誘導センサー

誘導センサーは、動作原理が変化に基づくパラメトリックタイプのトランスデューサーです。 インダクタンス L、またはコアが入るセンサーの磁気回路の磁気抵抗RMの変化による、コアと巻線の相互インダクタンス。

誘導センサーは変位を測定するために産業界で広く使用されており、1 μm ～ 20 mm の範囲をカバーします。誘導センサーを使用して、圧力、力、気体および液体の流量などを測定することも可能です。この場合、測定値はさまざまな感知素子を使用して変位変化に変換され、この値が誘導測定トランスデューサに供給されます。

圧力測定の場合、感応要素は弾性膜やスリーブなどの形で作成できます。また、さまざまな金属および非金属の物体を、イエスかノーの原理で非接触で検出するために使用される近接センサーとしても使用されます。

誘導センサーの利点:

• 滑り接触のない構造のシンプルさと強度。

• 電源周波数源に接続する機能。

• 比較的高い出力電力（最大数十ワット）。

• かなりの感度。

誘導センサーの欠点:

• 動作の精度は周波数ごとの電源電圧の安定性に依存します。

• 動作は交流でのみ可能です。

誘導コンバータの種類とその設計上の特徴

構造スキームに従って、誘導センサーは単一センサーと差動センサーに分類できます。誘導センサーには 1 つの測定ブランチと、1 ～ 2 つの差動ブランチが含まれています。

差動誘導センサーでは、測定パラメータが変化すると、2 つの同一コイルのインダクタンスが同時に変化し、その変化は同じ値だけ反対の符号で発生します。

知られているように、 コイルのインダクタンス:

ここで、W はターン数です。 F — 貫通する磁束。 I — コイルを流れる電流。

電流は次の比率で MDS に関係します。

どこで得られるのか:

ここで、Rm = HL / Ф は誘導センサーの磁気抵抗です。

たとえば、単一の誘導センサーを考えてみましょう。その動作は、エアギャップ値が変化するとインダクタンスが変化するというエアギャップチョークの特性に基づいています。

誘導センサーは、バネで保持されたヨーク 1、コイル 2、アーマチュア 3 で構成されています。コイル２には負荷抵抗Ｒｎを介して交流電源電圧が供給される。負荷回路の電流は次のように定義されます。

ここで、rd はチョークのアクティブ抵抗です。 L はセンサーのインダクタンスです。

回路のアクティブ抵抗は一定であるため、電流 I の変化は、エアギャップ δ のサイズに依存する誘導成分 XL = IRn の変化によってのみ発生します。

各値 δ は特定の値 I に対応し、抵抗 Rn に電圧降下が生じます。Uout = IRn — はセンサーの出力信号です。ギャップが十分小さく、漂遊磁束が無視でき、鉄の磁気抵抗 Rmw が空隙の磁気抵抗 Rmw と比較して無視できる場合、解析依存性 Uout = f (δ) を導出できます。

最終的な式は次のとおりです。

実際のデバイスでは、回路のアクティブ抵抗は誘導抵抗よりもはるかに小さいため、式は次の形式になります。

依存性 Uout = f (δ) は線形です (最初の近似では)。実際の機能は次のとおりです。

開始時の線形性からの逸脱は、受け入れられている仮定 Rmzh << Rmv によって説明されます。

d が小さい場合、鉄の磁気抵抗は空気の磁気抵抗と同等になります。

d が大きい場合の偏差は、d RL がアクティブ抵抗の値 (Rn + rd) に比例するという事実によって説明されます。

一般に、検討されている誘導センサーには多くの重大な欠点があります。

• 移動方向が変わっても電流の位相は変化しません。

• 両方向の変位を測定する必要がある場合は、初期エアギャップを設定する必要があり、したがって電流 I0 を設定する必要がありますが、これは不便です。

• 負荷電流は供給電圧の振幅と周波数に依存します。

• センサーの動作中、磁気回路への吸引力がアーマチュアに作用し、何によってもバランスがとれていないため、センサーの動作に誤差が生じます。

差動 (可逆) 誘導センサー (DID)

差動誘導センサーは 2 つの不可逆センサーを組み合わせたもので、共通のアーマチュアと 2 つのコイルを備えた 2 つの磁気回路からなるシステムの形で作られています。差動誘導センサーには 2 つの別個の電源が必要で、通常は絶縁トランス 5 が使用されます。

磁気回路の形状は、電磁鋼板 (1000Hz を超える周波数の場合、鉄、ニッケル、パーモラ合金が使用されます) によって採用された W 字型の磁気回路を備えた差動誘導センサー、および高密度の円形磁気回路を備えた円筒形にすることができます。 。センサーの形状の選択は、制御対象デバイスとの構造的な組み合わせによって異なります。 W型磁気回路を採用しているのは、コイルの組み立ての容易さとセンサーの小型化のためです。

差動誘導センサーに電力を供給するには、二次巻線の中点に出力を備えた変圧器 5 が使用されます。デバイス 4 は 2 つのコイルの共通端との間に含まれており、空隙は 0.2 ～ 0.5 mm です。

アーマチュアの中間位置では、エアギャップが同じ場合、コイル3と3'の誘導抵抗は同じであるため、コイルの電流値はI1 = I2に等しく、その結果、デバイス内の電流は 0 です。

アーマチュアが一方向または別の方向にわずかにずれると、制御値Xの影響でギャップとインダクタンスの値が変化し、デバイスは差動電流I1-I2を記録します。これはアーマチュアの関数です中間位置からのズレ。電流の差は通常、入力に整流回路 B を備えた磁気電気装置 4 (マイクロ電流計) を使用して記録されます。

