Схемы работы индуктивных измерительных устройств.

Принцип действия устройств, использующих метод индуктивности, заключается в том, что изменение размера контролируемого изделия влечет за собой изменение индуктивности катушки датчика.

Зависимость между размером изделия и индуктивностью датчика может быть выявлена различными путями. При контроле изделий из ферромагнитных материалов можно, например, расположить магнитопровод датчика вблизи изделия так, что зазор между магнитопроводом и изделием, а следовательно, и индуктивность катушки будут зависеть от размера изделия.

Чаще, однако, при контроле размеров методом индуктивности используется отдельный датчик, подвижная часть которого механически связана с изделием.

Принципиальная схема датчика показана на рис. 76. Измерительный наконечник 1, соприкасающийся с контролируемым изделием 2, с помощью штока 3 перемещает якорь 4, обычно укрепляемый на гибкой пружине 5. Пружина 6 обеспечивает необходимое измерительное усилие штока 3. При изменении размера изделия 2 зазор между якорем 4 и магнитопроводом одной из катушек L1 и L2 увеличивается, а между якорем и магнитопроводом другой катушки – уменьшается, вследствие чего индуктивность первой катушки падает, а второй – возрастает.

На рис. 76,б показана схема индуктивного датчика, имеющего лишь одну катушку. Его недостатком по сравнению с датчиком рис. 76,а является уменьшение в два раза чувствительности схемы и увеличение измерительного усилия, зато односторонний датчик позволяет упростить электрическую схему всего устройства.

Катушки датчика обычно включаются в мостовую схему. Одной из наиболее рациональных схем является схема Уолша (рис. 77), получившая распространение во множестве модификаций, рис.77,а и б соответствуют датчику с двумя катушками, в – датчику с одной катушкой. Катушки датчика L1 и L2 рис.77,а и б присоединяются к концам дросселя L₀ с выведенной средней точкой. При расположении якоря датчика точно по середине между магнитопроводами, индуктивности катушек L1 и L2 одинаковы, токи в половинах дросселя L₀ также одинаковы и напряжение между точками e и f равно нулю. При отклонении якоря индуктивность катушек L1 и L2 изменяется и между точками е и f появляется напряжение, воздействующее на измерительную схему.

Рис. 76. а – схема индуктивного датчика с двумя катушками; б – схема индуктивного датчика с одной катушкой

В схемах неавтоматического контроля напряжение с точек е и f обычно поступает непосредственно на измерительную схему. В схемах автоматического контроля, использующих электронно-ионную аппаратуру, напряжение U_ef повышается с помощью трансформатора Т, обычно имеющего коэффициент трансформации 5...10.

В схеме 77,а первоначальная настройка схемы и уравновешивание моста осуществляются перестановкой якоря [вывинчиванием наконечника 1 (рис. 76) или иными конструктивными приемами]. Эта схема используется главным образом при работе в режиме неуравновешенного моста.

В схеме рис. 77,б уравновешивание моста производится изменением компарирующих[3] индуктивностей L_k1, и L_k2, включенных последовательно с индуктивностями L1 и L2.

На рис. 77,в показана схема включения датчика рис. 77,б с односторонним зазором, имеющего одну катушку L1. В этом случае компарирующая индуктивность L_k1 включается лишь в одно плечо моста.

На 77,г показана схема уравновешивания индуктивного моста с помощью омических сопротивлений R. Ее достоинством является простота устройства, недостатком – меньшая чувствительность схемы и погрешность контроля, обусловленная колебанием частоты сети.

Схемы рис. 77,б, в и г используются преимущественно при работе в режиме уравновешенного моста (компенсационные схемы).

Рис. 77. Модификации схемы Уолша

Питание индуктивного моста может производиться как промышленной частотой, так и частотой f=400...1000 Hz. При повышенных частотах чувствительность схем возрастает, но в этих случаях требуется специальный, сравнительно мощный, генератор звуковой частоты. Однако и при питании датчиков частотой 50 Hz чувствительность схемы получается весьма значительной и оказывается возможным в промышленных условиях измерять изделия с точностью до 0,2...0,5 μ. Вместе с тем питание моста током частоты 50 Hz упрощает всю установку. Поэтому в промышленном контроле почти исключительное применение нашли схемы с питанием датчиков частотой 50 Hz.

Устройства, использующие метод индуктивности, не имеют контактов в измерительной схеме, кинематически они весьма просты, все их элементы механически прочны. Индуктивный датчик развивает большую мощность и поэтому измерительная схема слабо подвержена влиянию помех. Высокая точность измерения и надежность устройств для контроля размеров методом индуктивности делает их применение, особенно в случаях многодиапазонной сортировки изделий, весьма аффективным.

