Sensor induktif

Sensor induktif adalah transduser tipe parametrik yang prinsip operasinya didasarkan pada perubahan induktansi L atau induktansi timbal balik dari belitan dengan inti, karena perubahan resistansi magnetik RM dari sirkuit magnetik sensor tempat inti masuk.

Sensor induktif banyak digunakan di industri untuk mengukur perpindahan dan mencakup rentang dari 1 μm hingga 20 mm. Dimungkinkan juga untuk menggunakan sensor induktif untuk mengukur tekanan, gaya, laju aliran gas dan cairan, dll. Dalam hal ini, nilai terukur diubah menggunakan berbagai elemen sensitif menjadi perubahan perpindahan dan kemudian nilai ini diumpankan ke transduser pengukur induktif.

Dalam hal pengukuran tekanan, elemen sensitif dapat dibuat dalam bentuk membran elastis, selongsong, dll. Mereka juga digunakan sebagai sensor jarak, yang digunakan untuk mendeteksi berbagai benda logam dan non-logam dengan cara non-kontak pada prinsip ya atau tidak.

Keuntungan dari sensor induktif:

• kesederhanaan dan kekuatan konstruksi, tanpa kontak geser;

• kemampuan untuk terhubung ke sumber frekuensi daya;

• daya keluaran yang relatif tinggi (hingga puluhan watt);

• sensitivitas yang signifikan.

Kerugian dari sensor induktif:

• keakuratan operasi tergantung pada stabilitas tegangan suplai berdasarkan frekuensi;

• operasi hanya mungkin dengan arus bolak-balik.

Jenis konverter induktif dan fitur desainnya

Menurut skema konstruksi, sensor induktif dapat dibagi menjadi tunggal dan diferensial. Sensor induktif berisi satu cabang pengukur, diferensial satu - dua.

Pada sensor induktif diferensial, ketika parameter yang diukur berubah, induktansi dari dua kumparan identik berubah secara bersamaan dan perubahan terjadi dengan nilai yang sama tetapi dengan tanda yang berlawanan.

Seperti diketahui, induktansi kumparan:

di mana W adalah jumlah belokan; F - fluks magnet yang menembusnya; I — arus yang melewati koil.

Saat ini terkait dengan MDS dengan rasio:

Di mana kami mendapatkan:

di mana Rm = HL / Ф adalah resistansi magnetik dari sensor induktif.

Pertimbangkan, misalnya, satu sensor induktif. Pengoperasiannya didasarkan pada sifat choke celah udara untuk mengubah induktansinya saat nilai celah udara berubah.

Sensor induktif terdiri dari kuk 1, koil 2, angker 3 — dipegang oleh pegas. Tegangan suplai arus bolak-balik disuplai ke koil 2 melalui resistansi beban Rn. Arus dalam rangkaian beban didefinisikan sebagai:

di mana rd adalah resistensi aktif dari choke; L adalah induktansi sensor.

Karena resistansi aktif rangkaian adalah konstan, maka perubahan arus I hanya dapat terjadi karena perubahan komponen induktif XL = IRn, yang bergantung pada besarnya celah udara δ.

Untuk setiap nilai δ sesuai dengan nilai tertentu I, yang menciptakan penurunan tegangan pada resistansi Rn: Uout = IRn — adalah sinyal keluaran dari sensor. Anda dapat memperoleh ketergantungan analitik Uout = f (δ) asalkan celahnya cukup kecil dan fluks sesat dapat diabaikan, dan magnetoresistansi besi Rmw dapat diabaikan dibandingkan dengan magnetoresistansi celah udara Rmw.

Inilah ekspresi terakhirnya:

Pada perangkat nyata, resistansi aktif rangkaian jauh lebih kecil daripada resistansi induktif, kemudian ekspresinya direduksi menjadi bentuk:

Ketergantungan Uout = f (δ) adalah linier (pada perkiraan pertama). Fitur sebenarnya adalah sebagai berikut:

Penyimpangan dari linearitas pada awalnya dijelaskan oleh asumsi yang diterima Rmzh << Rmv.

Pada d kecil, magnetoresistansi besi sepadan dengan magnetoresistansi udara.

Penyimpangan pada d besar dijelaskan oleh fakta bahwa pada besar d RL menjadi sepadan dengan nilai resistansi aktif — Rn + rd.

Secara umum, sensor induktif yang dipertimbangkan memiliki sejumlah kelemahan yang signifikan:

• fase arus tidak berubah ketika arah gerakan diubah;

• jika perlu untuk mengukur perpindahan di kedua arah, perlu untuk mengatur celah udara awal dan karenanya I0 saat ini, yang tidak nyaman;

• arus beban tergantung pada amplitudo dan frekuensi tegangan suplai;

• selama pengoperasian sensor, gaya tarik-menarik ke sirkuit magnetik bekerja pada angker, yang tidak diimbangi oleh apa pun dan oleh karena itu menimbulkan kesalahan dalam pengoperasian sensor.

