Jaké jsou výhody a nevýhody indukčních snímačů

Indukční snímače slouží k bezkontaktnímu získávání informací o pohybech (úhlových, lineárních) pracovních částí strojů a mechanismů a převádění těchto informací na elektrický signál. Princip činnosti indukčního snímače je založen na změně indukčnosti vinutí na magnetickém obvodu v závislosti na poloze jednotlivých prvků magnetického obvodu (kotva, jádro atd.). V takových snímačích lineární nebo úhlový pohyb X (vstupní veličina) se převádí na změnu indukčnosti (L) senzor Indukční snímač je v nejjednodušším případě indukční cívka s magnetickým jádrem, jejíž pohyblivý prvek (kotva) se pohybuje vlivem měřené hodnoty. Indukční snímač je bezkontaktní, nevyžaduje mechanické působení a funguje na základě změny elektromagnetického pole. Výhody bezkontaktních indukčních snímačů:

• • absence mechanického opotřebení;
• • odolnost proti mechanickému namáhání;
• • vysoká spínací frekvence – až 3000 Hz.

Indukční snímače však mají i nevýhody: relativně malá citlivost, závislost indukční reaktance na frekvenci napájecího napětí.

Na Obr. Obrázek 2.24 ukazuje prvky indukčního snímače a nejjednodušší obvod indukčního převodníku.

Při použití indukčních snímačů se měřená veličina (parametr) převádí na pohyb jádra (kotvy, desky) a následně působí na sekundární převodník, mění odpor magnetického obvodu R_M změnou mezer S (nebo pracovní oblast mezer) v magnetickém obvodu nebo zavedení feromagnetických materiálů do indukční cívky. Indukční měniče tedy slouží k přeměně výchylky / na změnu indukčnosti L cívky. Indukční snímače pracují na střídavý proud; cívka je součástí elektrického měřicího obvodu.

Na jednoduchém příkladu (obr. 2.24, c) Lze vysvětlit princip činnosti indukčního měniče. Indukční měnič je magnetický obvod skládající se z cívky 3 (F|) s magnetickým jádrem 4, pohyblivá feromagnetická deska (jádro) 5 a vzduchové mezery 3.

Rýže. 2.24. Prvky a obvod indukčního měniče: a – jednosekční cívka; b – dvousekční cívka: c – schéma indukčního měniče; I – pohyblivé feromagnetické jádro; 2 – neferomagnetická tyč; 3 – cívka (vinutí IV/); 4 – magnetický obvod; 5 – pohyblivá feromagnetická deska (jádro)

Aktuální /_н v zátěži Z_H určeno impedancí Z cívky W:

kde К_А – aktivní (ohmický) odpor cívky, je konstantní; X_L = co – L – indukční reaktance; s — kruhová frekvence napájecího napětí; L — indukčnost cívky; Х_с =- – kapacitní

odpor; je malý a nemusí se brát v úvahu.

Můžeme tedy s přijatelnou chybou předpokládat, že Z = J(L), stejně jako I = J(L).

Indukčnost cívky L se může lišit v důsledku změn magnetického odporu obvodu L_ц, jehož hlavní složkou je magnetický odpor R# vzduchové mezery.

Princip činnosti indukčních snímačů lze zhruba znázornit jako řetězec transformací:

kde / je posunutí; S – mezera; R_M – magnetický odpor obvodu; F – magnetický tok; L — indukčnost; X_L — indukční reaktance; Z- impedance cívky; / -aktuální.

U indukčních snímačů (obr. 2.25) se rozšířil diferenční obvod pro připojení dvou induktorů (obvod ). Statická charakteristika snímačů je v tomto případě lineární a reverzibilní. BCIA používá hlavně diferenciální můstek (obvod b) a můstek diferenciálního transformátoru (obvod c) obvody pro připojení indukčních snímačů.

