Induktiiviset anturit

Induktiivinen anturi on parametrityyppinen anturi, jonka toimintaperiaate perustuu muutokseen induktanssi L tai käämin keskinäinen induktanssi sydämen kanssa, mikä johtuu sen anturin magneettipiirin magneettivastuksen RM muutoksesta, johon sydän tulee.

Induktiivisia antureita käytetään laajalti teollisuudessa siirtymien mittaamiseen ja ne kattavat alueen 1 μm - 20 mm. On myös mahdollista käyttää induktiivista anturia mittaamaan paineita, voimia, kaasun ja nesteen virtausnopeuksia jne. Tällöin mitattu arvo muunnetaan eri herkkien elementtien avulla siirtymämuutokseksi ja sitten tämä arvo syötetään induktiiviseen mittausanturiin.

Paineenmittauksen tapauksessa herkät elementit voidaan tehdä elastisten kalvojen, holkkien jne. muodossa. Niitä käytetään myös läheisyysantureina, joilla havaitaan erilaisia ​​metallisia ja ei-metallisia esineitä kosketuksettomalla tavalla kyllä ​​tai ei -periaatteella.

Induktiivisten antureiden edut:

• rakenteen yksinkertaisuus ja lujuus ilman liukukoskettimia;

• kyky liittää virtataajuuslähteisiin;

• suhteellisen korkea lähtöteho (jopa kymmeniä watteja);

• merkittävä herkkyys.

Induktiivisten antureiden haitat:

• toiminnan tarkkuus riippuu syöttöjännitteen stabiilisuudesta taajuuden mukaan;

• toiminta on mahdollista vain vaihtovirralla.

Induktiivisten muuntajien tyypit ja niiden suunnitteluominaisuudet

Rakennekaavion mukaan induktiiviset anturit voidaan jakaa yksittäisiin ja differentiaalisiin antureihin. Induktiivinen anturi sisältää yhden mittaushaaran, differentiaalinen yksi - kaksi.

Differentiaalisen induktiivisen anturissa mitatun parametrin muuttuessa kahden identtisen kelan induktanssi muuttuu samanaikaisesti ja muutos tapahtuu samalla arvolla, mutta päinvastaisella etumerkillä.

Kuten tiedetään, kelan induktanssi:

missä W on kierrosten lukumäärä; F - sen läpäisevä magneettivuo; I - kelan läpi kulkeva virta.

Virta liittyy MDS:ään suhteella:

Mistä saamme:

jossa Rm = HL / Ф on induktiivisen anturin magneettivastus.

Harkitse esimerkiksi yhtä induktiivista anturia. Sen toiminta perustuu ilmavälikuristimen ominaisuuteen muuttaa induktanssiaan ilmavälin arvon muuttuessa.

Induktiivinen anturi koostuu ikeestä 1, käämistä 2, ankkurista 3 — jousien pitämä. Vaihtovirran syöttöjännite syötetään käämiin 2 kuormitusvastuksen Rn kautta. Kuormapiirin virta määritellään seuraavasti:

missä rd on kuristimen aktiivinen vastus; L on anturin induktanssi.

Koska piirin aktiivinen resistanssi on vakio, virran I muutos voi tapahtua vain johtuen induktiivisen komponentin XL = IRn muutoksesta, joka riippuu ilmaraon δ koosta.

Jokaiselle arvolle δ vastaa tiettyä arvoa I, joka saa aikaan jännitehäviön vastukseen Rn: Uout = IRn — on anturin lähtösignaali. Analyyttinen riippuvuus Uout = f (δ) voidaan johtaa, jos rako on riittävän pieni ja hajavirrat voidaan jättää huomiotta, ja raudan magnetoresistanssi Rmw voidaan jättää huomiotta verrattuna ilmavälin magnetoresistanssiin Rmw.

Tässä lopullinen ilmaus:

Todellisissa laitteissa piirin aktiivinen vastus on paljon pienempi kuin induktiivinen, jolloin lauseke pienenee muotoon:

Riippuvuus Uout = f (δ) on lineaarinen (ensimmäisessä approksimaatiossa). Todellinen ominaisuus on seuraava:

Poikkeama lineaarisuudesta alussa selittyy hyväksytyllä oletuksella Rmzh << Rmv.

Pienellä d:llä raudan magneettiresistanssi on oikeassa suhteessa ilman magnetoresistanssiin.

Poikkeama suurella d:llä selittyy sillä, että suurella d:llä RL tulee suhteessa aktiivisen vastuksen arvoon — Rn + rd.

Yleisesti ottaen harkitulla induktiivisella anturilla on useita merkittäviä haittoja:

• virran vaihe ei muutu, kun liikkeen suuntaa muutetaan;

• jos on tarpeen mitata siirtymä molempiin suuntiin, on tarpeen asettaa alkuperäinen ilmaväli ja siten virta I0, mikä on hankalaa;

• kuormitusvirta riippuu syöttöjännitteen amplitudista ja taajuudesta;

• anturin toiminnan aikana magneettipiiriin kohdistuva vetovoima vaikuttaa ankkuriin, jota mikään ei tasapainota ja aiheuttaa siksi virheen anturin toimintaan.

