Принципът на действие на индуктивните сензори за преместване

Каним ви да се запознаете с физическите основи на работата на индуктивните сензори за преместване, произведени от RDP Electronics Ltd (Обединеното кралство), с техните основни параметри, предимства и приложения.

Самият термин LVDT (линеен променлив диференциален трансформатор) означава линеен диференциален трансформатор с променлив коефициент на предаване.

Помислете за принципа на работа на сензорите по технологията LVDT.

Първичен възбудител Вторична 1 Вторична 2 Получен сигнал от сумата на вторичните намотки

Принципно има две схеми на работа - с изходно напрежение и изходен ток.

Работна схема на изходен ток (4-20mA)

Диаграма на работа на изходното напрежение

Нека разгледаме по-подробно самия процес на измерване на изместването.

Сензор за преместване, базиран на технологията LVDT, се състои от три трансформаторни намотки - една първична и две вторични. Степента на пренос на ток между първичната и двете вторични намотки се определя от положението на подвижната магнитна сърцевина, пръта. Вторичните намотки на трансформатора са свързани в противофаза.

Когато прътът е в средата на трансформатора, напрежението на двете вторични намотки е еднакво по амплитуда и тъй като те са свързани не по фаза, общото изходно напрежение е нула - няма движение.

Ако прътът се премести от средното положение във всяка посока, има увеличение на напрежението в една от вторичните намотки и намаляване на другата. В резултат на това общото напрежение няма да бъде нула - сензорът ще записва изместването на пръта.

Съотношението на изходната фаза на сигнала в сравнение с фазата на възбуждащия сигнал позволява на електрониката да разбере в коячаст от намотката в момента е стеблото.

Основната характеристика на принципа на работа на индуктивните сензори за преместване е, че няма директен електрически контакт между чувствителния елемент и трансформатора (комуникацията се осъществява чрез магнитно поле), което дава на потребителите абсолютни данни за движение, теоретично безкрайна точност на разделителната способност и много дълъг живот на сензора.

Характеристики на схемата за работа с изходен ток - тъй като веригата генератор/демодулатор е вградена в самия датчик за преместване и се захранва от изходен ток 4-20 mA, няма нужда от външно оборудване за обработка на сигнала.

Характеристики на изходната верига за напрежение - Веригата осцилатор/демодулатор, вградена в сензора за изместване, осигурява възбуждане и преобразува сигнала за обратна връзка в постоянно напрежение. Освен това не изисква външно оборудване за кондициониране на сигнала.

Особености при измерване на изходния сигнал. 1) Ако изходното напрежение се измерва с нечувствителен към фазата (rms) волтметър, тогава отклонението на стеблото във всяка посока от централната позиция в сензорния трансформатор ще съответства на увеличение на изходното напрежение.

Имайте предвид, че кривата не докосва хоризонталната ос. Това се дължи на остатъчното изходно напрежение.

2) Ако се използва фазово-чувствителна демодулация, тогава по изходния сигнал може да се прецени в коя част на трансформатора се намира прътът в момента.

Фазово-чувствителната демодулация винаги се използва за оформяне на сигнала, тъй като това елиминира ефекта на остатъчното изходно напрежение върху изходния сигнал и позволява на потребителя да знае позицията на стеблото в трансформатора.

Диапазон на линейностиндуктивен сензор за изместване. Ако погледнем изходната крива извън механичния обхват на типичен LVDT сензор, можем да видим, че кривата се огъва в краищата на обхвата. Това означава, че механичният диапазон е много по-широк от линейната зона на работа.

При калибриране на сензор е важно електрическата нулева точка да се използва като еталон и сензорът да се използва в рамките на ± FS (пълен обхват) около електрическата нулева позиция.

Ако калибрирането не се основава на точката на нулево напрежение, една от позициите на пълния диапазон ще бъде извън линейния диапазон и следователно може да доведе до грешка в линейността.

Видове индуктивни сензори за преместване

Тип 1 са несвързани преобразуватели, които имат арматура, която е отделна от тялото на корпуса. Частите на сензора трябва да бъдат монтирани така, че арматурата да не докосва вътрешната тръба на корпуса. По този начин можете да получите абсолютна липса на триене при движение на чувствителния елемент на сензора.

Тип 2 - монолитни преобразуватели, които имат тефлонов лагер, който води арматурата (стъблото) по вътрешната тръба.

Тип 3 - монолитни преобразуватели с възвратна пружина, която избутва арматурата (стъблото) навън.

Вътрешна структура на типичен LVDT индуктивен сензор за преместване

Предимства на LVDT индуктивни сензори за изместване

1. Предимства пред линейните потенциометри (POTS).

Тялото и вътрешните части нямат контакт с чувствителния елемент, което означава, че няма износване при движение на стеблото. POTS сензорите са в контакт с чувствителния елемент и могат да се износят бързо, особено когато са подложени на вибрации.
Защитата от влага и прах може лесно да бъде постигната на необходимото ниво, дори стандартните версии на LVDT сензори обикновено имат много по-добро ниво на защита от външни влияния от POTS.
Вибрацията няма ефект върху загубата на сигнал, за разлика от POTS, където плъзгащият се плъзгач може да прекъсне контакта с проводника, когато вибрира.

2. Предимства пред магнитострикционни сензори.