Rýže. 2.25. Připojovací obvody pro indukční snímače

Indukční snímače jsou jednoduché konstrukce a spolehlivé v provozu, což je důležité pro vrtací přístroje.

Princip činnosti indukčních snímačů je založen na změně jejich indukčnosti vlivem vstupní veličiny (posunu, síly). Existují snímače s krátkým a dlouhým zdvihem, normální a diferenciální, a také snímače magnetoelastické, které jsou založeny na vlastnosti feromagnetických materiálů měnit magnetickou permeabilitu při elastických deformacích. Snímače s krátkým zdvihem. Schémata vysvětlující jejich činnost jsou na obr. 9.9. Rýže. 9.9. Schémata normálních snímačů s krátkým zdvihem (A) a diferenciální provedení (b): 1 – vinutí snímačů; 2— magnetická jádra vyrobená z měkkého magnetického materiálu; 3 – jádra vyrobená z měkkého magnetického materiálu;

L_vL₂ — indukčnost snímače; 5 – vzduchová mezera; X – výchozí poloha jádra Indukčnost snímače se vzduchovou mezerou b (obr. 9.9, ) kde w je počet závitů; r — magnetická konstanta (v soustavě SI str = 4: • 10-7 H/m); S — plocha průřezu magnetického obvodu, mm 2 ; / je délka magnetického obvodu, m; 5 — vzduchová mezera, m; p je relativní magnetická permeabilita. Ze vztahu (9.12) vyplývá, že indukčnost snímače závisí na vzduchové mezeře (nepřímo úměrná hodnotě mezery), jakož i na hodnotě veličin w, S, I a R. Konstrukce snímačů znázorněná na Obr. 9.9, a, b, umožňuje implementovat pouze závislost L =db) nebo L =Dx). U jiného provedení lze využít závislost indukčnosti snímače na geometrických rozměrech magnetického jádra, magnetické permeabilitě materiálu magnetického jádra nebo počtu závitů cívky. Grafy statických převodních charakteristik uvažovaných indukčních snímačů jsou na Obr. 9.10. Indukční snímače s krátkým zdvihem se používají k měření malých pohybů (od 0,01 do 5 mm) a dalších neelektrických veličin, které lze převést na pohyb (síla, tlak, krouticí moment atd.). Rýže. 9.10. Grafy závislostí L = opravit), L _{=f и L2 =f2(X) pro indukční snímače s krátkým zdvihem: а — jednotlivé snímače; б — diferenciální snímače Mezi nevýhody indukčních snímačů patří nelinearita statické převodní charakteristiky, závislost indukční reaktance snímače na frekvenci zdroje a okolní teplotě a velký zpětný účinek snímače na objekt. studia. Výhody indukčních snímačů: jednoduchost, spolehlivost, absence pohyblivých kontaktů, relativně velký výstupní elektrický výkon, schopnost pracovat na střídavý proud na průmyslové frekvenci. Senzory s dlouhým zdvihem. Schémata vysvětlující jejich činnost jsou na obr. 9.11, kde jsou uvažovány normální senzory (obr. 9.11, ) diferenciální snímače (obr. 9.11, b). Rýže. 9.11. Schémata normálních snímačů s dlouhým zdvihem (A) a diferenciál (b) exekuce: 1 — cívky (s počtem závitů w); 2 — jádro (plunger) Jádra uvažovaných senzorů se často nazývají plunžry. Odtud pochází název těchto senzorů v literatuře – „plunžrové senzory“. Jádra (plunžry) mohou být feromagnetická (vyrobená z měkkého magnetického materiálu) a diamagnetická (například z mědi).}

