5.4. Индуктивные приборы

Индуктивные приборы отличаются высокой точностью, позволяют вести дистанционные измерения; сравнительно небольшие габаритные размеры индуктивных датчиков позволяют создавать компактные измерительные устройства. Наличие единого источника энергии (электрического тока) является существенным преимуществом перед пневматическими приборами, где требуется питание электрическим током и сжатым воздухом.

Недостатки: сравнительная сложность электрических элементов, требующих квалифицированного обслуживания в процессе эксплуатации, необходимость надежной герметизации датчика.

Принцип действия

В индуктивных приборах используется свойство катушки изменять свое реактивное сопротивление при изменении некоторых ее параметров, определяющих величину индуктивности L.

Рис. 5. Принципиальные схемы индуктивных датчиков:

а — с изменяющимся воздушным зазором;

б — с изменяющейся площадью воздушного зазора;

1 — якорь; 2 — неподвижная часть магнитопровода;

3 — катушка; 4 — пружина, создающая

измерительное усилие; 5 — контролируемая деталь.

Для получения возможно большей индуктивности катушку, как правило, выполняют с магнитопроводом из ферромагнитного материала (рис. 5). Один из элементов магнитопровода (якорь) выполняют подвижным, и его положение относительно неподвижной части магнитопровода будет определять величину изменения магнитного сопротивления цепи, а следовательно, и индуктивности катушки.

Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к соответствующему изменению ее полного сопротивления Z. Таким образом, если связать перемещение якоря с измеряемой величиной δ при ν = const, возникает функциональная зависимость между δ и электрическим параметром L.

L = f (δ).

Устройство, которое преобразует линейные перемещения в электрический параметр с помощью вышеописанной катушки, называется индуктивным датчиком.

Полностью индуктивный прибор может быть представлен принципиальной схемой, показанной на рис. 6.

Р ис. 6. Блок-схема индуктивного прибора:

1 — контролируемая деталь; 2 — индуктивный датчик;

3 — измерительная схема, преобразующая сигнал датчика в удобный для измерений другой электрический параметр (напряжение, сила тока); 4 — электронный усилитель; 5 — указательное устройство;

6 — устройство для подачи команд: 7 — источник питания

Индуктивные датчики

Выражение для определения индуктивности катушки датчика имеет вид:

где: ω — число витков катушки;

δ₀, S₀ — длина и площадь воздушного зазора между якорем и неподвижной частью магнитопровода;

δ₁, S₁ — длина магнитных линий и площадь сечения магнитопровода;

μ₀ и μ₁ — соответственно магнитная проницаемость воздуха и материала магнитопровода.

Р ис. 7. Характеристики индуктивных датчиков:

а — с изменяющимся воздушным зазором;

б — с изменяющейся площадью воздушного зазора.

В применяемых в настоящее время индуктивных датчиках для линейных измерений изменение индуктивности достигается посредством изменения величины δ₀ (рис. 8, а) или площади S₀ (Рис. 8, б).

Характеристика индуктивного датчика с переменным зазором L = f (δ) приведена на рис. 7 а, а датчика с переменной площадью на рис. 7 б. Из рис. 7, а видно, что характеристика датчика с переменным зазором нелинейна, но позволяет получить высокочувствительную измерительную систему. Для повышения чувствительности датчика величину воздушного зазора следует уменьшать. Чтобы с заданной степенью точности можно было считать чувствительность датчика величиной постоянной, необходимо рабочий участок Δδ = δ_max - δ_min датчика ограничивать допустимыми зазорами δ_max и δ_min причем минимальная величина воздушного зазора должна быть тем больше, чем больше диапазон изменения зазора в процессе измерения.

Рис. 8. Принципиальные схемы

индуктивных датчиков:

а — дифференциальный датчик с изменяющимся воздушным зазором;

б — дифференциальный датчик с изменяющейся площадью воздушного зазора.

Чем меньше отношение Δδ/δ₀, тем меньше величина нелинейности характеристики датчика.

С целью получения более линейной зависимости, не уменьшая величины Δδ, применяют индуктивные датчики, принцип действия которых показан на рис. 8, а. Датчик имеет две магнитные цепи с общим якорем. Под действием измеряемой величины оба зазора изменяются одинаково, но с различными знаками. Такой датчик обычно называют дифференциальным.

Для дифференциальных датчиков при нелинейности характеристики в 1%

Δδ/δ₀

При таком отношении предела измерения и начального зазора нелинейность характеристики недифференциального датчика составит более 10%.

При соответствующем включении обеих катушек в измерительную схему (например в соседние плечи мостовой схемы) дифференциальный датчик имеет примерно в 2 раза большую чувствительность по сравнению с недифференциальным, менее чувствителен к колебаниям окружающей температуры, питающего напряжения и его частоты.