Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №10

Технология изготовления термокомпенсированных чувствительных элементов индуктивных датчиков

Дмитрюк Александр  
Савостьянов Владимир  
Трошкин Василий  

В статье рассмотрен метод экспериментального определения рабочей частоты катушек индуктивности для датчиков приближения, при которой активная составляющая сопротивления катушки не зависит от температуры.

Индуктивные датчики приближения широко используются в автоматизированных системах производства для контроля положения в пространстве различных металлических объектов.

Принцип работы таких датчиков основан на измерении добротности открытой, излучающей магнитное поле, катушки индуктивности. Добротность катушки падает при приближении металлических объектов за счет потерь, обусловленных наведенными в мишени вихревыми токами. Измеряя тем или иным способом величину добротности, можно судить о степени приближения к чувствительному элементу датчика металлической мишени. Наиболее распространены датчики на основе LC-генераторов, в которых о добротности катушки судят по амплитуде синусоидальных колебаний на выходе генератора. Но возможны и другие способы оценки добротности катушки. Например, известная фирма Contrinex выпускает датчики, в которых LC-контур возбуждается импульсом напряжения, а о добротности катушки судят по скорости затухания свободных колебаний.

Одна из основных проблем, возникающих при разработке индуктивных датчиков, — изменение активной составляющей сопротивления (а следовательно, и добротности) катушки индуктивности при изменении температуры окружающей среды. В широком диапазоне температур от –25 до +70 °C, в котором по российским и международным стандартам (ГОСТ Р 50030.5.2-99 или МЭК 60947-5-2-97) должны работать промышленные датчики, необходимо применять специальные меры для компенсации температурного дрейфа параметров катушки.

В датчиках, которые работают на стандартных расстояниях Sn до мишени (величины Sn в зависимости от геометрических размеров и особенностей применения датчика можно посмотреть в ГОСТ Р 50030.5.2-99 или МЭК 60947-5-2-97), проблема термокомпенсации легко решается включением последовательно с катушкой термистора, температурная характеристика которого подобрана так, чтобы компенсировать дрейф активной составляющей сопротивления катушки. В датчиках с увеличенной дистанцией срабатывания (в настоящее время все ведущие производители выпускают серии датчиков, работающие на дистанциях 2Sn и даже 3Sn) добиться термокомпенсации с помощью термисторов не получается. Это обусловлено тем, что полезный сигнал экспоненциально уменьшается в зависимости от расстояния до мишени и на дистанции 2Sn составляет десятки мВ, тогда как изменение уровня сигнала из-за влияния температуры в указанном диапазоне измеряется единицами вольт. При таких соотношениях полезного сигнала и температурного дрейфа не удается применять термисторы из-за разброса их параметров. Поэтому для термокомпенсации используют сложные электронные схемы, что приводит к удорожанию датчиков, имеющих повышенную дистанцию срабатывания. Примеры подобных решений приведены в [12].

В патентных базах мира можно найти десятки патентов, посвященных проблеме термокомпенсации индуктивных датчиков. Ведущими фирмами-производителями запатентованы практически все эффективные варианты компенсации температурного дрейфа. Поэтому разработчики датчиков сталкиваются с проблемой нахождения патентно-чистого решения этой проблемы. Однако есть возможность создания датчика, в котором схема для термокомпенсации не нужна. В статье рассмотрены возможности создания катушек индуктивности, в которых активная составляющая сопротивления не зависела бы от изменения температуры.

На мысль о возможности создания таких катушек наталкивает модель многослойной катушки индуктивности, описанная в [3]. Кроме зависимости удельного сопротивления металла от температуры, в модели учтено сужение проводящего слоя проводника на высоких частотах (скин-эффект) и сужение сектора, по которому протекает ток в многослойных катушках (клиновидный эффект). С учетом этих факторов, как показано в [3], величина отношения суммарного активного сопротивления катушки R к ее сопротивлению на постоянном токе R0 определяется следующим выражением:

Формула

где D — диаметр провода, d — глубина скин-слоя, n — количество слоев в катушке.

Результаты расчетов по вышеприведенной формуле представлены на рис. 1. Как видно на графиках, при достаточно большом количестве слоев катушки (n = 10) существует некоторая область отношений D/d, где отношение R/R0 остается постоянным, то есть не зависит от глубины скин-слоя d, а следовательно, и от температуры. Более подробный математический анализ модели проводить не имеет смысла, поскольку формула приближенная и практические результаты могут существенно отличаться от расчетных величин.

