Sensores inductivos

Un sensor inductivo es un transductor de tipo paramétrico cuyo principio de funcionamiento se basa en el cambio inductancia L o la inductancia mutua del devanado con el núcleo, debido a un cambio en la resistencia magnética RM del circuito magnético del sensor en el que ingresa el núcleo.

Los sensores inductivos se utilizan ampliamente en la industria para medir desplazamientos y cubren el rango de 1 μm a 20 mm. También es posible utilizar un sensor inductivo para medir presiones, fuerzas, caudales de gases y líquidos, etc. En este caso, el valor medido se convierte utilizando varios elementos sensibles en un cambio de desplazamiento y luego este valor se alimenta a un transductor de medición inductivo.

En el caso de la medida de presión, los elementos sensibles se pueden realizar en forma de membranas elásticas, manguito, etc. También se utilizan como sensores de proximidad, que se utilizan para detectar varios objetos metálicos y no metálicos sin contacto según el principio de sí o no.

Ventajas de los sensores inductivos:

• sencillez y solidez de la construcción, sin contactos deslizantes;

• capacidad de conectarse a fuentes de frecuencia de potencia;

• potencia de salida relativamente alta (hasta decenas de vatios);

• sensibilidad significativa.

Desventajas de los sensores inductivos:

• la precisión de la operación depende de la estabilidad de la tensión de alimentación por frecuencia;

• el funcionamiento sólo es posible con corriente alterna.

Tipos de convertidores inductivos y sus características de diseño.

Según el esquema de construcción, los sensores inductivos se pueden dividir en simples y diferenciales. Un sensor inductivo contiene una rama de medición, una diferencial uno - dos.

En un sensor inductivo diferencial, cuando cambia el parámetro medido, la inductancia de dos bobinas idénticas cambia simultáneamente y el cambio ocurre por el mismo valor pero con el signo opuesto.

Como se sabe, inductancia de la bobina:

donde W es el número de vueltas; F — flujo magnético que lo atraviesa; I — la corriente que pasa por la bobina.

La corriente está relacionada con el MDS por la relación:

Donde obtenemos:

donde Rm = HL / Ф es la resistencia magnética del sensor inductivo.

Considere, por ejemplo, un solo sensor inductivo. Su funcionamiento se basa en la propiedad de un estrangulador de entrehierro de cambiar su inductancia a medida que cambia el valor del entrehierro.

El sensor inductivo consiste en un yugo 1, una bobina 2, una armadura 3, sostenida por resortes. Se suministra una tensión de alimentación de corriente alterna a la bobina 2 a través de la resistencia de carga Rn. La corriente en el circuito de carga se define como:

donde rd es la resistencia activa del estrangulador; L es la inductancia del sensor.

Debido a que la resistencia activa del circuito es constante, solo puede ocurrir un cambio en la corriente I debido a un cambio en el componente inductivo XL = IRn, que depende del tamaño del entrehierro δ.

A cada valor δ le corresponde un determinado valor I, que crea una caída de tensión en la resistencia Rn: Uout = IRn — es la señal de salida del sensor. Puede derivar la dependencia analítica Uout = f (δ) siempre que el espacio sea lo suficientemente pequeño y los flujos perdidos se puedan despreciar, y la magnetorresistencia del hierro Rmw se pueda despreciar en comparación con la magnetorresistencia del entrehierro Rmw.

Aquí está la expresión final:

En dispositivos reales, la resistencia activa del circuito es mucho menor que la inductiva, entonces la expresión se reduce a la forma:

La dependencia Uout = f (δ) es lineal (en primera aproximación). La característica real es la siguiente:

La desviación de la linealidad al principio se explica por la suposición aceptada Rmzh << Rmv.

En d pequeña, la magnetorresistencia del hierro es proporcional a la magnetorresistencia del aire.

La desviación a gran d se explica por el hecho de que a gran d RL se vuelve proporcional al valor de la resistencia activa — Rn + rd.

En general, el sensor inductivo considerado tiene una serie de desventajas significativas:

• la fase de la corriente no cambia cuando se cambia la dirección del movimiento;

• si es necesario medir el desplazamiento en ambas direcciones, es necesario establecer el entrehierro inicial y por lo tanto la corriente I0, lo cual es un inconveniente;

• la corriente de carga depende de la amplitud y frecuencia de la tensión de alimentación;

• durante el funcionamiento del sensor, la fuerza de atracción del circuito magnético actúa sobre el inducido, que no está equilibrado por nada y por lo tanto introduce un error en el funcionamiento del sensor.

