Επαγωγικοί αισθητήρες

Ένας επαγωγικός αισθητήρας είναι ένας μετατροπέας παραμετρικού τύπου του οποίου η αρχή λειτουργίας βασίζεται στην αλλαγή επαγωγή L ή την αμοιβαία επαγωγή της περιέλιξης με τον πυρήνα, λόγω αλλαγής της μαγνητικής αντίστασης RM του μαγνητικού κυκλώματος του αισθητήρα στο οποίο εισέρχεται ο πυρήνας.

Οι επαγωγικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία για τη μέτρηση μετατοπίσεων και καλύπτουν το εύρος από 1 μm έως 20 mm. Είναι επίσης δυνατή η χρήση επαγωγικού αισθητήρα για τη μέτρηση πιέσεων, δυνάμεων, ρυθμών ροής αερίων και υγρών κ.λπ. Σε αυτή την περίπτωση, η μετρούμενη τιμή μετατρέπεται χρησιμοποιώντας διάφορα ευαίσθητα στοιχεία σε αλλαγή μετατόπισης και στη συνέχεια αυτή η τιμή τροφοδοτείται σε έναν επαγωγικό μορφοτροπέα μέτρησης.

Στην περίπτωση μέτρησης πίεσης, τα ευαίσθητα στοιχεία μπορούν να κατασκευαστούν με τη μορφή ελαστικών μεμβρανών, χιτώνιο κ.λπ. Χρησιμοποιούνται επίσης ως αισθητήρες εγγύτητας, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση διαφόρων μεταλλικών και μη μεταλλικών αντικειμένων χωρίς επαφή με την αρχή ναι ή όχι.

Πλεονεκτήματα των επαγωγικών αισθητήρων:

• απλότητα και αντοχή της κατασκευής, χωρίς συρόμενες επαφές.

• δυνατότητα σύνδεσης με πηγές συχνότητας ισχύος.

• σχετικά υψηλή ισχύς εξόδου (έως δεκάδες watt).

• σημαντική ευαισθησία.

Μειονεκτήματα επαγωγικών αισθητήρων:

• η ακρίβεια της λειτουργίας εξαρτάται από τη σταθερότητα της τάσης τροφοδοσίας κατά συχνότητα.

• η λειτουργία είναι δυνατή μόνο με εναλλασσόμενο ρεύμα.

Τύποι επαγωγικών μετατροπέων και σχεδιαστικά χαρακτηριστικά τους

Σύμφωνα με το σχέδιο κατασκευής, οι επαγωγικοί αισθητήρες μπορούν να χωριστούν σε απλούς και διαφορικούς. Ένας επαγωγικός αισθητήρας περιέχει έναν κλάδο μέτρησης, έναν διαφορικό ένα - δύο.

Σε έναν διαφορικό επαγωγικό αισθητήρα, όταν αλλάζει η μετρούμενη παράμετρος, η αυτεπαγωγή δύο πανομοιότυπων πηνίων αλλάζει ταυτόχρονα και η αλλαγή συμβαίνει κατά την ίδια τιμή αλλά με το αντίθετο πρόσημο.

Όπως είναι γνωστό, αυτεπαγωγή του πηνίου:

όπου W είναι ο αριθμός των στροφών. F — μαγνητική ροή που τη διαπερνά· I — το ρεύμα που διέρχεται από το πηνίο.

Το ρεύμα σχετίζεται με το MDS με την αναλογία:

Πού φτάνουμε:

όπου Rm = HL / Ф είναι η μαγνητική αντίσταση του επαγωγικού αισθητήρα.

Σκεφτείτε, για παράδειγμα, έναν μόνο επαγωγικό αισθητήρα. Η λειτουργία του βασίζεται στην ιδιότητα του τσοκ με διάκενο αέρα να αλλάζει την αυτεπαγωγή του καθώς αλλάζει η τιμή του διακένου αέρα.

Ο επαγωγικός αισθητήρας αποτελείται από έναν ζυγό 1, ένα πηνίο 2, έναν οπλισμό 3 — που συγκρατείται από ελατήρια. Μια τάση τροφοδοσίας εναλλασσόμενου ρεύματος παρέχεται στο πηνίο 2 μέσω της αντίστασης φορτίου Rn. Το ρεύμα στο κύκλωμα φορτίου ορίζεται ως:

όπου rd είναι η ενεργή αντίσταση του τσοκ. L είναι η αυτεπαγωγή του αισθητήρα.

