Индуктивные датчики используются для определения. Индуктивный датчик. Принцип работы и подключение. Бесконтактные индуктивные датчики положения специального исполнения

При работе с различными технологиями при желании автоматизировать ряд действий обращаются к различным датчикам. В изделиях из металлов важную роль играет индуктивный датчик. Что он собой представляет и зачем необходим?

Что такое индуктивный датчик?

Что это и где он нашел применение? Индуктивный датчик — это бесконтактный прибор, который используется, чтобы контролировать положение объектов, сделанных из металлов. К другим материалам он чувствительности не проявляет. Применяются бесконтактные индуктивные датчики, чтобы решать задачи АСУТП. Могут быть использованы с нормально замкнутым или разомкнутым контактом. Принцип действия базируется на редактировании параметров магнитного поля, которое создаётся катушкой индуктивности, что внутри датчика. Но все тонкости настолько многочисленны, что необходимо их обсудить отдельно.

Принцип действия

Всё базируется на изменении амплитуды колебаний используемого в индуктивном датчике генератора, когда в активную зону вносится предмет определённого размера из металлического, магнитного и ферро-магнитного материала. Так что использование может быть реализовано только с этими типами. Когда подаётся питание на конечный выключатель, расположенный в его области чувствительности, то образуется магнитное поле. Оно наводит в материале вихревые токи, влияние которых меняет амплитуду колебаний генератора. В конечном результате таких преобразований получается аналоговый выходной сигнал. Его величина меняется и зависит от расстояния между контролируемым предметом и датчиком. Триггер Шмитта превращает аналоговый сигнал в логический. Индуктивный датчик перемещения играет важную роль для механизмов, которые отслеживают изменение местоположения металлических деталей. Встретить подобные устройства вы можете в автомобильных конвейерах. Индуктивный датчик положения поможет определить, расположен ли предмет так, как должен. Если ответ отрицательный, то будут предприняты действия, предусмотренные программой, чтобы всё было так, как необходимо для полноценной и правильной работы конвейера.

Построение индуктивного датчика

Из чего состоит данный механизм? Бесконтактные индуктивные датчики имеют такие основные узлы:

1. Генератор. Создаёт электромагнитное поле, которое необходимо для взаимодействия с объектом.
2. Триггер Шмитта. Он обеспечивает гистерезис, когда происходит переключение.
3. Усилитель. Занимается увеличением амплитуды сигнала, чтобы он достиг необходимого значения.
4. Светодиодный индикатор. Информирует о состоянии выключателя. Также с его помощью обеспечивается контроль работоспособности и указывает на оперативность настройки.
5. Компаунд. Необходим для защиты от попадания вовнутрь воды и твердых частиц.
6. Корпус. С его помощью обеспечивается монтаж датчика и его защита от различных механических воздействий. Изготавливается из полиамида или латуни и комплектуется крепежными изделиями.

Определения

Когда необходимо использовать индуктивный датчик, следует разбираться и в терминологическом минимуме, который нужен для приятной и комфортной работы. Итак, что следует понимать:

1. Активная зона. Это область перед чувствительной поверхностью индуктивного датчика, где наибольшим образом сконцентрировалось магнитное поле. Диаметр данной площади обычно равен размеру самого прибора.
2. Номинальное расстояние переключения. Это теоретическая величина расстояния активной зоны, которая не учитывает разброс производственных параметров индуктивного датчика, температурный режим и подаваемое напряжение питания.
3. Рабочий зазор. Это расстояние, которое гарантирует надежную работу прибора в определённом диапазоне напряжения и температуры.
4. Поправочный коэффициент. Это показатель, который корректирует значение рабочего зазора, в зависимости от вида металла, из которого был создан объект воздействия.

Достоинства

Почему индуктивные датчики пользуются значительной популярностью? Этому способствует целый ряд параметров, которыми они обладают:

1. Прочность и простота конструкции, а также отсутствие скользящих контактов.
2. Индуктивный датчик может быть подключен к источникам промышленной частоты.
3. Имеют довольно большую выходную мощность, которая может составлять десятки Ватт.
4. Обладают значительной чувствительностью.

Погрешности

Но при всех плюсах индуктивные датчики имеют и минусы. Самый главный из них - это погрешность. Выделяют такие недостатки:

1. Погрешность, которая зависит от нелинейной характеристики. В приборе используется принцип индуктивного преобразования величины, что базируется на работе датчиков, которые имеют свой диапазон, из-за чего и возникает данная проблема.
2. Температурная погрешность. Является случайной составляющей. Поскольку работа прибора зависит от температуры используемых датчиков, то погрешность может достигать значительных значений. Поэтому высокую важность имеет среда работы механизма. Работа индуктивного датчика обычно осуществляется при показателе в 25 градусов в хорошо вентилируемом помещении. Значительное изменение температуры в большее или меньшее значение является нежелательным.
3. Погрешность из-за влияния других электромагнитных полей. Является случайной составляющей. Возникает из-за того, что на индуктивный датчик действуют внешние электромагнитные поля, которые могут сильно влиять на работу прибора. Чтобы избежать таких случаев, в промышленности электроустановки почти всегда используют частоту в 50 Гц.

Для минимизации вероятности возникновения погрешности необходимо качественно прорабатывать все нюансы.

