חיישנים אינדוקטיביים

חיישן אינדוקטיבי הוא מתמר מסוג פרמטרי שעיקרון הפעולה שלו מבוסס על שינוי הַשׁרָאוּת L או השראות הדדית של הפיתול עם הליבה, עקב שינוי בהתנגדות המגנטית RM של המעגל המגנטי של החיישן שאליו נכנסת הליבה.

חיישנים אינדוקטיביים נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה למדידת תזוזות ולכסות את הטווח שבין 1 מיקרומטר ל-20 מ"מ. כמו כן, ניתן להשתמש בחיישן אינדוקטיבי למדידת לחצים, כוחות, קצב זרימת גז ונוזל וכו'. במקרה זה, הערך הנמדד מומר באמצעות אלמנטים רגישים שונים לשינוי תזוזה ולאחר מכן ערך זה מוזן למתמר מדידה אינדוקטיבי.

במקרה של מדידת לחץ, האלמנטים הרגישים יכולים להתבצע בצורה של ממברנות אלסטיות, שרוול וכו'. הם משמשים גם כחיישני קרבה, המשמשים לזיהוי עצמים מתכתיים ולא מתכתיים שונים באופן ללא מגע על פי עקרון כן או לא.

יתרונות חיישנים אינדוקטיביים:

• פשטות וחוזק הבנייה, ללא מגעים הזזה;

• יכולת להתחבר למקורות תדר חשמל;

• הספק תפוקה גבוה יחסית (עד עשרות וואט);

• רגישות משמעותית.

חסרונות של חיישנים אינדוקטיביים:

• דיוק הפעולה תלוי ביציבות מתח האספקה ​​לפי תדר;

• הפעולה אפשרית רק עם זרם חילופין.

סוגי ממירים אינדוקטיביים ותכונות העיצוב שלהם

על פי ערכת הבנייה, ניתן לחלק חיישנים אינדוקטיביים ליחיד ודיפרנציאלי. חיישן אינדוקטיבי מכיל ענף מדידה אחד, דיפרנציאלי אחד - שניים.

בחיישן אינדוקטיבי דיפרנציאלי, כאשר הפרמטר הנמדד משתנה, השראות של שני סלילים זהים משתנה בו זמנית והשינוי מתרחש באותו ערך אך בסימן הפוך.

כידוע, השראות של הסליל:

כאשר W הוא מספר הסיבובים; F - שטף מגנטי חודר אליו; I - הזרם העובר דרך הסליל.

זרם קשור ל-MDS לפי היחס:

איפה אנחנו מקבלים:

כאשר Rm = HL / Ф היא ההתנגדות המגנטית של החיישן האינדוקטיבי.

שקול, למשל, חיישן אינדוקטיבי יחיד. פעולתו מבוססת על התכונה של משנק מרווח אוויר לשנות את השראות שלו ככל שערך מרווח האוויר משתנה.

החיישן האינדוקטיבי מורכב מעול 1, סליל 2, אבזור 3 - המוחזק על ידי קפיצים. מתח אספקת זרם חילופין מסופק לסליל 2 דרך התנגדות העומס Rn. הזרם במעגל העומס מוגדר כ:

כאשר rd היא ההתנגדות הפעילה של החנק; L הוא השראות של החיישן.

מכיוון שההתנגדות הפעילה של המעגל קבועה, אז שינוי בזרם I יכול להתרחש רק עקב שינוי ברכיב האינדוקטיבי XL = IRn, שתלוי בגודל מרווח האוויר δ.

לכל ערך δ מתאים לערך מסוים I, שיוצר ירידת מתח בהתנגדות Rn: Uout = IRn — הוא אות המוצא של החיישן. אתה יכול לגזור את התלות האנליטית Uout = f (δ) בתנאי שהפער קטן מספיק וניתן להזניח את השטפים התועים, וניתן להזניח את מגנוטור ההתנגדות Rmw של ברזל בהשוואה להתנגדות המגנטו של מרווח האוויר Rmw.

