Индуктивные датчики

Индуктивные датчики применяют для преоб­разования малых линейных или угловых перемещений в электри­ческие сигналы. Принцип их действия основан на зависимости индуктивного сопротивления катушки от изменения зазора вмагнитопроводе, от перемещения магнитопровода в катушке или от изменения площади зазора.

Индуктивный преобразователь датчика с подвижным якорем (изме­няющимся зазором) представляет собой катушку индуктивности 3 с магнитопроводом 2 и подвижным якорем 1 (рис. 3.6, а). Катушка индуктивности с магнитопроводом, называемая статором, закреп­ляется неподвижно, а якорь механически соединяется с подвиж­ной частью системы измерения, перемещение которой необхо­димо преобразовать в электрический сигнал. Перемещение якоря изменяет воздушный зазор δ (входная величина преобразователя), вызывает изменение индуктивного сопротивления катушки и, как следствие этого, выходной величины тока I при постоянном напряжении U₀ .

Чувствительность индуктивных преобразователей с изменяю­щимся воздушным зазором уменьшается с увеличением зазора δ, поэтому их используют для измерения и контроля очень малых перемещений (до 2 мм). В таком диапазоне рабочих перемещений их чувствительность не превышает 2 мкм.

Индуктивные преобразователи с перемещающимся магнито­проводом (рис. 3.6, б) способны измерять большие перемещения (до 50мм).

У индуктивных преобразователей с изменяющейся площадью воздушного зазора (рис. 3.6, в) статическая характеристика ли­нейна только на определенном участке. Линейность нарушается, когда активное сопротивление становится сравнимым с индук­тивным. Диапазоны перемещения якоря больше (до 8 мм), чем у преобразователей с изменяющимся воздушным зазором, однако чувствительность ниже.

Все перечисленные выше виды индуктивных преобразователей обладают высокой надежностью, имеют практически неограни­ченный срок службы и большую мощность выходного сигнала (до нескольких ватт). К недостаткам можно отнести нереверсив­ность статической характеристики, небольшой диапазон переме­щения якоря, наличие тока холостого хода и влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания. Эти недостатки прак­тически полностью отсутствуют у дифференциальных индуктив­ных преобразователей.

Дифференциальный индуктивный преобразователь (рис. 3.6, г) имеет два статора 2 с катушками индуктивности 3 и один подвиж­ный якорь 1. При отклонении якоря от среднего положения происходит изменение индуктивного сопротивления обеих кату­шек и на выходе преобразователя появляется напряжение U_н. Катушки индуктивности включаются либо в дифференциальную измерительную схему, либо работают как смежные плечи мостовой измери­тельной схемы.

Дифференциальные индуктивные преобразователи по сравне­нию с ранее рассмотренными конструкциями обладают более вы­сокими точностью и чувствительностью. Их статическая харак­теристика линейна и реверсивна. Поэтому они получили наи­большее распространение.

Трансформаторные преобразователи являются разновидностью индуктивных. Они представляют собой трансформаторы с пере- менным коэффициентом трансформации за счет изменения коэффи­циента взаимоиндукции между обмотками. Трансформатор­ные преобразователи применяют для преобразования небольших линейных и угловых перемещений в электрический сигнал (напря­жение переменного тока).

Первичная обмотка 2 (рис. 3.7) дифференциального трансформа­торного преобразователя с угловым перемещением якоря намо­тана на центральном стержне 1 магнитопровода, а две совершенно одинаковые вторичные обмотки 3 располагаются на крайних стержнях. Они соединены последовательно и имеют встречную намотку. При симметричном положении якоря 4 по отношению к стержню 1 во вторичных обмотках будут индуцироваться одина­ковые по значению и противоположные по фазе ЭДС, а напряже­ние на выходе преобразователя будет равно нулю. При повороте якоря, механически связанного с подвижной частью системы измерения, изменяется значение магнитных потоков и в соответ­ствии с этим значение ЭДС, т. е. на выходе появляется напряже­ние, амплитуда которого равна разности амплитуд ЭДС вторич­ных обмоток. Статическая характеристика рассмотренного преоб­разователя линейна и реверсивна. Реверсивность означает изме­нение в знаке выходного сигнала при изменении знака входного сигнала. Чувствительность преобразователя в 2 раза выше чув­ствительности обычных индуктивных преобразователей.

Интересна конструкция ферродинамического преобразователя, предназначенного для преобразования угловых перемещений в электрические сигналы.