誘導型センサーの特徴は次のとおりです。

出力電流の極性は、コイルのインピーダンスの変化の符号に関係なく変化しません。アーマチュアの中間位置からのずれの方向が変化すると、センサー出力の電流の位相が逆(180°)に変化します。位相感応整流器を使用する場合、アーマチュアの移動方向の指示は中間位置から取得できます。位相周波数フィルターを備えた差動誘導センサーの特性は次のとおりです。

誘導センサー変換エラー

誘導センサーの情報容量は、測定されたパラメーターを変換するときの誤差によって主に決まります。誘導センサーの合計誤差は、多数の誤差成分で構成されます。

次の誘導センサーエラーを区別できます。

1) 特性の非直線性による誤差。合計誤差の乗算要素誘導型センサーの動作の基礎である測定値の誘導型変換の原理により、これは必須であり、ほとんどの場合センサーの測定範囲を決定します。センサー開発時の評価は必須。

2) 温度エラー。ランダムな成分。センサーコンポーネントには温度に依存するパラメータが多数あるため、コンポーネントの誤差は大きな値に達する可能性があり、重大です。センサー設計で評価されます。

3) 外部電磁場の影響による誤差。合計誤差のランダムな要素。これは、外部磁場によるセンサー巻線の EMF の誘導と、外部磁場の影響による磁気回路の磁気特性の変化によって発生します。電力設備のある工業施設では、誘導 T および主に 50 Hz の周波数の磁場が検出されます。

誘導センサーの磁気コアは 0.1 ～ 1 T の誘導で動作するため、シールドがない場合でも外部磁場の割合は 0.05 ～ 0.005% になります。画面入力と差動センサーの使用により、この割合は約 2 桁減少します。したがって、外部磁場の影響による誤差は、感度が低く、十分なシールドが不可能なセンサーを設計する場合にのみ考慮する必要があります。ほとんどの場合、このエラー要素は重要ではありません。

4) 磁気弾性効果による誤差。これは、センサーの組み立て中の磁気回路の変形の不安定性 (追加コンポーネント) と、センサーの動作中の変形の変化 (任意のコンポーネント) によって発生します。磁気回路内のギャップの存在を考慮した計算により、磁気回路内の機械的応力の不安定性の影響が次数センサーの出力信号の不安定性を引き起こし、ほとんどの場合、この成分は特に無視できることがわかります。

5) コイルのひずみゲージ効果による誤差。ランダムな成分。センサーコイルを巻くと、ワイヤーに機械的な張力が生じます。センサーの動作中にこれらの機械的応力が変化すると、コイルの直流抵抗が変化し、センサーの出力信号も変化します。通常、適切に設計されたセンサーの場合、このコンポーネントは特に考慮する必要はありません。

6) 接続ケーブルのズレ。これは、温度や変形の影響によるケーブルの電気抵抗の不安定性、および外部磁場の影響によるケーブル内での EMF の誘導によって発生します。誤差のランダムな要素です。ケーブル自身の抵抗値が不安定な場合、センサーの出力信号に誤差が生じます。接続ケーブルの長さは 1 ～ 3 m ですが、それ以上になることはほとんどありません。ケーブルが断面銅線で作られている場合、ケーブルの抵抗は 0.9 オーム未満であり、抵抗が不安定です。センサーのインピーダンスは通常 100 オームより大きいため、センサー出力の誤差は次のように大きくなる可能性があります。したがって、動作抵抗が低いセンサーの場合は、誤差を推定する必要があります。他の場合には、それは重要ではありません。

7) 設計ミス。これらは、以下の理由の影響下で発生します: センサー部品の変形に対する測定力の影響 (相加的)、変形の不安定性に対する測定力の差の影響 (相乗的)、測定パルスの送信中の測定ロッドのガイド（逓倍）、可動部品のギャップやバックラッシュによる測定パルスの伝達の不安定性（ランダム） 設計誤差は主に、測定器の設計上の欠陥によって決定されます。センサーの機械的要素であり、誘導センサーに特有のものではありません。これらの誤差の評価は、測定装置の運動学的伝達の誤差を評価するための既知の方法に従って実行される。

8) 技術的エラー。これらは、センサー部品の相対位置の技術的偏差（付加的）、生産中の部品とコイルのパラメータのばらつき（付加的）、部品とガイドの接続における技術的ギャップと緊密さの影響の結果として発生します（任意）。

センサー構造の機械要素の製造における技術的エラーも、誘導センサーに特有のものではありません。機械的測定装置の通常の方法を使用して評価されます。磁気回路とセンサー コイルの製造誤差により、センサーのパラメーターがばらつき、センサーの互換性を確保する際に困難が生じます。

9) センサーの経年劣化エラー。この誤差成分は、第一にセンサー構造の可動要素の磨耗によって、第二にセンサーの磁気回路の電磁特性の経時的変化によって引き起こされます。このエラーは偶発的なものであると考えてください。摩耗による誤差を評価する際には、それぞれの特定のケースにおけるセンサー機構の運動学的計算が考慮されます。この場合、センサーの設計段階で、追加の摩耗誤差が指定値を超えない通常の動作条件下でのセンサーの耐用年数を設定することをお勧めします。

材料の電磁特性は時間の経過とともに変化します。

ほとんどの場合、電磁特性を変化させる顕著なプロセスは、磁気回路の熱処理と消磁後、最初の 200 時間以内に終了します。将来的には、それらは実質的に一定のままであり、誘導センサーの全体的な誤差において重要な役割を果たすことはありません。

誘導センサーの誤差の構成要素についての上記の考察により、センサーの合計誤差の形成におけるそれらの役割を評価することが可能になります。ほとんどの場合、決定要因は、誘導コンバータの特性の非直線性と温度​​誤差による誤差です。