Датчики линейного перемещения

KIT наборы

waycon (Германия) http:// waycon. ru / drawwiresensor. html Датчик трехкоординатного перемещения ДТП-01

Габаритные размеры Датчик трехкоординатного перемещения ДТП-01 рассчитан для работы в условиях герметичной зоны (гермозоны) атомных реакторов АЭС, вблизи от объектов контроля и обеспечивает надежные измерения координат в условиях высоких и низких температур, повышенного давления, 100% влажности, мелкодисперсной пыли, воздействии радиации, магнитных и электрических полей. Устойчив к сейсмическим и вибрационным воздействиям. ДТП-01 выполняет преобразование перемещений точки объекта контроля в пределах условного куба перемещений от плюс 150 до минус 150 миллиметров в каждой из трех взаимно перпендикулярных плоскостей, в пропорциональные сигналы электрических сопротивлений трех потенциометрических датчиков с номинальными сопротивлением 5000 Ом и нелинейностью характеристики преобразования не более 0,1 %. Благодаря высококачественным комплектующим и конструкции датчика, приведенная погрешность измерения координат не превышает 1,4%. Области применения: 1. Производства с высокой температурой, давлением, влажностью (паровоздушная смесь); 2. Производства с воздействием химических веществ; 3. Зоны с высокой радиацией, переменными магнитными и электрическими полями. Особенности конструкции: 1. Корпус из нержавеющей стали; 2. Высокоточные потенциометрические датчики фирмы Novotechnik; 3. Высоконадежный гермоввод из нержавеющей стали;4. Шаровой шарнир для передачи трехкоординатного перемещения. Метрологические характеристики Диапазон измерения по каждой из координат X, Y, Z, мм +/-150 Предел допускаемой основной приведенной по грешности преобразования датчика линейного перемещения, %, не более 0.1 Предел допускаемой основной приведенной погрешности преобразования по углу a, %, не более 1 Предел допускаемой основной приведенной погрешности преобразования ДТП-01, %, не более 1.4

 

Магнитострикционные датчики.

Принцип работы

Магнитострикция была обнаружена только в ферромагнитных материалах, таких как железо, никель, кобальт и сплавах. Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства этих материалов. То есть, если ферромагнетик находится в области магнитного поля, то оно вызывает микроскопическую деформацию его молекулярной структуры, что приводит к изменению физических размеров ферромагнетика. Такое поведение объясняется существованием бесчисленного количества маленьких элементарных магнитов, из которых состоит ферромагнитный материал. Они будут стремиться установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных пространственных областей, уже без внешнего магнитного поля. В этих так называемых доменах, все элементарные магниты направлены одинаково. Но первоначальное распределение доменов хаотично и снаружи ферромагнитное тело кажется немагнитным. При приложении магнитного поля, домены выстраиваются по направлению этого поля и выравниваются параллельно друг другу. Таким образом, получаются собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз. Например, если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень испытает механическую деформацию и получит линейное удлинение. Но в реальности удлинение посредством магнитострикционного эффекта очень мало. (рис.1) Магнитострикционный эффект обуславливается совокупностью магнитных и механических свойств ферромагнитных материалов, соответственно его можно оптимизировать посредством создания специальных сплавов и управлять с помощью направленного действия внешнего магнитного поля. В промышленных измерительных системах используется магнитострикционный эффект, который называется эффект Видемана. Он описывает механическую деформацию (скручивание) длинного, тонкого ферромагнитного стержня, который находится под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В датчиках линейных перемещений внешнее магнитное поле создается позиционным магнитом, которое при пересечении с концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня(Рис.2). Так же, в датчиках используется так называемый, магнитоупругий эффект (или эффект Виллари). Он связан с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Чтобы превратить изложенные выше физические основы в надежно работающую измерительную систему, была предложена конструкция датчика, представленная на рисунке 3. Датчик линейных перемещений состоит из 5 основных частей:

-измерительный элемент (волновод);

-электроника датчика;

-позиционер в виде постоянного магнита;

-преобразователь торсионного импульса;

-демпфирующая часть (на конце стержня, в которой гасится вторая часть торсионного
импульса).

 

«Стержнем» измерительной системы является ферромагнитный измерительный элемент, использующийся как волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна до преобразователя импульсов. Измеряемая позиция определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Этот магнит создает магнитное поле в волноводе и связан с объектом измерения. Здесь нужно подчеркнуть, что между позиционером (магнитом) и измерительным элементом (волноводом), полностью отсутствует механическая связь. Это гарантирует очень долгий срок службы датчиков на основе этого принципа измерения.

