Индуктивни сензори

Индуктивни сензор је параметарски тип претварача чији је принцип рада заснован на промени индуктивност Л или међусобна индуктивност намотаја са језгром, услед промене магнетног отпора РМ магнетног кола сензора у које улази језгро.

Индуктивни сензори се широко користе у индустрији за мерење помака и покривају опсег од 1 μм до 20 мм. Такође је могуће користити индуктивни сензор за мерење притисака, сила, протока гаса и течности итд. У овом случају, измерена вредност се конвертује коришћењем различитих осетљивих елемената у промену помака и затим се ова вредност доводи у индуктивни мерни претварач.

У случају мерења притиска, осетљиви елементи се могу израдити у облику еластичних мембрана, чаура итд. Користе се и као сензори близине, који се користе за детекцију различитих металних и неметалних објеката на бесконтактни начин по принципу да или не.

Предности индуктивних сензора:

• једноставност и чврстоћа конструкције, без клизних контаката;

• могућност повезивања на изворе фреквенције напајања;

• релативно велика излазна снага (до десетина вати);

• значајна осетљивост.

Недостаци индуктивних сензора:

• тачност рада зависи од стабилности напона напајања по фреквенцији;

• рад је могућ само са наизменичном струјом.

Врсте индуктивних претварача и њихове карактеристике дизајна

Према конструкцијској шеми, индуктивни сензори се могу поделити на једноструке и диференцијалне. Индуктивни сензор садржи једну мерну грану, диференцијални - две.

Код диференцијалног индуктивног сензора, када се мерени параметар промени, индуктивност два идентична намотаја се мења истовремено и промена се јавља за исту вредност али са супротним предзнаком.

Као што је познато, индуктивност калема:

где је В број обртаја; Ф — магнетни ток који продире у њега; И — струја која пролази кроз калем.

Струја је повезана са МДС односом:

Где добијамо:

где је Рм = ХЛ / Ф магнетни отпор индуктивног сензора.

Размотрите, на пример, један индуктивни сензор. Његов рад се заснива на својству пригушнице са ваздушним зазором да мења своју индуктивност како се вредност ваздушног зазора мења.

Индуктивни сензор се састоји од јарма 1, завојнице 2, арматуре 3 — коју држе опруге. Напон напајања наизменичном струјом се доводи на калем 2 преко отпора оптерећења Рн. Струја у струјном колу је дефинисана као:

где је рд активни отпор пригушнице; Л је индуктивност сензора.

Пошто је активни отпор кола константан, онда до промене струје И може доћи само услед промене индуктивне компоненте КСЛ = ИРн, која зависи од величине ваздушног зазора δ.

Свакој вредности δ одговара одређена вредност И, која ствара пад напона на отпору Рн: Уоут = ИРн — је излазни сигнал сензора. Можете извести аналитичку зависност Уоут = ф (δ) под условом да је јаз довољно мали и да се залутали флуксови могу занемарити, а магнетоотпорност гвожђа Рмв може бити занемарена у поређењу са магнетоотпорношћу ваздушног јаза Рмв.

Ево коначног израза:

У стварним уређајима, активни отпор кола је много мањи од индуктивног, тада се израз своди на облик:

Зависност Уоут = ф (δ) је линеарна (у првој апроксимацији). Стварна карактеристика је следећа:

Одступање од линеарности на почетку објашњава се прихваћеном претпоставком Рмзх << Рмв.

При малом д, магнетоотпорност гвожђа је сразмерна магнетоотпорности ваздуха.

Одступање при великом д се објашњава чињеницом да при великом д РЛ постаје сразмерно вредности активног отпора — Рн + рд.

Генерално, разматрани индуктивни сензор има низ значајних недостатака:

• фаза струје се не мења када се промени правац кретања;

• ако је потребно мерити померање у оба смера, потребно је подесити почетни ваздушни зазор а самим тим и струју И0, што је незгодно;

• струја оптерећења зависи од амплитуде и фреквенције напона напајања;

• током рада сензора сила привлачења магнетног кола делује на арматуру која није ничим балансирана и стога уноси грешку у рад сензора.

