Indukční snímače

Indukční snímač je parametrický typ převodníku, jehož princip činnosti je založen na změně indukčnost L neboli vzájemná indukčnost vinutí s jádrem, vlivem změny magnetického odporu RM magnetického obvodu snímače, do kterého jádro vstupuje.

Indukční snímače jsou v průmyslu široce používány k měření posuvů a pokrývají rozsah od 1 μm do 20 mm. Pro měření tlaků, sil, průtoků plynů a kapalin atd. je také možné použít indukční snímač. V tomto případě je naměřená hodnota pomocí různých citlivých prvků převedena na změnu posunutí a následně je tato hodnota přivedena do indukčního měřicího převodníku.

V případě měření tlaku mohou být citlivé prvky vyrobeny ve formě elastických membrán, rukávů atd. Používají se také jako senzory přiblížení, které slouží k bezkontaktní detekci různých kovových i nekovových předmětů na principu ano nebo ne.

Výhody indukčních snímačů:

• jednoduchost a pevnost konstrukce, bez posuvných kontaktů;

• možnost připojení ke zdrojům napájecí frekvence;

• relativně vysoký výstupní výkon (až desítky wattů);

• výrazná citlivost.

Nevýhody indukčních snímačů:

• přesnost provozu závisí na stabilitě napájecího napětí podle frekvence;

• provoz je možný pouze se střídavým proudem.

Typy indukčních měničů a jejich konstrukční vlastnosti

Podle konstrukčního schématu lze indukční snímače rozdělit na jednoduché a diferenciální. Indukční snímač obsahuje jednu měřicí větev, diferenciální jednu - dvě.

U diferenciálního indukčního snímače se při změně měřeného parametru změní současně indukčnost dvou stejných cívek a změna nastane o stejnou hodnotu, ale s opačným znaménkem.

jak je známo, indukčnost cívky:

kde W je počet závitů; F – magnetický tok, který jím proniká; I — proud procházející cívkou.

Proud je vztažen k MDS poměrem:

Kde se dostaneme:

kde Rm = HL / Ф je magnetický odpor indukčního snímače.

Vezměme si například jediný indukční snímač. Jeho činnost je založena na vlastnosti vzduchové tlumivky měnit svou indukčnost se změnou hodnoty vzduchové mezery.

Indukční snímač se skládá z třmenu 1, cívky 2, kotvy 3 — držené pružinami. Napájecí napětí střídavého proudu je přiváděno do cívky 2 přes zatěžovací odpor Rn. Proud v zátěžovém obvodu je definován jako:

kde rd je aktivní odpor tlumivky; L je indukčnost snímače.

Protože činný odpor obvodu je konstantní, pak ke změně proudu I může dojít pouze v důsledku změny indukční složky XL = IRn, která závisí na velikosti vzduchové mezery δ.

Každé hodnotě δ odpovídá určitá hodnota I, která vytváří úbytek napětí na odporu Rn: Uout = IRn — je výstupní signál snímače. Analytickou závislost Uout = f (δ) můžete odvodit za předpokladu, že je mezera dostatečně malá a rozptylové toky lze zanedbat a magnetorezistenci železa Rmw lze zanedbat ve srovnání s magnetorezistencí vzduchové mezery Rmw.

Zde je konečný výraz:

Ve skutečných zařízeních je aktivní odpor obvodu mnohem menší než indukční, pak se výraz redukuje na tvar:

Závislost Uout = f (δ) je lineární (v první aproximaci). Skutečná funkce je následující:

Odchylka od linearity na začátku je vysvětlena přijatým předpokladem Rmzh << Rmv.

Při malém d je magnetorezistence železa úměrná magnetorezistenci vzduchu.

Odchylka při velkém d je vysvětlena tím, že při velkém d se RL stává úměrným hodnotě aktivního odporu — Rn + rd.

Obecně má uvažovaný indukční snímač řadu významných nevýhod:

• fáze proudu se při změně směru pohybu nemění;

• pokud je nutné měřit posun v obou směrech, je nutné nastavit počáteční vzduchovou mezeru a tedy proud I0, což je nepohodlné;

• zatěžovací proud závisí na amplitudě a frekvenci napájecího napětí;

• při činnosti snímače působí na kotvu přitažlivá síla k magnetickému obvodu, která není ničím vyvážena a vnáší tedy do činnosti snímače chybu.

