Sensores indutivos

Um sensor indutivo é um transdutor do tipo paramétrico cujo princípio de operação é baseado na mudança indutância L ou a indutância mútua do enrolamento com o núcleo, devido a uma mudança na resistência magnética RM do circuito magnético do sensor no qual o núcleo entra.

Os sensores indutivos são amplamente utilizados na indústria para medir deslocamentos e cobrem a faixa de 1 μm a 20 mm. Também é possível usar um sensor indutivo para medir pressões, forças, vazões de gás e líquido, etc. Neste caso, o valor medido é convertido usando vários elementos sensíveis em uma mudança de deslocamento e então este valor é alimentado a um transdutor de medição indutivo.

No caso de medição de pressão, os elementos sensíveis podem ser feitos na forma de membranas elásticas, mangas, etc. Eles também são usados ​​como sensores de proximidade, que são usados ​​para detectar vários objetos metálicos e não metálicos sem contato no princípio sim ou não.

Vantagens dos sensores indutivos:

• simplicidade e robustez da construção, sem contatos deslizantes;

• capacidade de se conectar a fontes de frequência de energia;

• potência de saída relativamente alta (até dezenas de watts);

• sensibilidade significativa.

Desvantagens dos sensores indutivos:

• a precisão da operação depende da estabilidade da tensão de alimentação por frequência;

• a operação só é possível com corrente alternada.

Tipos de conversores indutivos e suas características de design

De acordo com o esquema de construção, os sensores indutivos podem ser divididos em simples e diferenciais. Um sensor indutivo contém um ramo de medição, um diferencial um - dois.

Em um sensor indutivo diferencial, quando o parâmetro medido muda, a indutância de duas bobinas idênticas muda simultaneamente e a mudança ocorre no mesmo valor, mas com sinal oposto.

Como é sabido, indutância da bobina:

onde W é o número de voltas; F — fluxo magnético que o penetra; I - a corrente que passa pela bobina.

A corrente está relacionada ao MDS pela razão:

Onde obtemos:

onde Rm = HL / Ф é a resistência magnética do sensor indutivo.

Considere, por exemplo, um único sensor indutivo. Sua operação é baseada na propriedade de uma bobina de entreferro de mudar sua indutância conforme o valor do entreferro muda.

O sensor indutivo consiste em um jugo 1, uma bobina 2, uma armadura 3 — mantida por molas. Uma tensão de alimentação de corrente alternada é fornecida à bobina 2 através da resistência de carga Rn. A corrente no circuito de carga é definida como:

onde rd é a resistência ativa da bobina; L é a indutância do sensor.

Como a resistência ativa do circuito é constante, uma mudança na corrente I só pode ocorrer devido a uma mudança no componente indutivo XL = IRn, que depende do tamanho do entreferro δ.

A cada valor δ corresponde um determinado valor I, que gera uma queda de tensão na resistência Rn: Uout = IRn — é o sinal de saída do sensor. Você pode derivar a dependência analítica Uout = f (δ) desde que o intervalo seja pequeno o suficiente e os fluxos parasitas possam ser desprezados, e a magnetorresistência Rmw do ferro possa ser negligenciada em comparação com a magnetorresistência do entreferro Rmw.

Aqui está a expressão final:

Em dispositivos reais, a resistência ativa do circuito é muito menor que a indutiva, então a expressão se reduz à forma:

A dependência Uout = f (δ) é linear (na primeira aproximação). O recurso real é o seguinte:

O desvio da linearidade no início é explicado pela suposição aceita Rmzh << Rmv.

Em d pequeno, a magnetorresistência do ferro é compatível com a magnetorresistência do ar.

O desvio em d grande é explicado pelo fato de que em d grande RL torna-se compatível com o valor da resistência ativa - Rn + rd.

Em geral, o sensor indutivo considerado tem várias desvantagens significativas:

• a fase da corrente não muda quando a direção do movimento é alterada;

• se for necessário medir o deslocamento em ambas as direções, é necessário ajustar o entreferro inicial e, portanto, a corrente I0, o que é inconveniente;

• a corrente de carga depende da amplitude e frequência da tensão de alimentação;

• durante a operação do sensor, a força de atração do circuito magnético atua na armadura, que não é equilibrada por nada e, portanto, introduz um erro na operação do sensor.

