3. Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики

Дифференциальные индуктивные датчики представляют собой совокупность двух одинарных (нереверсивных) датчиков с общим якорем. Предназначены дифференциальные индуктивные датчики для получения реверсивной статической характеристики и для компенсации электромагнитной силы притяжения якоря.

Рассмотрим работу дифференциального индуктивного датчика (рис. 3, а), состоящего из двух одинаковых сердечников 1 и 2 с обмотками и расположенного между сердечниками якоря 3, способного перемещаться влево и вправо относительно среднего симметричного положения. Питание дифференциального датчика осуществляется от трансформатора с выводом от средней точки вторичной обмотки. Сопротивление нагрузки R_H включается между этой средней точкой и общей точкой обмоток сердечников 1 и 2. Ток в сопротивлении нагрузки можно представить как алгебраическую сумму двух токов: в левом и правом контурах. Каждый контур состоит из половины вторичной обмотки трансформатора, одинарного индуктивного датчика и сопротивления нагрузки R_H, общего для обоих контуров. Рассмотрим направления контурных токов в момент времени, когда во вторичной обмотке трансформатора индуцируется условно положительный полупериод напряжения: плюс — у левого зажима; минус — у правого. Полярность средней точки относительно левого зажима будет минусовая, а относительно правого — плюсовая. Принимая за положительное направление тока во внешней цепи от плюса к минусу, определяем, что ток левого контура I₁ направлен сверху вниз, а ток правого контура I₂ — снизу вверх. Следовательно, эти токи вычитаются, а через нагрузку пойдет разностный ток. В следующий полупериод полярность изменится на противоположную (на рис. 3 показана в скобках). Соответственно изменится направление токов в нагрузке, но опять ток в нагрузке будет равен разности токов I₁ и I₂ (направление их показано пунктиром). Очевидно, что каждый из этих контурных токов можно определить по формулам (11) или (13). При среднем (симметричном) положении якоря 3 индуктивности обмоток 1 и 2 одинаковы. Следовательно, токи I₁ и I₂ равны, разность их равна нулю, выходной сигнал (ток в сопротивлении нагрузки) равен нулю: .

Рис. 3. Дифференциальный индуктивный датчик

При перемещении якоря вправо (примем его за положительный входной сигнал) индуктивность L₂ возрастает, поскольку воздушный зазор в одинарном индуктивном датчике 2 уменьшается, а индуктивность L₁ убывает, поскольку зазор в датчике 1 увеличивается. Следовательно, I₁> I₂ и появляется выходной сигнал в виде тока нагрузки определенной полярности. При перемещении якоря влево (отрицательный входной сигнал) соответственно уменьшается L₂ и увеличивается L₁ соотношение токов I₁< I₂ и полярность тока нагрузки изменяется. Поскольку речь идет о переменном синусоидальном токе, это означает, что фаза тока изменяется на 180°. Таким образом, статическая характеристика дифференциального датчика (рис. 3, б) будет реверсивной, зависящей от знака входного сигнала. А дифференциальным датчик называется потому, что выходной сигнал формируется как разность сигналов двух одинаковых датчиков.

Силы притяжения якоря к сердечникам возникают и в этом случае, но направлены они в противоположные стороны и поэтому почти полностью взаимно компенсируются. Поэтому для перемещения якоря требуется незначительное усилие. Очень важной особенностью дифференциального датчика является равенство нулю выходного сигнала при нулевом входном сигнале. Напомним, что в одинарном датчике выходной сигнал (ток через обмотку) был не равен нулю даже при нулевом воздушном зазоре.

Для получения реверсивной статической характеристики используют и мостовую схему включения индуктивных датчиков (рис. 4, а, б). Плечи моста образованы обмотками двух сердечников 1 и 2 с индуктивностями соответственно L₁ и L₂ и двумя постоянными резисторами с сопротивлением R. К одной диагонали моста подводится напряжение питания U₀ переменного тока, со второй диагонали снимается выходное напряжение U_вых. Если якорь 3 занимает среднее положение, то индуктивности L₁ и L₂ одинаковы и мост сбалансирован. Выходное напряжение U_вых при этом равно нулю. При отклонении якоря от среднего положения баланс моста нарушается, так как индуктивность одной обмотки увеличивается, а другой — уменьшается. Изменение направления перемещения якоря вызывает изменение фазы выходного напряжения на 180°, т. е. характеристика мостовой схемы индуктивных датчиков является реверсивной (см. рис. 3, б).