Не е податлив на удари и вибрации.
По-малко податливи на бездомни магнитни полета на околната среда.
Системата за кондициониране на сигнала може да бъде отстранена от чувствителния елемент на известно разстояние, което позволява използването на сензори при работа с висока температура и високи нива на радиация.
Магнитострикционните сензори нямат късо стебло от ±100 mm или по-малко и това е само най-търсената гама от технически приложения за сензори за изместване.

3. Предимства пред енкодери (сензори за позиция).

Те имат най-добрата аналогова честотна характеристика.
Имат по-здраво тяло.
Веднага след включване те „знаят“ позицията на стеблото, за разлика от енкодерите, които трябва да посочват постоянна препратка към известна позиция.

4. Предимства пред преобразуватели с променлив резистивен вектор (VRVT)

LVDT сензорите обикновено са по-евтини.
Те имат по-малък диаметър на тялото.
По-издръжливи и не се износват.
Може да се използва много по-дълго.

5. Предимства пред линейни капацитивни сензори

LVDT сензорите обикновено са по-евтини.
По-малко податливи на външни условия на работа.
Значително по-издръжлив.

Характеристики на LVDT индуктивни сензори за преместване

Максимална работна температура 600°C.
Минимална работна температура -220°C (за справка температура на течен азот -196°C, температура на течен хелий -269°C).
Може да работи при нива на радиация от 100 000 рада.
Може да работи при налягане 200 бара.
Те могат да работят под вода, докато водата може да влезе в сензора, без да го нарани. Има специална серия подводни сензори, които могат и без тях. инспекционна работа под вода 10 години, работа под вода на дълбочина до 2,2 км. Кабелните конектори могат да бъдат свързани и под вода.

Основни приложения на LVDT сензори

Индустриални измервателни системи

Контролни вентили – навсякъде, където има контролни клапани, индуктивните сензори за изместване могат да се използват за контрол на позицията на стеблото на клапана. Особено там, където има критични области на работа, например при парни клапани за турбини в електроцентрали.
Мониторинг на позицията на ключалки - сензорите за преместване при потапяне са подходящи за измерване на позицията на ключалки във водопроводни и канализационни системи.
Измерване на разстоянието между ролките. За да се поддържа еднаква дебелина на валцуваните продукти, разстоянието между ролките често се измерва в двата края.
Контрол на движението на стеблата на клапаните на подводни нефто/газопроводи.
Контрол на работата на хидравличните активатори - измерване на движението на обекта, който движи активатора. Благодарение на много високата си устойчивост на износване, тези LVDT сензори за изместване могат да издържат милиони цикли на движение.
Контрол на позицията/движението на режещите инструменти, отрязващи валцувани материали.
Измерва позиция/преместванеролки, които се използват за изправяне на плоски продукти преди щамповане.
Може да се използва за динамично измерване на размерите (диаметрите) на продуктови ролки, например, за задействане на сигнал към системата за управление, когато ролката достигне максималния/минималния размер по време на навиване/навиване на материала.

Машини

Може да се използва в тестови приспособления за измерване на кръглост, плоскост и др. машинни части за анализ на качеството на тяхната изработка.
Те могат да се използват за оценка и контрол на относителната позиция на компоненти на части в сглобка, когато се изисква подравняване/напасване на размерите на относителната позиция на частите.

Авиация/Космос

Може да се използва за оценка на реакцията на задвижването към действието на активатора. Например, преобразувателят измерва позицията на отклонение на задкрилките на самолет по време на поддръжка. Тук е много важно да се измери скоростта на активатора след подаването на управляващия сигнал към него, както и скоростта на промяна на положението на клапите.
Анализ на ротора на хеликоптер LVDT сензорите се използват на хеликоптери за измерване на ъгъла на наклона на лопатките на ротора.
Може да се използва за оценка на изместването на корпуса на двигателя при нагряване.
Те могат да се използват за измерване на преместването (деформацията) на турбинна лопатка под външно въздействие.
Може да се използва за измерване на деформация на диафрагмата на дюзата на реактивен двигател.
Може да се използва за тестване на крила на самолети за измерване на деформация при натоварване.

Строителство / Проектиране на сгради и съоръжения

Може да се използва за измерване на вибрации или напрежениемостове при промяна на трафика или пориви на вятъра.
Може да се използва за измерване на преместване на земята по време на строителство, контрол на свлачища и насипни язовири.
Те могат да се използват при изпитване на големи строителни конструкции, греди, мостови участъци и др. за силова деформация.

Автомобили

Може да се използва за контрол на изместването на корпуса на двигателя по време на тестването му.
Идеално приложение за LVDT сензори би било тестването на компоненти на окачването на превозни средства.
Може да се използва за контрол на производството на прецизни компоненти.
Може да се използва за настройка на компоненти на двигателя като дизелови инжектори.
Може да се използва за тестване на седалки, врати, педали и дръжки на превозни средства, за да се симулира удължаване на живота им.
Може да се използва за измерване на профила на повърхността на детайл, като стъкло или други повърхностни обекти.

Производство на енергия

Може да се използва за измерване на биене на турбинния вал.
Може да се използва за управление на позицията на главния парен клапан, който контролира потока на пара в турбината. Вентилът постоянно регулира позицията си, за да поддържа постоянна скорост на турбината. Сензорите LVDT са идеални за среда с висока температура, мръсотия и постоянна вибрация.
Може да се използва за управление на позицията на байпасния клапан. Когато байпасният клапан се отвори, сензорът може да изпита температура от 200°C.