Diferenční (reverzibilní) indukční snímače (DID)

Diferenciální indukční snímače jsou kombinací dvou nevratných snímačů a jsou vyrobeny ve formě systému sestávajícího ze dvou magnetických obvodů se společnou kotvou a dvou cívek. Diferenciální indukční snímače vyžadují dva samostatné napájecí zdroje, pro které se obvykle používá oddělovací transformátor 5.

Tvar magnetického obvodu může být diferenciálně indukční snímače s magnetickým obvodem ve tvaru W, rekrutovaný můstky z elektrooceli (pro frekvence nad 1000 Hz se používají slitiny železo-nikl-permola) a válcový s hustým kruhovým magnetickým obvodem . Volba tvaru snímače závisí na jeho konstrukční kombinaci s ovládaným zařízením. Použití magnetického obvodu ve tvaru W je způsobeno pohodlností sestavení cívky a zmenšením velikosti snímače.

Pro napájení diferenciálně-indukčního snímače je použit transformátor 5 s výstupem pro střední bod sekundárního vinutí. Mezi ním a společným koncem dvou cívek je umístěno zařízení 4. Vzduchová mezera je 0,2-0,5 mm.

Ve střední poloze kotvy, kdy jsou vzduchové mezery stejné, jsou indukční odpory cívek 3 a 3' stejné, proto jsou hodnoty proudů v cívkách rovny I1 = I2 a výsledný proud v zařízení je 0.

Při mírné odchylce kotvy v jednom nebo druhém směru se pod vlivem řízené hodnoty X mění hodnoty mezer a indukčností, zařízení registruje rozdílový proud I1-I2, to je funkce kotvy posunutí ze střední polohy. Rozdíl proudů se obvykle zaznamenává pomocí magnetoelektrického zařízení 4 (mikroampérmetr) s usměrňovacím obvodem B na vstupu.

Vlastnosti indukčního snímače jsou:

Polarita výstupního proudu zůstává nezměněna bez ohledu na znaménko změny impedance cívek. Při změně směru výchylky kotvy ze střední polohy se zpětně změní fáze proudu na výstupu snímače (o 180°). Při použití fázově citlivých usměrňovačů lze získat indikaci směru pohybu kotvy ze střední polohy. Charakteristiky diferenciálního indukčního snímače s fázově-frekvenčním filtrem jsou následující:

Chyba převodu indukčního snímače

Informační kapacita indukčního snímače je do značné míry dána jeho chybou při převodu měřeného parametru. Celková chyba indukčního snímače se skládá z velkého počtu chybových složek.

Lze rozlišit následující chyby indukčního snímače:

1) Chyba způsobená nelinearitou charakteristiky. Multiplikativní složka celkové chyby.Vzhledem k principu indukčního převodu měřené hodnoty, který je základem činnosti indukčních snímačů, je zásadní a ve většině případů určuje měřicí rozsah snímače. Povinné předmětem hodnocení při vývoji senzoru.

2) Chyba teploty. Náhodná přísada.Vzhledem k velkému počtu teplotně závislých parametrů součástí snímače může chyba součásti dosáhnout velkých hodnot a je významná. Bude vyhodnoceno při návrhu snímače.

3) Chyba vlivem vnějších elektromagnetických polí. Náhodná složka celkové chyby. Vyskytuje se v důsledku indukce EMF ve vinutí snímače vnějšími poli a v důsledku změny magnetických charakteristik magnetického obvodu pod vlivem vnějších polí. V průmyslových prostorách se silovou elektroinstalací jsou detekována magnetická pole s indukcí T a frekvencí převážně 50 Hz.

Protože magnetická jádra indukčních snímačů pracují při indukcích 0,1 — 1 T, bude podíl vnějších polí i bez stínění 0,05-0,005 %. Vstup na obrazovku a použití diferenciálního snímače snižují tento podíl asi o dva řády. Na chybu způsobenou vlivem vnějších polí je tedy třeba myslet pouze při návrhu snímačů s nízkou citlivostí a nemožností dostatečného stínění. Ve většině případů není tato složka chyby významná.