Sensores inductivos diferenciales (reversibles) (DID)

Los sensores inductivos diferenciales son una combinación de dos sensores irreversibles y se fabrican en forma de un sistema que consta de dos circuitos magnéticos con una armadura común y dos bobinas. Los sensores inductivos diferenciales requieren dos fuentes de alimentación separadas, para las que normalmente se utiliza un transformador de aislamiento 5.

La forma del circuito magnético puede ser sensores inductivos diferenciales con circuito magnético en forma de W, reclutados por puentes de acero eléctrico (para frecuencias superiores a 1000 Hz se utilizan aleaciones de hierro-níquel-permola), y cilíndricos con circuito magnético circular denso . La elección de la forma del sensor depende de su combinación constructiva con el dispositivo controlado. El uso de un circuito magnético en forma de W se debe a la conveniencia de ensamblar la bobina y reducir el tamaño del sensor.

Para alimentar el sensor inductivo diferencial se utiliza un transformador 5 con salida para el punto medio del devanado secundario. Entre éste y el extremo común de las dos bobinas se incluye el dispositivo 4. El entrehierro es de 0,2-0,5 mm.

En la posición media de la armadura, cuando los entrehierros son iguales, las resistencias inductivas de las bobinas 3 y 3' son las mismas, por lo tanto, los valores de las corrientes en las bobinas son iguales a I1 = I2 y el resultante corriente en el dispositivo es 0.

Con una ligera desviación de la armadura en una dirección u otra, bajo la influencia del valor controlado X, los valores de los espacios y las inductancias cambian, el dispositivo registra la corriente diferencial I1-I2, esta es una función de la armadura desplazamiento de la posición media. La diferencia de corrientes generalmente se registra utilizando un dispositivo magnetoeléctrico 4 (microamperímetro) con un circuito rectificador B en la entrada.

Las características del sensor inductivo son:

La polaridad de la corriente de salida permanece sin cambios independientemente del signo del cambio en la impedancia de las bobinas. Cuando cambia la dirección de desviación de la armadura desde la posición media, la fase de la corriente en la salida del sensor cambia en sentido inverso (en 180 °). Cuando se utilizan rectificadores sensibles a la fase, se puede obtener una indicación de la dirección de desplazamiento del inducido desde la posición intermedia. Las características de un sensor inductivo diferencial con filtro de fase-frecuencia son las siguientes:

Error de conversión del sensor inductivo

La capacidad de información de un sensor inductivo está determinada en gran medida por su error al convertir el parámetro medido. El error total de un sensor inductivo consta de una gran cantidad de componentes de error.

Se pueden distinguir los siguientes errores del sensor inductivo:

1) Error debido a la no linealidad de la característica. El componente multiplicativo del error total.Debido al principio de conversión inductiva del valor medido, que es la base del funcionamiento de los sensores inductivos, es esencial y en la mayoría de los casos determina el rango de medición del sensor. Obligatorio sujeto a evaluación durante el desarrollo del sensor.

2) Error de temperatura. Ingrediente al azar.Debido a la gran cantidad de parámetros dependientes de la temperatura de los componentes del sensor, el error del componente puede alcanzar valores elevados y es significativo. A evaluar en el diseño de sensores.

3) Error debido a la influencia de campos electromagnéticos externos. El componente aleatorio del error total. Ocurre debido a la inducción de EMF en el devanado del sensor por campos externos y debido a un cambio en las características magnéticas del circuito magnético bajo la influencia de campos externos. En naves industriales con instalaciones eléctricas de potencia se detectan campos magnéticos con inducción T y frecuencia mayoritariamente 50 Hz.

Dado que los núcleos magnéticos de los sensores inductivos funcionan con inducciones de 0,1 — 1 T, la proporción de campos externos será del 0,05 al 0,005 % incluso en ausencia de blindaje. La entrada de pantalla y el uso de un sensor diferencial reducen esta proporción en aproximadamente dos órdenes de magnitud. Por lo tanto, el error debido a la influencia de campos externos solo debe considerarse cuando se diseñan sensores con baja sensibilidad y con la imposibilidad de un blindaje suficiente. En la mayoría de los casos, este componente de error no es significativo.