Differentiaaliset (käännettävät) induktiiviset anturit (DID)

Differentiaaliset induktiiviset anturit ovat kahden irreversiibelin anturin yhdistelmä, ja ne on tehty järjestelmän muodossa, joka koostuu kahdesta magneettipiiristä, joissa on yhteinen ankkuri ja kaksi kelaa. Differentiaaliset induktiiviset anturit vaativat kaksi erillistä teholähdettä, joihin yleensä käytetään eristysmuuntajaa 5.

Magneettipiirin muoto voi olla differentiaali-induktiivisia antureita, joissa on W-muotoinen magneettipiiri, jotka on muodostettu sähköterässiltojen avulla (yli 1000 Hz:n taajuuksilla käytetään rauta-nikkeli-permola-seoksia) ja sylinterimäisiä tiheällä pyöreällä magneettipiirillä. . Anturin muodon valinta riippuu sen rakentavasta yhdistelmästä ohjattavan laitteen kanssa. W-muotoisen magneettipiirin käyttö johtuu kelan kokoamisen ja anturin koon pienentämisen mukavuudesta.

Differentiaali-induktiivisen anturin virransyöttöön käytetään muuntajaa 5, jonka lähtö on toisiokäämin keskipisteeseen. Sen ja kahden käämin yhteisen pään väliin on sijoitettu laite 4. Ilmarako on 0,2-0,5 mm.

Ankkurin keskiasennossa, kun ilmavälit ovat samat, kelojen 3 ja 3' induktiiviset vastukset ovat samat, joten kelojen virtojen arvot ovat yhtä suuria kuin I1 = I2 ja tuloksena laitteen virta on 0.

Pienellä ankkurin poikkeavalla suuntaan tai toiseen, säädetyn arvon X vaikutuksesta aukkojen ja induktanssien arvot muuttuvat, laite rekisteröi differentiaalivirran I1-I2, tämä on ankkurin funktio siirtyminen keskiasennosta. Virtojen ero rekisteröidään yleensä magnetosähköisellä laitteella 4 (mikroampeerimittari), jonka sisääntulossa on tasasuuntaajapiiri B.

Induktiivisen anturin ominaisuudet ovat:

Lähtövirran napaisuus pysyy muuttumattomana kelojen impedanssin muutoksen merkistä riippumatta. Kun ankkurin poikkeama suunta keskiasennosta muuttuu, anturin lähdössä olevan virran vaihe muuttuu päinvastoin (180 °). Vaiheherkkiä tasasuuntaajia käytettäessä ankkurin kulkusuunnan osoitus saadaan keskiasennosta. Vaihetaajuussuodattimella varustetun differentiaalisen induktiivisen anturin ominaisuudet ovat seuraavat:

Induktiivisen anturin muunnosvirhe

Induktiivisen anturin tietokapasiteetti määräytyy suurelta osin sen virheestä mitattua parametria muuttaessa. Induktiivisen anturin kokonaisvirhe koostuu suuresta määrästä virhekomponentteja.

Seuraavat induktiiviset anturivirheet voidaan erottaa:

1) Virhe ominaisuuden epälineaarisuudesta. Kokonaisvirheen kertova komponentti Induktiivisten antureiden toiminnan perustana olevan mitatun arvon induktiivisen muuntamisen periaatteen vuoksi se on olennainen ja useimmissa tapauksissa määrittää anturin mittausalueen. Pakollinen arvioinnin kohteena anturin kehittämisen aikana.

2) Lämpötilavirhe. Satunnainen ainesosa.Anturikomponenttien lämpötilasta riippuvien parametrien suuren määrän vuoksi komponentin virhe voi saavuttaa suuria arvoja ja on merkittävä. Arvioidaan anturin suunnittelussa.

3) Virhe ulkoisten sähkömagneettisten kenttien vaikutuksesta. Kokonaisvirheen satunnainen komponentti. Se johtuu EMF:n induktiosta anturin käämissä ulkoisten kenttien vaikutuksesta ja magneettipiirin magneettisten ominaisuuksien muutoksesta ulkoisten kenttien vaikutuksesta. Teollisuustiloissa, joissa on tehosähköasennuksia, havaitaan magneettikenttiä, joiden induktio T ja taajuus on pääosin 50 Hz.

Koska induktiivisten antureiden magneettiytimet toimivat induktioilla 0,1 - 1 T, ulkoisten kenttien osuus on 0,05-0,005 % myös ilman suojausta. Näytön syöttö ja differentiaalisensorin käyttö vähentävät tätä osuutta noin kahdella suuruusluokalla. Siten ulkoisten kenttien vaikutuksesta johtuva virhe tulee ottaa huomioon vain suunniteltaessa antureita, joiden herkkyys on alhainen ja riittävän suojauksen mahdottomuus. Useimmissa tapauksissa tämä virhekomponentti ei ole merkittävä.

