Sensors inductius

Un sensor inductiu és un transductor de tipus paramètric el principi de funcionament del qual es basa en el canvi inductància L o la inductància mútua del bobinatge amb el nucli, a causa d'un canvi en la resistència magnètica RM del circuit magnètic del sensor en el qual entra el nucli.

Els sensors inductius s'utilitzen àmpliament a la indústria per mesurar desplaçaments i cobreixen el rang d'1 μm a 20 mm. També és possible utilitzar un sensor inductiu per mesurar pressions, forces, cabals de gas i líquid, etc. En aquest cas, el valor mesurat es converteix utilitzant diversos elements sensibles en un canvi de desplaçament i després aquest valor s'alimenta a un transductor de mesura inductiu.

En el cas de la mesura de pressió, els elements sensibles es poden fer en forma de membranes elàstiques, màniga, etc. També s'utilitzen com a sensors de proximitat, que s'utilitzen per detectar diversos objectes metàl·lics i no metàl·lics de manera sense contacte segons el principi sí o no.

Avantatges dels sensors inductius:

• senzillesa i força de la construcció, sense contactes lliscants;

• capacitat de connectar-se a fonts de freqüència d'alimentació;

• potència de sortida relativament alta (fins a desenes de watts);

• sensibilitat important.

Desavantatges dels sensors inductius:

• la precisió del funcionament depèn de l'estabilitat de la tensió d'alimentació per freqüència;

• El funcionament només és possible amb corrent altern.

Tipus de convertidors inductius i les seves característiques de disseny

Segons l'esquema de construcció, els sensors inductius es poden dividir en únics i diferencials. Un sensor inductiu conté una branca de mesura, una diferencial una - dues.

En un sensor inductiu diferencial, quan canvia el paràmetre mesurat, la inductància de dues bobines idèntiques canvia simultàniament i el canvi es produeix pel mateix valor però amb el signe contrari.

Com és sabut, inductància de la bobina:

on W és el nombre de voltes; F — flux magnètic que hi penetra; I - el corrent que passa per la bobina.

El corrent està relacionat amb MDS per la relació:

On arribem:

on Rm = HL / Ф és la resistència magnètica del sensor inductiu.

Penseu, per exemple, en un únic sensor inductiu. El seu funcionament es basa en la propietat d'un estrany d'aire de canviar la seva inductància a mesura que canvia el valor de l'entrefer.

El sensor inductiu consta d'un jou 1, una bobina 2, una armadura 3, subjecta per molles. Una tensió d'alimentació de corrent altern es subministra a la bobina 2 a través de la resistència de càrrega Rn. El corrent al circuit de càrrega es defineix com:

on rd és la resistència activa del choke; L és la inductància del sensor.

Com que la resistència activa del circuit és constant, només es pot produir un canvi en el corrent I a causa d'un canvi en el component inductiu XL = IRn, que depèn de la mida de l'entrefer δ.

A cada valor δ li correspon un determinat valor I, que crea una caiguda de tensió a la resistència Rn: Uout = IRn — és el senyal de sortida del sensor. Podeu derivar la dependència analítica Uout = f (δ) sempre que la bretxa sigui prou petita i els fluxos dispersos es puguin descuidar, i la magnetoresistència de ferro Rmw es pot descuidar en comparació amb la magnetoresistència d'entrefer Rmw.

Aquí teniu l'expressió final:

En dispositius reals, la resistència activa del circuit és molt menor que la inductiva, llavors l'expressió es redueix a la forma:

La dependència Uout = f (δ) és lineal (en la primera aproximació). La característica real és la següent:

La desviació de la linealitat al principi s'explica per la suposició acceptada Rmzh << Rmv.

A d petita, la magnetoresistència del ferro és proporcional a la magnetoresistència de l'aire.

La desviació a gran d s'explica pel fet que a gran d RL esdevé proporcional al valor de la resistència activa — Rn + rd.

En general, el sensor inductiu considerat té una sèrie d'inconvenients significatius:

• la fase del corrent no canvia quan es canvia la direcció del moviment;

• si cal mesurar el desplaçament en ambdues direccions, cal fixar l'entrefer inicial i, per tant, el corrent I0, que és inconvenient;

• el corrent de càrrega depèn de l'amplitud i la freqüència de la tensió d'alimentació;

• durant el funcionament del sensor, la força d'atracció del circuit magnètic actua sobre l'induït, que no s'equilibra amb res i, per tant, introdueix un error en el funcionament del sensor.