Диференцијални (реверзибилни) индуктивни сензори (ДИД)

Диференцијални индуктивни сензори су комбинација два неповратна сензора и направљени су у виду система који се састоји од два магнетна кола са заједничком арматуром и два намотаја. Диференцијални индуктивни сензори захтевају два одвојена извора напајања, за шта се обично користи изолациони трансформатор 5.

Облик магнетног кола може бити диференцијално-индуктивни сензори са магнетним колом у облику слова В, регрутовани мостовима од електричног челика (за фреквенције изнад 1000Хз користе се легуре гвожђе-никл-пермола), и цилиндрични са густим кружним магнетним колом . Избор облика сензора зависи од његове конструктивне комбинације са контролисаним уређајем. Употреба магнетног кола у облику слова В је због погодности склапања завојнице и смањења величине сензора.

За напајање диференцијално-индуктивног сензора користи се трансформатор 5 са ​​излазом за средњу тачку секундарног намотаја. Између њега и заједничког краја два намотаја налази се уређај 4. Ваздушни зазор је 0,2-0,5 мм.

На средњем положају арматуре, када су ваздушни зазори исти, индуктивни отпори калемова 3 и 3' су исти, па су вредности струја у намотајима једнаке И1 = И2 и резултујућа струја у уређају је 0.

Са благим одступањем арматуре у једном или другом правцу, под утицајем контролисане вредности Кс, вредности празнина и индуктивности се мењају, уређај региструје диференцијалну струју И1-И2, ово је функција арматуре померање из средњег положаја. Разлика у струјама се обично снима помоћу магнетоелектричног уређаја 4 (микроамперметра) са исправљачким колом Б на улазу.

Карактеристике индуктивног сензора су:

Поларитет излазне струје остаје непромењен без обзира на предзнак промене импедансе калемова. Када се промени смер одступања арматуре од средњег положаја, фаза струје на излазу сензора се мења обрнуто (за 180 °). Када се користе фазно осетљиви исправљачи, индикација смера кретања арматуре се може добити из средњег положаја. Карактеристике диференцијалног индуктивног сензора са фазно-фреквентним филтером су следеће:

Грешка конверзије индуктивног сензора

Информациони капацитет индуктивног сензора је у великој мери одређен његовом грешком при претварању мереног параметра. Укупна грешка индуктивног сензора састоји се од великог броја компоненти грешке.

Могу се разликовати следеће грешке индуктивног сензора:

1) Грешка због нелинеарности карактеристике. Мултипликативна компонента укупне грешке.Због принципа индуктивне конверзије мерене вредности која је основа рада индуктивних сензора је суштинска и у већини случајева одређује мерни опсег сензора. Обавезно подлеже евалуацији током развоја сензора.

2) Температурна грешка. Случајни састојак.Због великог броја температурно зависних параметара компоненти сензора, грешка компоненте може достићи велике вредности и значајна је. Да се ​​процени у дизајну сензора.

3) Грешка услед утицаја спољашњих електромагнетних поља. Случајна компонента укупне грешке. Настаје услед индукције ЕМФ у намотају сензора спољним пољима и услед промене магнетних карактеристика магнетног кола под утицајем спољашњих поља. У индустријским просторијама са енергетским електричним инсталацијама детектују се магнетна поља са индукцијом Т и фреквенцијом углавном 50 Хз.

Пошто магнетна језгра индуктивних сензора раде на индукцијама од 0,1 — 1 Т, удео спољашњих поља ће бити 0,05-0,005% чак и у одсуству заштите. Унос екрана и употреба диференцијалног сензора смањују ову пропорцију за око два реда величине. Дакле, грешку услед утицаја спољашњих поља треба узети у обзир само при пројектовању сензора са ниском осетљивошћу и са немогућношћу довољне заштите. У већини случајева, ова компонента грешке није значајна.

