5.2 Теоретические основы создания индуктивных измерительных преобразователей

Рис. 5.2 Устройство индуктивного пре­образователя:

1 - сердечник; 2 - обмотка

Для определения индуктивности катушки с проводом можно использовать следующие упрощенные соотношения:

, , (5.4), (5.5)

где N – число витков;

- полное сопротивление магнитной цепи;

- активное сопротивление магнитной цепи;

- реактивное сопротивление магнитной цепи (зависит от частоты);

- потери на токи Фуко;

- потери на гистерезис;

- потери на запаздывание при перемагничивании;

- длина участков магнитопровода;

- магнитная проницаемость участков магнитопровода;

S – площадь поперечного сечения магнитопровода.

С учётом того, что магнитных материалов в тысячи раз больше, чем для воздуха, активное сопротивление цепи магнитопровода () будет определяться в основном размерами воздушного зазора.

; ; (5.6)

; ; (5.7)

; ; (5.8)

. (5.9)

Рис. 5.3 Рабочая характеристика индуктивного преобразователя перемещений.

Как следует из приведенного графика, при малых размерах воздушного зазора в цепи магнитопровода может быть обеспечена достаточно высокая чувствительность измерения микроперемещений.

Рис. 5.4 Разновидности индуктивных преобразователей:

а - с изменяющейся площадью воздушного зазора; б – с разомкнутой магнитной цепью; в – с воздушным зазором и короткозамкнутым витком в зазоре; г – с изменяющимся профилем диска; д – для измерения угловых прермещений: 1- катушка; 2 – сердечник.

Для обеспечения линейности рабочей характеристики датчика перемещений широко используют соленоиды и дифференциально-трансформаторные первичные преобразователи.

Ниже приведена конструкция и описан принцип работы дифференциального измерительного преобразователя, выполненного в виде соленоида.

Рис. 5.5 Устройство и рабочая характеристика дифференциального индуктивного датчика.

,, , (5.10)

, (5.11)

, . (5.12)

Рабочая характеристика дифференциального преобразователя характеризуется высокой линейностью, большим диапазоном изменения измеряемого перемещения. Применение дифференциального метода измерения позволяет существенно снизить чувствительность преобразователя к изменению температуры окружающей среды.

5.3 Принцип работы вихретоковых измерительных устройств

Для бесконтактного измерения перемещений, толщины, состава и качества покрытия широко используют вихретоковые датчики.

Рис. 5.6 Схема прибора для измерения толщины гальванических покрытий:

1 – измеряемый объект.

Принцип их работы основан на том, что ток, проходящий через катушку, создаёт переменное магнитное поле, которое, достигая объекта исследования, наводит в нём вихревые токи, создающие в свою очередь вторичное магнитное поле, взаимодействующее с первичным магнитным полем. В результате этого изменяется сопротивление катушки индуктивности, ток в цепи, сдвиг фаз между током и напряжением.

Рис. 5.7 ЭЭСЗ вихретокового преобразователя.

, , (5.13)

, , (5.14)

где: - взаимная индуктивность контуров;

x – измеряемое расстояние до стенки или толщина покрытия.

Как следует из приведенных зависимостей, при изменении расстояния до объекта или его свойств, происходит изменение параметров в эквивалентной схеме замещения преобразователя: изменяется величина тока в измерительной цепи, активное и реактивное сопротивления; происходит дополнительный сдвиг фаз между током и напряжением в измерительной цепи.

Глубина проникновения магнитного поля в вещество () зависит от частоты тока и характеристик материала объекта исследования:

(5.15)

- удельное сопротивление материала;

- частота тока;

μ – магнитная проницаемость материала.

Например, для алюминия на частоте 50 кГц глубина проникновения электромагнитной волны в материал составляет 10 мм, а на частоте 500 кГц, соответственно - 0,1 мм.

Значение «вносимых» сопротивлений в измерительную цепь преобразователя зависит от толщины и свойств исследуемого материала. Поэтому устройства данного типа используют для контроля: линейных размеров тонких пластин; толщины покрытия; обнаружения дефектов в материале и т.п. Для этого создают разнообразные конструкции датчиков: экранные; накладные; щелевые.

К недостаткам первичных преобразователей данного типа следует отнести сильное влияние температуры.