Работа на производственных предприятиях требует частичной или полной автоматизации системы. Для этого используются различные приспособления, обеспечивающие бесперебойное функционирование. Приспособления из металла довольно часто контролируют индуктивные бесконтактные датчики, имеющие свои преимущества и недостатки. Они имеют небольшой размер и хорошо выполняют свою функцию при условии правильного подключения.

Общие сведения

Индукционный датчик представляет собой специальное приспособление, относящееся к бесконтактным. Это значит, что для определения местоположения объекта в пространстве ему не требуется непосредственный контакт с ним. Благодаря такой технологии, возможна автоматизация производственного процесса.

Как правило, приспособление применяется в различных линиях и системах на крупных заводах и фабриках. Его также можно использовать в качестве конечного выключателя. Прибор отличается высоким качеством и надежностью , работает даже в сложных условиях. Оказывает воздействие только на металлические предметы, поскольку другие материалы к нему нечувствительны.

Приспособление довольно устойчиво к агрессивным химическим веществам, широко применяется в машиностроительной, пищевой и текстильной промышленности. Аэрокосмическая, военная и железнодорожная отрасль также не обходится без этих датчиков.

Важность прибора делает его востребованным, поэтому множество компаний по всему миру выпускает различные модели со стандартным и расширенным набором функций, в разной ценовой категории.

Устройство прибора

Индуктивный датчик состоит из нескольких взаимосвязанных между собой узлов, которые и обеспечивают его бесперебойную работу. Основные детали приспособления следующие:

Все элементы расположены в корпусе, изготовленном из латуни или полиамида. Эти материалы считаются очень прочными для того, чтобы защитить сердцевину от отрицательного воздействия условий производства. Благодаря надежности конструкции, датчик способен выдержать значительную нагрузку и при этом корректно функционировать.

Принцип работы

Благодаря специальному генератору, выдающему особые колебания, осуществляется работа устройства. При попадании в поле его действия предмета, сделанного из металла, подается сигнал на блок управления.

Работа приспособления начинается после включения, которое даёт толчок к образованию магнитного поля. Это поле в свою очередь оказывает влияние на вихревые токи, меняющие амплитуду колебаний генератора, который первым реагирует на любые изменения.

Как только поступает сигнал, начинается обработка его в других узлах устройства. Сила этого сигнала во многом зависит от размера предмета, попавшего в поле действия приспособления, а также расстояния, на котором он находится. Следующим этапом будет преобразование аналогового сигнала в логический. Только так возможно точно определить его значение.

Особую роль играют такие датчики на производстве , где металлические детали должны идти по линии в определенном положении. Прибор может фиксировать его и при обнаружении любого, даже незначительного отклонения сигнализирует на главный пульт управления.

Как правило, чтение результатов функционирования устройства осуществляет специалист, выполняющий также роль контролера, наблюдающего за бесперебойной работой всей системы.

Основные определения

Для контроля работы устройства и чтения его сигналов существует несколько определений. Наиболее важными считаются следующие:

Благодаря этим определениям, возможно настроить приспособление для получения максимально точных данных, играющих важную роль в производственном процессе.

Преимущества и недостатки

Индукционные датчики имеют свои достоинства и недостатки, как и любое другое устройство. Главным преимуществом считается простота конструкции, не требующая сложной настройки и не нуждающаяся в особых условиях для монтирования. Приспособление не имеет скользящих контактов, сделано из прочного материала и может на протяжении длительного времени работать без перерыва.

Стоит также отметить, что прибор очень редко выходит из строя, и ремонт его не представляет сложности. Именно поэтому его часто устанавливают на предприятиях, где необходим почти круглосуточный контроль за производственным процессом. Бесконтактное подключение позволяет без проблем осуществлять соединение с промышленной системой напряжения.

Важным преимуществом считается высокая чувствительность, позволяющая устанавливать датчики на производстве, где работают с металлическими предметами из разных сплавов.

Несмотря на все достоинства приспособления, существуют и некоторые недостатки. Наиболее важным считаются погрешности, которые прибор выдает в работе. Нелинейный тип погрешности проявляется вследствие того, что прибор имеет свой показатель индуктивной величины, который может отличаться от значения тех предметов, на которые он реагирует. Именно поэтому датчик может реагировать на металл некорректно и подавать неверные сигналы.

Часто встречается температурная погрешность, связанная со значительным понижением или повышением температуры в производственном помещении. Инструкция к прибору предполагает его правильное функционирование при показателе +25 градусов. При отклонении значения в ту или иную сторону нарушается работа приспособления.

Одной из случайных погрешностей считается изменение показаний датчика вследствие воздействия на него электромагнитного поля других приборов. Для того чтобы избежать подобных ситуаций, на всех производствах установлен стандарт частоты электроустановок, составляющий 50 Гц. В этом случае риск возникновения погрешности из-за постороннего электромагнитного излучения снижается к минимуму. Исключить любые нарушения в работе устройства можно путем предварительной проработки деталей.

Способы подключения

В зависимости от типа устройства, отличаются и способы его подключения, поскольку определенные разновидности имеют разное количество проводов. Двухпроводные считаются наиболее простым, но и самым проблематичным вариантом. Включаются непосредственно в цепь токовой нагрузки. Для правильного проведения манипуляции необходимо номинальное сопротивление нагрузке. В случае его снижения или повышения приспособление начинает функционировать неправильно. Важным моментом будет подключение к сети, при котором необходимо соблюдать полярность.

