Индуктивный датчик тока

В наличии более 4 000 наименований товара. Мы оперативно поставим оригинальную продукцию или подберем точный аналог.
Отправить запрос

Индуктивные датчики
служат для преобразования угловых или
линейных перемещений в напряжение
переменного тока. По сравнению с
потенциометрическими они имеют то
достоинство, что не имеют трущихся
контактов, Это повышает их надежность,
и такие датчики практически не имеют
износа.

Действие их основано
на изменении индуктивности катушки с
ферромагнитным сердечником (собственно
индуктивные датчики) или взаимоиндуктивности
катушек (трансформаторные датчики) при
перемещении сердечника

Простейший
индуктивный датчик (рис. 2-4,а,б) представляет
собой катушку,

Принцип действия
индуктивных датчиков основан на изменении
индуктивности L
или
взаимоиндуктивности обмотки с сердечником
вследствие изменения магнитного
сопротивления Rm
магнитной
цепи датчика, в которую входит сердечник.

Индуктивные датчики
относятся к классу параметрических.
Измеряемое перемещение на входе датчика
вызывает изменение параметров магнитной
и электрической цепей, что, в свою
очередь, вызывает изменение выходной
величины — электрического тока I
или напряжения U.

С помощью индуктивных
датчиков можно контролировать механические
перемещения, силы, температуру, свойства
магнитных материалов, определять наличие
дефектов, контролировать диаметр
стальной проволоки, толщину немагнитных
покрытий на стали и др.

Индуктивные датчики
отличает ряд достоинств: простота и
прочность конструкции, надежность в
работе, отсутствие скользящих контактов,
большая величина мощности на выходе
(до нескольких десятков ватт), высокая
чувствительность (до 100 В/мм).

Рисунок 3.7 Схема
(а) и характеристика (б) индуктивного
преобразователя:

1- сердечник; 2-
обмотка; 3- якорь.

К достоинствам
рассмотренных индуктивных трансформаторных
датчиков следует отнести:

Недостатками
рассмотренных измерительных
преобразователей являются:

Датчик индуктивного типа является параметрическим преобразователем, работа которого построена на изменениях показателей индуктивности за счет магнитного сопротивления. Индуктивный датчик широко используется в промышленной сфере с целью проведения измерений перемещения в спектре от 1 микрометра до 20 миллиметров.

Кроме того, бесконтактный датчик применяется при измерении давления, силы, уровня расхода газов и жидкостей и в других областях. В таких случаях показатель, который требуется измерить благодаря разнообразным чувствительным элементам преобразуется в изменение перемещения, после чего полученная величина направляется в индуктивный измеряющий преобразователь.

Особенности датчиков индуктивного типа

Широкое применение индуктивных датчиков обусловлено их преимуществами, а именно:

Однако существуют и недостатки в работе данных приборов. Эффективная работа имеет прямую зависимость от стабильности частоты питания. Помимо этого, датчики работают только с использованием переменного тока.

Конструкция индуктивного датчика предусматривает наличие таких компонентов: ярмо, обмотка якорь, удерживающие пружины. Информативные качества устройства зависят от погрешности, с которой датчик проводит измерение. Суммарную погрешность описываемого прибора составляют различные типы погрешностей.

Виды и применение индуктивных датчиков

В зависимости от схемы построения датчик индуктивный бесконтактный бывает одинарным или дифференциальным. Они отличаются количеством измерительных ветвей, в дифференциальном устройстве их две. Такой прибор оснащен парой одинаковых катушек, в которых одновременно изменяется индуктивность на одинаковую величину, но одна из величин имеет обратный знак.

Индуктивные датчики используются в автоматизации промышленного оборудования, как выключатели или ограничители. Благодаря применению данных устройств, обеспечивается эффективное обнаружение объектов, а эта функция крайне важна в работе автоматизированного производства. Индуктивный датчик срабатывает только в случае приближения изделия и не чувствителен к разнообразным помехам, поэтому часто используется на предприятиях с тяжелыми производственными условиями.

Рис 2-4 Индуктивные датчики и их характеристики

размещенную на
ферромагнитном сердечнике, и включенную
в цепь переменного тока, последовательно
с сопротивлением ZНнагрузки (рис. 2-4,а). Действующее значение
выходного напряжения равно

где R,
L – активное и
индуктивное сопротивления катушки
датчика;

Rн,
Xн —
активное и реактивное сопротивления
нагрузки.

Поскольку для
катушки (рис. 2-4,а), пренебрегая влиянием
магнитного сопротивления сердечника,
можно записать

где w— число витков катушки;

S— площадь поперечного сечения сердечника;

μ0—
магнитная проницаемость воздуха,

Напрактике
из-за того, что

(рис. 2-4,в), статическаяxарактеристика
датчика (рис.2-4,г) не является
линейной: при δ=0 имеется остаточное
напряжение, обусловленное отличным от
нуля магнитным сопротивлением сердечника,
при больших δ имеется насыщение,
обусловленное возрастанием потоков
рассеяния. Поэтому зона линейности
такого датчика имеет обычно небольшую
величину, при этом чувствительность
датчика в этой зоне равна (см. 2-2)

Как и для
потенциометрических датчиков, частота
(ω0питающего напряженияU0выбирается по соотношению (2-1), поэтому
для индуктивных датчиков применяют
источники напряжения повышенной частоты
(400, 500, 1000гц), что позволяет также
уменьшить габариты датчика.

На практике для
повышения точности (уменьшения
погрешностей от колебаний температуры
и питающего напряжения), увеличения
зоны линейности датчика, а также для
получения двухтактной статической
характеристики (рис. 2-5,б) применяютдифференциальные индуктивные
датчики, включаемые обычно по мостовой
схеме (рис. 2-5,а), когда в одну диагональ
моста подается питающее напряжение, а
в другую включено сопротивление нагрузки.
Схема настраивается таким образом,
чтобы прих=0 сердечник занимал
среднее положение. В этом случае мост
сбалансирован. При изменении знаках
изменяется на 180° фаза напряженияU.

Недостаток такого
датчика — наличие гальванической связи
между цепью нагрузки и цепью питания —
устраняется в трансформаторных датчиках.
На рис. 2-6 приведена схема и
характеристика так называемогодифференциального

Индуктивные датчики Pepperl+Fuchs / Siemens

Индуктивные датчики Autonics

Индуктивные датчики Baumer

Индуктивные датчики Schneider Electric

Контроллеры датчиков Autonics

Емкостные датчики

ринцип
действия емкостных измерительных
преобразователей основан на изменении
емкости конденсатора под воздействием
входной преобразуемой величины. Емкость
конденсатора:

где ε — относительная
диэлектрическая проницаемость
диэлектрика;

ε0
— диэлектрическая проницаемость
вакуума;

δ — толщина
диэлектрика или расстояние между
пластинами.

Емкостные
преобразователи используют для измерения
угловых и линейных перемещений, линейных
размеров, уровня, усилий, влажности,
концентрации и др. Конструктивно они
могут быть выполнены с плоскопараллельными,
цилиндрическими, штыревыми электродами,
с диэлектриком между пластинами и без
него.

мкостный
плоскопараллельный измерительный
преобразователь с изменяемой площадью
перекрытияS
(cм.
рис. 3.8, а)
описывается
уравнением преобразования:

где а
— ширина
пластин конденсатора;

X
— длина
перекрытия электродов.

Рисунок 3.8 Схемы
емкостных датчиков с различными
измеряемыми параметрами.

Рисунок 3.9 Емкостной
датчик для измерения угловых велечин

Емкостные
преобразователи перемещения с переменной
площадью перекрытия (рис. 3.9) используют
и для измерения угловых величин. В этом
случае емкость измерительного
преобразователя:

где r2,
r1
— соответственно
наружный и внутренний радиусы пластин;

φ, φ0
— соответственно текущий (измеряемый)
и начальный углы перекрытия пластин.

мкостный
плоскопараллельный преобразователь
перемещения с изменяющимся воздушным
зазором(см.
рис. 3.8, б) имеет
нелинейную характеристику. Изменение
его емкости описывается уравнением:

где δ0
— начальный зазор;

В связи с нелинейностью
статической характеристики такие
датчики применяют для измерения
относительно малых перемещений, обычно
не более 0,1δ0.

Преобразователи
с изменяемой диэлектрической проницаемостью
среды ε
между электродами (см. рис. 3.8, в)
широко используют
для измерения уровня жидких и сыпучих
веществ, анализа состава и концентрации
веществ в химической, нефтеперерабатывающей
и других областях промышленности, для
счета изделий, охранной сигнализации
и т.п. Они имеют линейную статическую
характеристику.

Емкость измерительных
преобразователей в зависимости от
конструктивных особенностей колеблется
от десятых долей до нескольких тысяч
пикофарад, что приводит к необходимости
использовать для питания датчиков
напряжение повышенной частоты — от
1•103
до 108
Гц. Это один из существенных недостатков
подобных преобразователей.

К достоинствам
емкостных измерительных преобразователей
можно отнести простоту конструкции,
малые размеры и массу, высокую
чувствительность, большую разрешающую
способность при малом уровне входного
сигнала, отсутствие подвижных токосъемных
контактов, высокое быстродействие,
возможность получения необходимого
закона преобразования за счет выбора
соответствующих конструктивных
параметров, отсутствие влияния выходной
цепи на измерительную.

Недостатки емкостных
измерительных преобразователей состоят
в относительно низком уровне выходной
мощности сигналов, нестабильности
характеристик при изменении параметров
окружающей среды, влиянии паразитных
емкостей.

Индуктивный датчик
– это преобразователь параметрического
типа, принцип действия которого основан
на изменении индуктивности L
или взаимоиндуктивности обмотки с
сердечником, вследствие изменения
магнитного сопротивления RМ
магнитной цепи датчика , в которую входит
сердечник.

Широкое применение
индуктивные датчики находят в
промышленности для измерения перемещений
и покрывают диапазон от 1мкм до 20мм.
Также можно использовать индуктивный
датчик для измерения давлений, сил,
уровней расхода газа и жидкости и т. д.
В этом случае измеряемый параметр с
помощью различных чувствительных
элементов преобразуется в изменение
перемещения и затем эта величина
подводится к индуктивному измерительному
преобразователю. В случае измерения
давлений, чувствительные элементы могут
выполняться в виде упругих мембран,
сильфонов, и т. д. Используются они и в
качестве датчиков приближения, которые
служат для обнаружения различных
металлических и неметаллических объектов
бесконтактным способом по принципу
“да” или “нет”.

Возможные области
применения датчиков чрезвычайно
разнообразны, можно выделить лишь
отдельные
сферы:

– простота и прочность
конструкции, отсутствие скользящих
контактов;

– возможность
подключения к источникам промышленной
частоты;

– относительно
большая выходная мощность (до десятков
Ватт);

– точность
работы зависит от стабильности питающего
напряжения по частоте;

– возможна работа
только на переменном токе.

Типы
преобразователей и их конструктивные
особенности

По схеме построения
датчики можно разделить на одинарные
и дифференциальные. Одинарный датчик
содержит одну измерительную ветвь,
дифференциальный – две.

В дифференциальном
датчике при изменении измеряемого
параметра одновременно изменяются
индуктивности двух одинаковых катушек,
причем изменение происходит на одну и
ту же величину, но с обратным знаком.

Как известно,
индуктивность катушки:

где W–
число витков; Ф
– пронизывающий ее магнитный поток;

–
проходящий по катушке ток. Ток связан
с МДС

–
магнитное сопротивление преобразователя.

Рассмотрим,
например, одинарный индуктивный датчик.
В основу его работы положено свойство
дросселя с воздушным зазором изменять
свою индуктивность при изменении
величены воздушного зазора.

Состоит из ярма 1,
обмотки 2, якоря 3- удерживается пружинами.

На обмотку 2 через
сопротивление нагрузки Rн
подается напряжение питания переменного
тока.

Ток в цепи нагрузки
определяется как :

где
rд
–
активное
сопротивление дросселя ;

L
– индуктивность
датчика.

Т.к. активное
сопротивление цепи величина постоянная,
то изменение тока I
может происходить только за счет
изменения индуктивной составляющей

которая зависит от
величены воздушного зазора .

Т.о. , каждому значению

соответствует определенное значение
I
, создающего падение напряжения на
сопротивлении Rн:

представляет собой
выходной сигнал датчика.

Можно вывести
аналитическую зависимость Uвых=f(,
при условии что зазор достаточно мал и
потоками рассеяния можно пренебречь,
и пренебречь магнитным сопротивлением
железа Rмж
по сравнению с магнитным сопротвлением
воздушного зазора Rмв.

В реальных
устройствах активное сопротивление
цепи намного меньше индуктивного, тогда
выражение сводится к виду:

Т.о. зависимость
Uвых=f(
имеет линейный характер (в первом
приближении).

Реальная
характеристика имеет вид:

Отклонение от
линейности в начале объясняется принятым
допущением Rмж
Rмв.

При малых 
магнитное сопротивление железа соизмеримо
с магнитным сопротивлением воздуха.

Отклонение при
больших 
объясняются тем, что при больших 
RL
становится
соизмеримой с величиной активного
сопротивления – Rн+rд.

В целом рассмотренный
датчик имеет ряд существенных недостатков
:

– не меняется фаза
тока при изменении направления
перемещения;

– при необходимости
измерять в обоих направлениях перемещение
нужно устанавливать начальный воздушный
зазор и, следовательно, ток I0,что
неудобно;

– ток в нагрузке
зависит от амплитуды и частоты питающего
напряжения;

– в процессе работы
датчика на якорь действует сила притяжения
к магнитопроводу, которая ничем не
уравновешивается, и значит вносит
погрешность в работу датчика.

Дифференциальные
(реверсивные) индуктивные датчики (ДИД)

ДИД представляет
собой совокупность двух нереверсивных
датчиков и выполняются в виде системы,
состоящей из двух магнитопроводов с
общим якорем и двумя катушками. Для ДИД
необходимы два раздельных источника
питания, для чего обычно используется
разделительный трансформатор 5.

