admin / 23.03.2018

Индуктивный датчик

Различного типа датчики сегодня широко применяются в промышленности. Без них ни один технологический процесс не обходится. Существует несколько их видов, нас же в этой статье будет интересовать индуктивный датчик. Поэтому разберемся, для чего он необходим, где применяется, его устройство и принцип работы.

Бесконтактные индуктивные датчики

По сути, датчик данного типа – это прибор, принцип работы которого основан на изменениях индуктивности катушки и сердечника. Кстати, отсюда и само название. Изменения индукции происходят из-за того, что в магнитное поле катушки проникает металлический предмет, изменяя его. А соответственно и изменяется схема подключения, в которой основную роль играет компаратор. Он при изменении индукции подает сигнал на реле или конечный транзистор (выключатель), что приводит к отключению подачи электрического тока.

Поэтому основное предназначение данного прибора – это измерять перемещение части оборудования. И при превышении пределов проходимости отключать его. При этом у датчиков есть свои пределы перемещения, которые варьируются в диапазоне от 1 микрона до 20 миллиметров. Кстати, именно поэтому этот прибор называют и индуктивным датчиком положения.

Параметры индуктивного датчика

Один из параметров уже описывался выше – это диапазон срабатывания. Хотя, как утверждают специалисты, он не является важным, но именно по нему и делают выбор. Все дело в том, что в паспорте изделия указываются номинальные параметры напряжения при работе прибора в температурном режиме +20С. Постоянное напряжение составляет 24 вольт, переменное – 230 вольт. Как вы понимаете, в таких условиях индукционный датчик обычно не работает, а если и работает, то редко. При этом в качестве объекта, который будет изменять индуктивность катушки прибора, должна выступать стальная пластина, ее ширина должна быть равна трем диапазонам срабатывания и толщиною 1 мм.

Маркировка

На практике же за основу выбора берут два показателя диапазона срабатывания:

  • Эффективный.
  • Полезный.

Показания первого отличаются от номинального параметра в пределах ±10%. При этом температурный диапазон расширяется от +18С до +28С. Второй определяется, как ±10% от первого при температурном режиме от 25 до 70С. И если при первом параметре используется номинальное напряжение в сети, то при втором присутствует разброс от 85% до 110% от номинала.

Есть еще один параметр, который связан с зоной срабатывания. Это гарантированный предел. Его нижняя часть равна «0», а верхняя 81% от номинального диапазона.

Необходимо учитывать и такие параметры, как гистерезис и повторяемость. Что такое гистерезис в этом случае? По сути, это расстояние между дальними позициями срабатывания датчика. Оптимальное его значение – это 20% от эффективного диапазона срабатывания.

Не последнее значение имеет и материал, из которого изготавливается объект слежения (перемещения). Оптимальный вариант – сталь 37, ее коэффициент редукции равен «1». Все остальные металлы имеют меньший коэффициент. К примеру, нержавейка – 0,85, медь – 0,3. Как понять, на что влияет коэффициент редукции? Для примера возьмем медную пластину. То есть, получается так, что диапазон срабатывания будет равно 0,3, умноженному на полезный диапазон срабатывания. Достаточно низкий показатель.

Перечислим и другие не столь важные параметры6

  • Постоянное напряжение имеет диапазоны: 10-30, 10-60, 5-60 вольт. Переменное 98-253 вольт.

Внимание! Производители сегодня предлагают так называемые универсальные индукционные датчики, которые могут работать и от сети переменного тока, и от сети постоянного.

Индуктивные прямоугольные датчики серии RN

  • Ток нагрузки (номинальный) – 200 мА. Сегодня производители иногда производят датчики с токовой нагрузкой 500 мА. Это так называемое специсполнение.
  • Частота отклика. Суть этого параметра заключается в том, что он показывает максимальное значение возможности переключаться. Измеряется данный параметр в герцах. Так для основных промышленных датчиков этот показатель равен 1000 Гц.

Индуктивные преобразователи

2.1 Простейший индуктивный преобразователь.

Схема простейшего индуктивного преобразователя с плоским якорем приведена на рис.3.1

Обмотка 1 через сопротивление нагрузки RН подключена к сети переменного тока. Магнитный поток Ф, создаваемый переменным током, протекающим по обмотке 1, проходит через магнитопровод 2, воздушный зазор 4 и замыкается через подвижный якорь 3. Магнитопровод и якорь изготовляются шихтованными из материала с достаточно большой магнитной проницаемостью и малыми потерями (электротехнические стали, пермолои и т. д.) на гистерезис и вихревые токи.