Трехпроводные считаются наиболее популярными и простыми в подключении. Одни провода подсоединяются к нагрузке, а два других к источнику напряжения. Благодаря этому исключается вероятность реакции прибора на номинальное сопротивление в виде некорректной работы.

Существуют также датчики с четырьмя и пятью проводами. При их установке подключение двух проводов осуществляется к источнику напряжения, два - к нагрузке. Если присутствует пятый шнур, то есть возможность выбора подходящего режима работы.

Обычно провода обозначаются разными цветами с целью облегчения монтажа и последующего обслуживания датчика. Минус и плюс обозначены синим и красным цветом соответственно. Выход всегда маркируется черным цветом. Существуют устройства, в которых два выхода. Второй обычно белый и может служить также для входа. Эти нюансы указаны в инструкции по эксплуатации индуктивного датчика.

Корпус устройства может быть изготовлен из разного материала, иметь цилиндрическую, квадратную или прямоугольную форму. Наиболее распространенным считается первый вариант.

Правила выбора

Индукционный датчик считается важным элементом на многих предприятиях, поэтому к его выбору следует подойти очень ответственно. Рекомендуется соблюдать следующие правила:

Важный параметр - стоимость прибора. Зависит она чаще всего от фирмы-производителя и некоторых дополнительных функций, которые встроены в датчик. Однако существенной разницы в работе у устройств из разной ценовой категории не отмечается.

Популярные модели

Сегодня на рынке представлено множество моделей индуктивных датчиков. Наиболее востребованными считаются различные приборы от российской компании ТЕКО. Они отличаются хорошим качеством, отличными техническими характеристиками, простотой монтажа и эксплуатации. Главное достоинство устройств компании - демократичная цена.

Стоимость простых моделей начинается с 850 рублей, и за эти деньги прибор работает без нареканий. Выпускаются и более дорогие датчики с ценой от 2 до 5 тысяч рублей. Они обычно устанавливаются на крупных производствах, где необходима высокая точность и бесперебойная работа.

Индукционный датчик считается одним из лучших бесконтактных устройств, применяемых на различных заводах, фабриках и других предприятиях. Высокое качество и точность прибора делает его востребованным и необходимым.

Индуктивный датчик - это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении индуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие изменения магнитного сопротивления R М магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.

Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1мкм до 20мм. 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”.

Возможные области применения датчиков чрезвычайно разнообразны, можно выделить лишь отдельные сферы:

промышленная техника измерения и регулирования,

робототехника,

автомобилестроение,

бытовая техника,

медицинская техника.

Достоинства :

Простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;

Возможность подключения к источникам промышленной частоты;

Относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);

Значительная чувствительность.

Недостатки :

- точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;

Возможна работа только на переменном токе.

Типы преобразователей и их конструктивные особенности

По схеме построения датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две.

Тип датчика		Переменный зазор	Переменная площадь зазора	Соленоидные
Индуктивные	Одинарные
	Дифференциальные
Взаимоиндуктивные	Одинарные
	Дифференциальные

В дифференциальном 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, индуктивность катушки:

,

где W – число витков; Ф – пронизывающий ее магнитный поток; – проходящий по катушке ток. Ток связан с МДС
соотношением:

.

Откуда получаем:

,

где
– магнитное сопротивление преобразователя.

Рассмотрим, например, одинарный индуктивный датчик. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величены воздушного зазора.

Состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3- удерживается пружинами.

На обмотку 2 через сопротивление нагрузки R н подается напряжение питания переменного тока.

Ток в цепи нагрузки определяется как:

где r д - 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

которая зависит от величены воздушного зазора .

Т.о. , каждому значению  соответствует определенное значение I , создающего падение напряжения на сопротивлении R н:

U вых =IR н -

представляет собой выходной сигнал датчика.

Можно вывести аналитическую зависимость U вых =f(, при условии что зазор достаточно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа R мж по сравнению с магнитным сопротвлением воздушного зазора R мв .

Приведем конечное выражение:

В реальных устройствах активное сопротивление цепи намного меньше индуктивного, тогда выражение сводится к виду:

Т.о. зависимость U вых =f(  имеет линейный характер (в первом приближении).

Реальная характеристика имеет вид :

Отклонение от линейности в начале объясняется принятым допущением R мж  R мв .

При малых  магнитное сопротивление железа соизмеримо с магнитным сопротивлением воздуха.

Отклонение при больших  объясняются тем, что при больших  R L становится соизмеримой с величиной активного сопротивления - R н +r д .

В целом рассмотренный 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 I 0 ,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 (реверсивные) индуктивные датчики (ДИД)

ДИД представляет собой совокупность двух нереверсивных датчиков и выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками. Для ДИД необходимы два раздельных источника питания, для чего обычно используется разделительный трансформатор 5.