Sensors inductius diferencials (reversibles) (DID)

Els sensors inductius diferencials són una combinació de dos sensors irreversibles i es fabriquen en forma d'un sistema format per dos circuits magnètics amb una armadura comuna i dues bobines. Els sensors inductius diferencials requereixen dues fonts d'alimentació separades, per a les quals s'utilitza habitualment un transformador d'aïllament 5.

La forma del circuit magnètic pot ser sensors inductius diferencials amb un circuit magnètic en forma de W, reclutats per ponts d'acer elèctric (per a freqüències superiors a 1000 Hz, s'utilitzen aliatges de ferro-níquel-permola) i cilíndrics amb un circuit magnètic circular dens. . L'elecció de la forma del sensor depèn de la seva combinació constructiva amb el dispositiu controlat. L'ús d'un circuit magnètic en forma de W es deu a la comoditat de muntar la bobina i reduir la mida del sensor.

Per alimentar el sensor diferencial-inductiu, s'utilitza un transformador 5 amb una sortida per al punt mitjà del bobinatge secundari. Entre aquest i l'extrem comú de les dues bobines s'inclou el dispositiu 4. L'entrefer és de 0,2-0,5 mm.

A la posició mitjana de l'induït, quan els espais d'aire són els mateixos, les resistències inductives de les bobines 3 i 3' són les mateixes, per tant, els valors dels corrents a les bobines són iguals a I1 = I2 i el resultat resultant. El corrent al dispositiu és 0.

Amb una lleugera desviació de l'armadura en una direcció o una altra, sota la influència del valor controlat X, els valors dels buits i les inductàncies canvien, el dispositiu registra el corrent diferencial I1-I2, aquesta és una funció de l'induït desplaçament des de la posició mitjana. La diferència de corrents es registra normalment mitjançant un dispositiu magnetoelèctric 4 (microamperímetre) amb un circuit rectificador B a l'entrada.

Les característiques del sensor inductiu són:

La polaritat del corrent de sortida es manté inalterada independentment del signe del canvi en la impedància de les bobines. Quan la direcció de desviació de l'induït des de la posició mitjana canvia, la fase del corrent a la sortida del sensor canvia a la inversa (en 180 °). Quan s'utilitzen rectificadors sensibles a la fase, es pot obtenir una indicació de la direcció de marxa de l'induït des de la posició mitjana. Les característiques d'un sensor inductiu diferencial amb un filtre de freqüència de fase són les següents:

Error de conversió del sensor inductiu

La capacitat d'informació d'un sensor inductiu està determinada en gran mesura pel seu error en convertir el paràmetre mesurat. L'error total d'un sensor inductiu consta d'un gran nombre de components d'error.

Es poden distingir els següents errors del sensor inductiu:

1) Error degut a la no linealitat de la característica. El component multiplicatiu de l'error total A causa del principi de conversió inductiva del valor mesurat, que és la base del funcionament dels sensors inductius, és essencial i en la majoria dels casos determina el rang de mesura del sensor. Obligatori subjecte a avaluació durant el desenvolupament del sensor.

2) Error de temperatura. Ingredient aleatori.A causa del gran nombre de paràmetres que depenen de la temperatura dels components del sensor, l'error del component pot arribar a grans valors i és significatiu. A avaluar en el disseny del sensor.

3) Error per influència de camps electromagnètics externs. El component aleatori de l'error total. Es produeix a causa de la inducció d'EMF al bobinatge del sensor per camps externs i a causa d'un canvi en les característiques magnètiques del circuit magnètic sota la influència de camps externs. A les naus industrials amb instal·lacions elèctriques de potència es detecten camps magnètics amb T d'inducció i freqüència principalment de 50 Hz.

Atès que els nuclis magnètics dels sensors inductius treballen a inducció de 0,1 a 1 T, la proporció de camps externs serà del 0,05 al 0,005% fins i tot en absència de blindatge. L'entrada de pantalla i l'ús d'un sensor diferencial redueixen aquesta proporció en uns dos ordres de magnitud. Així, l'error degut a la influència dels camps externs només s'ha de tenir en compte a l'hora de dissenyar sensors amb baixa sensibilitat i amb la impossibilitat de blindatge suficient. En la majoria dels casos, aquest component d'error no és significatiu.

