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 i ₁ и i ₂, 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.