Sensores indutivos diferenciais (reversíveis) (DID)

Os sensores indutivos diferenciais são uma combinação de dois sensores irreversíveis e são feitos na forma de um sistema composto por dois circuitos magnéticos com uma armadura comum e duas bobinas. Sensores indutivos diferenciais requerem duas fontes de alimentação separadas, para as quais geralmente é usado um transformador de isolamento 5.

A forma do circuito magnético pode ser sensores indutivos diferenciais com um circuito magnético em forma de W, recrutados por pontes de aço elétrico (para frequências acima de 1000Hz, ligas de ferro-níquel-permola são usadas) e cilíndrico com um circuito magnético circular denso . A escolha da forma do sensor depende de sua combinação construtiva com o dispositivo controlado. A utilização de um circuito magnético em forma de W se deve à comodidade de montar a bobina e reduzir o tamanho do sensor.

Para alimentar o sensor indutivo diferencial, é utilizado um transformador 5 com saída para o ponto médio do enrolamento secundário. Entre ele e a extremidade comum das duas bobinas está incluído o dispositivo 4. O entreferro é de 0,2-0,5 mm.

Na posição intermediária da armadura, quando os entreferros são iguais, as resistências indutivas das bobinas 3 e 3' são iguais, portanto os valores das correntes nas bobinas são iguais a I1 = I2 e o resultado corrente no dispositivo é 0.

Com um leve desvio da armadura em uma direção ou outra, sob a influência do valor controlado X, os valores das lacunas e indutâncias mudam, o dispositivo registra a corrente diferencial I1-I2, isso é uma função da armadura deslocamento da posição intermediária. A diferença de correntes geralmente é registrada usando um dispositivo magnetoelétrico 4 (microamperímetro) com um circuito retificador B na entrada.

As características do sensor indutivo são:

A polaridade da corrente de saída permanece inalterada independentemente do sinal da mudança na impedância das bobinas. Quando a direção do desvio da armadura da posição intermediária muda, a fase da corrente na saída do sensor muda ao contrário (em 180 °). Ao usar retificadores sensíveis à fase, uma indicação da direção de deslocamento da armadura pode ser obtida a partir da posição intermediária. As características de um sensor indutivo diferencial com filtro de frequência de fase são as seguintes:

Erro de conversão do sensor indutivo

A capacidade de informação de um sensor indutivo é amplamente determinada por seu erro ao converter o parâmetro medido. O erro total de um sensor indutivo consiste em um grande número de componentes de erro.

Os seguintes erros do sensor indutivo podem ser distinguidos:

1) Erro por não linearidade da característica. O componente multiplicativo do erro total.Devido ao princípio de conversão indutiva do valor medido, que é a base da operação de sensores indutivos, é essencial e na maioria dos casos determina a faixa de medição do sensor. Obrigatório sujeito a avaliação durante o desenvolvimento do sensor.

2) Erro de temperatura. Ingrediente aleatório.Devido ao grande número de parâmetros dependentes da temperatura dos componentes do sensor, o erro do componente pode atingir valores grandes e é significativo. A ser avaliado no projeto do sensor.

3) Erro devido à influência de campos eletromagnéticos externos. O componente aleatório do erro total. Ocorre devido à indução de EMF no enrolamento do sensor por campos externos e devido a uma mudança nas características magnéticas do circuito magnético sob a influência de campos externos. Em instalações industriais com instalações elétricas de potência, são detectados campos magnéticos com indução T e frequência principalmente de 50 Hz.

Como os núcleos magnéticos dos sensores indutivos trabalham com induções de 0,1 a 1 T, a participação dos campos externos será de 0,05-0,005%, mesmo na ausência de blindagem. A entrada na tela e o uso de um sensor diferencial reduzem essa proporção em cerca de duas ordens de grandeza. Assim, o erro devido à influência de campos externos só deve ser considerado ao projetar sensores com baixa sensibilidade e com impossibilidade de blindagem suficiente. Na maioria dos casos, esse componente de erro não é significativo.