При измерении короткий импульс тока посылается из электронной части сенсора с помощью волновода. При перемещении импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (Рис.3). При пересечении с магнитным полем постоянного магнита-позиционера, возникает, согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, которая является высоко-динамичным процессом, вследствие скорости токового импульса. Из-за этого возникает ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода, однако в одном из концов она полностью гасится. Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в специальном преобразователе. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика.

Торсионная ультразвуковая волна перемещается по волноводу с постоянной скоростью звука. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципа измерения, на котором созданы датчики линейных перемещений, очевидны несколько преимуществ, которыми они обладают:

· измерять расстояние можно с наивысшей точностью;

· металлические магнитострикционные материалы обладают долговременными и очень стабильными параметрами;

· благодаря специальному дизайну и конструкции датчика, вся измерительная система надежно защищена от внешних воздействий, например, от вибрации станков.

 Из суммы этих преимуществ получаем высокоточные датчики перемещения, обладающие высочайшей повторяемостью измерений и очень большой надежностью.

Были детально исследованы различные варианты схемы преобразователя торсионных импульсов, которые представлены на рисунке 4. При этом оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения.

Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную (скручивающую) волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией.

Преимущества

По сравнению с традиционными системами измерений расстояния, магнитострикционные датчики обладают важными преимуществами:

· нечувствительность к вибрациям, ударам, загрязнению, влажности и т.д.;

· долгий срок службы и отсутствие необходимости в специальном обслуживании;

· отсутствие необходимости возвращаться в начальную точку при отключении питания, т.е. абсолютный выходной сигнал;

· высокая линейность, повторяемость и разрешение;

· позиционер (магнит) не нуждается в подаче питания;

· высокая степень защиты IP67/IP68;

· модели, предназначенные для установки в гидравлических цилиндрах, выдерживают давление до 600 бар.

 

 

Под маркой Temposonics компания MTS Sensors выпускает три основные серии датчиков линейных перемещений:

Temposonics E-Series

Экономичная серия недорогих датчиков перемещения. Представлена моделями:

- Temposonics EP

Серия профильных датчиков перемещений в корпусе из алюминия. Диапазон измерений: 50-3250мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В или 4..20мА); цифровой(Start/Stop pulse RS422). Разрешение: 10мкм.

 

 

- Temposonics EH

Компактная стержневая серия датчиков перемещений для установки в гидравлические цилиндры. Диапазон измерений: 50-1000мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В/4..20мА)

 

 

Temposonics G-Series

Оптимальная по соотношению стоимость/производительность серия датчиков перемещений для автоматизации производственных процессов. Представлена моделями:

- Temposonics GP

Профильная система из алюминия. Диапазон измерений: 50-5000мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В или 4..20/20..4мА); цифровой(Start/Stop pulse RS422). Разрешение: 5мкм

 

- Temposonics GH

Универсальный датчик, стойкий к давлению, со штангой из нержавеющей стали. Диапазон измерений:50-7600мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В/4..20мА); цифровой(Start/Stop pulse RS422). Разрешение: 5мкм.

 

- Temposonics GB

Серия датчиков перемещений для установки в гидравлические цилиндры. Диапазон измерений: 50-3250мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В или 4..20мА); цифровой (SSI: бинарный или код Грэя). Разрешение: 10мкм.

 

Temposonics R-Series

Высокопроизводительная серия датчиков перемещений, для измерения с максимальной точностью и с различными выходными сигналами. Представлена моделями:

- Temposonics RH

Универсальный датчик, стойкий к давлению, со штангой из нержавеющей стали, для измерения уровня жидкости. Диапазон измерений: 25-7600мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10/10..0/-10..+10В или 4..20/20..4мА); цифровой (SSI: бинарный или код Грэя; CANOpen, Profibus, DNet). Разрешение: 1 мкм.

- Temposonics RP

Профильная система из алюминия. Диапазон измерений: 25-6200мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10/10..0/-10..+10В или 4..20/20..4мА); цифровой (SSI: бинарный или код Грэя; CANOpen, Profibus, DNet). Разрешение:1 мкм.

 

 

- Temposonics RF

Универсальный датчик с гибким измерительным стержнем. Диапазон измерений: 25-15000мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10/10..0/-10..+10В или 4..20/20..4мА); цифровой (SSI: бинарный или код Грэя; CANOpen, Profibus, DNet). Разрешение: 1 мкм.

 

К каждому датчику возможно заказать магниты различной конструкции и поплавки.

Один из мировых лидеров в области производства датчиков и компонентов для автоматизации для различных отраслей промышленности, фирма Balluff, также выпускает под торговой маркой Micropulse магнитострикционные датчики уровня и линейных перемещений серии BTL5: