Czujniki indukcyjne

Czujnik indukcyjny jest przetwornikiem parametrycznym, którego zasada działania opiera się na zmianie indukcyjność L czyli indukcyjność wzajemna uzwojenia z rdzeniem, spowodowana zmianą rezystancji magnetycznej RM obwodu magnetycznego czujnika, do którego wchodzi rdzeń.

Czujniki indukcyjne są szeroko stosowane w przemyśle do pomiaru przemieszczeń i obejmują zakres od 1 μm do 20 mm. Możliwe jest również zastosowanie czujnika indukcyjnego do pomiaru ciśnień, sił, natężenia przepływu gazów i cieczy itp. W tym przypadku wartość mierzona jest przetwarzana za pomocą różnych czułych elementów na zmianę przemieszczenia, a następnie wartość ta jest podawana do indukcyjnego przetwornika pomiarowego.

W przypadku pomiaru ciśnienia elementy czułe mogą być wykonane w postaci elastycznych membran, rękawów itp. Wykorzystywane są również jako czujniki zbliżeniowe, które służą do bezkontaktowego wykrywania różnych obiektów metalowych i niemetalowych na zasadzie tak lub nie.

Zalety czujników indukcyjnych:

• prostota i wytrzymałość konstrukcji, bez styków ślizgowych;

• możliwość podłączenia do źródeł zasilania o częstotliwości;

• stosunkowo duża moc wyjściowa (do kilkudziesięciu watów);

• znaczna wrażliwość.

Wady czujników indukcyjnych:

• dokładność działania zależy od stabilności napięcia zasilania według częstotliwości;

• praca jest możliwa tylko przy zasilaniu prądem zmiennym.

Rodzaje przetwornic indukcyjnych i ich cechy konstrukcyjne

Zgodnie ze schematem budowy czujniki indukcyjne można podzielić na pojedyncze i różnicowe. Czujnik indukcyjny zawiera jedną gałąź pomiarową, różnicową - dwie.

W różnicowym czujniku indukcyjnym, gdy zmienia się mierzony parametr, jednocześnie zmienia się indukcyjność dwóch identycznych cewek i zmiana następuje o tę samą wartość, ale o przeciwnym znaku.

Jak wiadomo, indukcyjność cewki:

gdzie W to liczba zwojów; F — przenikający go strumień magnetyczny; I — prąd przepływający przez cewkę.

Prąd jest powiązany z MDS przez stosunek:

Skąd mamy:

gdzie Rm = HL / Ф jest rezystancją magnetyczną czujnika indukcyjnego.

Rozważmy na przykład pojedynczy czujnik indukcyjny. Jego działanie opiera się na właściwości dławika szczelinowego polegającego na zmianie jego indukcyjności wraz ze zmianą wartości szczeliny powietrznej.

Czujnik indukcyjny składa się z jarzma 1, cewki 2, zwory 3 — podtrzymywanej przez sprężyny. Napięcie zasilania prądem przemiennym jest doprowadzane do cewki 2 poprzez rezystancję obciążenia Rn. Prąd w obwodzie obciążenia definiuje się jako:

gdzie rd jest aktywnym oporem dławika; L to indukcyjność czujnika.

Ponieważ rezystancja czynna obwodu jest stała, to zmiana prądu I może nastąpić tylko na skutek zmiany składowej indukcyjnej XL = IRn, która zależy od wielkości szczeliny powietrznej δ.

Każdej wartości δ odpowiada pewna wartość I, która powoduje spadek napięcia na rezystancji Rn: Uout = IRn — jest sygnałem wyjściowym czujnika. Można wyprowadzić zależność analityczną Uout = f (δ) pod warunkiem, że szczelina jest wystarczająco mała i strumienie błądzące można pominąć, a magnetoopór żelaza Rmw można pominąć w porównaniu z magnetooporem szczeliny powietrznej Rmw.

Oto końcowe wyrażenie:

W rzeczywistych urządzeniach rezystancja czynna obwodu jest znacznie mniejsza niż rezystancja indukcyjna, wówczas wyrażenie sprowadza się do postaci:

Zależność Uout = f (δ) jest liniowa (w pierwszym przybliżeniu). Rzeczywista funkcja jest następująca:

Odchylenie od liniowości na początku tłumaczy się przyjętym założeniem Rmzh << Rmv.

Przy małym d magnetoopór żelaza jest współmierny do magnetooporu powietrza.

Odchylenie przy dużym d tłumaczy się tym, że przy dużym d RL staje się współmierne do wartości rezystancji czynnej — Rn + rd.

Ogólnie rzecz biorąc, rozważany czujnik indukcyjny ma szereg istotnych wad:

• faza prądu nie zmienia się, gdy zmienia się kierunek ruchu;

• jeśli konieczne jest zmierzenie przemieszczenia w obu kierunkach, konieczne jest ustawienie początkowej szczeliny powietrznej, a tym samym prądu I0, co jest niewygodne;

• prąd obciążenia zależy od amplitudy i częstotliwości napięcia zasilania;

• podczas pracy czujnika siła przyciągania do obwodu magnetycznego działa na zworę, która nie jest niczym równoważona i dlatego wprowadza błąd w działaniu czujnika.

