М. И. Этингоф Индуктивные преобразователи для линейных измерений

М. И. Этингоф

ОАО «НИИизмерения», Москва, Россия, e-mail: etingof@glasnet.ru

Рассмотрены технические и метрологические характеристики наиболее распространенных в разных странах индуктивных преобразователей диаметром 8 мм, применяемых при линейных  измерениях. Показано, что  этим  индуктивным преобразователям  присущи  некоторые конструктивные и метрологические недостатки, которые следует непременно учитывать при их эксплуатации.  Также возможно следует изменить конструкцию этих индуктивных преобразователей для повышения их качества.

Ключевые слова: индуктивный преобразователь, магнитопровод,  обмотка, погрешность.

Измерительные приборы с индуктивными преобразователями (ИП)  заняли доминирующее место среди электронных прибров при линейных измерениях в диапазоне до 5 мм благодаря целому ряду несомненных  преимуществ по сравнению с другими типами преобразователей. ИП выгодно отличают относительная простота конструкции, достаточно высокая   мощность выходного сигнала,  малые  размеры, высокая точность и надежность, пониженная чувствительность к изменению условий окружающей среды, сочетание хороших динамических свойств с возможностью передачи сигнала на сравнительно большое расстояние (до 10 –15 м) с минимальными искажениями и потерями и низкая цена. Подавляющее большинство выпускаемых  ИП имеют наружный диаметр 8 мм и примерно одинаковую конструкцию. Этим ИП присущи  некоторые конструктивные и метрологические недостатки, которые следует непременно учитывать при их эксплуатации.

ИД выпускают  ведущие зарубежные фирмы США,  Европы и Японии –  Tesa  (Швейцария), Mahr (Германия), MITUTOYO (Япония), Marposs (Италия) и др. В России ИП выпускает завод  «Измерон» (г.Санкт-Петербург) и ООО «Микромех» (г.Санкт-Петербург). Каждая фирма предлагает большую гамму ИП для решения различных измерительных задач. ИП выпускают согласно  международному стандарту DIN 32876 часть  1.

В настоящее время и в течение по крайней мере 10 лет выпускается всеми фирмами примерно одинаковая конструкция дифференциального ИП соленойдного типа с диаметром корпуса 8 мм. Эти ИП широко применяют для цеховых и лабораторных измерений, при серийном производстве,  для калибровки приборов и плоскопараллельных  концевых мер длины.

В дифференциальных соленойдных ИП используется зависимость индуктивного сопротивления обмоток от изменения длины  воздушного зазора между ферромагнитным якорем (сердечником) и магнитопроводом (рис.1). Таким образом, параметры электрического выходного сигнала  преобразователя  зависят от линейного перемещения якоря, связанного с отклонением размера объекта контроля.

Рис.1  Дифференциальный ИП с полумостовой и трансформаторной схемой включения обмоток

Дифференциальные преобразователи (рис.1), представляющие собой конструктивное объединение двух одинарных преобразователей, имеют общий подвижный якорь. При перемещении якоря воздушный зазор  одного простого преобразователя уменьшается, а второго увеличивается. На катушки подано переменное напряжение. В выходной цепи преобразователя индуцируется выходной сигнал, пропорциональный перемещению ферромагнитного якоря. При симметричном положении сердечника выходное напряжение равно нулю (электрический нуль). Выходной сигнал после усиления и фильтрации подается на вольтметр или после аналого-цифрового преобразования на цифровой индикатор.

Достоинством дифференциальных ИП является возможность получения линейной характеристики (рис.2) в сравнительно большом диапазоне (до 10 мм) перемещений якоря, поскольку нелинейности характеристик двух симметричных половин частично компенсируются.

Рис.2   Выходная характеристика U=f(S) индуктивного преобразователя.

U – выходное напряжение,   S – перемещение (ход) якоря,    L – линейный диапазон характеристики,    Lf –  нелинейность.

Конструкция преобразователя показана на рис. 3.

 

Рис.3 Индуктивный преобразователь диаметром 8 мм.

