Дифференциальные индуктивные датчики представляют собой совокупность двух одинарных (нереверсивных) датчиков с общим якорем. Такой датчик показан на рисунке 3.
Рисунок 3
Предназначены дифференциальные индуктивные датчики для получения реверсивной статической характеристики и для компенсации электромагнитной силы притяжения якоря.
Рассмотрим работу дифференциального индуктивного датчика (рисунок 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 RН включается между этой средней точкой и общей точкой обмоток сердечников 1 и 2. Ток в сопротивлении 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 RН, 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. Соответственно изменится направление токов в нагрузке, но опять ток в нагрузке будет равен разности токов I1 и I2.
При среднем (симметричном) положении якоря 3 индуктивности обмоток 1 и 2 одинаковы. Следовательно, токи I1 и I2равны, разность их равна нулю, выходной сигнал (ток в сопротивлении нагрузки) равен нулю: IН = I1 – I2 = 0.
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 (рисунок 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.
Плунжерные датчики
Для измерения больших перемещений применяют индуктивные датчики в виде катушки с подвижным внутренним сердечником. Если сердечник полностью введен внутрь 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 (рисунок 4). 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.
У плунжерных датчиков есть одна очень важная особенность: они позволят 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 (рисунок 4) надевают на разделительную трубку 3 из нержавеющей немагнитной стали, внутри которой и перемещается сердечник 2 из ферромагнитного материала.
Рисунок 4 Рисунок 5
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.
С помощью плунжерных датчиков могут быть реализованы такие же дифференциальные и мостовые схемы.
На рисунке 5 представлена схема индуктивного моста, где использованы плунжерные датчики А и Б. Датчик А установлен в передающем приборе, датчик Б – в приемном приборе.
Условием баланса моста является 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.
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.