Różnicowe (rewersyjne) czujniki indukcyjne (DID)

Czujniki indukcyjne różnicowe są połączeniem dwóch czujników nieodwracalnych i wykonane są w postaci układu składającego się z dwóch obwodów magnetycznych ze wspólnym zworem oraz dwóch cewek. Różnicowe czujniki indukcyjne wymagają dwóch oddzielnych zasilaczy, do których zwykle stosuje się transformator izolujący 5.

Kształt obwodu magnetycznego może mieć czujniki różnicowo-indukcyjne z obwodem magnetycznym w kształcie litery W, rekrutowane przez mostki ze stali elektrotechnicznej (dla częstotliwości powyżej 1000 Hz stosuje się stopy żelazo-nikiel-permola) oraz cylindryczne z gęstym okrągłym obwodem magnetycznym . Wybór kształtu czujnika zależy od jego konstrukcyjnego połączenia ze sterowanym urządzeniem. Zastosowanie obwodu magnetycznego w kształcie litery W wynika z wygody montażu cewki oraz zmniejszenia gabarytów czujnika.

Do zasilania czujnika różnicowo-indukcyjnego stosuje się transformator 5 z wyjściem dla punktu środkowego uzwojenia wtórnego. Pomiędzy nim a wspólnym końcem obu cewek znajduje się urządzenie 4. Szczelina powietrzna wynosi 0,2-0,5 mm.

W położeniu środkowym twornika, gdy szczeliny powietrzne są takie same, rezystancje indukcyjne cewek 3 i 3' są takie same, dlatego wartości prądów w cewkach są równe I1 = I2 i wynikowa prąd w urządzeniu wynosi 0.

Przy niewielkim odchyleniu twornika w jednym lub drugim kierunku, pod wpływem kontrolowanej wartości X, zmieniają się wartości przerw i indukcyjności, urządzenie rejestruje prąd różnicowy I1-I2, jest to funkcja twornika przesunięcie z pozycji środkowej. Różnica prądów jest zwykle rejestrowana za pomocą urządzenia magnetoelektrycznego 4 (mikroamperomierz) z obwodem prostownika B na wejściu.

Charakterystyka czujnika indukcyjnego to:

Biegunowość prądu wyjściowego pozostaje niezmienna niezależnie od znaku zmiany impedancji cewek. Gdy zmienia się kierunek odchylenia twornika od położenia środkowego, faza prądu na wyjściu czujnika zmienia się odwrotnie (o 180°). W przypadku stosowania prostowników wrażliwych na fazę wskazanie kierunku ruchu twornika można uzyskać z położenia środkowego. Charakterystyka różnicowego czujnika indukcyjnego z filtrem fazowo-częstotliwościowym jest następująca:

Błąd konwersji czujnika indukcyjnego

Pojemność informacyjna czujnika indukcyjnego w dużej mierze zależy od jego błędu podczas przetwarzania mierzonego parametru. Błąd całkowity czujnika indukcyjnego składa się z dużej liczby składowych błędu.

Można wyróżnić następujące błędy czujnika indukcyjnego:

1) Błąd spowodowany nieliniowością charakterystyki. Multiplikatywna składowa błędu całkowitego Ze względu na zasadę indukcyjnego przetwarzania wartości mierzonej, która jest podstawą działania czujników indukcyjnych, jest niezbędna iw większości przypadków określa zakres pomiarowy czujnika. Obowiązkowe podlegające ocenie podczas opracowywania czujnika.

2) Błąd temperatury. Losowy składnik.Ze względu na dużą liczbę zależnych od temperatury parametrów elementów czujnika błąd elementu może osiągać duże wartości i jest znaczny. Do oceny w projekcie czujnika.

3) Błąd spowodowany wpływem zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Losowy składnik całkowitego błędu. Występuje w wyniku indukowania się pola elektromagnetycznego w uzwojeniu czujnika przez pola zewnętrzne oraz w wyniku zmiany charakterystyki magnetycznej obwodu magnetycznego pod wpływem pól zewnętrznych. W obiektach przemysłowych z instalacjami elektroenergetycznymi wykrywane są pola magnetyczne o indukcji T i częstotliwości głównie 50 Hz.

Ponieważ rdzenie magnetyczne czujników indukcyjnych pracują przy indukcjach 0,1 — 1 T, udział pól zewnętrznych będzie wynosił 0,05-0,005% nawet przy braku ekranowania. Wejście ekranowe i zastosowanie czujnika różnicowego zmniejszają tę proporcję o około dwa rzędy wielkości. Dlatego błąd wynikający z wpływu pól zewnętrznych powinien być brany pod uwagę tylko przy projektowaniu czujników o małej czułości i braku możliwości dostatecznego ekranowania. W większości przypadków ta składowa błędu nie jest znacząca.