Επειδή η ενεργή αντίσταση του κυκλώματος είναι σταθερή, τότε μια αλλαγή στο ρεύμα I μπορεί να συμβεί μόνο λόγω αλλαγής στην επαγωγική συνιστώσα XL = IRn, η οποία εξαρτάται από το μέγεθος του διακένου αέρα δ.

Σε κάθε τιμή δ αντιστοιχεί μια ορισμένη τιμή I, η οποία δημιουργεί πτώση τάσης στην αντίσταση Rn: Uout = IRn — είναι το σήμα εξόδου του αισθητήρα. Μπορείτε να εξαγάγετε την αναλυτική εξάρτηση Uout = f (δ) με την προϋπόθεση ότι το διάκενο είναι αρκετά μικρό και οι αδέσποτες ροές μπορούν να αγνοηθούν και η μαγνητοαντίσταση σιδήρου Rmw μπορεί να αγνοηθεί σε σύγκριση με τη μαγνητοαντίσταση του διακένου αέρα Rmw.

Εδώ είναι η τελική έκφραση:

Σε πραγματικές συσκευές, η ενεργή αντίσταση του κυκλώματος είναι πολύ μικρότερη από την επαγωγική, τότε η έκφραση μειώνεται στη μορφή:

Η εξάρτηση Uout = f (δ) είναι γραμμική (στην πρώτη προσέγγιση). Το πραγματικό χαρακτηριστικό έχει ως εξής:

Η απόκλιση από τη γραμμικότητα στην αρχή εξηγείται από την αποδεκτή υπόθεση Rmzh << Rmv.

Στο μικρό d, η μαγνητοαντίσταση του σιδήρου είναι ανάλογη με τη μαγνητοαντίσταση του αέρα.

Η απόκλιση στο μεγάλο d εξηγείται από το γεγονός ότι στο μεγάλο d RL γίνεται ανάλογο με την τιμή της ενεργού αντίστασης — Rn + rd.

Γενικά, ο θεωρούμενος επαγωγικός αισθητήρας έχει μια σειρά από σημαντικά μειονεκτήματα:

• η φάση του ρεύματος δεν αλλάζει όταν αλλάζει η κατεύθυνση κίνησης.

• εάν είναι απαραίτητο να μετρηθεί η μετατόπιση και προς τις δύο κατευθύνσεις, είναι απαραίτητο να ρυθμιστεί το αρχικό διάκενο αέρα και επομένως το ρεύμα I0, το οποίο είναι άβολο.

• το ρεύμα φορτίου εξαρτάται από το πλάτος και τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας.

• κατά τη λειτουργία του αισθητήρα, η δύναμη έλξης στο μαγνητικό κύκλωμα δρα στον οπλισμό, ο οποίος δεν εξισορροπείται με τίποτα και επομένως εισάγει σφάλμα στη λειτουργία του αισθητήρα.

Διαφορικοί (αναστρέψιμοι) επαγωγικοί αισθητήρες (DID)

Οι διαφορικοί επαγωγικοί αισθητήρες είναι ένας συνδυασμός δύο μη αναστρέψιμων αισθητήρων και κατασκευάζονται με τη μορφή συστήματος που αποτελείται από δύο μαγνητικά κυκλώματα με κοινό οπλισμό και δύο πηνία. Οι διαφορικοί επαγωγικοί αισθητήρες απαιτούν δύο ξεχωριστά τροφοδοτικά, για τα οποία συνήθως χρησιμοποιείται ένας μετασχηματιστής απομόνωσης 5.

Το σχήμα του μαγνητικού κυκλώματος μπορεί να είναι διαφορικοί επαγωγικοί αισθητήρες με μαγνητικό κύκλωμα σχήματος W, που στρατολογούνται από γέφυρες από ηλεκτρικό χάλυβα (για συχνότητες άνω των 1000 Hz, χρησιμοποιούνται κράματα σιδήρου-νικελίου-περμόλας) και κυλινδρικοί με πυκνό κυκλικό μαγνητικό κύκλωμα . Η επιλογή του σχήματος του αισθητήρα εξαρτάται από τον εποικοδομητικό συνδυασμό του με την ελεγχόμενη συσκευή. Η χρήση ενός μαγνητικού κυκλώματος σχήματος W οφείλεται στην ευκολία της συναρμολόγησης του πηνίου και στη μείωση του μεγέθους του αισθητήρα.