Рис. 4. Мостовая схема реверсивного индуктивного датчика

Оценим чувствительность датчика в мостовой схеме. Сначала преобразуем уравнение (12) для индуктивности:

где — относительное перемещение якоря,— индуктивность датчика при среднем положении якоря, когда якорь3 находится на одинаковом расстоянии от сердечников 1 и 2, равном δ₀. Уравнение для помножим и поделим на (1 - σ):

Уравнение для L₂ помножим и поделим на (1 + σ):

Чувствительность оценивается при малых входных сигналах, когда х < δ₀ и σ < 1. Поэтому и в знаменателе можно пренебречь. В первом приближении для малых входных сигналов принимаем

; (21)

Полагая, что мост не нагружен, для установившегося режима можно записать выражение для выходного напряжения схемы:

(22)

Формулу (22) можно упростить в предположении, что активные сопротивления обмоток (R₁, R₂) значительно меньше их индуктивных сопротивлений (ω L₁, ω L₂).

Подставляя в (22) значения индуктивностей L₁ и L₂, определяемых выражением (21), получим для малых отклонений

(23)

Модуль выражения (23) определяет амплитуду выходного напряжения, а аргумент — фазу.

Амплитуда выходного напряжения

Чувствительность (или коэффициент преобразования) датчика определяется как производная выходного напряжения по перемещению при х = 0:

(24)

Повысить чувствительность можно увеличением напряжения питания и снижением величины начального воздушного зазора, т. е. сближением сердечников 1 и 2.

Питание индуктивных датчиков всегда осуществляется переменным током, но с помощью выпрямительных схем выходной ток может быть и постоянным. Для того чтобы иметь реверсивную характеристику, используют фазочувствительный выпрямитель. Схема реверсивного индуктивного датчика с выходным постоянным током показана на рис. 5. Сердечники на схеме показаны Ш-образной формы. Такие сердечники используются чаще, чем П-образные, показанные на предыдущих рисунках, хотя принцип действия одинаков для датчиков с сердечниками разной формы. Выходной сигнал датчика снимается с помощью измерительного трансформатора 1 и подается на одну диагональ выпрямительного моста 3. Опорное напряжение снимается с трансформатора 2 и подается на другую диагональ моста 3. Нагрузка R_н включается между средними точками вторичных обмоток трансформаторов 1 и 2. При фазочувствительном выпрямлении изменение фазы сигнала на 180° приводит к изменению полярности выпрямленного напряжения.

Рис. 5. Схема включения реверсивного индуктивного датчика с выходным постоянным током

Следует отметить, что при неидентичности одинарных индуктивных датчиков, используемых в дифференциальной или мостовой схемах, возникает остаточное напряжение даже в среднем положении якоря. Это остаточное напряжение сдвинуто по фазе относительно напряжения питания, определяющего фазу полезного сигнала. Следовательно, остаточное напряжение может быть разложено на две составляющие. Одна составляющая, совпадающая по фазе с полезным сигналом, называется синфазной. Другая составляющая, сдвинутая по фазе на 90° относительно полезного сигнала, называется квадратурной. Остаточное напряжение является напряжением погрешности, и поэтому желательно его скомпенсировать. Синфазную составляющую остаточного напряжения можно скомпенсировать соответствующим перемещением якоря от среднего положения. Одновременно скомпенсировать и синфазное и квадратурное напряжения погрешности таким способом нельзя. Для подавления квадратурной составляющей могут быть использованы фазочувствительные выпрямители, обладающие свойством не пропускать сигналы, сдвинутые по фазе на 90° относительно опорного напряжения.

Реверсивные индуктивные датчики с сердечниками Ш- и П-образной формы используются для измерения довольно малых перемещений; они имеют начальный зазор порядка 0,3—1 мм.