Теоретическая зависимость, характеризующая влияние глубины скин-слоя на активную составляющую сопротивления катушки

Рис. 1. Теоретическая зависимость, характеризующая влияние глубины скин-слоя на активную составляющую сопротивления катушки при различном количестве слоев обмотки (n)

Поэтому нами было проведено экспериментальное исследование некоторых образцов катушек. Его цель — показать, что в многослойных катушках можно добиться независимости активного сопротивления от температуры при правильном подборе рабочей частоты. В эксперименте были использованы измеритель иммитанса E7-20 («МНИПИ», Белоруссия) и термостат MK53 (BINDER GmbH).

Параметры исследованных катушек приведены в таблице.

Таблица. Параметры исследованных катушек

№ катушки Внутренний диаметр катушки, мм Внешний диаметр катушки, мм Толщина намотки, мм Диаметр провода, мм Количество витков
1 4 12,5 0,7 0,2 40
2 4 14 0,7 0,16 85
3 4 13,5 1,5 0,43 25
4 7 11 2 0,15 110

Все катушки были намотаны одножильным медным проводом в лаковой изоляции.

В качестве примера на рис. 2 показаны результаты экспериментального исследования катушки № 1. (Результаты исследования остальных катушек авторы готовы выслать заинтересованным читателям по электронной почте.) В процессе эксперимента исследовались как относительное изменение добротности в зависимости от температуры Q(T)/Q(T = 30 °C), так и относительное изменение активного сопротивления R(T)/R(T = 30 °C). Эксперименты показали, что добротность катушек и активная составляющая их сопротивления в зависимости от выбранной частоты, на которой проводились измерения, может с изменением температуры не только увеличиваться, но и уменьшаться. Следовательно, можно подобрать частоту, на которой активная составляющая сопротивления и добротность изменяться не будут. Однако путь подбора частоты путем перебора и снятия температурных зависимостей слишком трудоемок из-за инерционности процессов изменения температуры в термокамере. Поэтому нами была разработана ускоренная технология выбора оптимальной рабочей частоты для катушки.

Зависимость изменения относительной добротности от температуры

Рис. 2. Зависимость изменения относительной добротности Q(T)/Q(T = 30 °C) от температуры при разных рабочих частотах

Было выдвинуто предположение, что для любой многослойной катушки должна существовать точка, в которой зависимость активного сопротивления от частоты при разных температурах будет пересекаться при некотором значении частоты fcut (рис. 3). Тогда при выборе рабочей частоты датчика, равной этому критическому значению, активное сопротивление катушки не будет зависеть от температуры.

Иллюстрация к предположению

Рис. 3. Иллюстрация к предположению о том, что существует частота f = fcut, при которой активная составляющая сопротивления не зависит от температуры (T)

Предположение было проверено и подтверждено экспериментальным путем. На рис. 4 приведена зависимость активного сопротивления катушки с параметрами, указанными на графике, от частоты. Можно сделать вывод, что критическая точка действительно существует на частоте, несколько меньшей 1 МГц.

Зависимость активной составляющей сопротивления от частоты

Рис. 4. Зависимость активной составляющей сопротивления от частоты при разных значениях температуры

Таким образом, технология подбора рабочей частоты для катушки индуктивности может быть сведена к снятию нескольких значений зависимости активной составляющей сопротивления катушки от частоты при нескольких разных значениях температуры.

К сожалению, авторы статьи в настоящее время не имеют возможности провести более тонкие повторные эксперименты из-за отсутствия необходимого оборудования. Поэтому выводы носят скорее качественный, чем количественный характер. Надеемся, что статья заинтересует разработчиков датчиков, имеющих доступ к необходимому оборудованию, и исследования будут продолжены.

Литература

  1. Patent US 0184814 A1. Stefan Ehls, Jens Muller. Inductive proximity switch with differential coil arrangement. Aug. 25, 2005.
  2. Patent US 6031430. Peter Heimlicher. Temperature stabilized oscillator and proximity switch containing the oscillator. Feb. 29, 2000.
  3. Зоммерфельд А. Электродинамика. М.: Изд-во иностранной литературы, 1958.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке