и цилиндрические со сплошным магнитопроводом круглого сечения. Выбор формы датчика зависит от конструктивного сочетания его с контролируемым устройством. Применение Ш-образного магнитопровода обусловлено удобством сборки катушки и уменьшением габаритов датчика.
Для питания дифференциально-индуктивного датчика используют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке. Между ним и общим концом обеих катушек включается прибор 4. Воздушный зазор 0,2-0,5 мм.
При среднем положении якоря, когда воздушные зазоры одинаковы, индуктивные сопротивления катушек 3 и 3" одинаковы следовательно величины токов в катушках равны I1=I2 и результирующий ток в приборе равен 0.
При небольшом отклонении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величены Х меняются величины зазоров и индуктивностей, прибор регистрирует разностный ток I1-I2, он является функцией смещения якоря от среднего положения. Разность токов обычно регистрируется с помощью магнитоэлектрического прибора 4 (микроамперметра) с выпрямительной схемой В на входе.
Характеристика индуктивного датчика имеет вид:
Полярность выходного тока остается неизменной независимо от знака изменения полного сопротивления катушек. При изменении направления отклонения якоря от среднего положения меняется на противоположную (на 180°) фаза тока на выходе датчика. При использовании фазочувствительных выпрямительных схем можно получить индикацию направления перемещения якоря от среднего положения. Характеристика дифференциального индуктивного датчика с ФЧВ имеет вид:
Погрешность преобразования индуктивного датчика
Информативная способность индуктивного датчика в значительной мере определяется его погрешностью преобразования измеряемого параметра. Суммарная погрешность индуктивного датчика складывается из большого числа составляющих погрешностей.
Можно выделить следующие погрешности индуктивного датчика:
1) Погрешность от нелинейности характеристики. Мультипликативная составляющая общей погрешности. Из-за принципа индуктивного преобразования измеряемой величины, лежащего в основе работы индуктивных датчиков, является существенной и в большинстве случаев определяет диапазон измерения датчика. Обязательно подлежит оценке при разработке датчика.
2) Температурная погрешность. Случайная составляющая. Ввиду большого числа зависимых от температуры параметров составных частей датчика составляющая погрешность может достичь больших величин и является существенной. Подлежит оценке при разработке датчика.
3) Погрешность от влияния внешних электромагнитных полей. Случайная составляющая общей погрешности. Возникает из-за индуцирования ЭДС в обмотке датчика внешними полями и из-за изменения магнитных характеристик магнитопровода под действием внешних полей. В производственных помещениях с силовыми электроустановками обнаруживаются магнитные поля с индукцией Тл и частотой в основном 50 Гц.
Поскольку магнитопроводы индуктивных датчиков работают при индукциях 0,1 – 1 Тл, то доля от внешних полей составит 0,05–0,005% даже в случае отсутствия экранирования. Введение экрана и применение дифференциального датчика снижают эту долю примерно на два порядка. Таким образом, погрешность от влияния внешних полей должна приниматься в рассмотрение только при проектировании датчиков малой чувствительности и с невозможностью достаточной экранировки. В большинстве случаев эта составляющая погрешности не является существенной.
4) Погрешность от магнитоупругого эффекта. Возникает из-за нестабильности деформаций магнитопровода при сборке датчика (аддитивная составляющая) и из-за изменения деформаций в процессе эксплуатации датчика (случайная составляющая). Расчеты с учетом наличия зазоров в магнитопроводе показывают, что влияние нестабильности механических напряжений в магнитопроводе вызывает нестабильность выходного сигнала датчика порядка, и в большинстве случаев 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 эксплуатации датчика ведет к изменению сопротивления катушки постоянному току и, следовательно, к изменению выходного сигнала датчика. Обычно для правильно спроектированных датчиков, т. е. эту составляющую не следует специально учитывать.
6) Погрешность от соединительного кабеля. Возникает из-за нестабильности электрического сопротивления кабеля под действием температуры или деформаций и из-за наводок ЭДС в кабеле под действием внешних полей. Является случайной составляющей погрешности. При нестабильности собственного сопротивления кабеля погрешность выходного сигнала датчика. Длина соединительных кабелей составляет 1–3 м и редко больше. При выполнении кабеля из медного провода сечением сопротивление кабеля менее 0,9 Ом, нестабильность сопротивления. Поскольку полное сопротивление датчика обычно больше 100 Ом, погрешность выходного сигнала датчика может составить величину. Следовательно, для датчиков, имеющих малое сопротивление в рабочем режиме, погрешность следует оценивать. В остальных случаях она не является существенной.
7) Конструктивные погрешности.
Возникают под действием следующих причин: влияние измерительного усилия на деформации деталей датчика (аддитивная), влияние перепада измерительного усилия на нестабильность деформаций (мультипликативная), влияние направляющих измерительного стержня на передачу измерительного импульса (мультипликативная), нестабильность передачи измерительного импульса вследствие зазоров и люфтов подвижных частей (случайная). Конструктивные погрешности в первую очередь определяются недостатками в конструкции механических элементов датчика и не являются специфическими для индуктивных датчиков. Оценка этих погрешностей производится по известным способам оценки погрешностей кинематических передач измерительных устройств.
8) Технологические погрешности. Возникают вследствие технологических отклонений взаимного положения деталей датчика (аддитивная), разброса параметров деталей и обмоток при изготовлении (аддитивная), влияния технологических зазоров и натягов в соединении деталей и в направляющих (случайная).
Технологические погрешности изготовления механических элементов конструкции датчика также не являются специфическими для индуктивного датчика, их оценка производится обычными для механических измерительных устройств способами. Погрешности изготовления магнитопровода и катушек датчика ведут к разбросу параметров датчиков и к затруднениям, возникающим при обеспечении взаимозаменяемости последних.
9) Погрешность от старения датчика. Эта составляющая погрешности вызывается, во-первых, износом подвижных элементов конструкции датчика и, во-вторых, изменением во времени электромагнитных характеристик магнитопровода датчика. Погрешность следует рассматривать как случайную. При оценке погрешности от износа во внимание принимается кинематический расчет механизма датчика в каждом конкретном случае. На стадии конструирования датчика в этом случае целесообразно задавать срок службы датчика в нормальных для него условиях эксплуатации, за время которого дополнительная погрешность от износа не превысит заданной величины.
Электромагнитные свойства материалов изменяются во времени.
В большинстве случаев выраженные процессы изменения электромагнитных характеристик заканчиваются в течение первых 200 часов после термообработки и размагничивания магнитопровода. В дальнейшем они остаются практически постоянными и не играют существенной роли в общей погрешности индуктивного датчика.
Проведенное выше рассмотрение составляющих погрешности индуктивного датчика дает возможность оценить их роль в формировании общей погрешности датчика. В большинстве случаев определяющими являются погрешность от нелинейности характеристики и температурная погрешность индуктивного преобразователя.