При неавтоматическом контроле размеров преимущественное распространение получил неуравновешенный мост с использованием магнитоэлектрических указывающих приборов. На рис.78 изображены несколько модификаций подобных схем.

На рис.78,а показана схема индуктивного миниметра Electrolimit, построенного на основе выпрямителя Гретца. В этой схеме направление тока в гальванометре не зависит от знака отклонения якоря датчика, поэтому здесь нельзя переходить через точку равновесия моста.

Рис. 78. Схемы неавтоматического контроля размеров методом индуктивности: L1 и L2 – катушки индуктивного датчика, L0 – дифференциальный дроссель. Т – трансформатор.

Схема рис.78,б обладает иными характеристиками: при расположении якоря датчика на нейтрали и идентичности детекторов токи i₁ и i₂, протекающие по равным сопротивлениям R1 и R2, одинаковы и в гальванометре ток отсутствует. При разбалансе моста напряжение между точками а и с и с и b становится неодинаковым и в гальванометре появляется ток , величина и знак которого определятся величиной и знаком отклонения якоря датчика от нейтрали. Эта схема дает возможность хорошо использовать воздушный зазор между магнитопроводами катушек датчика и получить почти равномерную шкалу прибора за счет большой нагрузки детекторов, обеспечивающей их работу на благоприятном участке вольтамперной характеристики при всех положениях якоря датчика.

На рис.78,в изображена схема применяемая рядом инофирм. Она подобна схеме рис.78,б с той разницей, что в схеме рис.78,в используются оба полупериода тока и поэтому мощность, отдаваемая в указывающий прибор, возрастает.

На рис.78,г, д, е представлены схемы разработанные инж. Н. М. Старобинским. Здесь катушки датчика L1 и L2 питаются от трансформатора Т и присоединяются к детекторному мосту без использования дифференциального дросселя. В схеме 78,г детекторы включены по схеме Гретца, в схеме 78,д, е – по «кольцевой» (круговой) схеме. В схемах 78,г, д, е направление тока в гальванометре зависит от знака отклонения якоря датчика.

Схемы 78,г, д, е обеспечивают большую отдачу мощности в прибор, а также возможность более широкого выбора напряжения питания схемы по сравнению со схемами рис 78,а, б, в. Большая отдача мощности достигается за счет: отсутствия дифференциального дросселя, работы детекторов на благоприятном участке их характеристики и кроме того, в схемах 78,г, д – за счет отсутствия шунтирования прибора.

При одинаковых габаритах датчиков мощности отдаваемые в измерительный прибор в схемах 78,а, б, в, г, д и е относятся между собой, как 1:2:6:13:13:10.

За последние годы устройства, использующие метод индуктивности, получили широкое распространение как для ручного, так и для автоматического контроля.

В автоматических контрольных устройствах на выходе измерительного моста, содержащего в своих плечах катушки индуктивного датчика, включают усилитель – большей частью электронного типа. За усилителем часто следует тиратронный каскад, питающий электромагнитное реле.

На рис. 79 показана схема, в которой диагональ моста соединена через трансформатор 1 с сеткой тиратрона 2, питаемого источником переменного тока 3. Начальное смещение U₀, получают от потенциометра 4. Тиратрон зажжется, когда напряжение вторичной обмотки трансформатора U превысит разность между U₀ и потенциалом зажигания. Так как тиратрон не зажжется, если напряжение будет обратно по фазе напряжению на аноде тиратрона, то реле будет срабатывать лишь при отклонении размера изделия в одну сторону от заданного значения. Чтобы реле срабатывало при отклонении размера в обе стороны, необходимо питать тиратрон постоянным током.

Рис. 79. Принципиальная схема автоматического контроля размеров.

При работе тиратрона по схеме рис. 79 возможны ошибки вследствие рассеивания значений потенциала зажигания тиратрона, а также от того, что цепь сетки тиратрона представляет сравнительно большую нагрузку для диагонали измерительного моста. Это понижает чувствительность моста и увеличивает влияние нестабильности характеристик тиратрона. Поэтому эта схема применяется лишь при пониженных требованиях к точности работы аппаратуры.

Для повышения точности контроля перед тиратроном часто ставят электронный каскад, усиливающий напряжение, снимаемое с диагонали моста.

Подобные устройства установлены на копировально-фрезерных и шлифовальных станках, а также на машине для сортировки роликов, выпущенных иностранными фирмами незадолго до войны. Машина сортирует ролики на пять групп по диаметру и на дополнительные группы для слишком больших и слишком малых роликов. Ее производительность около 3000 роликов в час.

Для повышения точности и стабильности контроля целесообразно обратиться к компенсационным методам измерения. Наилучшие результаты получаются, если изменение индуктивности датчика L компенсировать изменением компарирующей индуктивности L_k, введенной в тот же мост, где находится датчик рис. 77,б и в.