По форме магнитопровода
могут быть ДИД с магнитопроводом Ш-
образной формы, набранные из мостов
электротехнической стали (при частотах
выше 1000Гц применяются железо- никелевые
сплавы- пермолой), и цилиндрические- со
сплошным магнитопроводом круглого
сечения. Выбор формы датчика зависит
от конструктивного сочетания его с
контролируемым устройством. Применение
Ш- образного магнитопровода обусловлено
удобством сборки катушки и уменьшением
габаритов датчика.

Для питания ДИД
используют трансформатор 5 с выводом
средней точки на вторичной обмотке .
Между ним и общим концом обеих катушек
включается прибор 4. Воздушный зазор
0,2-0,5 мм.

При среднем
положении якоря, когда воздушные зазоры
с обеих ? одинаковы, индуктивные
сопротивления катушек 3 и 3
одинаковы следовательно величины токов
в катушках равны
I1=I2
и результирующий ток в приборе равен
0.

При небольшом
отклонении якоря в ту или иную сторону
под действием контролируемой величены
Х меняются величины зазоров и
индуктивностей, прибор регистрирует
разностный ток
I1-I2,он
является функцией смещения якоря от
среднего положения . Разность токов
обычно регистрируется с помощью
магнитоэлектрического прибора 4
(микроамперметра) с выпрямительной
схемой В на входе.

Характеристика
датчика имеет вид:

Полярность выходного
тока остается неизменной независимо
от знака изменения полного сопротивления
катушек(для схемы Рис.1). При изменении
направления отклонения якоря от среднего
положения меняется на противоположную
(на 180°)
фаза тока на выходе датчика. При
использовании фазочувствительных
выпрямительных схем можно получить
индикацию направления перемещения
якоря от среднего положения.

Характеристика
ДИД с ФЧВ имеет вид:

Погрешность
преобразования индуктивного датчика

Информативная
способность индуктивного датчика в
значитель­ной мере определяется его
погрешностью преобразования измеряе­мого
параметра. Суммарная погрешность
индуктивного датчика складывается из
большого числа составляющих погрешностей.
Можно выделить следующие погрешности
индуктивного датчика:

1) Погрешность от
нелинейности характеристики.
Мультиплика­тивная составляющая
общей погрешности. Из-за принципа
индук­тивного преобразования измеряемой
величины, лежащего в основе работы
индуктивных датчиков, является
существенной и в боль­шинстве случаев
определяет диапазон измерения датчика.
Обязательно подлежит оценке при
разработке датчика.

2) Температурная
погрешность. Случайная составляющая.
Ввиду большого числа зависимых от
температуры параметров составных частей
датчика составляющая погрешность может
достичь больших величин и является
существенной. Подлежит оценке при
разработке датчика.

3) Погрешность от
влияния внешних электромагнитных полей.
Случайная составляющая общей погрешности.
Возникает из-за индуцирования ЭДС в
обмотке датчика внешними полями и из-за
изменения магнитных характеристик
магнитопровода под действием внешних
полей. В произ­водственных помещениях
с силовыми электроустановками
обнару­живаются магнитные поля с
индукцией

4) Погрешность от
магнитоупругого эффекта. Возникает
из-за нестабильности деформаций
магнитопровода при сборке датчика
(аддитивная составляющая) и из-за
изменения деформаций в про­цессе
эксплуатации датчика (случайная
составляющая). Расчеты с учетом наличия
зазоров в магнитопроводе показывают,
что влияние неста­бильности механических
напряжений в магнитопроводе вызывает
нестабильность выходного сигнала
датчика порядка

5) Погрешность от
тензометрического эффекта обмотки.
Случай­ная составляющая. При намотке
катушки датчика в проводе созда­ются
механические напряжения. Изменение
этих механических напряжений в процессе
эксплуатации датчика ведет к изменению
сопротивления катушки постоянному току
и, следовательно, к из­менению выходного
сигнала датчика. Обычно для правильно
спроектированных датчиков

6) Погрешность от
соединительного кабеля. Возникает из-за
нестабильности электрического
сопротивления кабеля под действи­ем
температуры или деформаций и из-за
наводок ЭДС в кабеле под действием
внешних полей. Является случайной
составляющей погрешности. При
нестабильности собственного сопротивления
ка­беля погрешность выходного сигнала
датчика

.
Длина соединительных кабелей составляет
1–3 м и редко больше. При выполнении
кабеля из медного провода сечением

сопротивление кабеля менее 0,9 Ом,
нестабильность сопротивления

.
Поскольку полное сопротивление датчика
обычно больше 100 Ом, погрешность выходного
сигнала датчика может составить величину

.
Следовательно, для датчиков, имеющих
малое сопротивление в рабочем режиме,
погрешность следует оце­нивать. В
остальных случаях она не является
существенной.