4) Błąd spowodowany efektem magnetosprężystym. Powstaje na skutek niestabilności odkształceń obwodu magnetycznego podczas montażu czujnika (składowa addytywna) oraz zmian odkształceń podczas pracy czujnika (składowa dowolna). Obliczenia uwzględniające występowanie przerw w obwodzie magnetycznym pokazują, że wpływ niestabilności naprężeń mechanicznych w obwodzie magnetycznym powoduje niestabilność sygnału wyjściowego czujnika porządku iw większości przypadków składową tę można specjalnie pominąć.

5) Błąd spowodowany efektem działania cewki z czujnikiem tensometrycznym.Losowy składnik. Podczas nawijania cewki czujnika w przewodzie powstaje naprężenie mechaniczne. Zmiana tych naprężeń mechanicznych podczas pracy czujnika powoduje zmianę rezystancji cewki na prąd stały, a co za tym idzie zmianę sygnału wyjściowego czujnika. Zwykle w przypadku odpowiednio zaprojektowanych czujników, czyli tego elementu nie należy specjalnie rozważać.

6) Odchylenie od kabla przyłączeniowego. Powstaje na skutek niestabilności rezystancji elektrycznej kabla pod wpływem temperatury lub odkształceń oraz na skutek indukowania się pola elektromagnetycznego w kablu pod wpływem pól zewnętrznych. Jest losowym składnikiem błędu. W przypadku niestabilności rezystancji własnej przewodu błąd sygnału wyjściowego czujnika. Długość przewodów przyłączeniowych wynosi 1-3 m, a rzadko więcej. Gdy kabel jest wykonany z drutu miedzianego o przekroju poprzecznym, rezystancja kabla jest mniejsza niż 0,9 Ohm, niestabilność rezystancji. Ponieważ impedancja czujnika jest zazwyczaj większa niż 100 omów, błąd na wyjściu czujnika może sięgać nawet Dlatego dla czujników o małej rezystancji roboczej należy oszacować błąd. W innych przypadkach nie jest to istotne.

7) Błędy projektowe.Powstają one pod wpływem następujących przyczyn: wpływu siły pomiarowej na odkształcenia części czujnika (addytywny), wpływu różnicy siły pomiarowej na niestabilność odkształceń (multiplikatywny), wpływu prowadnice pręta pomiarowego podczas transmisji impulsu pomiarowego (multiplikatywne), niestabilność przenoszenia impulsu pomiarowego spowodowana szczelinami i luzami ruchomych części (przypadkowe). Błędy konstrukcyjne determinowane są przede wszystkim wadami konstrukcyjnymi mechanicznych elementów czujnika i nie są charakterystyczne dla czujników indukcyjnych. Ocena tych błędów jest przeprowadzana zgodnie ze znanymi metodami oceny błędów kinematycznych przekładni urządzeń pomiarowych.

8) Błędy technologiczne. Powstają w wyniku odchyleń technologicznych we względnym położeniu części czujnika (dodatek), rozrzutu parametrów części i cewek w trakcie produkcji (dodatek), wpływu przerw technologicznych i szczelności połączeń części oraz w prowadnicach ( arbitralny).

Błędy technologiczne w wykonaniu elementów mechanicznych konstrukcji czujnika również nie są charakterystyczne dla czujnika indukcyjnego; są one oceniane przy użyciu zwykłych metod dla mechanicznych urządzeń pomiarowych. Błędy w wykonaniu obwodu magnetycznego i cewek czujnika prowadzą do rozrzutu parametrów czujników i trudności w zapewnieniu ich wymienności.

9) Błąd starzenia czujnika.Ta składowa błędu spowodowana jest, po pierwsze, zużyciem ruchomych elementów konstrukcji czujnika, a po drugie, zmianą w czasie charakterystyki elektromagnetycznej obwodu magnetycznego czujnika. Błąd należy uznać za przypadkowy. Przy ocenie błędu spowodowanego zużyciem brane są pod uwagę obliczenia kinematyczne mechanizmu czujnika w każdym konkretnym przypadku. Na etapie projektowania czujnika w takim przypadku zaleca się ustalenie żywotności czujnika w normalnych warunkach pracy, w których dodatkowy błąd zużycia nie przekroczy określonej wartości.

Właściwości elektromagnetyczne materiałów zmieniają się w czasie.

W większości przypadków wyraźne procesy zmiany charakterystyk elektromagnetycznych kończą się w ciągu pierwszych 200 godzin po obróbce cieplnej i rozmagnesowaniu obwodu magnetycznego. W przyszłości pozostają one praktycznie stałe i nie odgrywają istotnej roli w całkowitym błędzie czujnika indukcyjnego.

Powyższe rozpatrzenie składowych błędu czujnika indukcyjnego pozwala na ocenę ich roli w kształtowaniu się błędu całkowitego czujnika. W większości przypadków czynnikiem determinującym jest błąd wynikający z nieliniowości charakterystyki oraz błąd temperaturowy przetwornika indukcyjnego.