Για την τροφοδοσία του διαφορικού επαγωγικού αισθητήρα, χρησιμοποιείται ένας μετασχηματιστής 5 με έξοδο για το μεσαίο σημείο της δευτερεύουσας περιέλιξης. Μεταξύ αυτής και του κοινού άκρου των δύο πηνίων περιλαμβάνεται η συσκευή 4. Το διάκενο αέρα είναι 0,2-0,5 mm.

Στη μεσαία θέση του οπλισμού, όταν τα κενά αέρα είναι τα ίδια, οι επαγωγικές αντιστάσεις των πηνίων 3 και 3' είναι ίδιες, επομένως οι τιμές των ρευμάτων στα πηνία είναι ίσες με I1 = I2 και το προκύπτον Το ρεύμα στη συσκευή είναι 0.

Με μια μικρή απόκλιση του οπλισμού προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση, υπό την επίδραση της ελεγχόμενης τιμής X, οι τιμές των κενών και των επαγωγών αλλάζουν, η συσκευή καταγράφει το διαφορικό ρεύμα I1-I2, αυτό είναι συνάρτηση του οπλισμού μετατόπιση από τη μεσαία θέση. Η διαφορά στα ρεύματα καταγράφεται συνήθως χρησιμοποιώντας μια μαγνητοηλεκτρική συσκευή 4 (μικροαμπερόμετρο) με ένα κύκλωμα ανορθωτή Β στην είσοδο.

Τα χαρακτηριστικά του επαγωγικού αισθητήρα είναι:

Η πολικότητα του ρεύματος εξόδου παραμένει αμετάβλητη ανεξάρτητα από το πρόσημο της αλλαγής της σύνθετης αντίστασης των πηνίων. Όταν αλλάζει η κατεύθυνση απόκλισης του οπλισμού από τη μεσαία θέση, η φάση του ρεύματος στην έξοδο του αισθητήρα αλλάζει αντίστροφα (κατά 180 °). Όταν χρησιμοποιείτε ανορθωτές ευαίσθητους στη φάση, μια ένδειξη της κατεύθυνσης κίνησης του οπλισμού μπορεί να ληφθεί από τη μεσαία θέση. Τα χαρακτηριστικά ενός διαφορικού επαγωγικού αισθητήρα με φίλτρο συχνότητας φάσης είναι τα εξής:

Σφάλμα μετατροπής επαγωγικού αισθητήρα

Η χωρητικότητα πληροφοριών ενός επαγωγικού αισθητήρα καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το σφάλμα του κατά τη μετατροπή της μετρούμενης παραμέτρου. Το συνολικό σφάλμα ενός επαγωγικού αισθητήρα αποτελείται από μεγάλο αριθμό στοιχείων σφάλματος.

Μπορούν να διακριθούν τα ακόλουθα σφάλματα επαγωγικού αισθητήρα:

1) Σφάλμα λόγω μη γραμμικότητας του χαρακτηριστικού. Η πολλαπλασιαστική συνιστώσα του συνολικού σφάλματος Λόγω της αρχής της επαγωγικής μετατροπής της μετρούμενης τιμής, η οποία είναι η βάση της λειτουργίας των επαγωγικών αισθητήρων, είναι απαραίτητη και στις περισσότερες περιπτώσεις καθορίζει το εύρος μέτρησης του αισθητήρα. Υποχρεωτικό υπόκειται σε αξιολόγηση κατά την ανάπτυξη αισθητήρα.

2) Σφάλμα θερμοκρασίας. Τυχαίο συστατικό.Λόγω του μεγάλου αριθμού παραμέτρων που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία των εξαρτημάτων του αισθητήρα, το σφάλμα του εξαρτήματος μπορεί να φτάσει μεγάλες τιμές και είναι σημαντικό. Να αξιολογηθεί στο σχεδιασμό του αισθητήρα.

