ка. Согласно эффекту Видемана в проводе возникает крутильная деформация, значение которой определяется векторной суммой магнитного поля импульса тока и поля постоянных магнитов. В центре поплавка крутильная деформация меняет свой знак, что вызывает возникновение упругой ультразвуковой волны, распространяющейся по волноводу. Время достижения этой волной пьезоэлектрического чувствительного элемента, расположенного в корпусе датчика, фиксируется системой контроля и управления. По разности между временем подачи импульса тока и временем прихода ультразвуковой волны определяется положение поплавка.

Точность измерения линейных перемещений (на длине до 25 м) магнитострикционными уровнемерами составляет менее 1 мм. Магнитострикционные уровнемеры применяют в различных отраслях промышленности: в пищевой (молоко, масло и т. п.), в химической (растворители, кислоты и т. п.), в энергетической (топливо) и др. Исследования в области магнитострикционных уровнемеров ведут ведущие компании-производители: «MTS» (США), «Balluf» (Германия), «Shlumberger Industries» (Франция), ООО «Первая Приборная Фабрика» (Россия) и др.

§ 8.3. Индуктивные датчики

Индуктивные датчики – это параметрические датчики линейных перемещений, представляющие собой дроссели переменного тока с изменяющимся под влиянием внешнего воздействия воздушным зазором в магнитопроводе. По принципу взаимодействия чувствительного элемента с физической величиной их можно разделить на бесконтактные и контактные.

Бесконтактные индуктивные датчики – это устройства, со-

здающие электромагнитное поле в зоне чувствительности и имеющие полупроводниковый коммутационный элемент.

Действие бесконтактных датчиков основано на том, что сигнал на их выходе зависит от расстояния между чувствительным элементом датчика и ферромагнитным телом.

Рассмотрим принцип работы индуктивного датчика на примере дросселя с незамкнутым магнитопроводом, на котором расположена одна катушка (рис. 8.5). В рабочем состоянии через катушку

284

датчика протекает переменный ток i. Полное сопротивление датчика определяется выражением

Z R2 2 fL 2 , (8.3)

где R – активное сопротивление катушки; L – индуктивность датчика; f – частота переменного тока.

При отсутствии ферромагнитной детали, положение которой необходимо измерить, линии магнитной индукции В замыкаются через немагнитную среду. Если к поверхности датчика перемещается ферромагнитная деталь, то через нее происходит замыкание линий магнитной индукции.

Индуктивный датчик располагают нормально (рис. 8.5, а) или тангенциально (рис. 8.5, б) по отношению к направлению перемещения ферромагнитной детали, вызывающей изменение его индуктивности.

Рис. 8.5. Принцип работы индуктивных датчиков перемещения с изменением характеристик воздушного зазора: а – размера; б – геометрии.

При перемещении детали так, как показано на рис. 8.5, а, индуктивность датчика изменяется в зависимости от расстояния y, которое определяется его конструкцией (например, от 1 до 15 мм). Этому расстоянию соответствует изменение индуктивности датчика, при котором изменение полного сопротивления Z приводит к изменению тока в катушке и его регистрации системами контроля и управления. Если расстояние до детали превысит критическое значение y, то датчик переключится в исходное состояние, соответствующее отсутствию детали.

285

В случае тангенциального расположения датчика по отношению к направлению перемещения детали (рис. 8.5, б) изменение индуктивности датчика зависит не от расстояния y, которое имеет фиксированное значение, а от смещения х.

На рис. 8.6 приведены изображения промышленных бесконтактных индуктивных датчиков различных конструкций.

Рис. 8.6. Индуктивные датчики различного конструктивного исполнения

Вкачестве магнитопроводов индуктивных датчиков используются электротехнические стали и пермаллои. Основное применение таких датчиков – концевые выключатели, фиксирующие положение перемещающихся деталей.

Контактные индуктивные датчики имеют две наиболее рас-

пространенные модификации:

– датчики линейного или углового перемещения (датчики плун-

жерного типа, linear / rotary variable inductance transducers, LVIT / RVIT);

– трансформаторные (дифференциальные трансформаторные) датчики линейного или углового перемещения (linear / rotary variable differential transformer, LVDT и RVDT).

Рассмотрим работу датчиков линейных перемещений на примере датчика плунжерного типа (рис. 8.7).

Вего конструкцию входит перемещающийся чувствительный элемент, соединенный со штоком, изготовленным из ферромагнитного материала. Шток является сердечником, перемещающимся внутри индуктивной катушки. В исходном состоянии шток полностью расположен внутри катушки. В этом случае ее индуктивное сопротивление будет максимальным, а ток в обмотке минимальным. При механическом воздействии на чувствительный элемент движущейся детали шток перемещается, изменяя индуктивное сопротивление катушки

исоответственно значение тока в катушке. Это изменение фиксируется преобразовательным элементом. Плата преобразовательного

286

элемента соединена с разъемом, с помощью которого осуществляется связь датчика с контрольно-измерительной системой. При прекращении воздействия пружина сжимается и переводит шток в исходное состояние. Такие датчики обеспечивают непрерывное измерение перемещения. Современные конструкции рассчитаны на рабочий диапазон измеряемых линейных перемещений до 1,5 м.

Рис. 8.7. Конструкция контактного индуктивного датчика линейных перемещений плунжерного типа

Индуктивный датчик может быть бесконтактным и предназначенным для измерения угловых перемещений. Пример такого датчика показан на рис. 8.8.

Профилированный диск 1 из меди, алюминия или другого электропроводящего материала закреплен на вращающейся оси. При введении диска в воздушный зазор в нем индуцируются вихревые токи, вызывающие появление

магнитного потока, направленного встречно основному магнитному потоку в магнитопроводе и зазоре, что эквивалентно введению в

магнитную цепь реактивного магнитного сопротивления, пропорционального профилю диска и, следовательно, углу поворота. Изменяя профиль диска, можно получить любой вид зависимости индуктивности от угла поворота диска. Датчики этого типа используются для измерения угловых перемещений до 180…360°.

287

Принцип действия транс-

форматорных датчиков переме-

щения основан на изменении коэффициента взаимоиндукции обмоток при перемещении подвижной части магнитопровода. Особенностями трансформаторных датчиков являются возможность измерения больших перемещений и отсутствие электрической свя-

зи между измерительной цепью и цепью питания. На рис. 8.9 показана простейшая схема такого датчика.

Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения, в результате в магнитопроводе создается переменный магнитный поток. Во вторичных обмотках индуцируются ЭДС, их значения зависят от положения сердечника, который механически соединен (на рисунке не показано) с деталью, перемещение которой измеряется.

Индуктивные датчики применяются в технологических процессах, в которых необходим контроль положения заслонок, приводов, клапанов, деталей и заготовок, подвижных элементов конструкций агрегатов и т. д.

Преимуществами индуктивных датчиков являются:

–простота, прочность, надежность (отсутствие скользящих контактов);

–возможность подключения к источникам промышленной ча-

стоты;

–большая мощность на выходе преобразователя (до нескольких десятков ватт), что дает возможность подключать контрольный прибор непосредственно к преобразователю;

–значительная чувствительность и большой коэффициент усиления.

При помощи индуктивных датчиков производят:

–контроль перемещений, механических сил, температур, свойств магнитных материалов;

–поиск дефектов и примесей в магнитных материалах;

288