Рис.3.1 Простейший индуктивный преобразователь

В следствии того, что магнитное сопротивление ферромагнитного якоря 3 и сердечники 2 мало, индуктивность обмотки резко изменяется при изменении параметров воздушного зазора. При увеличении длины X рабочего воздушного зазора (РВЗ) общее магнитное сопротивление возрастает, индуктивность обмотки падает, и ток в цепи нагрузки возрастает. Наоборот, приближение якоря к магнитопроводу сопровождается ростом индуктивного сопротивления обмотки и следовательно, уменьшением тока в ней.

Если длина X воздушного зазора невелика в сравнении с шириной магнитопровода, то поток рассеяния мал и индуктивность обмотки 1 с достаточной точностью можно выразить формулой

, (3.1)

где L — индуктивность, Гн;

W — число витков обмотки 1;

X — длина воздушного зазора, м;

S – площадь сечения потока в воздушном зазоре, принимается равной площади сечения стержней магнитопровода, м2;

RЖ — сопротивление магнитопровода, Гн-1;

μ0- магнитная постоянная. Гн∙м-1.

Если длина магнитного зазора соизмерима с шириной, то его магнитное сопротивление значительно больше магнитного сопротивления железа

>>RЖ= (3.2)

и формула (3.1) примет вид

, (3.3)

При синусоидальном напряжении сети и выполнении условии (3.2) ток в обмотке 1 практически синусоидален, т.к. при условии (3.2) преобладает линейная зависимость его от длины рабочего воздушного зазора.

, т.к. L>>R~, то (3.4)

Итак, пренебрегая активным сопротивлением обмотки, магнитным сопротивлением железа, потоками рассеяния, мы получим линейную зависимость тока нагрузки от перемещения X якоря.

Согласно сделанным допущениям сопротивление цепи чисто индуктивное, сдвиг фаз между напряжением и током равен 900 .

Рис.3.2 Характеристики однотактного индуктивного преобразователя с плоским якорем.

Реальная характеристика датчика отличается от полученной идеализированной характеристики в области малых и больших зазоров. Эта реальная характеристика на рис.3.2 обозначена пунктиром. Отличие реальной характеристики, идеализированной в области малых РВЗ, обусловлено главным образом, магнитным сопротивлением железа, а при больших — наличием активного сопротивления цепи обмотки. Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи реального датчика (пунктирная линия) уменьшается с увеличением зазора, что и показано на рис.3.2.

Рассмотренный простейший индуктивный преобразователь почти не используется в САУ и измерительных схемах по следующим причинам: Во-первых, это преобразователь однотактный; во-вторых, при значительной мощности сигнала выходной цепи на якорь действует значительная сила притяжения

,

или момент

М= ,

где α – угол поворота якоря.

если воспользоваться приближённым выражениями (3.3) и (3.4), то получим

, (3.5)

т.е. сила притяжения якоря пропорциональна коэффициенту чувствительности по току

и обратно пропорциональна частоте питания и не зависит от длины рабочего воздушного зазора (рис.3.2).

2.2 Двухтактный индуктивный преобразователь.

Широкое применение имеют двухтактные индуктивные преобразователи, собранные по дифференциальной или мостовой схеме.

Дифференциальная схема состоит из двух независимых цепей, разность токов в которых служит выходным сигналом. На рис.3 изображена схема включения двухтактного преобразователя с плоским якорем. Выходной сигнал равен разности токов I1-I2. Механическим входным сигналом служит смешение якоря X относительно среднего положения. При Х=0 длина воздушных зазоров одинакова и равна X0, индуктивности обмоток 1 и 2 равны между собой, токи I1 и I2 одинаковы и ток через нагрузку, определяемый разностью токов ΔI=I1-I2 равен 0.

При смещении якоря один из токов уменьшается, другой увеличивается и появляется выходной сигнал. Фаза выходного сигнала при смене направления отклонения входного сигнала относительно среднего положения меняется на 1800. Датчики с плоским якорем применяется для измерения малых перемещений от нескольких микрон до 2 – 3 мм. При больших перемещениях применять индуктивные преобразователи с плоский якорем нецелесообразно.

Рис.З.3 Дифференциальная схема включения обмоток двухтактного преобразователя с плоским якорем.

Аналогично функционирует преобразователь, собранный по мостовой схеме (рис.3.4). При Х=0 выполняется условие равновесия моста

следовательно, в измерительной диагонали = 0 . При перемещении якоря равновесие моста нарушается и ≠ 0 . По нагрузке ZH протекает ток.

Рис.3.4 Мостовая схема включения обмоток двухтактного преобразователя с плоским якорем.

Для измерения перемещений до нескольких сантиметров используются преобразователи плунжерного типа (рис.3.5).

Рис.3.5 Индуктивный преобразователь плунжерного типа.

