Induktive Sensoren

Ein induktiver Sensor ist ein parametrischer Wandler, dessen Funktionsprinzip auf Änderung basiert Induktivität L oder die Gegeninduktivität der Wicklung mit dem Kern aufgrund einer Änderung des magnetischen Widerstands RM des Magnetkreises des Sensors, in den der Kern eintritt.

Induktive Sensoren werden in der Industrie häufig zur Messung von Verschiebungen eingesetzt und decken den Bereich von 1 μm bis 20 mm ab. Es ist auch möglich, einen induktiven Sensor zur Messung von Drücken, Kräften, Gas- und Flüssigkeitsdurchflüssen usw. zu verwenden. Dabei wird der Messwert über verschiedene empfindliche Elemente in eine Wegänderung umgewandelt und dieser Wert anschließend einem induktiven Messumformer zugeführt.

Bei der Druckmessung können die empfindlichen Elemente in Form von elastischen Membranen, Hülsen usw. ausgeführt sein. Sie werden auch als Näherungssensoren eingesetzt, mit denen verschiedene metallische und nichtmetallische Objekte nach dem Ja- oder Nein-Prinzip berührungslos erfasst werden.

Vorteile induktiver Sensoren:

• Einfachheit und Festigkeit der Konstruktion, ohne Schleifkontakte;

• Fähigkeit zum Anschluss an Netzfrequenzquellen;

• relativ hohe Ausgangsleistung (bis zu mehreren zehn Watt);

• erhebliche Empfindlichkeit.

Nachteile induktiver Sensoren:

• die Betriebsgenauigkeit hängt von der Stabilität der Versorgungsspannung je nach Frequenz ab;

• Der Betrieb ist nur mit Wechselstrom möglich.

Arten von induktiven Wandlern und ihre Konstruktionsmerkmale

Nach dem Konstruktionsschema können induktive Sensoren in Einzel- und Differentialsensoren unterteilt werden. Ein induktiver Sensor enthält einen Messzweig, einen Differenzial-Zweig.

Wenn sich bei einem differentiellen induktiven Sensor der gemessene Parameter ändert, ändert sich gleichzeitig die Induktivität zweier identischer Spulen, und die Änderung erfolgt um denselben Wert, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen.

Wie es bekannt ist, Induktivität der Spule:

wobei W die Anzahl der Windungen ist; F – magnetischer Fluss, der es durchdringt; I – der Strom, der durch die Spule fließt.

Strom steht im Verhältnis zu MDS im Verhältnis:

Wo wir bekommen:

wobei Rm = HL / Ф der magnetische Widerstand des induktiven Sensors ist.

Betrachten Sie zum Beispiel einen einzelnen induktiven Sensor. Ihre Funktionsweise basiert auf der Eigenschaft einer Luftspaltdrossel, ihre Induktivität zu ändern, wenn sich der Luftspaltwert ändert.

Der induktive Sensor besteht aus einem Joch 1, einer Spule 2 und einem Anker 3 – gehalten durch Federn. Über den Lastwiderstand Rn wird der Spule 2 eine Wechselstromversorgungsspannung zugeführt. Der Strom im Lastkreis ist definiert als:

wobei rd der aktive Widerstand der Drossel ist; L ist die Induktivität des Sensors.

Da der Wirkwiderstand des Stromkreises konstant ist, kann eine Änderung des Stroms I nur durch eine Änderung des induktiven Anteils XL = IRn erfolgen, der von der Größe des Luftspalts δ abhängt.

Jedem Wert δ entspricht ein bestimmter Wert I, der einen Spannungsabfall am Widerstand Rn erzeugt: Uout = IRn — ist das Ausgangssignal des Sensors. Sie können die analytische Abhängigkeit Uout = f (δ) ableiten, vorausgesetzt, der Spalt ist klein genug und die Streuflüsse können vernachlässigt werden, und der Eisenmagnetowiderstand Rmw kann im Vergleich zum Luftspaltmagnetowiderstand Rmw vernachlässigt werden.