В цилиндрическом  корпусе 1 расположен неподвижный магнитопровод, собранный во втулке 9,  с двумя (или тремя) катушками 2 и подвижный шток 13.  ИП выполнен в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с наружным диаметром 8h6 или 8h7. Корпус имеет   твердое никелевое  или  хромовое  покрытие,  хорошо защищающее его от коррозии в цеховых условиях. Корпус служит одновременно посадочным диаметром для установки ИП в измерительную стойку или измерительную оснастку. Шток 13 перемещается в шариковой направляющей 12 на насыпных шарах 6 диаметром 0,68-0,8 мм,  собранных с небольшим натягом 1-2 мкм. Такая конструкция обеспечивает легкость и точность перемещения штока, устойчивость к боковым усилиям на измерительный наконечник 8. На внутреннем конце штока 13 установлен ферритовый стерженек 10, который перемещается внутри катушек 2 и служит якорем ИП. На наружном  конце штока 13 расположен измерительный наконечник 8,  оснащенный твердосплавным шариком диаметром  3 мм. Измерительное усилие создается пружиной 4. Для регулировки усилия служит резьбовая втулка 11. Катушки индуктивности 2 расположены в ферритовом магнитопроводе. Якорь установлен в немагнитной втулке 3 с коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения магнитопровода. От поворота шток 13 удерживается роликом 5. Ход штока ограничен упорами 7.

Обмотки (катушки) преобразователя намотаны аккуратно уложенным виток  к  витку тонким проводом диаметром 0,04-0,08 мм с числом витков 600-800. Омическое сопротивление катушек составляет несколько ом. Для якоря и магнитопровода используют мягкие ферриты с коэффициентом магнитной проницаемости 2000-6000 гс/э.

Якорь преобразователя закреплен на конце тонкого относительно  длинного цилиндрического штока. Масса подвижного штока составляет от 2 до 10 г. Это позволяет использовать преобразователи в динамическом режиме при изменении  размеров  с частотой до 60 Гц.

Обмотки (катушки)  преобразователя включают  в полумостовую (Рис.1)  или трансформаторную схему. При включении в полумостовую схему напряжение питания подается на катушки преобразователя, а выходной сигнал снимается  со средней точки. Трансформаторная схема имеет одну питающую (первичную) и две измерительные (вторичные) обмотки,  включенные в противофазе, генерируют выходное напряжение, пропорциональное измеряемому перемещению.

Обмотки  преобразователя  питают переменным  синусоидальным напряжением от 3 до 6 В частотой 5-13 кГц. Чувствительность преобразователей составляет от 73 до 50 мВ/В/мм при нагрузке от 2 до 10 кОм.

ИП выполнен в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с наружным диаметром 8h6 или 8h7. Корпус выполнен с твердым никелевым  или  хромовым  покрытием,  хорошо защищающим его от коррозии в цеховых условиях. Корпус служит одновременно посадочным диаметром для установки его в измерительную стойку или оснастку.

Большинство преобразователей  имеют  длину  около 100 мм с аксиальным или радиальным выводом кабеля.  Вывод кабеля надежно защищен резиновым уплотнением. Длина кабеля  2 м. Увеличение длины кабеля может привести к ухудшению метрологических характеристик преобразователя.

Корпус и направляющие преобразователя надежно герметизированы резиновыми уплотнениями.  Подвижный шток 13 защищен эластичным уплотнением («гармошкой») 14 из маслобензостойкой резины. Степень защиты преобразователя IP 65 по стандарту DIN EN  60529 и ГОСТ 14254-96.

Выпускаются преобразователи с диапазоном измерения  ±0,2;  ±1,0  и ±2,0 мм.  Имеются модели с диапазоном измерения ±5 и ±10 мм.

Преобразователи выпускают в нескольких исполнениях с разным  измерительным  усилием.  Наименьшее измерительное усилие составляет 0,16 Н, наибольшее  – 1,0 Н.

Нелинейность характеристики собственно  преобразователей с аналоговым выходом составляет от  (0,07 + 0,4L) до (0,2 + 3L3) мкм у разных моделей ИП, где L диапазон измерения в мм (рис.2). При использовании преобразователя с микропроцессорным блоком, имеющим программу линеаризации, можно «выпрямить» характеристику и повысить ее линейность. В комплекте с аналоговыми или микропрцессорными электронными блоками ИП устойчиво работают при цене деления шкалы или дискретности цифрового отсчета 0,01; 0,05 и  0,01 мкм. Нестабильность показаний  преобразователей  составляет  от  0,01  до 0,2 мкм у разных моделей ИП.  Погрешность прямого и обратного хода составляет от 0,01 до 0,25 мкм.  Смещение нуля при изменении окружающей температуры – 0,25 мкм/ 0С.

