Inductieve sensoren

Een inductieve sensor is een transducer van het parametrische type waarvan het werkingsprincipe is gebaseerd op verandering inductie L of de wederzijdse inductantie van de wikkeling met de kern, als gevolg van een verandering in de magnetische weerstand RM van het magnetische circuit van de sensor waarin de kern binnenkomt.

Inductieve sensoren worden veel gebruikt in de industrie om verplaatsingen te meten en hebben een bereik van 1 μm tot 20 mm. Het is ook mogelijk om een ​​inductieve sensor te gebruiken voor het meten van drukken, krachten, gas- en vloeistofdebieten, etc. Hierbij wordt de meetwaarde met behulp van verschillende gevoelige elementen omgezet in een verplaatsingsverandering en vervolgens wordt deze waarde toegevoerd aan een inductieve meetomvormer.

In het geval van drukmeting kunnen de gevoelige elementen worden gemaakt in de vorm van elastische membranen, mouwen, enz. Ze worden ook gebruikt als naderingssensoren, die worden gebruikt om verschillende metalen en niet-metalen objecten contactloos te detecteren volgens het ja- of nee-principe.

Voordelen van inductieve sensoren:

• eenvoud en sterkte van de constructie, zonder glijdende contacten;

• mogelijkheid om verbinding te maken met stroomfrequentiebronnen;

• relatief hoog uitgangsvermogen (tot tientallen watt);

• aanzienlijke gevoeligheid.

Nadelen van inductieve sensoren:

• de nauwkeurigheid van de werking hangt af van de stabiliteit van de voedingsspanning per frequentie;

• werking is alleen mogelijk met wisselstroom.

Soorten inductieve omvormers en hun ontwerpkenmerken

Volgens het constructieschema kunnen inductieve sensoren worden onderverdeeld in enkelvoudig en differentieel. Een inductieve sensor bevat één meettak, een differentiële een - twee.

In een differentiële inductieve sensor, wanneer de gemeten parameter verandert, verandert de inductantie van twee identieke spoelen tegelijkertijd en vindt de verandering plaats met dezelfde waarde maar met het tegenovergestelde teken.

Zoals bekend is, inductie van de spoel:

waarbij W het aantal beurten is; F — magnetische flux die erin doordringt; I — de stroom die door de spoel gaat.

Stroom is gerelateerd aan MDS door de verhouding:

Waar krijgen we:

waarbij Rm = HL / Ф de magnetische weerstand is van de inductieve sensor.

Denk bijvoorbeeld aan een enkele inductieve sensor. De werking ervan is gebaseerd op de eigenschap van een luchtspleetsmoorspoel om zijn inductantie te veranderen naarmate de luchtspleetwaarde verandert.

De inductieve sensor bestaat uit een juk 1, een spoel 2, een anker 3 - vastgehouden door veren. Via de belastingsweerstand Rn wordt aan spoel 2 een wisselstroomvoedingsspanning toegevoerd. De stroom in het belastingscircuit wordt gedefinieerd als:

waarbij rd de actieve weerstand van de choke is; L is de inductantie van de sensor.

Omdat de actieve weerstand van de schakeling constant is, kan een verandering in de stroom I alleen optreden door een verandering in de inductieve component XL = IRn, die afhangt van de grootte van de luchtspleet δ.

Elke waarde δ komt overeen met een bepaalde waarde I, die een spanningsval op de weerstand Rn veroorzaakt: Uout = IRn — is het uitgangssignaal van de sensor. U kunt de analytische afhankelijkheid Uout = f (δ) afleiden, mits de opening klein genoeg is en de verdwaalde fluxen kunnen worden verwaarloosd, en de magnetoweerstand van ijzer Rmw kan worden verwaarloosd in vergelijking met de magnetoweerstand van de luchtspleet Rmw.

Hier is de laatste uitdrukking:

In echte apparaten is de actieve weerstand van het circuit veel minder dan de inductieve, waarna de uitdrukking wordt gereduceerd tot de vorm:

De afhankelijkheid Uout = f (δ) is lineair (in de eerste benadering). De eigenlijke functie is als volgt:

De afwijking van lineariteit aan het begin wordt verklaard door de geaccepteerde aanname Rmzh << Rmv.

Bij kleine d is de magnetoweerstand van ijzer evenredig met de magnetoweerstand van lucht.

De afwijking bij grote d wordt verklaard door het feit dat bij grote d RL evenredig wordt met de waarde van de actieve weerstand - Rn + rd.

Over het algemeen heeft de beschouwde inductieve sensor een aantal belangrijke nadelen:

• de fase van de stroom verandert niet wanneer de bewegingsrichting wordt gewijzigd;

• als het nodig is om de verplaatsing in beide richtingen te meten, is het nodig om de initiële luchtspleet en dus de huidige I0 in te stellen, wat onhandig is;

• de belastingsstroom is afhankelijk van de amplitude en frequentie van de voedingsspanning;

• tijdens de werking van de sensor werkt de aantrekkingskracht op het magnetische circuit op het anker, dat door niets wordt gebalanceerd en daarom een ​​fout in de werking van de sensor introduceert.