По форме магнитопровода могут быть ДИД с магнитопроводом Ш- образной формы, набранные из мостов электротехнической стали (при частотах выше 1000Гц применяются железо- никелевые 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 ДИД 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 с обеих? одинаковы, индуктивные сопротивления катушек 3 и 3 одинаковы следовательно величины токов в катушках равныI 1 =I 2 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 токI 1 -I 2 ,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 датчика имеет вид:

Полярность выходного тока остается неизменной независимо от знака изменения полного сопротивления катушек(для схемы Рис.1). 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 ДИД 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 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 преобразователя.

Расчет индуктивных датчиков перемещений

Целью расчета индуктивного измерительного преобразователя является определение его конструктивных параметров по заданным метрологическим характеристикам или расчет метрологических ха­рактеристик данной конструкции индуктивного измерительного пре­образователя.

Эти расчеты связаны с теорией электромагнитных це­пей. Основными метрологическими характеристиками индуктивного измерительного преобразователя являются:

1) диапазон измерения с допустимой погрешностью
;

2) чувствительность преобразования (относительная)
;

3) погрешность преобразования (относительная) .

В качестве конструктивных параметров индуктивного преобра­зователя, определяющих его метрологические характеристики, не­обходимо учитывать геометрические размеры магнитопровода и его материал, геометрические размеры и число витков катушки преоб­разователя.

С точки зрения расчета индуктивные измерительные преобразо­ватели можно разделить на три вида: преобразователи с переменной длиной немагнитных зазоров в магнитопроводе, преобразователи с переменной площадью немагнитных зазоров в магнитопроводе и соленоидные преобра­зователи.

Выходной величиной индуктивного измерительного преобразователя является его полное сопротивление, модуль которого определяется зависимостью
, где
– добротность преобразователя.

Индуктивность преобразователя в первую очередь зависит от конструктивных параметров преобразователя и электромагнитных характеристик его элементов (в рабочем диапазоне частот). Величиныисущественно зависят ещё и от режима работы преобразователя и, в частности, от частоты. В связи с этим модуль полного сопротивления преобразователябудет определенной величиной только для фиксированного режима работы преобразователя.

С другой стороны, характерной особенностью добротности является слабая зависимость этой величины (в рабочем диапазоне режимов преобразователя) от режима работы преобразователя и входной величины.

Приведенные рассуждения показывают целесообразность применения для характеристики индуктивного измерительного преобразователя двух достаточно стабильных величин и.

При этом с небольшой погрешностью результата в практических случаях можно принять
и вместо зависимости
рассматривать зависимость
, приняв последнюю в качестве функции преобразования индуктивного измерительного преобразователя.

Применяемые методы расчета индуктивных преобразователей базируются на теории магнитных цепей с зазорами. Исходными являются следующие расчетные соотношения: магнитный поток в магнитопроводе
, где
– намагничивающая сила обмотки преобразователя,– магнитное комплексное сопротивление магнитопроводов и зазоров;

индуктивность преобразователя
, где
– число витков обмотки преобразователя.

Решение задачи сводится к определению магнитного сопротивления магнитной цепи. Последнее складывается из магнитного сопротивления ферромагнитных и немагнитных участков цепи
, где,
– полное активное магнитное сопротивление и полное реактивное магнитное сопротивление.

Для нахождения и
предлагаются следующие соотношения:

;
,

где
,
– удельное активное и реактивное магнитные сопротивления,,– длина и площадь сечения однородных участков магнитопровода.

Удельное активное сопротивление
учитывает магнитные свойства вещества магнитопровода и определяется из соотношения

.

Удельное реактивное магнитное сопротивление
учитывает потери в магнитопроводе, в первую очередь от вихревых токов, в значительной мере определяется не только материалом магнитопровода, но и его конструкцией. При слабо выраженном поверхностном эффекте в магнитопроводе преобразователя допустимо при расчете принимать
. С учетом сказанного при практических расчетах часто принимают

, где,– длина и площадь сечения немагнитных зазоров.

Схемы включения индуктивных датчиков

Схема включения индуктивного датчика перемещений осущест­вляет его согласование с электрическим вторичным измерительным преобразователем и преобразует изменение полного сопротивления датчика в изменение электрического тока или напряжения. Электри­ческие вторичные измерительные преобразователи индуктивных из­мерительных устройств являются общими для самых разнообраз­ных электрических устройств, предназначенных для измерения раз­личных неэлектрических величин.

В любую схему включения индуктивный датчик размера мо­жет входить либо непосредственно, либо в составе резонансного контура параллельного или последовательного. Применение вклю­чения датчика в резонансный контур позволяет в ряде случаев по­высить чувствительность измерения и улучшить линейность харак­теристики датчика. С этой точки зрения все схемы включения - ин­дуктивных датчиков можно разделить на безрезонансные, в кото­рых индуктивный датчик включен в схему непосредственно, и резо­нансные, в которых индуктивный датчик входит в схему в составе колебательного контура.

Независимо от предыдущего деления применяют следующие типы схем включения индуктивных датчиков:

последовательную (схема генератора тока);

схему делителя напряжения;

мостовую;

частотную;

трансформаторную.

Применяемый тип схемы зависит от того, какой датчик при­меняется - индуктивный или взаимоиндуктивный. Кроме того, вид схемы одного и того же типа изменяется при включении простого и дифференциального датчика.