Преобразователи могут  применяться  при  температуре от -100 до 650С. Однако метрологические характеристики  гарантируются при  нормальной  температуре 20 0C.

При необходимости подъема (арретирования) штока в процессе измерения преобразователи могут быть  снабжены механическим или пневматическим арретиром,  использующим давление или разрежение воздуха.

С помощью индуктивных приборов  производят, главным образом, относительные измерения, настраивая приборы по плоскопараллельным  концевым мерам длины или образцовой детали, например, по установочному кольцу. Это существенно уменьшает систематические и случайные погрешности измерения, так как настройку и измерение производят в одинаковых условиях, а диапазон измерения не велик. Однако в погрешность измерения входит погрешность аттестации образцовой детали и погрешность настройки.

Выходные сигналы ИП обрабатывают в зависимости от решаемой задачи. Высокая линейность выходной характеристики ИП позволяет производить сложении или вычитание выходных  сигналов двух или нескольких ИП по схеме ±А±В. Это существенно расширяет возможности их применения для решения различных измерительных задач особенно при автоматическом контроле размеров.

ИП применяют в нутромерах, скобах, контрольных приспособлениях, контрольно-сортировочных автоматах, многомерных устройствах   для  ручного   и  автоматического послеоперационного контроля. А также для контроля размеров деталей на стойке. На базе  ИП выпускают многочисленные индуктивные приборы с аналоговым или цифровым отсчетом. Также выпускают ИП с контроллером с USB интерфейсом для непосредственного подключения к компьютеру.

При всех достоинствах ИП диаметром 8 мм они имеют два серьезных недостатка, которые снижают их надежность  и достоверность их показаний.

Конструктивный недостаток ИП обусловлен малым диаметром корпуса. Выполненные в таком корпусе шариковые направляющие с шарами диаметром 0,68 мм не могут обеспечить длительную точную работу. Шары быстро изнашиваются, теряют круглую форму, сползают. Это приводит к увеличению погрешности ИП.  Кроме того, в таком маленьком корпусе трудно надежно закрепить кабель. При движениях кабеля, неизбежных в эксплуатации, происходит смещение настройки ИП.

Диаметр корпуса 8 мм возник не случайно. Кроме всегдашнего стремления конструкторов к уменьшению размеров приборов имеется очень старый стандарт на посадочный диаметр измерительных индикаторов, головок и преобразователей – 8h6. Никаких серьезных обстоятельств для сохранения посадочного диаметра 8 мм у ИП нет. Если какая-то фирма отойдет от этого стандарта и начнет выпускать ИП диаметром, например, 9 или 10 мм, то  ИП конструктивно станет значительно качественнее и надежнее в эксплуатации.

Другой недостаток индуктивных приборов состоит в том, что они не имеют материального носителя размера в отдичие, например, от штангенциркуля.  Контролируемый размер, соответствующий перемещению штока и якоря ИП, отображается выходным электрическим сигналом (напряжением), который преобразуется, усиливается, калибруется  и показывается на аналоговой или цифровой шкале в мкм. Соответствие выходного напряжения  перемещению штока достигается при правильной и точной калибровке индуктивного прибора. Однако никогда нет уверенности, в том, что калибровка и настройка нуля сохранились. Поэтому при эксплуатации индуктивных приборов периодически (практичесеи перед каждым измерением) производят их настройку по образцам или плоскопараллельным концевым  мерам длины.  Причем этот недостаток ИП  нельзя устранить.

Таким образом, выпускают и широко применяют ИП диаметром 8 мм с очень хорошими метрологическими характеристиками, но им органически присущи некоторые недостатки, которые следует учитывать при их эксплуатации.

Литература

1. Щепетов А.Г.  Теория, расчет и проектирование измерительных устройств. Часть 2, ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2007

2. Сорочкин Б.М.  Автоматизация измерений и контроля размеров деталей, Л. Машиностроение, 1990, 365 с.,

3. Федотов А.В.  Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств, М, Машиностроение 1979, 176 с.

 

Измерительная техника. 2013. №4