Differentiële (omkeerbare) inductieve sensoren (DID)

Differentiële inductieve sensoren zijn een combinatie van twee onomkeerbare sensoren en zijn gemaakt in de vorm van een systeem dat bestaat uit twee magnetische circuits met een gemeenschappelijk anker en twee spoelen. Differentiële inductieve sensoren hebben twee afzonderlijke voedingen nodig, waarvoor meestal een scheidingstransformator 5 wordt gebruikt.

De vorm van het magnetische circuit kan differentiaal-inductieve sensoren zijn met een W-vormig magnetisch circuit, gerekruteerd door bruggen van elektrisch staal (voor frequenties boven 1000 Hz worden ijzer-nikkel-permola-legeringen gebruikt), en cilindrisch met een dicht cirkelvormig magnetisch circuit . De keuze van de vorm van de sensor hangt af van de constructieve combinatie met het bestuurde apparaat. Het gebruik van een W-vormig magnetisch circuit is te danken aan het gemak van het monteren van de spoel en het verkleinen van de sensor.

Voor het voeden van de differentiaal-inductieve sensor wordt een transformator 5 met een uitgang voor het middelpunt van de secundaire wikkeling gebruikt. Tussen het apparaat en het gemeenschappelijke uiteinde van de twee spoelen bevindt zich het apparaat 4. De luchtspleet is 0,2-0,5 mm.

In de middelste positie van het anker, wanneer de luchtspleten hetzelfde zijn, zijn de inductieve weerstanden van de spoelen 3 en 3' hetzelfde, daarom zijn de waarden van de stromen in de spoelen gelijk aan I1 = I2 en de resulterende stroom in het apparaat is 0.

Met een kleine afwijking van het anker in een of andere richting, onder invloed van de gecontroleerde waarde X, veranderen de waarden van de openingen en inductanties, het apparaat registreert de verschilstroom I1-I2, dit is een functie van het anker verplaatsing vanuit de middenpositie. Het verschil in stromen wordt meestal geregistreerd met behulp van een magneto-elektrisch apparaat 4 (microampèremeter) met een gelijkrichtercircuit B aan de ingang.

De kenmerken van de inductieve sensor zijn:

De polariteit van de uitgangsstroom blijft ongewijzigd ongeacht het teken van de verandering in de impedantie van de spoelen. Wanneer de afwijkingsrichting van het anker vanuit de middenpositie verandert, verandert de fase van de stroom aan de uitgang van de sensor omgekeerd (met 180 °). Bij gebruik van fasegevoelige gelijkrichters kan vanuit de middelste stand een indicatie van de bewegingsrichting van het anker worden verkregen. De kenmerken van een differentiële inductieve sensor met een fasefrequentiefilter zijn als volgt:

Fout bij conversie van inductieve sensor

Het informatievermogen van een inductieve sensor wordt grotendeels bepaald door zijn fout bij het omzetten van de gemeten parameter. De totale fout van een inductieve sensor bestaat uit een groot aantal foutcomponenten.

De volgende inductieve sensorfouten kunnen worden onderscheiden:

1) Fout door niet-lineariteit van de karakteristiek. De multiplicatieve component van de totale fout Vanwege het principe van inductieve conversie van de gemeten waarde, die de basis vormt van de werking van inductieve sensoren, is deze essentieel en bepaalt in de meeste gevallen het meetbereik van de sensor. Verplicht onder voorbehoud van evaluatie tijdens sensorontwikkeling.

2) Temperatuurfout. Willekeurig ingrediënt.Vanwege het grote aantal temperatuurafhankelijke parameters van de sensorcomponenten kan de fout van het component grote waarden bereiken en is aanzienlijk. Te evalueren in sensorontwerp.

3) Fout door invloed van externe elektromagnetische velden. De willekeurige component van de totale fout. Het treedt op als gevolg van de inductie van EMF in de sensorwikkeling door externe velden en als gevolg van een verandering in de magnetische eigenschappen van het magnetische circuit onder invloed van externe velden. In industriële gebouwen met krachtige elektrische installaties worden magnetische velden met inductie T en een frequentie van voornamelijk 50 Hz gedetecteerd.

Aangezien de magnetische kernen van inductieve sensoren werken bij inducties van 0,1 - 1 T, zal het aandeel externe velden 0,05-0,005% zijn, zelfs als er geen afscherming is. Scherminvoer en het gebruik van een differentiaalsensor verminderen dit aandeel met ongeveer twee ordes van grootte. Daarom moet de fout als gevolg van de invloed van externe velden alleen worden overwogen bij het ontwerpen van sensoren met een lage gevoeligheid en met de onmogelijkheid van voldoende afscherming. In de meeste gevallen is deze foutcomponent niet significant.