Последовательные схемы включения

В

Рисунок 4.8.1.1

арианты последователь­ных схем показаны на рисунке 4.8.1.1. Индуктивный датчикпитается переменным напряжением. Величина тока в датчике при по­стоянной величине питающего напряжения будет зависеть от его сопротивления:
, где
– круговая частота питания схемы,
– добротность датчика,– сопротивление потерь датчика,– частота питающего датчик тока.

Чувствительность преобразования последовательной схемы

.

Изменение тока (выходной сигнал) при изменении полного со­противления датчика

,

где
– коэффициент преобразования схемы включения.

Схема чувствительна к изменению напряжения питания и частоты питающего тока Используя простую последовательную схему включения индук­тивного датчика, нельзя получить высокую чувствительность и точ­ность измерений.

Последовательная схема может быть безрезонансной и резонансной (см. 4.8.1.1 в). В резонансной схеме ток в цепи будет определяться сопротивлением резонансного контура, состоящего из индуктивности датчика и конденсатора. При измененииэто сопротивление меняется, вызывая изменение тока.

Если частота питающего напряжения совпадает с собствен­ной частотой колебательного контура
, то сопротивление последовательного колебательного контура мини­мально, а параллельного – максимально. При изменении индуктивности датчика равенство частот будет нарушено, и сопротивление

последовательного контура будет увеличиваться, а па­раллельного – уменьшаться. Соответствующим образом будет из­меняться и ток в цепи. Чувствительность резонансной последова­тельной схемы в несколько раз выше чувствительности безрезонанс­ной последовательной схемы.

Вариант последовательной схемы для включения дифференци­ального датчика показан на рисунке 4.8.1.2. Каждая половина датчикаипитается переменным током с напряжением. При из­менении измеряемого размера одна индуктивность уменьшается, а другая увеличивается на одну и ту же величину. Соответствующим образом изменяются токи в цепях обмоток датчиков. Эти токи ивыпрямляются диодами
и
и во встречной полярности протекают через измеритель токаА. Измеритель тока будет показывать разницу токов в цепях обмоток и
. При равенстве полных сопротивлений
токи в их цепях будут равны, и амперметрА покажет нуль. При измене­нии измеряемого размера равенство сопротивлений нарушится, и показания амперметра будут отличаться от нуля.

Направление тока через амперметр будет зависеть от того, в цепи какой катушки илиток в данный момент больше.

Такие схемы включения дифференциальных индуктивных дат­чиков, которые реагируют не только на величину смещения изме­рительного стержня из нулевого положения, но и на направление смещения, называют фазочувствительными.

Схемы делителей напряжения

При включении по схеме дели­теля напряжения датчик включается в цепь последова­тельно с некоторым постоянным сопротивлением , которое в об­щем виде может быть комплексным. Добавочным сопротивлением может служить, например, резистор, индуктивность или емкость (см. рис. 4.8.2.1). При питании цепи переменным напряжением, напряжение на дат­чике, измеряемое вольтметромV того или иного типа, будет зави­сеть от полного сопротивления датчика. Если соблюдается условие
, то

,

откуда следует, что напряжение на датчике прямо пропорционально величине его индуктивности.

Чувствительность по напряжению схемы

.

Выходной сигнал схемы включения при изменении полного со­противления датчика

С другой стороны, выходное напряжение схемы делителя напря­жения зависит также от величины напряжения питания и час­тоты питающего тока. Нетрудно убедиться, что
и
; следовательно, стабильность источника питания по часто­те и напряжению определяет погрешность преобразования измери­тельного сигнала схемой делителя напряжения.

Включение дифференциального датчика в схему делителя напря­жения показано на рисунке 4.8.2.2. Обмот­ки датчика иобразуют делитель напряжения, питаемый переменным током.

При изменении индуктивностей обмоток будет из­меняться их полное сопротивление и падение напряжения на обмотках. Это падение напряжения выпрям­ляется диодами
и
. Конден­саторы и служат для сгла­живания пульсаций выпрямленного напряжения, а резисторы ,,являются сопротивлениями на­грузки для выпрямителей.

Показывающий вольтметр V подключен к одноименным полюсам выпрямителей. В этом случае он будет пока­зывать разницу напряжений на обмотках датчика и. Когда индуктивности обмоток равны, равны и их полные сопротивления и падения напряжения на них. Вольтметр при этом покажет нуль. Ре­гулировка нулевых показаний вольтметра при настройке может осу­ществляться переменным резистором.

Мостовые схемы

Весьма широкое распространение для вклю­чения индуктивных датчиков нашла мостовая схема включения в различных вариантах (см. рис. 4.8.3.1). Общий вид мостовых схем включения недиф­ференциального индуктивного датчика показан на рисунке. Если соблюдается условие

где– фазовый угол соответствующего комплексного сопротив­ления, то выходное напряжениеравно нулю, и мост в этом слу­чае сбалансирован или уравновешен. Условие равновесия мостовой схемы формулируется следующим образом: «для равновесия мос­товой схемы необходимо, чтобы произведения модулей комплексных сопротивлений накрест лежащих плеч моста, а также суммы их углов фазовых сдвигов были равны между собой». При изменении индуктивности датчика условие равновесия мос­та нарушается, и выходное напряжение моста пропорционально из­менению индуктивности.