Sensor induktif diferensial (reversibel) (DID)

Sensor induktif diferensial adalah kombinasi dari dua sensor yang tidak dapat diubah dan dibuat dalam bentuk sistem yang terdiri dari dua sirkuit magnetik dengan angker umum dan dua kumparan. Sensor induktif diferensial memerlukan dua catu daya terpisah, yang biasanya digunakan transformator isolasi 5.

Bentuk sirkuit magnetik dapat berupa sensor diferensial-induktif dengan sirkuit magnetik berbentuk-W, direkrut oleh jembatan baja listrik (untuk frekuensi di atas 1000Hz, paduan besi-nikel-permola digunakan), dan silinder dengan sirkuit magnetik lingkaran padat . Pilihan bentuk sensor bergantung pada kombinasi konstruktifnya dengan perangkat yang dikontrol. Penggunaan sirkuit magnetik berbentuk W karena kemudahan perakitan koil dan pengurangan ukuran sensor.

Untuk memberi daya pada sensor diferensial-induktif, transformator 5 dengan keluaran untuk titik tengah belitan sekunder digunakan. Perangkat 4 disertakan di antara itu dan ujung umum dari dua gulungan Celah udara 0,2-0,5 mm.

Pada posisi tengah angker, ketika celah udara sama, resistansi induktif kumparan 3 dan 3 'sama, oleh karena itu nilai arus dalam kumparan sama dengan I1 = I2 dan hasilnya saat ini di perangkat adalah 0.

Dengan sedikit penyimpangan angker dalam satu arah atau lainnya, di bawah pengaruh nilai yang dikontrol X, nilai celah dan induktansi berubah, perangkat mencatat arus diferensial I1-I2, ini adalah fungsi dari angker perpindahan dari posisi tengah. Perbedaan arus biasanya direkam menggunakan perangkat magnetoelektrik 4 (microammeter) dengan rangkaian penyearah B pada input.

Ciri-ciri sensor induktif adalah:

Polaritas arus keluaran tetap tidak berubah terlepas dari tanda perubahan impedansi kumparan. Ketika arah penyimpangan angker dari posisi tengah berubah, fase arus pada keluaran sensor berubah secara terbalik (sebesar 180 °). Saat menggunakan penyearah peka fase, indikasi arah perjalanan angker dapat diperoleh dari posisi tengah. Karakteristik sensor induktif diferensial dengan filter frekuensi fase adalah sebagai berikut:

Kesalahan konversi sensor induktif

Kapasitas informasi dari sensor induktif sangat ditentukan oleh kesalahannya saat mengubah parameter yang diukur. Kesalahan total sensor induktif terdiri dari sejumlah besar komponen kesalahan.

Kesalahan sensor induktif berikut dapat dibedakan:

1) Kesalahan karena non-linearitas karakteristik. Komponen perkalian dari kesalahan total Karena prinsip konversi induktif dari nilai terukur, yang merupakan dasar pengoperasian sensor induktif, ini penting dan dalam banyak kasus menentukan rentang pengukuran sensor. Subjek wajib untuk evaluasi selama pengembangan sensor.

2) Kesalahan suhu. Bahan acak.Karena banyaknya parameter komponen sensor yang bergantung pada suhu, kesalahan komponen dapat mencapai nilai yang besar dan signifikan. Untuk dievaluasi dalam desain sensor.

3) Kesalahan karena pengaruh medan elektromagnetik eksternal. Komponen acak dari kesalahan total. Itu terjadi karena induksi EMF pada belitan sensor oleh medan eksternal dan karena perubahan karakteristik magnetik sirkuit magnetik di bawah pengaruh medan eksternal. Di tempat industri dengan instalasi listrik, medan magnet dengan induksi T dan frekuensi terutama 50 Hz terdeteksi.

Karena inti magnet sensor induktif bekerja pada induksi 0,1 — 1 T, pangsa medan eksternal akan menjadi 0,05-0,005% bahkan tanpa pelindung. Input layar dan penggunaan sensor diferensial mengurangi proporsi ini sekitar dua kali lipat. Dengan demikian, kesalahan karena pengaruh medan eksternal hanya boleh dipertimbangkan saat mendesain sensor dengan sensitivitas rendah dan dengan ketidakmungkinan pelindung yang memadai. Dalam kebanyakan kasus, komponen kesalahan ini tidak signifikan.