הנה הביטוי הסופי:

במכשירים אמיתיים, ההתנגדות הפעילה של המעגל קטנה בהרבה מזו האינדוקטיבית, ואז הביטוי מצטמצם לצורה:

התלות Uout = f (δ) היא לינארית (בקירוב הראשון). התכונה בפועל היא כדלקמן:

הסטייה מהלינאריות בהתחלה מוסברת על ידי ההנחה המקובלת Rmzh << Rmv.

ב-d הקטן, ההתנגדות המגנטורית של ברזל תואמת את ההתנגדות המגנוטית של האוויר.

הסטייה ב-d הגדול מוסברת על ידי העובדה שבגדול d RL הופכת תואמת לערך ההתנגדות הפעילה - Rn + rd.

באופן כללי, לחיישן האינדוקטיבי הנחשב יש מספר חסרונות משמעותיים:

• שלב הזרם אינו משתנה כאשר כיוון התנועה משתנה;

• אם יש צורך למדוד את העקירה בשני הכיוונים, יש צורך להגדיר את פער האוויר הראשוני ולכן את הנוכחי I0, וזה לא נוח;

• זרם העומס תלוי באמפליטודה ובתדירות של מתח האספקה;

• במהלך פעולת החיישן, כוח המשיכה למעגל המגנטי פועל על האבזור, שאינו מאוזן בשום דבר ולכן מכניס שגיאה לפעולת החיישן.

חיישנים אינדוקטיביים דיפרנציאליים (הפיכים) (DID)

חיישנים אינדוקטיביים דיפרנציאליים הם שילוב של שני חיישנים בלתי הפיכים ועשויים בצורה של מערכת המורכבת משני מעגלים מגנטיים עם אבזור משותף ושני סלילים. חיישנים אינדוקטיביים דיפרנציאליים דורשים שני ספקי כוח נפרדים, שעבורם משתמשים בדרך כלל בשנאי בידוד 5.

צורת המעגל המגנטי יכולה להיות חיישנים אינדוקטיביים דיפרנציאליים עם מעגל מגנטי בצורת W, המגויסים על ידי גשרים מפלדה חשמלית (לתדרים מעל 1000Hz משתמשים בסגסוגות ברזל ניקל-פרמולה), וגליליים עם מעגל מגנטי עגול צפוף . הבחירה בצורת החיישן תלויה בשילוב הקונסטרוקטיבי שלו עם המכשיר הנשלט. השימוש במעגל מגנטי בצורת W נובע מהנוחות של הרכבת הסליל והקטנת גודל החיישן.

כדי להפעיל את החיישן אינדוקטיבי דיפרנציאלי, נעשה שימוש בשנאי 5 עם פלט לנקודת האמצע של הפיתול המשני. התקן 4 כלול בינו לבין הקצה המשותף של שני הסלילים. מרווח האוויר הוא 0.2-0.5 מ"מ.

במיקום האמצעי של האבזור, כאשר מרווחי האוויר זהים, ההתנגדויות האינדוקטיביות של הסלילים 3 ו-3' זהות, לכן ערכי הזרמים בסלילים שווים ל-I1 = I2 והתוצאה המתקבלת הזרם במכשיר הוא 0.

עם סטייה קלה של האבזור לכיוון זה או אחר, בהשפעת הערך המבוקר X, ערכי הפערים וההשראות משתנים, המכשיר רושם את הזרם ההפרש I1-I2, זו פונקציה של האבזור תזוזה מהמיקום האמצעי. ההבדל בזרמים מתועד בדרך כלל באמצעות מכשיר מגנו-אלקטרי 4 (מיקרומטר) עם מעגל מיישר B בכניסה.