Плечи мостовой схемы в общем случае являются комплексными сопротивлениями и в конкретных схемах включения могут быть реа­лизованы включением резисторов, индуктивностей или емкостей. Пример реализации мостовой схемы приведен на рисунке 4.8.3.1 б). Одним плечом моста является индуктивность датчика , второе плечо – компенсационная индуктивность, третье и четвертое – образова­ны резисторами ,и. Для резисторов фазовый угол
. Для индуктивностей
. В связи с этим удается обеспечить усло­вие равновесия мостовой схемы. Балансировка мостовой схемы для определенного значенияпри настройке осуществляется резисто­ром или изменением компенсационной индуктивности .

Мостовые схемы с компенсационной индуктивностью не всегда удобны при практическом исполнении. В этом отношении проще схемы на резистивно-емкостных элементах (см. рис. 4.8.3.1 в). Конденса­тор введен в схему для того, чтобы можно было обеспечить ра­венство сумм фазовых углов накрест лежащих плеч моста. Регу­лировкой резистора устанавливается требуемый угол фазового сдвига плеча, составленного резисторами , , частично и конденсатором и накрест лежащего по отношению к плечу с . Регулировкой резистора добиваются выполнения условия равен­ства произведений модулей сопротивлений накрест лежащих плеч. Таким образом оба регулировочных элемента и одновремен­но используются для балансировки мостовой схемы.

Мостовая схема используется и для включения дифференци­альных датчиков. В схеме на рисунке 4.8.3.2 а) два плеча моста образованы индуктивностями обмоток дифференциального датчика, а два других резисторами ,и. Поскольку катушки датчика имеют одинаковую конструкцию и одинаковые параметры, то для них углы фазовых сдвигов близки, и второе условие равновесия мостовой схемы обеспечивается автоматически.

Для балансировки мостовой схемы при неравных значениях индуктивностей ив процессе настройки служит резистор, которым добиваются выполнения первого условия равновесия мостовой схемы.

Вмостовой схеме, приведенной на рисунке 4.8.3.2 б), плечами моста являются индуктивности датчика и, а также обмотки тран­сформатора
и резистор . В этой схеме указатель подключен к измерительной диагонали моста через трансформатор
. Такое включение позволяет наилучшим образом согласовать между со­бой выходное сопротивление мостовой схемы и сопротивление из­мерителя для получения наибольшей чувствительности.

Резистор служит для балансировки мостовой схемы при настройке.

На рисунке 4.8.3.2 в), в приведена схема, аналогичная показанной на рисунке 4.8.3.2 а), а, но в данном случае изменено назначение диагоналей моста.

Все рассмотренные мостовые схемы работают в режиме неурав­новешенного моста, при котором изменение индуктивности датчика размера ведет к пропорциональному изменению выходного напря­жения на измерительной диагонали моста.

Выходное напряжение мостовой неуравновешенной схемы

,

где
– относительное изменение полного сопротивления одного плеча (обмотки датчика) мостовой схемы;– коэффициент пре­образования мостовой схемы (плечевой коэффициент).

Величина определяется соотношением углов фазовых сдви­гов комплексных сопротивлений смежных плеч.

Фазовые соотношения смежных плеч моста:

а – синфазные, б – квадратурные, в – противофазные.

С этой точки зрения мостовые схемы разделяются на

Для включения индуктивных датчиков размера на практике применяются только синфазные и квадратурные мостовые схемы, и, следовательно,
.

Выражение записано для модуля выходного напряжения без учета фазового сдвига. Из этого выражения нетрудно видеть, что стабильность выходного напряжения
зависит от стабиль­ности напряжения питания и частоты питания (в последнем случае при изменении частоты изменяется). При этом

,
.

Поскольку в общем виде первое условие равновесия мостовой схемы переменного тока можно записать

,

то функция преобразования уравновешенной мостовой схемы (при одном уравновешивающем плече ) будет иметь вид

и
.

При включении в мостовую схему дифференциального индуктив­ного датчика в выражения и следует подставлять ве­личину
, где
– относительное изменение полного сопро­тивления обмотки половины дифференциального датчика при вход­ном измеряемом перемещении
.

Частотная схема включения

Для преобразования индуктивно­сти датчика в частоту переменного тока применяют генераторные схемы (см. рис. 4.8.4). Основой генераторной схемы является колебатель­ный контур, составленный индуктивностью датчикаи постоян­ной емкостью.

Контур включен в схему электронного генера­тора Г, который генерирует переменное напряжение с частотой, рав­ной собственной частоте колебательного контура.

При изменении индуктивности датчика изменяется частота на выходе генератора, измеряемая частотомером. Частота генератора зависит в основном от индуктивности датчика и не зависит от его сопротивления по­терь (это верно только в первом приближении). Поскольку сопро­тивление потерь датчика обычно в большой степени зависит от различных внешних факторов, то избавление от его влияния на ре­зультаты измерения повышает точность измерений.

Генераторная схема может применяться для включения, как не­дифференциальных датчиков, так и дифференциальных. В последнем случае имеется два колебательных кон­тура, составленных каждой обмоткой датчика и конденсаторами и, и два генератора Г1 и Г2. Частоты с обоих генераторов ипоступают на смеситель, который выделяет разностную частоту. Эта разностная частота, в свою очередь, измеряется частотомером. Подбором емкостейи генераторы настраиваются так, чтобы в одном из крайних положений измерительного стержня дат­чика выполнялось условие
и
. Тогда показания часто­томера будут пропорциональны величине смещения измерительного стержня из крайнего положения.

