Sensori induttivi

Un sensore induttivo è un trasduttore di tipo parametrico il cui principio di funzionamento si basa sul cambiamento induttanza L o l'induttanza reciproca dell'avvolgimento con il nucleo, dovuta a una variazione della resistenza magnetica RM del circuito magnetico del sensore in cui entra il nucleo.

I sensori induttivi sono ampiamente utilizzati nell'industria per misurare gli spostamenti e coprono la gamma da 1 μm a 20 mm. È anche possibile utilizzare un sensore induttivo per misurare pressioni, forze, portate di gas e liquidi, ecc. In questo caso, il valore misurato viene convertito utilizzando vari elementi sensibili in una variazione di spostamento e quindi questo valore viene inviato a un trasduttore di misura induttivo.

Nel caso di misura di pressione, gli elementi sensibili possono essere realizzati sotto forma di membrane elastiche, manicotto, ecc. Sono anche utilizzati come sensori di prossimità, che vengono utilizzati per rilevare vari oggetti metallici e non metallici in modo senza contatto secondo il principio sì o no.

Vantaggi dei sensori induttivi:

• semplicità e robustezza della costruzione, senza contatti striscianti;

• capacità di connettersi a fonti di frequenza di alimentazione;

• potenza di uscita relativamente elevata (fino a decine di watt);

• sensibilità significativa.

Svantaggi dei sensori induttivi:

• la precisione di funzionamento dipende dalla stabilità della tensione di alimentazione per frequenza;

• il funzionamento è possibile solo con corrente alternata.

Tipi di convertitori induttivi e loro caratteristiche di progettazione

Secondo lo schema costruttivo, i sensori induttivi possono essere suddivisi in singoli e differenziali. Un sensore induttivo contiene un ramo di misura, uno differenziale uno - due.

In un sensore induttivo differenziale, quando il parametro misurato cambia, l'induttanza di due bobine identiche cambia contemporaneamente e la variazione avviene dello stesso valore ma con segno opposto.

Come è noto, induttanza della bobina:

dove W è il numero di giri; F — flusso magnetico che lo penetra; I — la corrente che passa attraverso la bobina.

La corrente è correlata a MDS dal rapporto:

Dove otteniamo:

dove Rm = HL / Ф è la resistenza magnetica del sensore induttivo.

Si consideri, ad esempio, un singolo sensore induttivo. Il suo funzionamento si basa sulla proprietà di un'induttanza a traferro di modificare la propria induttanza al variare del valore del traferro.

Il sensore induttivo è costituito da un giogo 1, una bobina 2, un'armatura 3 — trattenuta da molle. Una tensione di alimentazione in corrente alternata viene fornita alla bobina 2 attraverso la resistenza di carico Rn. La corrente nel circuito di carico è definita come:

dove rd è la resistenza attiva dello starter; L è l'induttanza del sensore.

Poiché la resistenza attiva del circuito è costante, una variazione della corrente I può verificarsi solo a causa di una variazione della componente induttiva XL = IRn, che dipende dalla dimensione del traferro δ.

Ad ogni valore δ corrisponde un certo valore I, che crea una caduta di tensione sulla resistenza Rn: Uout = IRn — è il segnale di uscita del sensore. È possibile derivare la dipendenza analitica Uout = f (δ) a condizione che il traferro sia sufficientemente piccolo e che i flussi vaganti possano essere trascurati e la magnetoresistenza del ferro Rmw possa essere trascurata rispetto alla magnetoresistenza del traferro Rmw.

Ecco l'espressione finale:

Nei dispositivi reali la resistenza attiva del circuito è molto inferiore a quella induttiva, quindi l'espressione si riduce alla forma:

La dipendenza Uout = f (δ) è lineare (in prima approssimazione). La caratteristica reale è la seguente:

La deviazione dalla linearità all'inizio è spiegata dall'assunzione accettata Rmzh << Rmv.

A d piccolo, la magnetoresistenza del ferro è commisurata alla magnetoresistenza dell'aria.

La deviazione in generale d è spiegata dal fatto che in generale d RL diventa commisurata al valore della resistenza attiva — Rn + rd.

In generale, il sensore induttivo considerato presenta una serie di svantaggi significativi:

• la fase della corrente non cambia quando si cambia la direzione del movimento;

• se è necessario misurare lo spostamento in entrambe le direzioni, è necessario impostare il traferro iniziale e quindi la corrente I0, cosa scomoda;

• la corrente di carico dipende dall'ampiezza e dalla frequenza della tensione di alimentazione;

• durante il funzionamento del sensore, la forza di attrazione del circuito magnetico agisce sull'armatura, che non è bilanciata da nulla e quindi introduce un errore nel funzionamento del sensore.