Je známo, že zavedením feromagnetického jádra se indukčnost cívky zvýší a zavedením diamagnetického jádra se sníží. Tato okolnost vede k výraznému rozdílu v charakteristikách snímačů s dlouhým zdvihem s feromagnetickými a diamagnetickými jádry. Indukčnost cívky jádra (co jsou v podstatě senzory s dlouhým zdvihem) kde p je relativní magnetická permeabilita materiálu jádra (pro feromagnetické materiály p >> 1; pro diamagnetické materiály p 2 a délka cívky, m. Z rovnice (9.13) vyplývá, že indukčnost snímačů s dlouhým zdvihem je přímo úměrné magnetické permeabilitě materiálu jader (plunžrů), ploše jejich průřezu, druhé mocnině počtu závitů a nepřímo úměrné délce cívky snímače. Grafy statických převodních charakteristik uvažovaných snímačů jsou na obr. 9.12. Rýže. 9.12. Grafy závislostí L=f(x) pro senzory s dlouhým zdvihem: а — normální snímače; б — diferenciální snímače; F- feromagnetická jádra; D – diamagnetická jádra; L_v Ь_г– indukčnost diferenciálních snímačů při použití feromagnetických jader Pro měření velkých pohybů se používají indukční snímače s dlouhým zdvihem. U snímačů s feromagnetickými jádry (plunžry) mohou být pohyby až 10-15 cm a u snímačů s diamagnetickými jádry (plunžry) – 20-30 cm nebo i více. Snímače s feromagnetickými jádry mají nelineární statické převodní charakteristiky a vysokou citlivost. Citlivost snímačů s diamagnetickými jádry je mnohem nižší, ale jejich statické převodní charakteristiky se blíží lineárním. Zbývající výhody a nevýhody snímačů s dlouhým zdvihem se shodují s výhodami a nevýhodami snímačů s krátkým zdvihem. Magnetoelastické senzory – Jedná se o snímače, jejichž indukčnost se mění s pružnými deformacemi feromagnetických jader. Schéma vysvětlující činnost takových snímačů je znázorněno na Obr. 9.13, . Rýže. 9.13. Schéma (A) a statické převodní charakteristiky (b) magnetoelastické senzory: F- úsilí; L – indukčnost (křivky propustnosti 1 – pro p,, 2 – pro c₂,3 – pro p₃) Na obrázku 9.13 б Jsou uvedeny statické převodní charakteristiky magnetoelastických senzorů. Charakteristiky jsou uvedeny pro senzory vyrobené z různých feromagnetických měkkých magnetických materiálů, které se od sebe liší magnetickou permeabilitou (p, F_mm Magnetický obvod snímače se deformuje, jeho magnetická permeabilita se snižuje a v důsledku toho se snižuje indukčnost. Indukčnost snímače L (v F= const) Magnetoelastické vlastnosti materiálu snímače jsou charakterizovány relativní magnetoelastickou citlivostí kde Dr; D/ – změny magnetické permeability, Gn/m a délky magnetického jádra snímače, m Materiál pro jádra může být permalloy, nikl, elektroocel, ferit atd. U některých materiálů je uvedena relativní magnetoelastická citlivost. v tabulce. 9.5. Tabulka 9.5 Magnetoelastické vlastnosti materiálů

Zpravidla jsou magnetoelastické snímače napájeny ze sítě s frekvencí 50 Hz, známé jsou však snímače napájené ze sítě se zvýšenou frekvencí (od stovek hertzů do 20 kHz). Magnetoelastické snímače se používají k měření velkých sil (tlak odvalujících se válců, hmotnost vozů a železničních vozů atd.), jakož i k měření deformací v konstrukčních dílech (pomocí adhezivních snímačů). Mezi výhody magnetoelastických snímačů patří jejich vysoká spolehlivost, srovnatelná jednoduchost konstrukce a vysoký výkon výstupních signálů. Nevýhodou magnetoelastických snímačů je jejich malá přesnost, která se vysvětluje přítomností hystereze, změnami charakteristik v čase, vlivem okolní teploty atd. Podrobněji u indukčních snímačů (krátkozdvihové, dlouhozdvihové a magnetoelastické) lze nalézt v příslušné literatuře (viz např. práce [ 1, 6, 33, 66]).