Ферродинамический преобразователь (рис. 3.8) имеет магнито-провод, состоящий из шихтованного ярма 1 с полюсными наконечниками 2 и сердечника 3. На сердечнике 3 укреплены агатовые подпятники (на схеме не показаны), в которых на кернах установлена поворотная рамка 4, механически соединенная с подвижной частью системы измерения. Концы обмотки подвижной рамки подсоединяются с помощью спиральных пружин и проводов. Принцип работы преобразователя заключается в следующем. При подаче переменного тока на обмотку возбуждения 5 в магнитопроводе возникает магнитный поток. Если рамка 4 расположена по ней­трали ММ, то значение наведенной ЭДС равно нулю. При пово­роте рамки на некоторый угол α в ней индуцируется ЭДС, вели­чина которой пропорциональна углу поворота. Рабочий угол рамки от нейтрали составляет 40°. В зависимости от типа преобра­зователя напряжение на выходе рамки изменяется от —1 до +1 В или от 0 до 2 В.

Высокочастотные индуктивные преобразователи позволяют измерить толщину фольги металлов, толщину гальванических покрытий, разностенность металлических труб и т. д. Принцип их действия основан на изменении индуктивности обмотки при воз­никновении вихревых токов в проводящем теле, расположенном вблизи этой обмотки.

В таких преобразователях используется так называемый по­верхностный эффект, т. е. затухание вихревых токов по мере проникновения их в глубь проводящей среды, обусловленных переменным магнитным полем; при этом разность токов возбужда­ющего поля и поля вихревых токов уменьшается.

Емкостные датчики

Основу этих датчиков составляют емкостные преобразователи, которые преобразуют неэлектриче­ские величины (перемещение, уровень жидкости, влажность, уси­лие и т. д.) в изменение электрической емкости. Емкостной преоб­разователь является частью регулирующего или измерительного устройства с чувствительным элементом, выполненного в виде конденсатора и реагирующего на изменение измеряемого пара­метра технологического процесса. Чувствительный элемент ем­костного преобразователя представляет собой плоский или ци­линдрический конденсатор, у которого при воздействии изме­ряемого параметра изменяется расстояние между пластинами, площадь пластин или диэлектрическая проницаемость среды ме­жду обкладками. Емкость конденсатора C возрастает с увеличе­нием активной площади F и диэлектрической проницаемости ξ (для воды ξ =81; для воздуха ξ = 1; для формовочной смеси ξ = 1 ... 4) и уменьшается с увеличением расстояния между пластинами X, т. е. C = ξ₀·ξ·F/X, где ξ₀ — диэлектрическая про­ницаемость вакуума, ф/м. Учитывая влияние перечисленных фак­торов на размеры чувствительного элемента, различают три типа емкостных преобразователей: с переменным расстоянием между пластинами, с изменяемой площадью пластин и изменяемой ди­электрической проницаемостью среды. Перечисленные параметры емкостных преобразователей являются входными величинами, а выходной величиной будет емкость конденсатора.

Емкостные преобразователи с переменным расстоянием между пластинами (рис. 3.9, а) как правило конструктивно выполняют в виде плоского конденсатора, состоящего из двух или более пластин, одна из которых закреплена, а другая механически свя­зана с подвижной частью системы измерения. Емкостные преоб­разователи этого типа применяют для измерения толщины изде­лий, а также используют для измерения давления, усилия или вибрации.

Емкостные преобразователи с изменяемой площадью пластин выполняют как цилиндрическими (рис. 3.9, б), так и плоскими (рис. 3.9, в).

Цилиндрический емкостной преобразователь (рис. 3.9, б) пред­ставляет собой два цилиндра разного диаметра, помещаемые один в другой. Емкость конденсатора зависит от осевого перемеще­ния δ внутреннего цилиндра. Преобразователи этого типа пред­назначаются для измерения линейных перемещений.

В плоском преобразователе (рис. 3.9, в) емкость зависит от изме­нения активной площади пластин при повороте одной пластины относительно другой. Такие преобразователи используют при измерении угловых перемещений.

Емкостные преобразователи с изменением диэлектрической проницаемости среды между пластинами могут применяться, например, для регули­рования влажности формовочной смеси и дозирования воды при ее приготовлении. При колебании уровня жидкости изменяется емкость конденсатора (рис. 3.9, г), электродами которого служат корпус 1 и металлический стержень 2. Емкость такого преобра­зователя складывается из емкости цилиндрического конденсатора без жидкости и параллельно включенной емкости цилиндрического конденсатора с жидкостью. Емкость и чувствительность такого преобразователя увеличиваются с уменьшением отношения диаметров электродов, а также с ростом высоты цилиндра.

Емкостные преобразователи просты по устройству, обладают достаточно высокой чувствительностью, малыми размерами и мас­сой. Однако они имеют три недостатка: мощность выходного сигнала мала, поэтому необходимо применять усилитель; при промышленной частоте электрического тока практически невоз­можно получить достаточную мощность, в этой связи они полу­чают питание от источника высокой частоты (10 кГц и более); сильное влияние оказывают паразитические емкости и посторон­ние электрические поля, поэтому требуется тщательное экранирование как самих датчиков, так и соединительных проводов.