4) Magnetoelastisesta vaikutuksesta johtuva virhe. Se johtuu magneettipiirin muodonmuutosten epävakaudesta anturin kokoonpanon aikana (lisäkomponentti) ja muodonmuutosten muutoksista anturin toiminnan aikana (mielivaltainen komponentti). Laskelmat, joissa otetaan huomioon aukkojen esiintyminen magneettipiirissä, osoittavat, että magneettipiirin mekaanisten jännitysten epävakauden vaikutus aiheuttaa tilausanturin lähtösignaalin epävakauden, ja useimmissa tapauksissa tämä komponentti voidaan erityisesti jättää huomiotta.

5) Kelan venymämittarin vaikutuksesta johtuva virhe.Satunnainen ainesosa. Anturikäämiä kääritettäessä johdossa syntyy mekaanista jännitystä. Muutos näissä mekaanisissa jännityksissä anturin toiminnan aikana johtaa muutoksen käämin resistanssiin tasavirtaa vastaan ​​ja siten muutoksen anturin lähtösignaalissa. Yleensä oikein suunnitelluille antureille, eli tätä komponenttia ei tulisi harkita erityisesti.

6) Poikkeama liitäntäkaapelista. Se johtuu kaapelin sähkövastuksen epävakaudesta lämpötilan tai muodonmuutosten vaikutuksesta ja EMF:n induktiosta kaapelissa ulkoisten kenttien vaikutuksesta. Onko virheen satunnainen komponentti. Jos kaapelin oma vastus on epävakaa, anturin lähtösignaalin virhe. Liitäntäkaapeleiden pituus on 1-3 m ja harvoin enemmän. Kun kaapeli on valmistettu poikkileikkauskuparilangasta, kaapelin vastus on alle 0,9 ohmia, vastuksen epävakaus. Koska anturin impedanssi on tyypillisesti suurempi kuin 100 ohmia, anturin lähdössä oleva virhe voi olla niin suuri kuin Siksi antureille, joilla on pieni käyttövastus, virhe on arvioitava. Muissa tapauksissa sillä ei ole merkitystä.

7) Suunnitteluvirheet.Ne syntyvät seuraavien syiden vaikutuksesta: mittausvoiman vaikutus anturin osien muodonmuutoksiin (lisäaine), mittausvoiman eron vaikutus muodonmuutosten epävakauteen (kerroin), anturiosien muodonmuutoksien vaikutus. mittaussauvan ohjaimet mittauspulssin välityksen aikana (kerroin), mittauspulssin siirron epävakaus liikkuvien osien välyksen ja välyksen vuoksi (satunnainen) Suunnitteluvirheet määräytyvät ensisijaisesti pulssin suunnitteluvirheistä anturin mekaaniset elementit, eivätkä ne ole ominaisia ​​induktiivisille antureille. Näiden virheiden arviointi suoritetaan tunnettujen mittauslaitteiden kinemaattisten lähetysten virheiden arviointimenetelmien mukaisesti.

8) Tekniset virheet. Ne syntyvät teknologisista poikkeamista anturiosien suhteellisessa asennossa (lisäaine), osien ja kelojen parametrien hajoamisesta tuotannon aikana (lisäaine), teknisten rakojen ja tiiviyden vaikutuksesta osien liitoksissa ja ohjaimissa ( mielivaltainen).

Tekniset virheet anturirakenteen mekaanisten elementtien valmistuksessa eivät myöskään liity induktiiviseen anturiin; ne arvioidaan mekaanisten mittalaitteiden tavanomaisin menetelmin. Virheet magneettipiirin ja anturikäämien valmistuksessa johtavat anturien parametrien hajaantumiseen ja vaikeuksiin varmistaa jälkimmäisten vaihdettavuus.

9) Anturin ikääntymisvirhe.Tämä virhekomponentti johtuu ensinnäkin anturirakenteen liikkuvien elementtien kulumisesta ja toisaalta anturin magneettipiirin sähkömagneettisten ominaisuuksien muutoksesta ajan myötä. Virhettä on pidettävä vahingossa. Kulumisesta johtuvaa virhettä arvioitaessa otetaan huomioon anturimekanismin kinemaattinen laskenta kussakin tapauksessa. Tässä tapauksessa anturin suunnitteluvaiheessa on suositeltavaa asettaa anturin käyttöikä normaaleissa käyttöolosuhteissa, jolloin ylimääräinen kulumisvirhe ei ylitä määritettyä arvoa.

Materiaalien sähkömagneettiset ominaisuudet muuttuvat ajan myötä.

Useimmissa tapauksissa voimakkaat sähkömagneettisten ominaisuuksien muutosprosessit päättyvät ensimmäisten 200 tunnin aikana magneettipiirin lämpökäsittelyn ja demagnetoinnin jälkeen. Jatkossa ne pysyvät käytännössä vakioina, eikä niillä ole merkittävää roolia induktiivisen anturin kokonaisvirheessä.

Edellä oleva induktiivisen anturin virheen komponenttien tarkastelu mahdollistaa niiden roolin arvioinnin anturin kokonaisvirheen muodostumisessa. Useimmissa tapauksissa määräävä tekijä on ominaiskäyrän epälineaarisuudesta johtuva virhe ja induktiivisen muuntimen lämpötilavirhe.