המאפיינים של החיישן האינדוקטיבי הם:

הקוטביות של זרם המוצא נשארת ללא שינוי ללא קשר לסימן השינוי בעכבה של הסלילים. כאשר כיוון הסטייה של האבזור מהמיקום האמצעי משתנה, שלב הזרם במוצא החיישן משתנה לאחור (ב-180 מעלות). בעת שימוש במיישרים רגישים לפאזה, ניתן לקבל חיווי על כיוון הנסיעה של האבזור מהמיקום האמצעי. המאפיינים של חיישן אינדוקטיבי דיפרנציאלי עם מסנן תדר פאזה הם כדלקמן:

שגיאת המרה של חיישן אינדוקטיבי

קיבולת המידע של חיישן אינדוקטיבי נקבעת במידה רבה על ידי השגיאה שלו בעת המרת הפרמטר הנמדד. השגיאה הכוללת של חיישן אינדוקטיבי מורכבת ממספר רב של רכיבי שגיאה.

ניתן להבחין בין שגיאות החיישן האינדוקטיביות הבאות:

1) שגיאה עקב אי-לינאריות של המאפיין. המרכיב הכפל של השגיאה הכוללת.בשל עקרון המרה אינדוקטיבית של הערך הנמדד, המהווה בסיס לפעולת חיישנים אינדוקטיביים, הוא חיוני וברוב המקרים קובע את טווח המדידה של החיישן. חובה בכפוף להערכה במהלך פיתוח חיישנים.

2) שגיאת טמפרטורה. מרכיב אקראי.בשל המספר הגדול של פרמטרים תלויי טמפרטורה של רכיבי החיישן, השגיאה של הרכיב יכולה להגיע לערכים גדולים והיא משמעותית. יש להעריך בתכנון חיישנים.

3) שגיאה עקב השפעת שדות אלקטרומגנטיים חיצוניים. הרכיב האקראי של השגיאה הכוללת. זה מתרחש עקב השראת EMF בפיתול החיישן על ידי שדות חיצוניים ובשל שינוי במאפיינים המגנטיים של המעגל המגנטי בהשפעת שדות חיצוניים. בחצרים תעשייתיים עם מתקני חשמל, מתגלים שדות מגנטיים עם אינדוקציה T ותדר בעיקר 50 הרץ.

מכיוון שהליבות המגנטיות של חיישנים אינדוקטיביים פועלות באינדוקציות של 0.1 - 1 T, חלקם של השדות החיצוניים יהיה 0.05-0.005% גם בהיעדר מיגון. קלט מסך ושימוש בחיישן דיפרנציאלי מפחיתים פרופורציה זו בכשני סדרי גודל. לפיכך, יש להתייחס לשגיאה הנובעת מהשפעת שדות חיצוניים רק בעת תכנון חיישנים בעלי רגישות נמוכה ועם חוסר אפשרות של מיגון מספיק. ברוב המקרים, רכיב שגיאה זה אינו משמעותי.

4) שגיאה עקב האפקט המגנואלסטי. היא נוצרת עקב חוסר היציבות של העיוותים של המעגל המגנטי במהלך הרכבת החיישן (רכיב תוסף) ובשל שינויים בעיוותים במהלך פעולת החיישן (רכיב שרירותי). חישובים המתחשבים בנוכחות פערים במעגל המגנטי מראים כי השפעת חוסר היציבות של מתחים מכניים במעגל המגנטי גורמת לחוסר יציבות של אות המוצא של חיישן ההזמנה, וברוב המקרים ניתן להזניח רכיב זה באופן ספציפי.

5) שגיאה עקב אפקט מד מתח של סליל.מרכיב אקראי. כאשר מתפתלים את סליל החיישן, נוצר מתח מכני בחוט. שינוי בלחצים מכניים אלו במהלך פעולת החיישן מביא לשינוי בהתנגדות של הסליל לזרם ישר ולכן שינוי באות המוצא של החיישן. בדרך כלל עבור חיישנים שתוכננו כהלכה, כלומר, אין להתייחס ספציפית לרכיב זה.