3) Σφάλμα λόγω της επίδρασης εξωτερικών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Η τυχαία συνιστώσα του συνολικού σφάλματος. Εμφανίζεται λόγω της επαγωγής EMF στην περιέλιξη του αισθητήρα από εξωτερικά πεδία και λόγω αλλαγής στα μαγνητικά χαρακτηριστικά του μαγνητικού κυκλώματος υπό την επίδραση εξωτερικών πεδίων. Σε βιομηχανικούς χώρους με ηλεκτρικές εγκαταστάσεις ισχύος, ανιχνεύονται μαγνητικά πεδία με επαγωγή Τ και συχνότητα κυρίως 50 Hz.

Δεδομένου ότι οι μαγνητικοί πυρήνες των επαγωγικών αισθητήρων λειτουργούν σε επαγωγές 0,1 — 1 T, το μερίδιο των εξωτερικών πεδίων θα είναι 0,05-0,005% ακόμη και αν δεν υπάρχει θωράκιση. Η είσοδος οθόνης και η χρήση διαφορικού αισθητήρα μειώνουν αυτή την αναλογία κατά περίπου δύο τάξεις μεγέθους. Έτσι, το σφάλμα λόγω της επίδρασης εξωτερικών πεδίων θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη μόνο κατά το σχεδιασμό αισθητήρων με χαμηλή ευαισθησία και με αδυναμία επαρκούς θωράκισης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτό το στοιχείο σφάλματος δεν είναι σημαντικό.

4) Σφάλμα λόγω της μαγνητοελαστικής επίδρασης. Προκύπτει λόγω της αστάθειας των παραμορφώσεων του μαγνητικού κυκλώματος κατά τη συναρμολόγηση του αισθητήρα (προσθετικό στοιχείο) και λόγω αλλαγών στις παραμορφώσεις κατά τη λειτουργία του αισθητήρα (αυθαίρετο εξάρτημα). Οι υπολογισμοί που λαμβάνουν υπόψη την παρουσία κενών στο μαγνητικό κύκλωμα δείχνουν ότι η επίδραση της αστάθειας των μηχανικών τάσεων στο μαγνητικό κύκλωμα προκαλεί αστάθεια του σήματος εξόδου του αισθητήρα παραγγελίας και στις περισσότερες περιπτώσεις αυτό το στοιχείο μπορεί να παραμεληθεί ειδικά.

5) Σφάλμα λόγω της επίδρασης του μετρητή τάσης του πηνίου.Τυχαίο συστατικό. Κατά την περιέλιξη του πηνίου του αισθητήρα, δημιουργείται μια μηχανική τάση στο σύρμα. Μια αλλαγή σε αυτές τις μηχανικές τάσεις κατά τη λειτουργία του αισθητήρα έχει ως αποτέλεσμα μια αλλαγή στην αντίσταση του πηνίου στο συνεχές ρεύμα και επομένως μια αλλαγή στο σήμα εξόδου του αισθητήρα. Συνήθως για σωστά σχεδιασμένους αισθητήρες, δηλαδή, αυτό το εξάρτημα δεν πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ειδικά.

6) Απόκλιση από το καλώδιο σύνδεσης. Εμφανίζεται λόγω της αστάθειας της ηλεκτρικής αντίστασης του καλωδίου υπό την επίδραση θερμοκρασίας ή παραμορφώσεων και λόγω της επαγωγής EMF στο καλώδιο υπό την επίδραση εξωτερικών πεδίων. Είναι η τυχαία συνιστώσα του σφάλματος. Σε περίπτωση αστάθειας της ίδιας της αντίστασης του καλωδίου, το σφάλμα του σήματος εξόδου του αισθητήρα. Το μήκος των καλωδίων σύνδεσης είναι 1-3 m και σπάνια περισσότερο. Όταν το καλώδιο είναι κατασκευασμένο από σύρμα χαλκού διατομής, η αντίσταση του καλωδίου είναι μικρότερη από 0,9 Ohm, αστάθεια αντίστασης. Δεδομένου ότι η αντίσταση του αισθητήρα είναι συνήθως μεγαλύτερη από 100 ohms, το σφάλμα στην έξοδο του αισθητήρα μπορεί να είναι τόσο μεγάλο όσο Επομένως, για αισθητήρες με χαμηλή αντίσταση λειτουργίας, το σφάλμα πρέπει να εκτιμηθεί. Σε άλλες περιπτώσεις, δεν είναι σημαντικό.