7) Конструктивные
погрешности. Возникают под действием
сле­дующих причин: влияние измерительного
усилия на деформации деталей датчика
(аддитивная), влияние перепада
измерительного усилия на нестабильность
деформаций (мультипликативная), влия­ние
направляющих измерительного стержня
на передачу измери­тельного импульса
(мультипликативная), нестабильность
передачи измерительного импульса
вследствие зазоров и люфтов подвижных
частей (случайная). Конструктивные
погрешности в первую очередь определяются
недостатками в конструкции механических
элемен­тов датчика и не являются
специфическими для индуктивных дат­чиков.
Оценка этих погрешностей производится
по известным спо­собам оценки
погрешностей кинематических передач
измерительных устройств.

8) Технологические
погрешности. Возникают вследствие
техно­логических отклонений взаимного
положения деталей датчика (ад­дитивная),
разброса параметров деталей и обмоток
при изготов­лении (аддитивная), влияния
технологических зазоров и натягов в
соединении деталей и в направляющих
(случайная).

Технологи­ческие
погрешности изготовления механических
элементов конструк­ции датчика также
не являются специфическими для
индуктивного датчика, их оценка
производится обычными для механических
измерительных устройств способами.
Погрешности изготовления магнитопровода
и катушек датчика ведут к разбросу
параметров датчиков и к затруднениям,
возни­кающим при обеспечении
взаимозаменяемости последних.

9) Погрешность от
старения датчика. Эта составляющая
погреш­ности вызывается, во-первых,
износом подвижных элементов кон­струкции
датчика и, во-вторых, изменением во
времени электро­магнитных характеристик
магнитопровода датчика. Погрешность
следует рассматривать как случайную.
При оценке погрешности от износа во
внимание принимается кинематический
расчет механизма датчика в каждом
конкретном случае. На стадии конструирования
датчика в этом случае целе­сообразно
задавать срок службы датчика в нормальных
для него условиях эксплуатации, за время
которого дополнительная погреш­ность
от износа не превысит заданной величины.

Электромагнитные
свойства материалов изменяются во
времени.

В большинстве случаев
выраженные про­цессы изменения
электромагнитных характеристик
заканчиваются в течение первых 200 часов
после термообработки и размагничивания
магнитопровода. В дальнейшем они остаются
практически посто­янными и не играют
существенной роли в общей погрешности
дат­чика.

Проведенное выше
рассмотрение составляющих погрешности
индуктивного датчика дает возможность
оценить их роль в форми­ровании общей
погрешности датчика. В большинстве
случаев опре­деляющими являются
погрешность от нелинейности характеристики
и температурная погрешность преобразователя.

Расчет
индуктивных датчиков перемещений

Целью расчета
индуктивного измерительного преобразователя
является определение его конструктивных
параметров по заданным метрологическим
характеристикам или расчет метрологических
ха­рактеристик данной конструкции
индуктивного измерительного
пре­образователя.

Эти расчеты связаны
с теорией электромагнитных це­пей.
Основными метрологическими характеристиками
индуктивного измерительного преобразователя
являются:

1) диапазон измерения
с допустимой погрешностью

2) чувствительность
преобразования (относительная)

3) погрешность
преобразования (относительная)

В качестве
конструктивных параметров индуктивного
преобра­зователя, определяющих его
метрологические характеристики,
не­обходимо учитывать геометрические
размеры магнитопровода и его материал,
геометрические размеры и число витков
катушки преоб­разователя.

С точки зрения
расчета индуктивные измерительные
преобразо­ватели можно разделить на
три вида: преобразователи с переменной
длиной немагнитных зазоров в магнитопроводе,
преобразователи с переменной площадью
немагнитных зазоров в магнитопроводе
и соленоидные преобра­зователи.

Выходной величиной
индуктивного измерительного преобразователя
является его полное сопротивление,
модуль которого определяется зависимостью

в первую очередь зависит от конструктивных
параметров преобразователя и
электромагнитных характеристик его
элементов (в рабочем диапазоне частот).
Величины

существенно зависят ещё и от режима
работы преобразователя и, в частности,
от частоты

.
В связи с этим модуль полного сопротивления
преобразователя

С другой стороны,
характерной особенностью добротности

Приведенные
рассуждения показывают целесообразность
применения для характеристики индуктивного
измерительного преобразователя двух
достаточно стабильных величин

При этом с небольшой
погрешностью результата в практических
случаях можно принять

и вместо зависимости

Применяемые методы
расчета индуктивных преобразователей
базируются на теории магнитных цепей
с зазорами. Исходными являются следующие
расчетные соотношения: магнитный поток
в магнитопроводе

–
намагничивающая сила обмотки
преобразователя,

Решение задачи
сводится к определению магнитного
сопротивления магнитной цепи. Последнее
складывается из магнитного сопротивления
ферромагнитных и немагнитных участков
цепи

– удельное активное и реактивное
магнитные сопротивления,

Удельное реактивное
магнитное сопротивление

учитывает потери в магнитопроводе, в
первую очередь от вихревых токов, в
значительной мере определяется не
только материалом магнитопровода, но
и его конструкцией. При слабо выраженном
поверхностном эффекте в магнитопроводе
преобразователя допустимо при расчете
принимать

–
длина и площадь сечения немагнитных
зазоров.