Чувствительность преобразования частотной схемы включения

и относительная чувствительность

.

Сравнение чувствительности преобразования частотной схемы с чувствительностью других описанных схем показывает, что ее отно­сительная чувствительность в 2 раза ниже, как это следует из фор­мулы.

Трансформаторная схема включения

Взаимоиндуктивные дат­чики включаются по трансформаторной схеме. Трансфор­маторная схема включения недифференциального взаимоиндуктив­ного датчика показана па рисунке 4.8.5. Одна обмотка датчика пи­тается переменным напряжением постоянной величины . За счет магнитной связи между обмотками во второй обмотке наводится ЭДС, которая измеряется соответствующим вольтметром.

Изменение измеряемого размера приводит к изменению связи между обмотками и к изменению ЭДС на вторичной обмотке. Таким образом, ЭДС на выходе вторичной обмотки будет зависеть от из­меряемого размера.

Напряжение на вторичной обмотке
,

где
– взаимная индуктивность первичной и вторичной обмоток; – индуктивность первичной обмотки.

Если принять, что взаимная индуктивность М остается посто­янной, то выходной сигнал схемы включения

,

где
;
.

Последнее выражение справедливо при отсутствии нагрузки в цепи вторичной обмотки. Для цепи питания в этом случае нагрузкой является в основном полное сопротивление первичной обмотки.

Дифференциальная трансформаторная схема от­личается наличием двух вторичных обмоток у датчика. Измеритель­ный вольтметр в этом случае измеряет разность напряжений на обмотках.

Трансформаторная схема включения индуктивных датчиков весьма проста и практически не требует каких-либо дополнительных элементов. Однако конструкция датчика при этом усложняется, появляется потребность в нескольких обмотках и соответствующем количестве соединительных проводов.

Различные промышленные устройства предполагают использование всевозможных датчиков, которые отличаются своими особенностями и принципами работы. Одним из вариантов, получивших достаточно широкое распространение, является индуктивный датчик, который активно применяется в низовом оборудовании у различных систем, обеспечивающих автоматизированное управление линиями производства. Встретить такие датчики можно в устройствах, которые отвечают за работу линий пищевой и текстильной промышленности, предприятий машиностроения и многих других.

Что представляет собой датчик?

Этот датчик по своим особенностям работы относится к бесконтактному оборудованию, то есть, ему не требуется наличие физического контакта с объектом, чтобы определить его местоположение в пространстве. Индуктивный датчик обычно применяется в тех случаях, когда необходимо провести работу с металлическими объектами и предметами.

На другие материалы, соответственно, этот прибор не реагирует и пропускает их мимо своего поля деятельности. Основное направление использования этих устройств - всевозможные автоматизированные линии и системы. У них может присутствовать как замкнутый, так и разомкнутый контакт. Принцип действия у подобных устройств осуществляется за счет присутствия специальной катушки, которая создает магнитное поле, позволяющее взаимодействовать с металлами. У такой работы есть свои особенности и принципы, которые играют важную роль.

Как действует датчик?

Индуктивный датчик за счет своего внутреннего устройства имеет определенный принцип действия. В нем используется специальный генератор, который выдает определенную амплитуду колебаний. Когда в поле действия агрегата попадает объект, состоящий из металлического или ферромагнитного материала, то колебания начинают меняться, что и сигнализирует о наличии предмета. Из-за этого датчики работают только с подобными материалами и бесполезны в других случаях.

1. При начале работы на конечный выключатель подается питание, что способствует образованию магнитного поля. Именно оно влияет на вихревые токи, которые, в свою очередь, меняют амплитуду колебаний у работающего генератора.
2. Результат всех этих преобразований - получение выходного сигнала, который может варьироваться, в зависимости от расстояния между работающим датчиком и исследуемым предметом. Затем при помощи специального устройства аналоговый сигнал преображается в логический.
3. Индуктивный датчик также нужен, чтобы распознавать положение металлических предметов. Это может играть важную роль на производстве. Если по линии следуют изделия, на которых металлические детали должны быть расположены в определенном порядке, то датчики проконтролируют правильность этого расположения. В случае обнаружения ошибки устройство подаст сигнал на конвейер, и программа предпримет дальнейшие действия для устранения проблемы.

Конструкция устройства

Индуктивный датчик положения имеет своеобразное устройство и состоит из нескольких важных узлов, которые обеспечивают полноценную работу этого агрегата.