7) Σφάλματα σχεδιασμού.Προκύπτουν υπό την επίδραση των ακόλουθων λόγων: η επίδραση της δύναμης μέτρησης στις παραμορφώσεις των μερών του αισθητήρα (πρόσθετο), η επίδραση της διαφοράς στη δύναμη μέτρησης στην αστάθεια των παραμορφώσεων (πολλαπλασιαστική), η επίδραση της οδηγοί της ράβδου μέτρησης κατά τη μετάδοση του παλμού μέτρησης (πολλαπλασιαστική), η αστάθεια της μεταφοράς του παλμού μέτρησης λόγω κενών και οπισθοδρόμησης των κινούμενων μερών (τυχαία) Τα σφάλματα σχεδιασμού καθορίζονται κυρίως από ελαττώματα στο σχεδιασμό του μηχανικά στοιχεία του αισθητήρα και δεν είναι ειδικά για επαγωγικούς αισθητήρες. Η αξιολόγηση αυτών των σφαλμάτων πραγματοποιείται σύμφωνα με τις γνωστές μεθόδους για την αξιολόγηση των σφαλμάτων των κινηματικών μεταδόσεων των συσκευών μέτρησης.

8) Τεχνολογικά λάθη. Προκύπτουν ως αποτέλεσμα τεχνολογικών αποκλίσεων στη σχετική θέση των εξαρτημάτων αισθητήρων (πρόσθετο), της διασποράς των παραμέτρων των εξαρτημάτων και των πηνίων κατά την παραγωγή (πρόσθετο), της επίδρασης των τεχνολογικών κενών και της στεγανότητας στις συνδέσεις των εξαρτημάτων και στους οδηγούς ( αυθαίρετος).

Τα τεχνολογικά σφάλματα στην κατασκευή των μηχανικών στοιχείων της δομής του αισθητήρα δεν είναι επίσης ειδικά για τον επαγωγικό αισθητήρα. αξιολογούνται χρησιμοποιώντας τις συνήθεις μεθόδους για μηχανικές συσκευές μέτρησης. Τα σφάλματα στην κατασκευή του μαγνητικού κυκλώματος και των πηνίων του αισθητήρα οδηγούν σε διασπορά των παραμέτρων των αισθητήρων και σε δυσκολίες που προκύπτουν για τη διασφάλιση της εναλλαξιμότητας των τελευταίων.

9) Σφάλμα γήρανσης αισθητήρα.Αυτό το στοιχείο σφάλματος προκαλείται, πρώτον, από τη φθορά των κινούμενων στοιχείων της δομής του αισθητήρα και, δεύτερον, από τη μεταβολή με την πάροδο του χρόνου των ηλεκτρομαγνητικών χαρακτηριστικών του μαγνητικού κυκλώματος του αισθητήρα. Το σφάλμα πρέπει να θεωρείται τυχαίο. Κατά την αξιολόγηση του σφάλματος λόγω φθοράς λαμβάνεται υπόψη ο κινηματικός υπολογισμός του μηχανισμού του αισθητήρα σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση. Στο στάδιο του σχεδιασμού του αισθητήρα, σε αυτήν την περίπτωση, συνιστάται να ρυθμίσετε τη διάρκεια ζωής του αισθητήρα υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, κατά τις οποίες το πρόσθετο σφάλμα φθοράς δεν θα υπερβαίνει την καθορισμένη τιμή.

Οι ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες των υλικών αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι έντονες διαδικασίες αλλαγής των ηλεκτρομαγνητικών χαρακτηριστικών τελειώνουν εντός των πρώτων 200 ωρών μετά τη θερμική επεξεργασία και τον απομαγνητισμό του μαγνητικού κυκλώματος. Στο μέλλον, παραμένουν πρακτικά σταθερά και δεν παίζουν σημαντικό ρόλο στο συνολικό σφάλμα του επαγωγικού αισθητήρα.

Η παραπάνω θεώρηση των συνιστωσών του σφάλματος ενός επαγωγικού αισθητήρα καθιστά δυνατή την αξιολόγηση του ρόλου τους στον σχηματισμό του συνολικού σφάλματος του αισθητήρα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο καθοριστικός παράγοντας είναι το σφάλμα από τη μη γραμμικότητα του χαρακτηριστικού και το σφάλμα θερμοκρασίας του επαγωγικού μετατροπέα.