Схемы
включения индуктивных датчиков

Схема включения
индуктивного датчика перемещений
осущест­вляет его согласование с
электрическим вторичным измерительным
преобразователем и преобразует изменение
полного сопротивления датчика в изменение
электрического тока или напряжения.
Электри­ческие вторичные измерительные
преобразователи индуктивных из­мерительных
устройств являются общими для самых
разнообраз­ных электрических устройств,
предназначенных для измерения раз­личных
неэлектрических величин.

В любую схему
включения индуктивный датчик размера
мо­жет входить либо непосредственно,
либо в составе резонансного контура
параллельного или последовательного.
Применение вклю­чения датчика в
резонансный контур позволяет в ряде
случаев по­высить чувствительность
измерения и улучшить линейность
харак­теристики датчика. С этой точки
зрения все схемы включения – ин­дуктивных
датчиков можно разделить на безрезонансные,
в кото­рых индуктивный датчик включен
в схему непосредственно, и резо­нансные,
в которых индуктивный датчик входит в
схему в составе колебательного контура.

Независимо от
предыдущего деления применяют следующие
типы схем включения индуктивных датчиков:

Применяемый тип
схемы зависит от того, какой датчик
при­меняется — индуктивный или
взаимоиндуктивный. Кроме того, вид схемы
одного и того же типа изменяется при
включении простого и дифференциального
датчика.

арианты
последователь­ных схем показаны на
рисунке 4.8.1.1. Индуктивный датчик

питается переменным напряжением

.
Величина тока
в датчике при по­стоянной величине
питающего напряжения будет зависеть
от его сопротивления:

– круговая частота питания схемы,

– добротность датчика,

– сопротивление потерь датчика,

– частота питающего датчик тока.

Чувствительность
преобразования последовательной схемы

Изменение тока
(выходной сигнал) при изменении полного
со­противления датчика

Схема чувствительна
к изменению напряжения питания

Последовательная
схема может быть безрезонансной
и резонансной
(см. 4.8.1.1 в). В
резонансной
схеме ток в цепи будет определяться
сопротивлением резонансного контура,
состоящего из индуктивности датчика

Если частота питающего
напряжения

совпадает с
собствен­ной частотой колебательного
контура

,
то сопротивление последовательного
колебательного контура
мини­мально,
а параллельного – максимально. При
изменении индуктивности датчика

равенство частот
будет нарушено, и сопротивление

последовательного
контура будет увеличиваться, а
па­раллельного – уменьшаться.
Соответствующим образом будет из­меняться
и ток в цепи. Чувствительность резонансной
последова­тельной схемы в несколько
раз выше чувствительности безрезонанс­ной
последовательной схемы.

ариант
последовательной схемы для включения
дифференци­ального датчика показан
на рисунке 4.8.1.2. Каждая половина датчика

питается переменным током с напряжением

.
При из­менении
измеряемого размера одна индуктивность
уменьшается, а другая увеличивается на
одну и ту же величину. Соответствующим
образом изменяются токи в цепях обмоток
датчиков. Эти токи

и во встречной полярности протекают
через измеритель токаА.
Измеритель тока
будет показывать разницу токов в цепях
обмоток

.
При равенстве полных сопротивлений

Направление тока
через амперметр будет зависеть от того,
в цепи какой катушки

ток в данный момент больше.

Такие схемы включения
дифференциальных индуктивных дат­чиков,
которые реагируют не только на величину
смещения изме­рительного стержня из
нулевого положения, но и на направление
смещения, называют фазочувствительными.

При включении по
схеме дели­теля напряжения датчик
включается в цепь последова­тельно
с некоторым постоянным сопротивлением

,
которое в об­щем виде может быть
комплексным. Добавочным сопротивлением
может служить, например, резистор,
индуктивность или емкость (см. рис.
4.8.2.1). При питании цепи переменным
напряжением, напряжение на дат­чике,
измеряемое вольтметромV
того или иного
типа, будет зави­сеть от полного
сопротивления датчика. Если соблюдается
условие

откуда следует, что
напряжение на датчике прямо пропорционально
величине его индуктивности.