Преобразователь плунжерного типа представляет собой соленоид с одной или двумя обмотками. Для уменьшения магнитного потока, замыкающегося через воздух, катушку соленоида заключают в стальной кожух. Перемещая якорь 3, выполненный в виде плунжера (сердечника), можно менять длину РВЗ и, следовательно, индуктивность катушек 1 и 2. Обмотки 1 и 2 могут соединяться как по дифференциальной схеме, так и мостовой.

Индуктивный реверсивный преобразователь обладает двухтактной статической характеристикой. В пределах изменения входного сигнала можно выбрать достаточно большой (по сравнению с однотактным преобразователем) линейный (рис.3.6) рабочий участок статической характеристики.

Сила, действующая на якорь преобразователя (дифференциальная схема), равна

и по величине может быть меньше, чем в однотактной схеме.

Отличие мостовой схемы от дифференциальной заключается лишь в том, что выходной величиной в мостовой схеме служит разность напряжений двух цепей, которые при наличии нагрузки не являются независимыми.

Рис.3.6 Статическая характеристика индуктивного реверсивного преобразователя.

Напряжение U0(x) (напряжение холостого хода) на выходе (рис.3.4) при отключенной нагрузки равно

=

При включённой нагрузке

=

где ZВЫХ – внутреннее (выходное) сопротивление моста при пренебрежимо малом сопротивлении источника.

Согласно обоим свойствам четырёхполюсников максимальная активная мощность в нагрузке выделяется при равенстве активного сопротивления нагрузки и активной составляющей внутреннего сопротивления, т.е.

, ХН= –ХВЫХ (3.6)

Реактивное сопротивление ХВЫХ схем преобразователей рассматриваемого типа являются индуктивным, поэтому для выполнения условия ХН=–ХВЫХ, реактивное сопротивление нагрузки должно быть ёмкостным. Схемы, где обеспечивается выполнение условия (3.6), называются резонансными. Для выполнения условия резонанса последовательно с нагрузкой включают конденсатор. Индуктивное внутреннее сопротивление датчика меняется при перемещении якоря, поэтому строгое выполнения условия резонанса при заданной емкости конденсатора имеет место для одного положения якоря.

В некоторых случаях нагрузка подключается к индукционному преобразователю через повышающий трансформатор (рис.3.7).

Рис.3.7 Включение нагрузки через повышающий трансформатор в мостовой схеме.

При таком включении выгодно помещать конденсатор на высоковольтной стороне, т.к. условие резонанса в этом случае выполняется при меньшей ёмкости конденсатора.

3. Индукционные ( трансформаторные) преобразователи.

3.1. Принцип работы.

Помимо преобразователей, принцип функционирования которых основан на изменении индуктивности (коэффициента самоиндукции), применяются преобразователи в которых используется изменение взаимной индукции обмоток (коэффициента взаимоиндукции ) при перемещении подвижных частей.

Такие устройства называют трансформаторными или индукционными преобразователями.

На рис.3.8. изображены две схемы трансформаторных преобразователей. В схеме рис. 8а при смещении якоря 1 относительно среднего положения взаимные индуктивности обмотки питания 2 со встречно включенными обмотками 3 выходного сигнала становятся не одинаковыми, и на выходе появляется напряжение U. Фаза напряжения меняется на противоположную при изменении знака смещения якоря.

Рис.3.8. Трансформаторные преобразователи.

В преобразователе (схема рис.3.8.б) поворотная катушка 1 находится в радиальном поле, создаваемым обмоткой 2 в зазоре между полюсом и цилиндрическим сердечником 3. При одинаковом РВЗ поток, пронизывающий катушку, пропорционален углу α и преобразователь имеет линейную характеристику в широком диапазоне изменения входного сигнала α (характеристика одноконтактная). Индукционные преобразователи имеют такие же статические характеристики как и индуктивные. Расчёт сил, действующих на якорь трансформаторных преобразователей аналогичен.

3.2. Общие свойства преобразователей.

Отсутствие скользящих контактов, прочность конструкции обуславливает высокую надёжность индуктивных и индукционных преобразователей. Достоинствами их являются также высокие чувствительность и разрешающая способность. Например, коэффициент чувствительности дифференциального преобразователя с плоским якорем часто составляет несколько сот вольт на 1 мм, а разрешающая способность измеряется сотыми долями микрона. Надо заметить, что высокая разрешающая способность достигается тщательным экранированием и регулировкой цепей преобразователя.

Изготовляются преобразователи с выходной мощностью в несколько десятков ватт. При повышенной частоте питания объем и вес приходящийся на единицу выходной мощности, невелики. Индукционные преобразователи обладают значительным КПД.