4) Kesalahan karena efek magnetoelastik. Itu muncul karena ketidakstabilan deformasi sirkuit magnetik selama perakitan sensor (komponen aditif) dan karena perubahan deformasi selama operasi sensor (komponen sewenang-wenang). Perhitungan dengan mempertimbangkan adanya celah pada rangkaian magnetik menunjukkan bahwa pengaruh ketidakstabilan tekanan mekanis pada rangkaian magnetik menyebabkan ketidakstabilan sinyal keluaran dari sensor pesanan, dan dalam banyak kasus komponen ini dapat diabaikan secara khusus.

5) Kesalahan karena efek pengukur regangan koil.Bahan acak. Saat melilitkan koil sensor, tegangan mekanis dibuat di kabel. Perubahan tekanan mekanis ini selama operasi sensor menghasilkan perubahan resistansi koil terhadap arus searah dan karenanya mengubah sinyal keluaran sensor. Biasanya untuk sensor yang dirancang dengan baik, komponen ini tidak boleh dianggap khusus.

6) Penyimpangan dari kabel penghubung. Ini terjadi karena ketidakstabilan hambatan listrik kabel di bawah pengaruh suhu atau deformasi dan karena induksi EMF pada kabel di bawah pengaruh medan eksternal. Apakah komponen acak dari kesalahan. Jika terjadi ketidakstabilan resistansi kabel sendiri, kesalahan sinyal keluaran sensor. Panjang kabel penghubung adalah 1-3 m dan jarang lebih. Ketika kabel terbuat dari kawat tembaga penampang, resistansi kabel kurang dari 0,9 Ohm, resistensi ketidakstabilan. Karena impedansi sensor biasanya lebih besar dari 100 ohm, kesalahan pada keluaran sensor bisa sebesar Oleh karena itu, untuk sensor dengan resistansi operasi rendah, kesalahan harus diestimasi. Dalam kasus lain, itu tidak signifikan.

7) Kesalahan desain.Mereka muncul di bawah pengaruh alasan berikut: pengaruh gaya pengukur pada deformasi bagian sensor (aditif), pengaruh perbedaan gaya pengukur pada ketidakstabilan deformasi (perkalian), pengaruh panduan batang pengukur selama transmisi pulsa pengukur (multiplikatif), ketidakstabilan transfer pulsa pengukur karena celah dan serangan balik bagian yang bergerak (acak).Kesalahan desain terutama ditentukan oleh cacat pada desain batang elemen mekanis sensor dan tidak spesifik untuk sensor induktif. Evaluasi kesalahan ini dilakukan sesuai dengan metode yang diketahui untuk mengevaluasi kesalahan transmisi kinematik alat pengukur.

8) Kesalahan teknologi. Mereka muncul sebagai akibat penyimpangan teknologi dalam posisi relatif bagian sensor (aditif), dispersi parameter bagian dan gulungan selama produksi (aditif), pengaruh celah teknologi dan kekencangan pada sambungan bagian dan dalam pemandu ( sewenang-wenang).

Kesalahan teknologi dalam pembuatan elemen mekanis dari struktur sensor juga tidak spesifik untuk sensor induktif; mereka dievaluasi menggunakan metode biasa untuk alat pengukur mekanis. Kesalahan dalam pembuatan sirkuit magnetik dan kumparan sensor menyebabkan dispersi parameter sensor dan kesulitan yang timbul dalam memastikan pertukaran yang terakhir.

9) Kesalahan penuaan sensor.Komponen kesalahan ini disebabkan, pertama, oleh keausan elemen bergerak dari struktur sensor dan, kedua, oleh perubahan karakteristik elektromagnetik dari sirkuit magnetik sensor seiring waktu. Kesalahan harus dianggap tidak disengaja. Saat mengevaluasi kesalahan akibat keausan, perhitungan kinematik dari mekanisme sensor dalam setiap kasus tertentu diperhitungkan. Pada tahap desain sensor, dalam hal ini, disarankan untuk mengatur masa pakai sensor dalam kondisi pengoperasian normal, di mana kesalahan keausan tambahan tidak akan melebihi nilai yang ditentukan.

Sifat elektromagnetik bahan berubah dari waktu ke waktu.

Dalam kebanyakan kasus, proses perubahan karakteristik elektromagnetik yang diucapkan berakhir dalam 200 jam pertama setelah perlakuan panas dan demagnetisasi sirkuit magnetik. Di masa mendatang, mereka praktis tetap konstan dan tidak memainkan peran penting dalam kesalahan umum sensor induktif.

Pertimbangan komponen kesalahan sensor induktif di atas memungkinkan untuk mengevaluasi perannya dalam pembentukan kesalahan total sensor. Dalam kebanyakan kasus, faktor penentu adalah kesalahan dari non-linieritas karakteristik dan kesalahan suhu dari konverter induktif.