4) Грешка због магнетоеластичног ефекта. Настаје услед нестабилности деформација магнетног кола при монтажи сензора (адитивна компонента) и услед промена у деформацијама током рада сензора (произвољна компонента). Прорачуни који узимају у обзир присуство празнина у магнетном колу показују да утицај нестабилности механичких напрезања у магнетном колу изазива нестабилност излазног сигнала сензора реда, а у већини случајева ова компонента се може посебно занемарити.

5) Грешка због ефекта мерача напона завојнице.Случајни састојак. Приликом намотавања намотаја сензора, у жици се ствара механичка напетост. Промена ових механичких напрезања током рада сензора резултира променом отпора завојнице на једносмерну струју, а самим тим и променом излазног сигнала сензора. Обично за правилно дизајниране сензоре, то јест, ову компоненту не треба посебно разматрати.

6) Одступање од прикључног кабла. Настаје услед нестабилности електричног отпора кабла под утицајем температуре или деформација и услед индукције ЕМФ у каблу под утицајем спољашњих поља. Је насумична компонента грешке. У случају нестабилности сопственог отпора кабла, грешка излазног сигнала сензора. Дужина прикључних каблова је 1-3 м и ретко више. Када је кабл направљен од бакарне жице попречног пресека, отпор кабла је мањи од 0,9 Охма, отпорност је нестабилна. Пошто је импеданса сензора обично већа од 100 ома, грешка у излазу сензора може бити велика као Стога, за сензоре са малим радним отпором, грешка се мора проценити. У другим случајевима то није значајно.

7) Грешке у дизајну.Настају под утицајем следећих разлога: утицаја мерне силе на деформације делова сензора (адитив), утицаја разлике мерне силе на нестабилност деформација (мултипликативно), утицаја мерне силе на деформације делова сензора. вођице мерног штапа при преносу мерног импулса (мултипликативно), нестабилност преноса мерног импулса услед зазора и зазора покретних делова (случајно).Грешке у пројектовању првенствено су одређене недостатцима у пројектовању мерног импулса. механичких елемената сензора и нису специфични за индуктивне сензоре. Процена ових грешака се врши према познатим методама за процену грешака кинематичких преноса мерних уређаја.

8) Технолошке грешке. Они настају као резултат технолошких одступања у релативном положају делова сензора (адитив), дисперзије параметара делова и калемова у току производње (адитив), утицаја технолошких зазора и затегнутости у спојевима делова и у вођицама ( произвољан).

Технолошке грешке у изради механичких елемената сензорске структуре такође нису специфичне за индуктивни сензор; процењују се уобичајеним методама за механичке мерне уређаје. Грешке у изради магнетног кола и сензорских калемова доводе до дисперзије параметара сензора и до потешкоћа које настају у обезбеђивању заменљивости ових последњих.

9) Грешка старења сензора.Ова компонента грешке је узрокована, прво, хабањем покретних елемената сензорске структуре и, друго, променом током времена електромагнетних карактеристика магнетног кола сензора. Грешку треба сматрати случајном. Приликом процене грешке услед хабања узима се у обзир кинематички прорачун сензорског механизма у сваком конкретном случају. У фази пројектовања сензора, у овом случају, препоручује се подешавање радног века сензора под нормалним радним условима, током којих додатна грешка хабања неће премашити наведену вредност.

Електромагнетна својства материјала се мењају током времена.

У већини случајева, изражени процеси промене електромагнетних карактеристика завршавају се у првих 200 сати након термичке обраде и демагнетизације магнетног кола. У будућности, они остају практично константни и не играју значајну улогу у укупној грешци индуктивног сензора.

Наведено разматрање компоненти грешке индуктивног сензора омогућава да се процени њихова улога у формирању укупне грешке сензора. У већини случајева, одлучујући фактор је грешка од нелинеарности карактеристике и температурна грешка индуктивног претварача.