1. Важной деталью является генератор, именно он создает электромагнитное поле, которое помогает анализировать металлические предметы и определять их положение. Без этого поля работа была бы невозможной.
2. Также в работе используется такой специальный элемент, как триггер Шмидта - в его задачу входит преобразование сигнала, чтобы датчики могли взаимодействовать с другими элементами в системе и передавать информацию дальше.
3. Может использоваться усилитель - он нужен, чтобы получаемый сигнал достиг необходимого уровня для дальнейшей передачи.
4. В работе датчика применяются индикаторы на светодиодах, они помогают контролировать работу устройства, сигнализируя о том, что оно включилось, а также лампочки могут загораться при выполнении различных настроек системы.
5. Такое приспособление как компаунд защищает датчик от попадания внутрь воды и всяческих мелких частиц. Поскольку посторонние субстанции могут негативно сказаться на работе прибора и даже привести к его поломке, качественная защита является важным моментом.
6. Корпус - в нем помещаются все перечисленные внутренние элементы, которые собираются в единое целое. Сам корпус монтируется в нужном месте при помощи специальных креплений, позволяющих расположить его так, как это требуется для правильной и эффективной работы на линии. Кроме того, оболочка защищает детали от механических воздействий и повреждений, которые могут быть получены таким путем. Для этого корпуса датчиков изготавливают из латуни, либо полиамида - они являются достаточно надежными материалами.

Что следует знать о работе датчика?

Индуктивный датчик положения - это устройство со своей спецификой, поэтому в описании его работы и принципа действия часто используются специализированные определения:

1. Активная зона означает область, где степень воздействия магнитного поля проявляется в наибольшей степени. Она находится перед чувствительной поверхностью самого датчика, там уровень концентрации является самым высоким. Как правило, по размеру эта зона равна диаметру самого устройства.
2. Номинальное расстояние переключения. Такой параметр считается теоретическим, поскольку он не учитывает производственных особенностей, режим температуры, уровень напряжения и прочие факторы.
3. Рабочий зазор. Так обозначается тот диапазон параметров, который гарантирует эффективную и нормальную работу прибора без возникновения каких-либо проблем с его функционированием на производстве.
4. Поправочный коэффициент. Этот момент связан с тем, из какого материала сделан металлический объект, обследуемый датчиком, поскольку в зависимости от этого может быть скорректировано значение рабочего зазора.

Достоинства и недостатки

Как и различные другие приборы, эти обладают своими плюсами и минусами, которые становятся заметными в эксплуатации. Датчики стали довольно популярными благодаря тому, что у них есть несколько важных преимуществ.

1. Конструкция этих агрегатов достаточно простая, она не содержит каких-то сложных элементов, требующих особой настройки. За счет этого датчики обладают высокой прочностью и надежностью, нечасто ломаются и могут постоянно использоваться на производстве. Также удобно, что у них не имеется скользящих контактов.
2. Особенности устройства позволяют подключать приборы к промышленной системе напряжения без всяких проблем.
3. Обладают хорошей чувствительностью, поэтому их можно использовать при работе с различными металлическими объектами.

К минусам можно отнести то, что при работе датчики могут выдавать погрешности из-за наличия различных факторов. На них может влиять температура, а также воздействие других полей похожего типа. Поэтому для качественной работы нужно обеспечить подходящие условия, которые не мешали бы датчикам правильно функционировать.

Индуктивный датчик является очень распространенным устройством, входящим в состав низового оборудования в автоматизированных системах управления производством. Устройства широко применяются в машиностроении, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности.

Наиболее эффективно приборы используются в станках в качестве конечных выключателей, а также в автоматических линиях.

При этом индуктивные датчики реагируют только на металлы, оставаясь нечувствительными к другим материалам. Данное свойство позволяет увеличить защищенность устройств от помех, вводя в их зону чувствительности различные смазки, эмульсии и другие вещества, что не вызовет ложного срабатывания.

Объектами, на которые воздействует индуктивный являются различные металлические детали: кулачки, ползуны, зубья шестеренок. Во многих случаях может применяться прикрепленная к деталям оборудования пластина.

По статистике, из всех используемых датчиков положения более 90 процентов приходится на индуктивные устройства.

Это можно объяснить их отличными эксплуатационными характеристиками, низкой стоимостью и одновременно высокой надежностью, чего нельзя сказать о других приборах.

Бесконтактный выключатель (индуктивный датчик) работает по следующим принципам. Входящий в состав производит электромагнитное поле, которое взаимодействует с объектом. Необходимую длительность сигнала управления и гистерезис при переключении обеспечивает триггер. Усилитель позволяет увеличить до необходимого значения амплитуду сигнала.

Расположенный в датчике световой индикатор обеспечивает оперативность настройки, контроль работоспособности и показывает состояние выключателя. Для защиты от проникновения в устройство воды и твердых частиц используется компаунд. Корпус изделия позволяет монтировать индуктивный и защищает приспособление от механических воздействий. Его изготавливают из полиамида или латуни, комплектуя метизными компонентами.

В процессе работы устройства при подаче напряжения генератора создается переменное магнитное поле, которое располагается перед активной поверхностью выключателя. При попадании в зону чувствительности объекта воздействия происходит снижение качества контура и амплитуды колебаний. В результате происходит срабатывание триггера и изменяется состояние выхода выключателя.

Индуктивный датчик имеет некоторые особенности применения. Он может распознавать различные группы металлов, благодаря отсутствию износа и механического воздействия является долговечным приспособлением. Устройства комплектуют с помощью механизмов защиты от короткого замыкания и перегрузок.

Они имеют стойкость к высокому давлению, впускаются в различных вариантах для применения при высоких (до 150 С o) и низких (от - 60 С о) температурах. Индуктивный датчик обладает устойчивостью к активным химическим средам, может иметь аналоговый или дискретный выход для определения положения относительно устройства объекта воздействия.

← Вернуться