16.8. Электромагнитные датчики

Назначение. Типы электромагнитных датчиков. Электромагнитные датчики предназначены для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров: электромагнитной цепи. Эти изменения могут заключаться, например, в увеличении или уменьшении магнитного сопротивления магнитной цепи датчика при перемещении сердечника. Если перемещается не сердечник, а обмотка, то происходит изменение потокосцепления обмотки. Таким образом, изменения в электромагнитной цепи датчика могут быть вызваны как перемещением элемента z магнитной цепи (сердечника или якоря), так и перемещением элемента электрической цепи (обмотки). В результате таких перемещений изменяется индуктивность обмотки или ее взаимоиндуктивность с обмоткой возбуждения. Поэтому в технической литературе электромагнитные датчики часто называют индуктивными.

Электромагнитные датчики обычно рассматривают как параметрические, поскольку величины и зависят от перемещения х: , Но электромагнитные датчики с изменяющейся взаимоиндуктивностью можно отнести и к генераторному типу, поскольку в результате изменяется и ЭДС обмотки, т. е. Так как ЭДС в выходной обмотке появляется за счет изменения коэффициента взаимоиндукции с обмоткой возбуждения, то такие электромагнитные датчики называют трансформаторными. Ведь обмотку возбуждения можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а выходную обмотку — как вторичную.

К генераторным относятся и индукционные датчики, в обмотках которых генерируется ЭДС в зависимости от скорости перемещения.

С помощью электромагнитных датчиков можно автоматически измерять механические силы, давление, температуру, свойства магнитных материалов, определять внутренние полости и трещины в деталях (дефектоскопия), толщину немагнитных покрытий на стали, расход жидкостей и газов в трубопроводах и др.

Электромагнитные датчики имеют следующие достоинства: простота и дешевизна конструкции, механическая прочность, высокая надежность за счет возможности съема выходного сигнала без скользящих контактов, возможность питания от промышленно сети частотой 50 Гц, возможность получения достаточно высокой мощности выходного сигнала, возможность работы как в диапазоне малых (доли мм), так и больших (метры) перемещений.

К недостаткам электромагнитных датчиков следует отнести влияние на выходной сигнал внешних электромагнитных полей и частоты питающего напряжения, а также возможность работы только на переменном токе (питание постоянным током возможно лишь для индукционных датчиков).

Изменение индуктивности и взаимоиндуктивности может происходить и под влиянием механических напряжений в сердечнике электромагнитного датчика. Такие напряжения приводят к изменению магнитной проницаемости ферромагнитного материала сердечника. Электромагнитные датчики, основанные на таком физическом явлении, называются магнитоупругими датчиками.

Электромагнитные датчики (индуктивные, трансформаторные, индукционные, магнитоупругие) получили широкое распространение в системах автоматики.

Принцип действия и основы расчета индуктивных датчиков.

Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором в магнитопроводе. На рис. 16.22 показаны две наиболее распространенные конструктивные схемы индуктивных датчиков на одном сердечнике. Это одинарные индуктивные датчики. На сердечнике 7 из электротехнической стали размещена обмотка 2, подключаемая к источнику переменного напряжения. Магнитный поток в сердечнике замыкается через якорь 3, который может перемещаться относительно сердечника 1. Якорь 3 механически связан с деталью, перемещение которой необходимо измерить. Эта деталь на рисунке не показана, но перемещение х ее может происходить в вертикальном (рис. 16.22, а) или в горизонтальном направлении (рис. 16.22, б). Перемещение якоря изменяет магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника, якоря и воздушного зазора 5. Следовательно, изменится индуктивность обмотки 2. Поскольку эта обмотка включена на переменное напряжение, ток в обмотке 2 будет определяться ее полным сопротивлением, в которое входит и индуктивное сопротивление. С увеличением воздушного зазора магнитное сопротивление увеличивается, а индуктивность, индуктивное и полное сопротивления

Рис. 16.22. Простые индуктивные датчики

Рис. 16.23. Характеристики индуктивного датчика

уменьшаются (рис. 16.23, а). Следовательно, ток в обмотке увеличивается (рис. 16.23, б). Полагая ток в обмотке за выходной сигнал датчика, а перемещение х — за входной сигнал, имеем выходную статическую характеристику в виде графика

Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от перемещения. Анализ проведем применительно к конструктивной схеме, показанной на рис. 16.22, а. В этом случае приращение перемещения х всегда равно приращению зазора поэтому нам необходимо получить математическую зависимость тока от зазора 5:

Пусть обмотка датчика включена на напряжение питания; где — действующее значение напряжения, — угловая частота, рад/с. По закону Ома, действующее значение тока в обмотке