4) Error debido al efecto magnetoelástico. Surge debido a la inestabilidad de las deformaciones del circuito magnético durante el montaje del sensor (componente aditivo) y debido a cambios en las deformaciones durante el funcionamiento del sensor (componente arbitrario). Los cálculos que tienen en cuenta la presencia de espacios en el circuito magnético muestran que la influencia de la inestabilidad de las tensiones mecánicas en el circuito magnético provoca la inestabilidad de la señal de salida del sensor de pedido y, en la mayoría de los casos, este componente puede despreciarse específicamente.

5) Error debido al efecto de la galga extensiométrica de la bobina.Ingrediente al azar. Al enrollar la bobina del sensor, se crea una tensión mecánica en el cable. Un cambio en estas tensiones mecánicas durante el funcionamiento del sensor da como resultado un cambio en la resistencia de la bobina a la corriente continua y, por lo tanto, un cambio en la señal de salida del sensor. Por lo general, para sensores diseñados correctamente, es decir, este componente no debe considerarse específicamente.

6) Desviación del cable de conexión. Ocurre debido a la inestabilidad de la resistencia eléctrica del cable bajo la influencia de la temperatura o deformaciones y debido a la inducción de EMF en el cable bajo la influencia de campos externos. Es el componente aleatorio del error. En caso de inestabilidad de la propia resistencia del cable, el error de la señal de salida del sensor. La longitud de los cables de conexión es de 1-3 my raramente más. Cuando el cable está hecho de alambre de cobre de sección transversal, la resistencia del cable es inferior a 0,9 ohmios, inestabilidad de la resistencia. Dado que la impedancia del sensor suele ser superior a 100 ohmios, el error en la salida del sensor puede ser tan grande como Por lo tanto, para sensores con baja resistencia de operación, se debe estimar el error. En otros casos, no es significativo.

7) Errores de diseño.Surgen bajo la influencia de las siguientes razones: la influencia de la fuerza de medición en las deformaciones de las partes del sensor (aditivo), la influencia de la diferencia en la fuerza de medición en la inestabilidad de las deformaciones (multiplicativo), la influencia de la guías de la varilla de medición durante la transmisión del pulso de medición (multiplicativo), la inestabilidad de la transferencia del pulso de medición debido a espacios y juego de las partes móviles (aleatorio) Los errores de diseño están determinados principalmente por defectos en el diseño del elementos mecánicos del sensor y no son específicos de los sensores inductivos. La evaluación de estos errores se lleva a cabo según los métodos conocidos para evaluar los errores de las transmisiones cinemáticas de los dispositivos de medición.

8) Errores tecnológicos. Surgen como resultado de las desviaciones tecnológicas en la posición relativa de las piezas del sensor (aditivo), la dispersión de los parámetros de las piezas y bobinas durante la producción (aditivo), la influencia de las lagunas tecnológicas y la estanqueidad en las conexiones de las piezas y en las guías ( arbitrario).

Los errores tecnológicos en la fabricación de los elementos mecánicos de la estructura del sensor tampoco son específicos del sensor inductivo; se evalúan utilizando los métodos habituales para dispositivos de medición mecánicos. Los errores en la fabricación del circuito magnético y de las bobinas de los sensores conducen a la dispersión de los parámetros de los sensores ya las dificultades que surgen para asegurar la intercambiabilidad de estos últimos.

9) Error de envejecimiento del sensor.Este componente de error está causado, en primer lugar, por el desgaste de los elementos móviles de la estructura del sensor y, en segundo lugar, por el cambio en el tiempo de las características electromagnéticas del circuito magnético del sensor. El error debe considerarse accidental. A la hora de evaluar el error por desgaste se tiene en cuenta el cálculo cinemático del mecanismo sensor en cada caso concreto. En la etapa de diseño del sensor, en este caso, se recomienda establecer la vida útil del sensor en condiciones normales de funcionamiento, durante las cuales el error de desgaste adicional no excederá el valor especificado.

Las propiedades electromagnéticas de los materiales cambian con el tiempo.

En la mayoría de los casos, los procesos pronunciados de cambio de las características electromagnéticas finalizan dentro de las primeras 200 horas después del tratamiento térmico y la desmagnetización del circuito magnético. En el futuro, permanecen prácticamente constantes y no juegan un papel significativo en el error global del sensor inductivo.

La consideración anterior de los componentes del error de un sensor inductivo permite evaluar su papel en la formación del error total del sensor. En la mayoría de los casos, el factor determinante es el error de la no linealidad de la característica y el error de temperatura del convertidor inductivo.