Hier ist der letzte Ausdruck:

In realen Geräten ist der aktive Widerstand des Stromkreises viel geringer als der induktive, dann reduziert sich der Ausdruck auf die Form:

Die Abhängigkeit Uout = f(δ) ist linear (in erster Näherung). Die eigentliche Funktion ist wie folgt:

Die anfängliche Abweichung von der Linearität wird durch die akzeptierte Annahme Rmzh << Rmv erklärt.

Bei kleinem d entspricht der Magnetowiderstand von Eisen dem Magnetowiderstand von Luft.

Die Abweichung bei großem d erklärt sich aus der Tatsache, dass bei großem d RL dem Wert des aktiven Widerstands entspricht – Rn + rd.

Generell weist der betrachtete induktive Sensor eine Reihe wesentlicher Nachteile auf:

• die Phase des Stroms ändert sich nicht, wenn die Bewegungsrichtung geändert wird;

• Wenn die Verschiebung in beide Richtungen gemessen werden muss, muss der anfängliche Luftspalt und damit der Strom I0 eingestellt werden, was unpraktisch ist.

• der Laststrom hängt von der Amplitude und Frequenz der Versorgungsspannung ab;

• Während des Betriebs des Sensors wirkt die Anziehungskraft des Magnetkreises auf den Anker, der durch nichts ausgeglichen wird und daher einen Fehler in den Betrieb des Sensors einführt.

Differenzielle (reversible) induktive Sensoren (DID)

Differentialinduktive Sensoren sind eine Kombination aus zwei irreversiblen Sensoren und werden in Form eines Systems bestehend aus zwei Magnetkreisen mit einem gemeinsamen Anker und zwei Spulen hergestellt. Differenzinduktive Sensoren benötigen zwei getrennte Spannungsversorgungen, wofür üblicherweise ein Trenntransformator 5 verwendet wird.

Die Form des Magnetkreises kann differenziell-induktive Sensoren mit einem W-förmigen Magnetkreis sein, der aus Brücken aus Elektrostahl besteht (für Frequenzen über 1000 Hz werden Eisen-Nickel-Permola-Legierungen verwendet) und zylindrisch mit einem dichten kreisförmigen Magnetkreis . Die Wahl der Form des Sensors hängt von seiner konstruktiven Kombination mit dem gesteuerten Gerät ab. Die Verwendung eines W-förmigen Magnetkreises ist auf die einfache Montage der Spule und die Reduzierung der Sensorgröße zurückzuführen.

Zur Stromversorgung des differenzinduktiven Sensors wird ein Transformator 5 mit einem Ausgang für den Mittelpunkt der Sekundärwicklung verwendet. Zwischen ihm und dem gemeinsamen Ende der beiden Spulen befindet sich das Gerät 4. Der Luftspalt beträgt 0,2-0,5 mm.

In der Mittelstellung des Ankers sind bei gleichen Luftspalten die induktiven Widerstände der Spulen 3 und 3' gleich, daher sind die Werte der Ströme in den Spulen gleich I1 = I2 und die daraus resultierenden Der Strom im Gerät ist 0.

Bei einer leichten Abweichung des Ankers in die eine oder andere Richtung ändern sich unter dem Einfluss des Regelwertes X die Werte der Lücken und Induktivitäten, das Gerät registriert den Differenzstrom I1-I2, dies ist eine Funktion des Ankers Verschiebung aus der Mittelstellung. Die Stromdifferenz wird üblicherweise mit einem magnetoelektrischen Gerät 4 (Mikroamperemeter) mit einer Gleichrichterschaltung B am Eingang erfasst.