4) Chyba způsobená magnetoelastickým efektem. Vzniká v důsledku nestability deformací magnetického obvodu při montáži snímače (přídavná součást) a v důsledku změn deformací při provozu snímače (libovolná součást). Výpočty zohledňující přítomnost mezer v magnetickém obvodu ukazují, že vlivem nestability mechanických napětí v magnetickém obvodu dochází k nestabilitě výstupního signálu snímače řádu a ve většině případů lze tuto složku specificky zanedbat.

5) Chyba způsobená tenzometrickým efektem cívky.Náhodná přísada. Při navíjení cívky snímače vzniká v drátu mechanické napětí. Změna těchto mechanických namáhání při provozu snímače má za následek změnu odporu cívky proti stejnosměrnému proudu a tím i změnu výstupního signálu snímače. Obvykle u správně navržených snímačů, to znamená, že by tato součást neměla být konkrétně zvažována.

6) Odchylka od propojovacího kabelu. Vyskytuje se v důsledku nestability elektrického odporu kabelu pod vlivem teploty nebo deformací a v důsledku indukce EMF v kabelu pod vlivem vnějších polí. Je náhodná složka chyby. V případě nestability vlastního odporu kabelu chyba výstupního signálu snímače. Délka propojovacích kabelů je 1-3 m a zřídka více. Když je kabel vyroben z měděného drátu s průřezem, odpor kabelu je menší než 0,9 Ohm, nestabilita odporu. Protože impedance snímače je obvykle větší než 100 ohmů, chyba na výstupu snímače může být až Proto u snímačů s nízkým provozním odporem je třeba chybu odhadnout. V ostatních případech to není podstatné.

7) Chyby v návrhu.Vznikají pod vlivem následujících důvodů: vliv měřící síly na deformace částí snímače (aditivní), vliv rozdílu měřící síly na nestabilitu deformací (multiplikativní), vliv vedení měřicí tyče při přenosu měřicího impulzu (multiplikativní), nestabilita přenosu měřicího impulzu v důsledku mezer a vůle pohyblivých částí (náhodná) Konstrukční chyby jsou primárně určeny vadami v konstrukci měřicího zařízení. mechanické prvky snímače a nejsou specifické pro indukční snímače. Vyhodnocení těchto chyb se provádí podle známých metod pro vyhodnocování chyb kinematických přenosů měřicích zařízení.

8) Technologické chyby. Vznikají v důsledku technologických odchylek vzájemné polohy dílů snímače (aditivum), rozptylu parametrů dílů a cívek při výrobě (aditivum), vlivem technologických mezer a těsnosti ve spojích dílů a ve vedení ( libovolný).

Technologické chyby ve výrobě mechanických prvků struktury snímače také nejsou specifické pro indukční snímač; vyhodnocují se metodami obvyklými pro mechanické měřicí přístroje. Chyby ve výrobě magnetického obvodu a cívek snímačů vedou k rozptylu parametrů snímačů a k potížím se zajištěním jejich zaměnitelnosti.

9) Chyba stárnutí snímače.Tato chybová složka je způsobena za prvé opotřebením pohyblivých prvků konstrukce snímače a za druhé změnou elektromagnetických charakteristik magnetického obvodu snímače v čase. Chybu je třeba považovat za náhodnou. Při vyhodnocování chyby v důsledku opotřebení se bere v úvahu kinematický výpočet mechanismu snímače v každém konkrétním případě. Ve fázi návrhu snímače se v tomto případě doporučuje nastavit životnost snímače za normálních provozních podmínek, při kterých dodatečná chyba opotřebení nepřesáhne stanovenou hodnotu.

Elektromagnetické vlastnosti materiálů se v průběhu času mění.

Ve většině případů výrazné procesy změny elektromagnetických charakteristik skončí během prvních 200 hodin po tepelném zpracování a demagnetizaci magnetického obvodu. Do budoucna zůstávají prakticky konstantní a nehrají podstatnou roli v celkové chybě indukčního snímače.

Výše uvedené zohlednění složek chyby indukčního snímače umožňuje vyhodnotit jejich roli při tvorbě celkové chyby snímače. Ve většině případů je určujícím faktorem chyba z nelinearity charakteristiky a teplotní chyba indukčního měniče.