Sensori induttivi differenziali (reversibili) (DID)

I sensori induttivi differenziali sono una combinazione di due sensori irreversibili e sono realizzati sotto forma di un sistema costituito da due circuiti magnetici con un'armatura comune e due bobine. I sensori induttivi differenziali richiedono due alimentazioni separate, per le quali viene solitamente utilizzato un trasformatore di isolamento 5.

La forma del circuito magnetico può essere sensori induttivi differenziali con un circuito magnetico a forma di W, reclutati da ponti di acciaio elettrico (per frequenze superiori a 1000Hz, vengono utilizzate leghe ferro-nichel-permola) e cilindrici con un circuito magnetico circolare denso . La scelta della forma del sensore dipende dalla sua combinazione costruttiva con il dispositivo controllato. L'utilizzo di un circuito magnetico a forma di W è dovuto alla comodità di assemblare la bobina e di ridurre le dimensioni del sensore.

Per alimentare il sensore differenziale-induttivo, viene utilizzato un trasformatore 5 con un'uscita per il punto medio dell'avvolgimento secondario. Tra esso e l'estremità comune delle due bobine è compreso il dispositivo 4. Il traferro è di 0,2-0,5 mm.

Nella posizione mediana dell'indotto, a parità di traferri, le resistenze induttive delle bobine 3 e 3' sono uguali, quindi i valori delle correnti nelle bobine sono pari a I1 = I2 e la risultante corrente nel dispositivo è 0.

Con una leggera deviazione dell'armatura in una direzione o nell'altra, sotto l'influenza del valore controllato X, i valori delle lacune e delle induttanze cambiano, il dispositivo registra la corrente differenziale I1-I2, questa è una funzione dell'armatura spostamento dalla posizione centrale. La differenza di corrente viene solitamente registrata utilizzando un dispositivo magnetoelettrico 4 (microamperometro) con un circuito raddrizzatore B all'ingresso.

Le caratteristiche del sensore induttivo sono:

La polarità della corrente di uscita rimane invariata indipendentemente dal segno della variazione dell'impedenza delle bobine. Quando la direzione di deviazione dell'armatura dalla posizione centrale cambia, la fase della corrente all'uscita del sensore cambia al contrario (di 180 °). Quando si utilizzano raddrizzatori sensibili alla fase, è possibile ottenere un'indicazione della direzione di movimento dell'armatura dalla posizione centrale. Le caratteristiche di un sensore induttivo differenziale con filtro frequenza di fase sono le seguenti:

Errore di conversione del sensore induttivo

La capacità di informazione di un sensore induttivo è in gran parte determinata dal suo errore durante la conversione del parametro misurato. L'errore totale di un sensore induttivo è costituito da un gran numero di componenti di errore.

Si possono distinguere i seguenti errori del sensore induttivo:

1) Errore dovuto alla non linearità della caratteristica. La componente moltiplicativa dell'errore totale A causa del principio della conversione induttiva del valore misurato, che è alla base del funzionamento dei sensori induttivi, è essenziale e nella maggior parte dei casi determina il campo di misura del sensore. Obbligatorio soggetto a valutazione durante lo sviluppo del sensore.

2) Errore di temperatura. Ingrediente casuale.A causa dell'elevato numero di parametri dipendenti dalla temperatura dei componenti del sensore, l'errore del componente può raggiungere valori elevati ed è significativo. Da valutare nella progettazione del sensore.

3) Errore dovuto all'influenza di campi elettromagnetici esterni. La componente casuale dell'errore totale. Si verifica a causa dell'induzione di EMF nell'avvolgimento del sensore da parte di campi esterni ea causa di un cambiamento nelle caratteristiche magnetiche del circuito magnetico sotto l'influenza di campi esterni. Nei locali industriali con impianti elettrici di potenza vengono rilevati campi magnetici con induzione T e frequenza prevalentemente 50 Hz.

Poiché i nuclei magnetici dei sensori induttivi funzionano a induzioni di 0,1 - 1 T, la quota di campi esterni sarà dello 0,05-0,005% anche in assenza di schermatura. L'input dello schermo e l'uso di un sensore differenziale riducono questa proporzione di circa due ordini di grandezza. Pertanto, l'errore dovuto all'influenza di campi esterni dovrebbe essere considerato solo quando si progettano sensori con bassa sensibilità e con l'impossibilità di una schermatura sufficiente. Nella maggior parte dei casi, questa componente di errore non è significativa.

