5. Индуктивные датчики

Эти датчики входят в группу электромагнитных датчиков, реализующих две основные разновидности функций преобразования – индуктивность и взаимную индуктивность, что определяет два основных типа электромагнитных датчиков – индуктивные и трансформаторные. Принцип действия этих датчиков основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от изменения длины воздушного зазора. Трансформаторные датчики давления утратили свое преимущество перед индуктивными датчиками, связанное с усилением электрического сигнала с помощью дополнительных обмоток, размещенных в корпусе датчика. Эти функции взяли на себя стабильные микроэлектронные измерительные усилители. Отсутствие же дополнительных обмоток в корпусе индуктивного датчика открывает большие возможности миниатюризации. На практике, как правило, применяют индуктивные дифференциальные датчики, обеспечивающие меньшее влияние электромагнитных сил на упругий элемент, увеличение линейного участка функции преобразования и уменьшение температурной погрешности. В датчиках под воздействием давления одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора двух электромагнитов. Поэтому дифференциальные датчики в сочетании с мостовой измерительной схемой имеют более высокую чувствительность.

В качестве упругих элементов применяются круглые плоские мембраны, работающие при малых прогибах. В лучших образцах датчиков материалом мембраны, выполненной за одно целое с кольцом жесткости, служит коррозионностойкая сталь 4X13. Она сохраняет упругие свойства до 400°С. Герметичность приемных полостей осуществляется притиркой соприкасающихся плоскостей корпуса и упругого чувствительного элемента датчика, а герметизация электрических выводов обеспечивается с помощью специального герметика. В качестве намоточных проводов применяются термостойкие провода в эмалевой изоляции. Эластичность эмалей позволяет изготовить малогабаритные катушки индуктивности, работающие при температурах до 200...300°С. Индуктивные датчики нашли широкое применение для измерения давления при повышенных температурах окружающей среды.

Основную долю в суммарной погрешности датчика составляют аддитивная (уход нуля) и мультипликативная (изменение чувствительности) составляющие температурной погрешности. Они определяются рядом факторов. Уход нуля определяется, в основном, асимметрией геометрических размеров магнитных сердечников, активных сопротивлений катушек, воздушных зазоров и расположения катушек в корпусе датчика. Изменение чувствительности датчика определяется нестабильными температурной зависимостью модуля упругости материала упругого чувствительного элемента, удельной электрической проводимостью материалов провода обмотки и сердечника, а также магнитной проницаемостью. Аддитивная составляющая температурной погрешности датчика может быть существенно уменьшена путем применения конструктивно–технологического метода совершенствования датчика. Компенсация мультипликативной составляющей температурной погрешности достигается применением специальных методов, учитывающих электромагнитные параметры датчика.

Для измерения пульсаций давлений при высоких температурах (в камере сгорания газотурбинного двигателя) применяются датчики с активной тепловой защитой. Датчик может быть вынесен из горячей зоны с помощью трубопровода длиной до одного метра и диаметром 6 мм. Частота свободных колебаний такого акустического тракта составляет, примерно 85 Гц. Системы измерения пульсаций давления с индуктивными датчиками работают с противодавлением, которое осуществляет пневматическое центрирование измеряемого процесса. Это позволяет повысить точность измерений, применять датчики с большей чувствительностью, рассчитанные только на диапазон измерения переменной составляющей давления. Постоянная времени системы противодавления, состоящая из демпфера и ресивера, составляет 1,5 с, что обеспечивает измерение процесса, начиная с частоты 1 Гц. Индуктивные датчики с автономными усилителями позволяют измерять переменные давления в диапазоне частот более 1000 Гц. При применении высокочастотных датчиков давления самым низкочастотным звеном оказывается акустический тракт приемника давления с присоединенным объемом рабочей полости датчика.

Установка датчиков с открытыми мембранами является оптимальным вариантом с точки зрения минимизации динамических погрешностей. Для решения таких задач применяются миниатюрные (диаметром 5 мм, массой 2 г) термостойкие (до 200⁰С) датчики с погрешностью 2%.