Изменение компарирующей индуктивности может быть осуществлено двояко:

1) подмагничиванием;

2) перемещением якоря между катушками компарирующей системы.

Один из возможных вариантов схем с подмагничиванием показан на рис. 80. В мост последовательно с катушками индуктивного датчика L1 и L2 включены компарирующие катушки-дроссели L_k1 и L_k2 с подмагничивающими обмотками. Дроссели выполнены на Ш-образном железе. Каждая из компарирующих катушек L_k1 и L_k2 разделена на две равные половины; сидящие на крайних стержнях дросселя, а на среднем стержне находятся подмагничивающие обмотки, не имеющие магнитной связи с катушками L_k1 и L_k2. Средний стержень каждого дросселя имеет две обмотки 1 и 2. Обмотки 1 обтекаются постоянным током неизменной величины I₀, а по обмоткам 2 протекает компенсирующий ток I_к, получаемый от усилителя.

Суммарные ампервитки постоянного тока, подмагничивающие дроссель L_k1 пропорциональны величине I₀ + I_к, а суммарные ампервитки, подмагничивающие дроссель L_k2 пропорциональны величине I₀ – I_к.

Рис. 80. Компенсационная схема ВЭИ (с подмагничиванием).

При увеличении компенсирующего тока I_к магнитная цепь первого дросселя насыщается и индуктивность катушки L₁ падает, и одновременно, вследствие уменьшения суммарных подмагничивающих ампервитков второго дросселя, индуктивность катушки L_k2 увеличивается.

Схема собрана таким образом, что при перемещении якоря датчика, вызывающем увеличение индуктивности катушки L1 и уменьшение L2, компенсирующий ток I_к также возрастает. При этом индуктивность дросселя L_k1 уменьшается, индуктивность дросселя L_k2 увеличивается и мост стремится к равновесию. Если коэффициент усиления усилителя достаточно велик, мост будет находиться почти в равновесии, так как незначительного небаланса моста уже достаточно для того чтобы на выходе усилителя установился необходимый ток I_к. Усилитель содержит фазированный детектор, благодаря чему направление тока I_к соответствует знаку отклонения размера от заданного, а его величина характеризует величину отклонения. Поместив в цепи тока I_к миллиамперметр, можно проградуировать его по размеру изделия.

В ВЭИ был осуществлен макетный образец подобного устройства. Так как схема компенсационная, то результаты контроля мало зависят от изменения параметров усилителя и напряжения питания.

В частности, изменение напряжения питания на 50% изменяло показания прибора лишь на 1% от максимального значения.

Недостатки схемы следующие:

1) цепь автоматической компенсации не затрагивает звена сортировки, которая должна быть осуществлена последующими каскадами некомпенсационным путем;

2) схема инерционна и имеет постоянную времени порядка 0,15...0,2 s.

Поэтому эта схема не может рассчитывать на широкое распространение, однако она применима в тех случаях, когда нежелательно использовать механическое устройство для изменения индуктивности компарирующих катушек.

Более целесообразно применение следящей системы с компарирующей индуктивностью, изменение которой производится непосредственно звеном исполнительного органа. Один из возможных вариантов сортирующего автомата с индуктивным датчиком и компенсационной схемой показан на рис. 81. Здесь L1 и L2 – катушки индуктивного датчика, L_kl и L_k2 компарирующие катушки, индуктивности которых изменяются путем поворота входящего в них металлического серпа 1, сидящего на одном валу с лотком 2, направляющим сортируемые изделия в один из бункеров.

Рис. 81. Компенсационная схема ВЭИ со следящей системой

Рис. 82. Компенсационная схема НИЭЛ

В зависимости от размера контролируемого изделия якорь индуктивного датчика занимает то или иное положение, на диагонали моста появляется напряжение, поступающее на усилитель 3, питающий мотор 4. Мотор приходит во вращение в ту или иную сторону, поворачивая лоток 2 и серп 1 до тех пор, пока не восстановится баланс моста. Таким образом каждому размеру изделия будет соответствовать лишь одно положение лотка 2. По окончании процесса контроля контакт К размыкается, мотор 4 отключается и изделие идет по лотку в нужный бункер. Для увеличения мощности компарирующих индуктивных катушек L_kl и L_k2 серп 1 может быть заменен якорем обычного индуктивного датчика, перемещаемого мотором с помощью кулачка.

На рис. 82 показана принципиальная схема НИЭЛ, отличающаяся от схемы рис. 81 тем, что в ней компарирующие индуктивности L_kl и L_k2 заменены активным сопротивлением. Это облегчает изготовление схемы, но несколько затрудняет достижение баланса. Сопротивление, выполненное в виде потенциометра, имеет число ступеней, соответствующее числу групп, на которые сортируются изделия.

Движок потенциометра перемещается мотором следящего привода.