Чувствительность
по напряжению схемы

Выходной сигнал
схемы включения при изменении полного
со­противления датчика

С другой стороны,
выходное напряжение схемы делителя
напря­жения зависит также от величины
напряжения питания

и час­тоты питающего тока

.
Нетрудно убедиться, что

Включение
дифференциального датчика в схему
делителя напря­жения показано на
рисунке 4.8.2.2. Обмот­ки датчика

При изменении
индуктивностей обмоток будет из­меняться
их полное сопротивление и падение
напряжения на обмотках. Это падение
напряжения выпрям­ляется диодами

служат для
сгла­живания пульсаций выпрямленного
напряжения, а резисторы

Показывающий
вольтметр V
подключен к
одноименным полюсам выпрямителей. В
этом случае он будет пока­зывать
разницу напряжений на обмотках датчика

.
Когда индуктивности обмоток равны,
равны и их полные сопротивления и падения
напряжения на них. Вольтметр при этом
покажет нуль. Ре­гулировка нулевых
показаний вольтметра при настройке
может осу­ществляться переменным
резистором

Весьма широкое
распространение для вклю­чения
индуктивных датчиков нашла мостовая
схема включения в различных вариантах
(см. рис. 4.8.3.1). Общий вид мостовых схем
включения недиф­ференциального
индуктивного датчика показан на рисунке.
Если соблюдается условие

– фазовый угол соответствующего
комплексного сопротив­ления, то
выходное напряжение

Плечи мостовой схемы
в общем случае являются комплексными
сопротивлениями и в конкретных схемах
включения могут быть реа­лизованы
включением резисторов, индуктивностей
или емкостей. Пример реализации мостовой
схемы приведен на рисунке 4.8.3.1 б).
Одним плечом
моста является индуктивность датчика

,
второе плечо – компенсационная
индуктивность

,
третье и четвертое
– образова­ны резисторами

.
Для резисторов
фазовый угол

.
В связи с этим удается обеспечить
усло­вие равновесия мостовой схемы.
Балансировка мостовой схемы для
определенного значения

при настройке осуществляется резисто­ром

или изменением
компенсационной индуктивности

остовые
схемы с компенсационной индуктивностью
не всегда удобны при практическом
исполнении. В этом отношении проще схемы
на резистивно-емкостных элементах (см.
рис. 4.8.3.1 в). Конденса­тор

введен в схему
для того, чтобы можно было обеспечить
ра­венство сумм фазовых углов накрест
лежащих плеч моста. Регу­лировкой
резистора

устанавливается
требуемый угол фазового сдвига плеча,
составленного резисторами

и накрест лежащего
по отношению к плечу с

добиваются
выполнения условия равен­ства
произведений модулей сопротивлений
накрест лежащих плеч. Таким образом оба
регулировочных элемента

Мостовая схема
используется и для включения
дифференци­альных датчиков. В схеме
на рисунке 4.8.3.2 а) два плеча моста
образованы индуктивностями обмоток
дифференциального датчика, а два других
резисторами

Для балансировки
мостовой схемы при неравных значениях
индуктивностей

в процессе настройки служит резистор

мостовой схеме, приведенной на рисунке
4.8.3.2 б), плечами
моста являются индуктивности датчика

,
а также обмотки
тран­сформатора

.
В этой схеме
указатель подключен к измерительной
диагонали моста через трансформатор

служит для балансировки мостовой схемы
при настройке.

На рисунке 4.8.3.2 в),
в приведена
схема, аналогичная показанной на рисунке
4.8.3.2 а), а, но
в данном случае изменено назначение
диагоналей моста.

Все рассмотренные
мостовые схемы работают в режиме
неурав­новешенного моста, при котором
изменение индуктивности датчика размера
ведет к пропорциональному изменению
выходного напря­жения на измерительной
диагонали моста.

Выходное напряжение
мостовой неуравновешенной схемы

– относительное изменение полного
сопротивления одного плеча (обмотки
датчика) мостовой схемы;

определяется соотношением углов фазовых
сдви­гов комплексных сопротивлений
смежных плеч.

Фазовые соотношения
смежных плеч моста:

а – синфазные, б –
квадратурные, в – противофазные.

С этой точки зрения
мостовые схемы разделяются на

Для включения
индуктивных датчиков размера на практике
применяются только синфазные и
квадратурные мостовые схемы, и,
следовательно,

Выражение записано
для модуля выходного напряжения без
учета фазового сдвига. Из этого выражения
нетрудно видеть, что стабильность
выходного напряжения

зависит от стабиль­ности напряжения
питания

(в последнем случае при изменении частоты
изменяется

Поскольку в общем
виде первое условие равновесия мостовой
схемы переменного тока можно записать

то функция
преобразования уравновешенной мостовой
схемы (при одном уравновешивающем плече

При включении в
мостовую схему дифференциального
индуктив­ного датчика в выражения и
следует подставлять ве­личину

– относительное изменение полного
сопро­тивления обмотки половины
дифференциального датчика при вход­ном
измеряемом перемещении

ля
преобразования индуктивно­сти датчика
в частоту переменного тока применяют
генераторные схемы (см. рис. 4.8.4). Основой
генераторной схемы является колебатель­ный
контур, составленный индуктивностью
датчика

и постоян­ной емкостью

Контур включен в
схему электронного генера­тора Г,
который генерирует
переменное напряжение с частотой,
рав­ной собственной частоте
колебательного контура.