4) Error per efecte magnetoelàstic. Sorgeix a causa de la inestabilitat de les deformacions del circuit magnètic durant el muntatge del sensor (component additiu) i dels canvis en les deformacions durant el funcionament del sensor (component arbitrari). Els càlculs que tenen en compte la presència de buits en el circuit magnètic mostren que la influència de la inestabilitat de les tensions mecàniques en el circuit magnètic provoca inestabilitat del senyal de sortida del sensor d'ordre i, en la majoria dels casos, aquest component es pot descuidar específicament.

5) Error a causa de l'efecte extensomètric de la bobina.Ingredient aleatori. En bobinar la bobina del sensor, es crea una tensió mecànica al cable. Un canvi en aquestes tensions mecàniques durant el funcionament del sensor provoca un canvi en la resistència de la bobina al corrent continu i, per tant, un canvi en el senyal de sortida del sensor. Normalment per a sensors dissenyats correctament, és a dir, aquest component no s'ha de tenir en compte específicament.

6) Desviació del cable de connexió. Es produeix a causa de la inestabilitat de la resistència elèctrica del cable sota la influència de la temperatura o deformacions i per la inducció de CEM al cable sota la influència de camps externs. És el component aleatori de l'error. En cas d'inestabilitat de la pròpia resistència del cable, l'error del senyal de sortida del sensor. La longitud dels cables de connexió és d'1-3 m i rarament més. Quan el cable està fet de filferro de coure de secció transversal, la resistència del cable és inferior a 0,9 ohms, inestabilitat de la resistència. Com que la impedància del sensor sol ser superior a 100 ohms, l'error a la sortida del sensor pot ser tan gran com Per tant, per als sensors amb baixa resistència de funcionament, s'ha d'estimar l'error. En altres casos, no és significatiu.

7) Errors de disseny.Sorgeixen sota la influència de les següents raons: la influència de la força de mesura en les deformacions de les parts del sensor (additiu), la influència de la diferència de la força de mesura en la inestabilitat de les deformacions (multiplicativa), la influència de la guies de la vareta de mesura durant la transmissió del pols de mesura (multiplicatiu), la inestabilitat de la transferència del pols de mesura a causa dels buits i el joc de les parts mòbils (atzar). Els errors de disseny es determinen principalment per defectes en el disseny del elements mecànics del sensor i no són específics dels sensors inductius. L'avaluació d'aquests errors es realitza segons els mètodes coneguts per avaluar els errors de les transmissions cinemàtiques dels aparells de mesura.

8) Errors tecnològics. Sorgeixen com a resultat de les desviacions tecnològiques en la posició relativa de les peces del sensor (additiu), la dispersió dels paràmetres de les peces i les bobines durant la producció (additiu), la influència dels buits tecnològics i l'estanquitat en les connexions de les peces i en les guies ( arbitrari).

Els errors tecnològics en la fabricació dels elements mecànics de l'estructura del sensor tampoc són específics del sensor inductiu; s'avaluen mitjançant els mètodes habituals dels aparells de mesura mecànics. Els errors en la fabricació del circuit magnètic i de les bobines del sensor condueixen a la dispersió dels paràmetres dels sensors ia dificultats per garantir la intercanviabilitat d'aquests últims.

9) Error d'envelliment del sensor.Aquest component d'error és causat, en primer lloc, pel desgast dels elements mòbils de l'estructura del sensor i, en segon lloc, pel canvi en el temps de les característiques electromagnètiques del circuit magnètic del sensor. L'error s'ha de considerar accidental. En avaluar l'error per desgast, es té en compte el càlcul cinemàtic del mecanisme del sensor en cada cas concret. En l'etapa de disseny del sensor, en aquest cas, es recomana establir la vida útil del sensor en condicions de funcionament normals, durant les quals l'error de desgast addicional no superarà el valor especificat.

Les propietats electromagnètiques dels materials canvien amb el temps.

En la majoria dels casos, els processos pronunciats de canvi de les característiques electromagnètiques acaben en les primeres 200 hores després del tractament tèrmic i la desmagnetització del circuit magnètic. En el futur, es mantenen pràcticament constants i no tenen un paper important en l'error general del sensor inductiu.

La consideració anterior dels components de l'error d'un sensor inductiu permet avaluar el seu paper en la formació de l'error total del sensor. En la majoria dels casos, el factor determinant és l'error de la no linealitat de la característica i l'error de temperatura del convertidor inductiu.