Die Eigenschaften des induktiven Sensors sind:

Die Polarität des Ausgangsstroms bleibt unabhängig vom Vorzeichen der Impedanzänderung der Spulen unverändert. Wenn sich die Richtung der Abweichung des Ankers von der Mittelposition ändert, ändert sich die Phase des Stroms am Ausgang des Sensors umgekehrt (um 180 °). Bei Verwendung von phasenempfindlichen Gleichrichtern kann aus der Mittelstellung eine Aussage über die Laufrichtung des Ankers getroffen werden. Die Eigenschaften eines differenziellen induktiven Sensors mit Phasenfrequenzfilter sind wie folgt:

Fehler bei der Konvertierung des induktiven Sensors

Die Informationskapazität eines induktiven Sensors wird maßgeblich durch seinen Fehler bei der Umrechnung der Messgröße bestimmt. Der Gesamtfehler eines induktiven Sensors besteht aus einer Vielzahl von Fehlerkomponenten.

Folgende induktive Sensorfehler können unterschieden werden:

1) Fehler aufgrund der Nichtlinearität der Kennlinie. Der multiplikative Anteil des Gesamtfehlers. Aufgrund des Prinzips der induktiven Umwandlung des Messwerts, das der Funktionsweise induktiver Sensoren zugrunde liegt, ist er wesentlich und bestimmt in den meisten Fällen den Messbereich des Sensors. Obligatorisch vorbehaltlich der Evaluierung während der Sensorentwicklung.

2) Temperaturfehler. Zufällige Zutat.Aufgrund der Vielzahl temperaturabhängiger Parameter der Sensorkomponenten kann der Fehler der Komponente große Werte erreichen und ist erheblich. Im Sensordesign zu bewerten.

3) Fehler aufgrund des Einflusses externer elektromagnetischer Felder. Die zufällige Komponente des Gesamtfehlers. Sie entsteht durch die Induktion von EMF in der Sensorwicklung durch äußere Felder und durch eine Änderung der magnetischen Eigenschaften des Magnetkreises unter dem Einfluss äußerer Felder. In Industrieräumen mit Starkstromanlagen werden Magnetfelder mit einer Induktion T und einer Frequenz von überwiegend 50 Hz festgestellt.

Da die Magnetkerne induktiver Sensoren bei Induktionen von 0,1 – 1 T arbeiten, beträgt der Anteil externer Felder auch ohne Abschirmung 0,05 – 0,005 %. Die Bildschirmeingabe und der Einsatz eines Differenzsensors reduzieren diesen Anteil um etwa zwei Größenordnungen. Daher sollte der Fehler aufgrund des Einflusses externer Felder nur dann berücksichtigt werden, wenn Sensoren mit geringer Empfindlichkeit und der Unmöglichkeit einer ausreichenden Abschirmung entworfen werden. In den meisten Fällen ist diese Fehlerkomponente nicht signifikant.

4) Fehler aufgrund des magnetoelastischen Effekts. Sie entsteht aufgrund der Instabilität der Verformungen des Magnetkreises während der Sensormontage (additive Komponente) und aufgrund von Verformungsänderungen während des Sensorbetriebs (willkürliche Komponente). Berechnungen unter Berücksichtigung von Lücken im Magnetkreis zeigen, dass der Einfluss der Instabilität mechanischer Spannungen im Magnetkreis zu einer Instabilität des Ausgangssignals des Ordnungssensors führt und diese Komponente in den meisten Fällen gezielt vernachlässigt werden kann.

5) Fehler aufgrund des Dehnungsmesseffekts der Spule.Zufällige Zutat. Beim Aufwickeln der Sensorspule entsteht eine mechanische Spannung im Draht. Eine Änderung dieser mechanischen Spannungen während des Sensorbetriebs führt zu einer Änderung des Widerstands der Spule gegenüber Gleichstrom und damit zu einer Änderung des Ausgangssignals des Sensors. Normalerweise sollte diese Komponente bei ordnungsgemäß ausgelegten Sensoren nicht speziell berücksichtigt werden.