4) Erro devido ao efeito magnetoelástico. Surge devido à instabilidade das deformações do circuito magnético durante a montagem do sensor (componente aditivo) e devido a mudanças nas deformações durante a operação do sensor (componente arbitrário). Cálculos levando em consideração a presença de lacunas no circuito magnético mostram que a influência da instabilidade das tensões mecânicas no circuito magnético causa instabilidade do sinal de saída do sensor de ordem e, na maioria dos casos, esse componente pode ser especificamente negligenciado.

5) Erro devido ao efeito do strain gauge da bobina.Ingrediente aleatório. Ao enrolar a bobina do sensor, uma tensão mecânica é criada no fio. Uma mudança nessas tensões mecânicas durante a operação do sensor resulta em uma mudança na resistência da bobina à corrente contínua e, portanto, uma mudança no sinal de saída do sensor. Normalmente para sensores devidamente projetados, ou seja, este componente não deve ser considerado especificamente.

6) Desvio do cabo de conexão. Ocorre devido à instabilidade da resistência elétrica do cabo sob a influência de temperatura ou deformações e devido à indução de EMF no cabo sob a influência de campos externos. É o componente aleatório do erro. Em caso de instabilidade da própria resistência do cabo, o erro do sinal de saída do sensor. O comprimento dos cabos de conexão é de 1-3 m e raramente mais. Quando o cabo é feito de fio de cobre de seção transversal, a resistência do cabo é inferior a 0,9 Ohm, instabilidade de resistência. Como a impedância do sensor é normalmente maior que 100 ohms, o erro na saída do sensor pode ser tão grande quanto Portanto, para sensores com baixa resistência de operação, o erro deve ser estimado. Em outros casos, não é significativo.

7) Erros de projeto.Eles surgem sob a influência dos seguintes motivos: a influência da força de medição nas deformações das peças do sensor (aditivo), a influência da diferença na força de medição na instabilidade das deformações (multiplicativo), a influência do guias da haste de medição durante a transmissão do pulso de medição (multiplicativo), a instabilidade da transferência do pulso de medição devido a lacunas e folga das partes móveis (aleatória). Erros de projeto são determinados principalmente por defeitos no projeto do elementos mecânicos do sensor e não são específicos para sensores indutivos. A avaliação destes erros é realizada de acordo com os métodos conhecidos para avaliação dos erros das transmissões cinemáticas dos dispositivos de medição.

8) Erros tecnológicos. Eles surgem como resultado de desvios tecnológicos na posição relativa das peças do sensor (aditivo), dispersão dos parâmetros de peças e bobinas durante a produção (aditivo), influência de lacunas tecnológicas e aperto nas conexões das peças e nas guias ( arbitrário).

Erros tecnológicos na fabricação dos elementos mecânicos da estrutura do sensor também não são específicos do sensor indutivo; eles são avaliados usando os métodos usuais para dispositivos de medição mecânica. Erros na fabricação do circuito magnético e das bobinas do sensor levam à dispersão dos parâmetros dos sensores e a dificuldades que surgem em garantir a intercambiabilidade destes últimos.

9) Erro de envelhecimento do sensor.Esta componente de erro é causada, em primeiro lugar, pelo desgaste dos elementos móveis da estrutura do sensor e, em segundo lugar, pela alteração ao longo do tempo das características eletromagnéticas do circuito magnético do sensor. O erro deve ser considerado acidental. Ao avaliar o erro devido ao desgaste, o cálculo cinemático do mecanismo do sensor em cada caso específico é levado em consideração. No estágio de projeto do sensor, neste caso, é recomendável definir a vida útil do sensor em condições normais de operação, durante as quais o erro de desgaste adicional não excederá o valor especificado.

As propriedades eletromagnéticas dos materiais mudam com o tempo.

Na maioria dos casos, os processos pronunciados de alteração das características eletromagnéticas terminam nas primeiras 200 horas após o tratamento térmico e desmagnetização do circuito magnético. No futuro, eles permanecem praticamente constantes e não desempenham um papel significativo no erro geral do sensor indutivo.

A consideração acima dos componentes do erro de um sensor indutivo permite avaliar seu papel na formação do erro total do sensor. Na maioria dos casos, o fator determinante é o erro da não linearidade da característica e o erro de temperatura do conversor indutivo.