(16.31)

где — полное сопротивление обмотки датчика, Ом, состоящее из активного и индуктивного сопротивлений: Индуктивное сопротивление пропорционально индуктивности и частоте питания (Напомним, что ) После подстановки имеем

(16.32)

Индуктивность обмотки датчика с числом витков w

(16.33)

где Ф — магнитный поток сердечника, Вб. Принимаем, что весь магнитный поток проходит через воздушный зазор, т. е. потоки рас­сеяния отсутствуют. Тогда

(16.34)

Здесь — магнитное сопротивление магнитопровода датчика, Гн^-1. Это сопротивление слагается из сопротивления стали сердечника и якоря и сопротивления воздушного зазора

(16.35)

Сопротивление воздушного зазора пропорционально удвоенной длине воздушного зазора поскольку магнитный поток проходит через воздушный зазор дважды:

(16.36)

где — поперечное сечение воздушной части магнитопровода, равное активной площади поперечного сечения сердечника в зоне воздушного зазора, м²; - магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная).

После подстановки (16.35) и (16.36) в (16.34) получим выражение для магнитного потока:

(16.37)

Выражение для индуктивности получаем подстановкой (16.37) в (16.33):

(16.38)

Индуктивное сопротивление обмотки

(16.39)

Полное сопротивление обмотки

(16.40)

Анализ формулы (16.40) показывает, что с увеличением воздушного зазора (а следовательно, и перемещения) полное сопротивление уменьшается, стремясь в пределе к величине активного сопротивления обмотки Зависимость полного сопротивления z от величины зазора показана на рис. 16.23, а. Ток в обмотке датчика

(16.41)

Если входным сигналом датчика считать перемещение якоря х от начального положения при в сторону увеличения зазора (по рис. 16.22, а), то формула после замены на представляет собой статическую характеристику одинарного индуктивного датчика, т. е. График статической характеристики показан на рис. 16.23, б. Как видно из анализа формулы (16.41) и графика, зависимость имеет нелинейный характер. Однако на графике можно выделить участок АБ, на котором соблюдается прямая пропорциональность между входным и выходным сигналами. Этот участок называется рабочим, датчик используется именно в диапазоне входных сигналов от . до Следовательно, датчик всегда имеет некоторый воздушный зазор, не меньший В большинстве конструкций индуктивных датчиков магнитопровод ненасыщен и магнитная проницаемость материала сердечника весьма велика. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора (уже при значительно больше магнитного сопротивления стального сердечника, т. е. Пренебрегая величиной в формуле (16.29), получаем упрощенное выражение для индуктивного сопротивления (с учетом

(16.42)

В этом же диапазоне изменения воздушного зазора от активное сопротивление R значительно меньше индуктивного сопротивления

Пренебрегая в (16.32) величиной с учетом (16.42) получаем приближенное выражение статической характеристики индуктивного датчика

(16.43)

где К — коэффициент передачи, определяемый напряжением и частотой питания, конструктивными размерами сердечника и числом витков обмотки датчика:

Таким образом, в некотором диапазоне изменения входного сигнала статическая характеристика индуктивного датчика является линейной с постоянным коэффициентом передачи.

График такой статической характеристики имеет вид прямой линии (штриховая линия 1 на рис. 16.23, б). Это идеальная характеристика датчика. Реальная характеристика (сплошная линия 2 на рис. 16.23, б) совпадает с идеальной на рабочем участке АБ. Проанализируем причины отклонения реальной характеристики от идеальной.

В зоне воздушный зазор очень мал и его магнитное сопротивление становится соизмеримым с магнитным сопротивлением стальных сердечника и якоря. Реальная характеристика начинается не от нуля, поскольку даже при индуктивное сопротивление не может быть равно бесконечности. Следовательно, некоторый ток будет протекать по обмотке, выполненной даже на замкнутом магнитопроводе. Для уменьшения значения начального тока I₀ используют для сердечника и якоря индуктивного датчика материалы с высоким значением магнитной проницаемости.

В зоне индуктивное сопротивление обмотки уже настолько уменьшается, что становится соизмеримым с активным сопротивлением обмотки, которое и ограничивает нарастание тока. Следует также отметить, что при больших зазорах часть магнитного потока уже не замыкается через якорь, а замыкается непосредственно по воздуху.

На практике диапазон изменения воздушного зазора для индуктивных датчиков по рис. 16.22, а не превышает 4—5 мм. Значительно больший диапазон изменения входного сигнала (перемещения) имеют индуктивные датчики по рис. 16.22, б. Такие

датчики имеют близкую к линейной статическую характеристику при перемещениях якоря до 10—15 мм.