6) Abweichung vom Anschlusskabel. Sie entsteht aufgrund der Instabilität des elektrischen Widerstands des Kabels unter dem Einfluss von Temperatur oder Verformungen und aufgrund der Induktion von EMF im Kabel unter dem Einfluss externer Felder. Ist die Zufallskomponente des Fehlers. Bei Instabilität des Eigenwiderstands des Kabels kann es zu einem Fehler im Ausgangssignal des Sensors kommen. Die Länge der Verbindungskabel beträgt 1-3 m und selten mehr. Wenn das Kabel aus Kupferdraht mit Querschnitt besteht, beträgt der Widerstand des Kabels weniger als 0,9 Ohm, was zu Widerstandsinstabilität führt. Da die Sensorimpedanz typischerweise größer als 100 Ohm ist, kann der Fehler im Sensorausgang bis zu 100 Ohm betragen Daher muss bei Sensoren mit geringem Betriebswiderstand der Fehler abgeschätzt werden. In anderen Fällen ist es nicht signifikant.

7) Designfehler.Sie entstehen unter dem Einfluss folgender Gründe: Einfluss der Messkraft auf die Verformungen der Sensorteile (additiv), Einfluss der Differenz der Messkraft auf die Instabilität der Verformungen (multiplikativ), Einfluss der Führungen des Messstabes während der Übertragung des Messimpulses (multiplikativ), die Instabilität der Übertragung des Messimpulses aufgrund von Lücken und Spiel der beweglichen Teile (zufällig). Konstruktionsfehler werden hauptsächlich durch Fehler in der Konstruktion des gemessen mechanische Elemente des Sensors und sind nicht spezifisch für induktive Sensoren. Die Auswertung dieser Fehler erfolgt nach den bekannten Methoden zur Fehlerauswertung der kinematischen Getriebe der Messgeräte.

8) Technologische Fehler. Sie entstehen durch technologische Abweichungen in der relativen Position von Sensorteilen (additiv), die Streuung der Parameter von Teilen und Spulen während der Produktion (additiv), den Einfluss technologischer Lücken und Dichtheit in den Verbindungen von Teilen und in Führungen ( willkürlich).

Auch technologische Fehler bei der Herstellung der mechanischen Elemente der Sensorstruktur sind nicht spezifisch für den induktiven Sensor; Die Auswertung erfolgt mit den für mechanische Messgeräte üblichen Methoden. Fehler bei der Herstellung des Magnetkreises und der Sensorspulen führen zu einer Streuung der Parameter der Sensoren und zu Schwierigkeiten bei der Gewährleistung der Austauschbarkeit der letzteren.

9) Alterungsfehler des Sensors.Diese Fehlerkomponente wird zum einen durch den Verschleiß der beweglichen Elemente der Sensorstruktur und zum anderen durch die zeitliche Änderung der elektromagnetischen Eigenschaften des Magnetkreises des Sensors verursacht. Der Fehler sollte als zufällig angesehen werden. Bei der Beurteilung des verschleißbedingten Fehlers wird die kinematische Berechnung der Sensorik im Einzelfall berücksichtigt. In diesem Fall wird empfohlen, in der Sensorkonstruktionsphase die Lebensdauer des Sensors unter normalen Betriebsbedingungen festzulegen, bei denen der zusätzliche Verschleißfehler den angegebenen Wert nicht überschreitet.

Die elektromagnetischen Eigenschaften von Materialien verändern sich im Laufe der Zeit.

In den meisten Fällen enden die ausgeprägten Prozesse der Veränderung der elektromagnetischen Eigenschaften innerhalb der ersten 200 Stunden nach der Wärmebehandlung und Entmagnetisierung des Magnetkreises. Sie bleiben in Zukunft praktisch konstant und spielen für den Gesamtfehler des induktiven Sensors keine wesentliche Rolle.

Die obige Betrachtung der Komponenten des Fehlers eines induktiven Sensors ermöglicht es, deren Rolle bei der Bildung des Gesamtfehlers des Sensors abzuschätzen. Ausschlaggebend ist in den meisten Fällen der Fehler aus der Nichtlinearität der Kennlinie und der Temperaturfehler des induktiven Wandlers.