Для измерения больших перемещений применяют индуктивные датчики в виде катушки с подвижным внутренним сердечником. Если сердечник полностью введен внутри катушки, на которую намотана обмотка, то ее индуктивное сопротивление максимально, а ток в обмотке имеет минимальное значение. При выводе сердечника из катушки индуктивное сопротивление уменьшается, а ток соответственно увеличивается. Индуктивные датчики в виде катушки с перемещающимся внутри нее сердечником получили название плунжерных датчиков. Их также называют индуктивными датчиками с разомкнутым магнитопроводом, поскольку даже при максимальной индуктивности обмотки основной путь магнитного потока проходит по воздуху. С этой точки зрения рассмотренные выше датчики с обмоткой на неподвижном сердечнике и с перемещающимся якорем называют индуктивными датчиками с замкнутым магнитопроводом.

Рис. 6. Индуктивный датчик плунжерного типа

У плунжерных датчиков есть одна очень важная особенность: они позволяют получить информацию о перемещении из замкнутого, изолированного пространства. Пусть, например, надо измерить уровень какой-либо очень вредной жидкости, пары которой ядовиты, да еще находятся под большим давлением. Тогда катушку 1 плунжерного датчика (рис. 6) надевают на разделительную трубку 3 из нержавеющей немагнитной стали, внутри которой и перемещается сердечник 2 из ферромагнитного материала. Перемещение сердечника изменяет индуктивность катушки, а разделительная трубка не экранирует магнитное поле, поскольку материал трубки имеет очень малую магнитную проницаемость. Таким образом, обмотка датчика, все другие электрические элементы измерительной схемы размещены в обычных, нормальных условиях. В связи с этим про плунжерные датчики говорят, что они позволяют вывести перемещение из замкнутого объема. В этом основное преимущество плунжерных датчиков перед датчиками с замкнутым магнитопроводом. А вот по чувствительности, мощности выходного сигнала плунжерные датчики уступают индуктивным датчикам с замкнутым магнитопроводом.

Рис. 7. Индуктивный мост для дистанционной передачи линейных перемещений

С помощью плунжерных датчиков могут быть реализованы такие же дифференциальные и мостовые схемы, какие были рассмотрены выше (см. рис. 3, 4).

Рассмотрим в качестве примера использование плунжерных датчиков в схеме индуктивного моста (рис. 7). Обмотка каждого из двух датчиков А и Б имеет вывод от средней точки. Обмотки датчиков соединены друг с другом проводами линии связи. Напряжение питания приложено между средними точками обмоток. Каждая из половин обмоток образует плечо моста переменного тока. Датчик А установлен в передающем приборе, датчик Б — в приемном приборе. При перемещении сердечника датчика А изменяется индуктивное сопротивление каждой из половин его обмотки. Например, при перемещении сердечника вверх возрастает индуктивность L_A1 и уменьшается индуктивность L_A2. Баланс моста нарушается, и по проводам линии связи протекают токи разбаланса I₁ и I₂. Эти токи, протекая по обмотке датчика Б, вызывают электромагнитную силу, перемещающую сердечник датчика Б. Под действием этой силы сердечник датчика Б устанавливается в такое же положение, что и сердечник датчика А. При этом, естественно, происходит соответствующее изменение индуктивностей L_Б1 и L_Б2. Условием баланса моста является, как известно, равенство произведений сопротивлений противолежащих плеч моста или соответствующих индуктивностей: .

Схема индуктивного моста позволяет осуществить дистанционную передачу линейных перемещений. Однако усилие на приемной стороне весьма невелико. Например, выпускались приборы с катушками диаметром 65 мм, высотой 135 мм и массой 2,5 кг. При полном ходе в 30 мм обеспечивалось усилие в несколько сантиньютон на 1 % полного хода сердечника. Такого усилия достаточно лишь для перемещения стрелки в приемном приборе.

Для получения значительно больших усилий схема индуктивного моста используется совместно с усилителем и электродвигателем. Напряжение разбаланса моста ΔU снимается с измерительной диагонали моста и подается на вход усилителя, который питает электродвигатель, перемещающий (через редуктор) сердечник датчика Б до тех пор, пока не наступит баланс моста, т. е. ΔU = 0.