4) Fout door het magneto-elastische effect. Het ontstaat door de instabiliteit van de vervormingen van het magnetische circuit tijdens de montage van de sensor (additieve component) en door veranderingen in vervormingen tijdens de werking van de sensor (willekeurige component). Berekeningen die rekening houden met de aanwezigheid van gaten in het magnetische circuit laten zien dat de invloed van de instabiliteit van mechanische spanningen in het magnetische circuit instabiliteit veroorzaakt van het uitgangssignaal van de ordersensor, en in de meeste gevallen kan dit onderdeel specifiek worden verwaarloosd.

5) Fout als gevolg van het spanningsmetereffect van de spoel.Willekeurig ingrediënt. Bij het opwikkelen van de sensorspoel ontstaat er een mechanische spanning in de draad. Een verandering in deze mechanische spanningen tijdens de werking van de sensor resulteert in een verandering in de weerstand van de spoel tegen gelijkstroom en daardoor in een verandering in het uitgangssignaal van de sensor. Meestal voor correct ontworpen sensoren, dat wil zeggen dat dit onderdeel niet specifiek moet worden overwogen.

6) Afwijking van de aansluitkabel. Het treedt op door de instabiliteit van de elektrische weerstand van de kabel onder invloed van temperatuur of vervormingen en door de inductie van EMF in de kabel onder invloed van externe velden. Is de willekeurige component van de fout. In geval van instabiliteit van de eigen weerstand van de kabel, de fout van het uitgangssignaal van de sensor. De lengte van de aansluitkabels is 1-3 m en zelden meer. Wanneer de kabel is gemaakt van koperdraad in dwarsdoorsnede, is de weerstand van de kabel minder dan 0,9 Ohm, weerstandsinstabiliteit. Aangezien de sensorimpedantie doorgaans groter is dan 100 ohm, kan de fout in de sensoruitgang zo groot zijn als Daarom moet voor sensoren met een lage bedrijfsweerstand de fout worden geschat. In andere gevallen is het niet significant.

7) Ontwerpfouten.Ze ontstaan ​​onder invloed van de volgende redenen: de invloed van de meetkracht op de vervormingen van de sensordelen (additief), de invloed van het verschil in de meetkracht op de instabiliteit van de vervormingen (multiplicatief), de invloed van de geleiders van de meetlat tijdens de overdracht van de meetpuls (multiplicatief), de instabiliteit van de overdracht van de meetpuls door spleten en speling van de bewegende delen (willekeurig).Ontwerpfouten worden voornamelijk bepaald door gebreken in het ontwerp van de mechanische elementen van de sensor en zijn niet specifiek voor inductieve sensoren. De evaluatie van deze fouten wordt uitgevoerd volgens de bekende werkwijzen voor het evalueren van de fouten van de kinematische overbrengingen van de meetinrichtingen.

8) Technologische fouten. Ze ontstaan ​​​​als gevolg van technologische afwijkingen in de relatieve positie van sensoronderdelen (additief), de spreiding van de parameters van onderdelen en spoelen tijdens productie (additief), de invloed van technologische hiaten en dichtheid in de verbindingen van onderdelen en in geleiders ( willekeurig).

Technologische fouten bij de fabricage van de mechanische elementen van de sensorstructuur zijn ook niet specifiek voor de inductieve sensor; ze worden geëvalueerd volgens de gebruikelijke methoden voor mechanische meetinstrumenten. Fouten bij de fabricage van het magnetische circuit en de sensorspoelen leiden tot spreiding van de parameters van de sensoren en tot moeilijkheden bij het waarborgen van de uitwisselbaarheid van de laatste.

9) Sensorverouderingsfout.Deze foutcomponent wordt enerzijds veroorzaakt door de slijtage van de bewegende elementen van de sensorstructuur en anderzijds door de verandering in de tijd van de elektromagnetische eigenschappen van het magnetische circuit van de sensor. De fout moet als toevallig worden beschouwd. Bij het evalueren van de fout als gevolg van slijtage wordt rekening gehouden met de kinematische berekening van het sensormechanisme in elk specifiek geval. In de ontwerpfase van de sensor wordt in dit geval aanbevolen om de levensduur van de sensor in te stellen onder normale bedrijfsomstandigheden, waarbij de extra slijtagefout de gespecificeerde waarde niet zal overschrijden.

De elektromagnetische eigenschappen van materialen veranderen in de loop van de tijd.

In de meeste gevallen eindigen de uitgesproken processen van verandering van de elektromagnetische eigenschappen binnen de eerste 200 uur na de warmtebehandeling en demagnetisatie van het magnetische circuit. In de toekomst blijven ze praktisch constant en spelen ze geen rol van betekenis in de algehele fout van de inductieve sensor.

De bovenstaande overweging van de componenten van de fout van een inductieve sensor maakt het mogelijk om hun rol in de vorming van de totale fout van de sensor te evalueren. In de meeste gevallen is de bepalende factor de fout van de niet-lineariteit van de karakteristiek en de temperatuurfout van de inductieve omzetter.