При изменении
индуктивности датчика изменяется
частота на выходе генератора, измеряемая
частотомером. Частота генератора зависит
в основном от индуктивности датчика и
не зависит от его сопротивления по­терь
(это верно только в первом приближении).
Поскольку сопро­тивление потерь
датчика обычно в большой степени зависит
от различных внешних факторов, то
избавление от его влияния на ре­зультаты
измерения повышает точность измерений.

Генераторная схема
может применяться для включения, как
не­дифференциальных датчиков, так и
дифференциальных.
В последнем
случае имеется два колебательных
кон­тура, составленных каждой обмоткой
датчика и конденсаторами

,
и два генератора
Г1 и
Г2. Частоты
с обоих генераторов

поступают на смеситель, который выделяет
разностную частоту. Эта разностная
частота, в свою очередь, измеряется
частотомером. Подбором емкостей

генераторы
настраиваются так, чтобы в одном из
крайних положений измерительного
стержня дат­чика выполнялось условие

.
Тогда показания часто­томера будут
пропорциональны величине смещения
измерительного стержня из крайнего
положения.

Чувствительность
преобразования частотной схемы
включения

Сравнение
чувствительности преобразования
частотной схемы с чувствительностью
других описанных схем показывает, что
ее отно­сительная чувствительность
в 2 раза ниже, как это следует из фор­мулы.

заимоиндуктивные
дат­чики включаются по трансформаторной
схеме. Трансфор­маторная схема
включения недифференциального
взаимоиндуктив­ного датчика показана
па рисунке 4.8.5.
Одна обмотка
датчика пи­тается переменным напряжением
постоянной величины

.
За счет магнитной
связи между обмотками во второй обмотке
наводится ЭДС, которая измеряется
соответствующим вольтметром.

Изменение измеряемого
размера приводит к изменению связи
между обмотками и к изменению ЭДС на
вторичной обмотке. Таким образом, ЭДС
на выходе вторичной обмотки будет
зависеть от из­меряемого размера.

Напряжение на
вторичной обмотке

– взаимная
индуктивность первичной и вторичной
обмоток;

– индуктивность
первичной обмотки.

Если принять, что
взаимная индуктивность М
остается
посто­янной, то выходной сигнал схемы
включения

Последнее выражение
справедливо при отсутствии нагрузки в
цепи вторичной обмотки. Для цепи питания
в этом случае нагрузкой является в
основном полное сопротивление первичной
обмотки.

Дифференциальная
трансформаторная схема от­личается
наличием двух вторичных обмоток у
датчика. Измеритель­ный вольтметр в
этом случае измеряет разность напряжений
на обмотках.

Трансформаторная
схема включения индуктивных датчиков
весьма проста и практически не требует
каких-либо дополнительных элементов.
Однако конструкция датчика при этом
усложняется, появляется потребность в
нескольких обмотках и соответствующем
количестве соединительных проводов.

Индуктивные датчики SICK

Индуктивные датчики OMRON

Индуктивные датчики Balluff

Рис 2-5 Дифференциальный индуктивный датчик

Индуктивные датчики отечественные

§ 2-3. Генераторные датчики

В промышленной
автоматике наиболее широко применяют
индукционные и термоэлектрические
датчики.

Индукционные
датчики применяются для измерения
мгновенных значений скорости (угловой
или линейной), а также для получения
напряжений, пропорциональных производным
по времени от перемещения (или от другой
физической величины, преобразованной
в перемещение). Производные, как увидим
далее, часто используются для повышения
качества процессов регулирования в
автомати­ческих системах.

Действие индукционных
датчиков основано на использовании
э.д.с., возникающей в проводнике при
пересечении им магнитных силовых линий.
В устройствах автоматики широко
применяются тахогенераторы (ТГ) —
индукционные машины постоянного или
переменного тока.

Среди тахогенераторов
постоянного тока надо отметить ТГ с
возбуждением от постоянных магнитов
(рис. 2-7,а). Конструктивно они мало
отличаются от миниатюрных двигателей
постоянного тока. Основным недостатком
их является постепенное размагничивание
постоянных магнитов (от толчков, от
действия поля э.д.с. катушки).

Среди ТГ переменного
тока надо отметитьасинхронные с полым
ротором, которые конструктивно не
отличаются от миниатюрных асинхронных
двигателей с полым ротором выполненным
из алюминия или фосфористой бронзы. В
фазах статора расположены две обмотки,
сдвинутые по отношению друг к другу на
90 эл. градусов, при этом одна подключается
к источнику питанияU0,
вторая является выходной (рис. 2-7,6). При
неподвижном ротореUтг=0,
а при

Соседние файлы в папке лекции

Рис 2 6 Дифференциальный трансформатор

трансформатора,
широко применяемого в автоматических
системах. В позиционных следящих системах
применяются также двухкоординатные
(следящие) трансформаторы.