К недостаткам относятся трудность регулировки, трудность получения нулевого сигнала на выходе.

Для определения фазы выходного сигнала с индуктивными и индукционными преобразователями используют демодуляторы (фазочувствительные устройства).

Вопросы для самопроверки.

1. Принцип работы индуктивных преобразователей.

2. Принцип работы индукционных преобразователей.

3. Схема включения обмоток индуктивных преобразователей и схемы включения обмоток индукционных преобразователей.

4. Статические характеристики и чувствительность.

5. Условие получения максимальной чувствительности.

6. Схемы включения индуктивных и индукционных преобразователей.

Рис.3.9.Схема лабораторной установки.

>Принцип работы индуктивных датчиков

Преимущества и недостатки

Особенности конструкции основных элементов управления (катушек обмотки и металлических деталей) обеспечивают чрезвычайную надежность большинства индуктивных датчиков. Учитывая их солидную репутацию, возникает очевидный вопрос: «Почему индуктивные датчики не используются чаще?» Причина в том, что их физическая прочность является одновременно их преимуществом и недостатком. Индуктивные датчики отличаются точностью, надежностью и стабильностью, но при этом являются большими, громоздкими и тяжелыми. Большой расход материала и необходимость тщательной намотки катушек обуславливают дороговизну производства датчиков, особенно высокоточных приборов, требующий прецизионной намотки. Помимо простых бесконтактных датчиков, более сложные индуктивные датчики стоят слишком дорого для использования в широко распространенных коммерческих или промышленных сферах применения.

Другая причина их относительно редкого использования заключается в сложности составления инженерами-конструкторами технических условий. Это связано с тем, что схемы генерации переменного тока и обработки сигналов для каждого датчика необходимо рассчитывать и приобретать отдельно. Для этого обычно требуются глубокие навыки и знания в области аналоговой электроники. Поскольку молодые инженеры стремятся сосредоточиться на цифровой электронике, они рассматривают изучение таких дисциплин как приобретение ненужной квалификации, которую следует избегать.

Индуктивные датчики следующего поколения

Тем не менее, в последние годы на рынке появилось новое поколение индуктивных датчиков, которые пользуются все большей популярностью не только в традиционных сферах, но и в промышленном, автомобильном, медицинском, коммунальном, научном и нефтегазовом секторах. В этих индуктивных датчиках нового поколения используются те же фундаментальные законы физики, что и традиционных устройствах, но в них применяются печатные платы и современная цифровая электроника, а не громоздкие трансформаторные конструкции и аналоговая электроника. Такой элегантный подход также позволяет использовать эти технологии в 2D и 3D-датчиках, линейных устройствах с укороченным (< 1 мм) шагом перемещения, устройствах измерения криволинейной геометрии и высокопрецизионных энкодерах угла поворота.

Zettlex разработала инновационную технологию, которая легла в основу данного индуктивного метода нового поколения и за последние годы была значительно усовершенствована благодаря удачным конструкторским решениям. Использование печатных плат позволяет печатать датчики на тонких и гибких подложках, что также позволяет устранить необходимость в традиционных кабелях и разъемах. Основное преимущество нового подхода — его гибкость (как в буквальном смысле, тик и в смысле готовности разрабатывать индивидуальные конструкции для OEM-производителей). Данная технология обеспечивает аналогичное традиционному методу надежное и точное измерение в неблагоприятных условиях эксплуатации. Также она обладает следующими важными преимуществами:

  • меньшая стоимость;
  • повышенная точность;
  • сниженный вес;
  • упрощенная конструкция (в которой нет подшипников, уплотнений и втулок);
  • компактный размер — особенно, учитывая длину хода по сравнению с традиционными LVDT;
  • упрощенный электрический интерфейс — обычно включает источник постоянного тока и абсолютный цифровой сигнал.

Изображение традиционного устройства LVDT (вверху) и линейного датчика Zettlex (посередине). Внизу для масштаба приведена линейка

Это отлично видно на приведенной выше фотографии, где изображен традиционный LVDT с рабочим ходом 150 мм и заменивший его прибор нового поколения, изготовленный для производителя линейных приводов. Параллели с фотографиями «до» и «после» применения диеты очевидны. Но и это еще не все, ведь устройство нового поколения также оснащено связанной схемой формирования и обработки сигнала (не показана по сравнению с традиционным LVDT). Для сравнения, устройство Zettlex:

  • более чем в 10 раз точнее;
  • на 95 % легче;
  • на 75 % меньше;
  • на 50 % дешевле;
  • непосредственно генерирует цифровые данные, устраняя таким образом необходимость в аналого-цифровом преобразовании.

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*