Индуктивные измерительные преобразователи и датчики

Простейший индуктивный измерительный преобразователь является своеобразным электромагнитным механизмом переменного тока (см. п. 3.3.2), но другого назначения, который преобразует перемещение якоря в изменение индуктивности L(см. п. 3.6.1) своей обмотки:

где μ₀ – магнитная проницаемость воздуха;S_ρ – площадь воздушного зазора между сердечником и якорем; ρ – длина воздушного зазора, w -количество витков обмотки. В этом случае величина воздушного зазора между якорем и полюсом сердечника однозначно определяется положением контролируемого объекта, который механически связан с якорем измерительного преобразователя.

Если к обмотке индуктивного преобразователя приложено переменное напряжение u(t)=U_msinωt, то обмотка создает реактивное сопротивление X_L= ωL, в электрической цепи. Примем, что переменное напряжение создано источником напряжения (см. п. 1.2.2) с действующим значением U. Тогда поэлектрической цепи полученного таким образом индуктивного датчика (см. рис. 9.1) будет протекать ток

где - чувствительность датчика по току.

Таким образом, при малом по величине активном сопротивлении обмотки индуктивного измерительного преобразователя датчика положения сила тока I, протекающего по его обмотке, пропорциональна величине перемещения ρ якоря и, следовательно, пропорциональна перемещению контролируемого объекта.

Существенным недостатком такого индуктивного датчика является возникновение большой по величине электромагнитной силы тяги, действующей на якорь (см. п. 3.3.4). Эта сила может повлиять на положение контролируемого объекта.Отмеченный недостаток практически полностью устраняется в дифференциальном индуктивном датчике (ДИД). Функциональная схема, отражающая принцип построения ДИД, показана на рис. 9.5а.

Якорь ДИД поворачивается на угол ±α относительно вертикального положения, изменяя воздушные зазоры до левого и до правого полюсов магнитопровода. Максимальный угол поворота α_max. Электромагнитные силы, действующие на якорь от двух катушек, взаимно компенсируются. Конструкцию преобразователя и параметры схемы выбирают такими, что ток I₁ пропорционален величине (α_max - α) и ток I₂~ пропорционален величине (α_max + α). Коэффициент пропорциональности S_I-чувствительность по току. Выходное напряжение:

,

где S_U=2S_IR – коэффициент, называемый чувствительностью по напряжению.

Действующее значение U_α напряжения на выходе датчика не зависит от знака входной величины α . Поэтому U_α=S_U | α | . От знака входной величины зависит фаза φ напряжения U_α на выходе датчика. При переходе α через нулевое значение фаза φ изменяется на 180^О. Величины U_α, φ характеризуют выход дифференциального датчика (рис. 9.5б). Характеристики управления датчика показаны на рис. 9.5в.

Увеличение диапазона изменения контролируемого датчиком угла почти до 360^о позволяют получить индуктивные датчики иной конструкции, которую можно представить по рис. 9.5а, если вместо якоря в воздушный зазор поместить профилированный диск из ферромагнитного материала. При соответствующем профилировании диска можно получить зависимость L=f(α) практически любого вида. Если в зазор ввести диск из немагнитного электропроводящего материала, то это аналогично появлению в магнитной цепи короткозамкнутого витка. Тем самым в магнитной цепи создается магнитное сопротивление, которое зависит от формы диска, его электрической проводимости и положения в рабочем зазоре. При повороте диска изменяется магнитное сопротивление, а следовательно, индуктивность L и напряжение U_α на выходе датчика. С целью повышения чувствительности датчика индуктивный преобразователь может быть включен в колебательный контур с частотой 10…15 кГц [10].

Недостатком индуктивных датчиков является сильная зависимость их характеристик от частоты питающего напряжения ~U. Недостатками являются также: работа только на переменном токе, трудность регулировки датчиков. Основное достоинство индуктивных датчиков – высокая надежность, обусловленная отсутствием скользящих контактов. Положительными качествами являются также: больший, чем у потенциометрических датчиков, коэффициент усиления; высокая чувствительность. Разрешающая способность некоторых индуктивных датчиков при тщательной экранировке и регулировке может измеряться сотыми долями микрона.