4) Errore dovuto all'effetto magnetoelastico. Nasce dall'instabilità delle deformazioni del circuito magnetico durante l'assemblaggio del sensore (componente additivo) e dalle variazioni delle deformazioni durante il funzionamento del sensore (componente arbitrario). I calcoli che tengono conto della presenza di lacune nel circuito magnetico mostrano che l'influenza dell'instabilità delle sollecitazioni meccaniche nel circuito magnetico provoca instabilità del segnale di uscita del sensore di ordine e nella maggior parte dei casi questo componente può essere specificamente trascurato.

5) Errore dovuto all'effetto estensimetrico della bobina.Ingrediente casuale. Quando si avvolge la bobina del sensore, si crea una tensione meccanica nel filo. Una variazione di queste sollecitazioni meccaniche durante il funzionamento del sensore comporta una variazione della resistenza della bobina alla corrente continua e quindi una variazione del segnale di uscita del sensore. Di solito per sensori progettati correttamente, cioè questo componente non dovrebbe essere considerato in modo specifico.

6) Deviazione dal cavo di collegamento. Si verifica a causa dell'instabilità della resistenza elettrica del cavo sotto l'influenza della temperatura o delle deformazioni e dell'induzione di campi elettromagnetici nel cavo sotto l'influenza di campi esterni. È la componente casuale dell'errore. In caso di instabilità della propria resistenza del cavo, l'errore del segnale di uscita del sensore. La lunghezza dei cavi di collegamento è di 1-3 me raramente di più. Quando il cavo è realizzato con filo di rame a sezione trasversale, la resistenza del cavo è inferiore a 0,9 Ohm, instabilità della resistenza. Poiché l'impedenza del sensore è tipicamente maggiore di 100 ohm, l'errore nell'uscita del sensore può essere grande quanto Pertanto, per i sensori con bassa resistenza operativa, l'errore deve essere stimato. In altri casi, non è significativo.

7) Errori di progettazione.Sorgono sotto l'influenza dei seguenti motivi: l'influenza della forza di misurazione sulle deformazioni delle parti del sensore (additiva), l'influenza della differenza nella forza di misurazione sull'instabilità delle deformazioni (moltiplicativa), l'influenza della guide dell'asta di misura durante la trasmissione dell'impulso di misura (moltiplicativo), l'instabilità del trasferimento dell'impulso di misura dovuta a lacune e giochi delle parti mobili (casuali) Gli errori di progettazione sono principalmente determinati da difetti nella progettazione del elementi meccanici del sensore e non sono specifici dei sensori induttivi. La valutazione di questi errori viene effettuata secondo i metodi noti per la valutazione degli errori delle trasmissioni cinematiche dei dispositivi di misura.

8) Errori tecnologici. Sorgono a seguito di deviazioni tecnologiche nella posizione relativa delle parti del sensore (additivo), della dispersione dei parametri di parti e bobine durante la produzione (additivo), dell'influenza delle lacune tecnologiche e della tenuta nelle connessioni delle parti e nelle guide ( arbitrario).

Anche gli errori tecnologici nella fabbricazione degli elementi meccanici della struttura del sensore non sono specifici del sensore induttivo; sono valutati utilizzando i metodi usuali per i dispositivi di misurazione meccanici. Errori nella realizzazione del circuito magnetico e delle bobine dei sensori portano alla dispersione dei parametri dei sensori ea difficoltà nell'assicurare l'intercambiabilità di questi ultimi.

9) Errore di invecchiamento del sensore.Tale componente di errore è causata, in primo luogo, dall'usura degli elementi in movimento della struttura del sensore e, in secondo luogo, dalla variazione nel tempo delle caratteristiche elettromagnetiche del circuito magnetico del sensore. L'errore è da considerarsi accidentale. Quando si valuta l'errore dovuto all'usura, viene preso in considerazione il calcolo cinematico del meccanismo del sensore in ciascun caso specifico. In fase di progettazione del sensore, in questo caso, si consiglia di impostare la vita utile del sensore in condizioni operative normali, durante le quali l'errore di usura aggiuntivo non supererà il valore specificato.

Le proprietà elettromagnetiche dei materiali cambiano nel tempo.

Nella maggior parte dei casi, i pronunciati processi di modifica delle caratteristiche elettromagnetiche terminano entro le prime 200 ore dopo il trattamento termico e la smagnetizzazione del circuito magnetico. In futuro, rimangono praticamente costanti e non svolgono un ruolo significativo nell'errore complessivo del sensore induttivo.

La precedente considerazione delle componenti dell'errore di un sensore induttivo permette di valutare il loro ruolo nella formazione dell'errore totale del sensore. Nella maggior parte dei casi, il fattore determinante è l'errore dovuto alla non linearità della caratteristica e l'errore di temperatura del convertitore induttivo.