6) סטייה מכבל החיבור. זה מתרחש עקב חוסר היציבות של ההתנגדות החשמלית של הכבל בהשפעת טמפרטורה או עיוותים ובשל אינדוקציה של EMF בכבל בהשפעת שדות חיצוניים. הוא המרכיב האקראי של השגיאה. במקרה של חוסר יציבות של ההתנגדות העצמית של הכבל, השגיאה של אות המוצא של החיישן. אורך כבלי החיבור הוא 1-3 מ' ולעיתים רחוקות יותר. כאשר הכבל עשוי מחוט נחושת בחתך, ההתנגדות של הכבל היא פחות מ-0.9 אוהם, חוסר יציבות התנגדות. מכיוון שעכבת החיישן היא בדרך כלל גדולה מ-100 אוהם, השגיאה בפלט החיישן יכולה להיות גדולה כמו לכן, עבור חיישנים עם התנגדות פעולה נמוכה, יש להעריך את השגיאה. במקרים אחרים, זה לא משמעותי.

7) שגיאות עיצוב.הם נוצרים בהשפעת הסיבות הבאות: השפעת כוח המדידה על העיוותים של חלקי החיישן (תוסף), השפעת ההבדל בכוח המדידה על חוסר היציבות של העיוותים (מכפיל), השפעת ה- מנחים של מוט המדידה במהלך העברת דופק המדידה (מכפיל), חוסר היציבות של העברת דופק המדידה עקב פערים והשפעה אחורית של החלקים הנעים (אקראי). שגיאות תכנון נקבעות בעיקר על ידי פגמים בתכנון של המדידה. אלמנטים מכניים של החיישן ואינם ספציפיים לחיישנים אינדוקטיביים. ההערכה של שגיאות אלו מתבצעת על פי השיטות הידועות להערכת השגיאות של השידורים הקינמטיים של מכשירי המדידה.

8) טעויות טכנולוגיות. הם נוצרים כתוצאה מסטיות טכנולוגיות במיקום היחסי של חלקי החיישן (תוסף), פיזור הפרמטרים של חלקים וסלילים במהלך הייצור (תוסף), השפעת הפערים הטכנולוגיים והאטימות בחיבורי החלקים ובמדריכים ( שרירותי).

גם שגיאות טכנולוגיות בייצור האלמנטים המכניים של מבנה החיישן אינן ספציפיות לחיישן האינדוקטיבי; הם מוערכים באמצעות השיטות הרגילות עבור מכשירי מדידה מכניים. שגיאות בייצור המעגל המגנטי וסלילי החיישנים מובילות לפיזור הפרמטרים של החיישנים ולקשיים הנובעים בהבטחת ההחלפה של האחרונים.

9) שגיאת הזדקנות חיישן.רכיב שגיאה זה נגרם, ראשית, על ידי בלאי של האלמנטים הנעים של מבנה החיישן, ושנית, על ידי השינוי לאורך זמן של המאפיינים האלקטרומגנטיים של המעגל המגנטי של החיישן. השגיאה צריכה להיחשב מקרית. בעת הערכת השגיאה עקב בלאי, נלקח בחשבון החישוב הקינמטי של מנגנון החיישן בכל מקרה ספציפי. בשלב תכנון החיישן, במקרה זה, מומלץ להגדיר את חיי השירות של החיישן בתנאי הפעלה רגילים, שבמהלכם שגיאת הבלאי הנוספת לא תחרוג מהערך שצוין.

התכונות האלקטרומגנטיות של חומרים משתנות עם הזמן.

ברוב המקרים, התהליכים המובהקים של שינוי המאפיינים האלקטרומגנטיים מסתיימים בתוך 200 השעות הראשונות לאחר טיפול החום והדה-מגנטיזציה של המעגל המגנטי. בעתיד, הם נשארים כמעט קבועים ואינם ממלאים תפקיד משמעותי בשגיאה הכוללת של החיישן האינדוקטיבי.

ההתייחסות לעיל של מרכיבי השגיאה של חיישן אינדוקטיבי מאפשרת להעריך את תפקידם בהיווצרות השגיאה הכוללת של החיישן. ברוב המקרים, הגורם הקובע הוא השגיאה מהאי-ליניאריות של המאפיין ושגיאת הטמפרטורה של הממיר האינדוקטיבי.