Кольцевые датчики с короткозамкнутой обмоткой

В отличие от датчика вихревого тока катушка кольцевого датчика с короткозамкнутой обмоткой всегда имеет магнитомягкий, луженый сердечник прямой или изогнутой U-образной или Е-образной формы. Подвижный спойлер сконструирован как короткозамкнутое кольцо из материала, являющегося хорошим проводником, например, меди или алюминия, который подвижно расположен на одной или всех цапфах сердечника. Благодаря железному сердечнику такие датчики обладают большей индуктивностью, чем датчики вихревого тока и более высокой эффективностью измерений из-за очень концентрированной проводимости магнитного потока железным сердечником. Таким образом, они могут работать при низких частотах и не обязательно нуждаются в сигнальной электронике в месте расположения на датчике. Железный сердечник защищает измерительное пространство между цапфами сердечника от внешних полей помех.

Рис. Принцип измерения короткозамкнутого кольцевого датчика. Изображение двух различных измеряемых отрезков:

1. Короткозамкнутое кольцо
2. Магнитомягкий сердечник
3. Катушка
4. I Ток
5. Iw Вихревой ток
6. L(s) индуктивность
7. Ф(s) магнитный поток при измеряемом отрезке s

В переменное поле, которое создает ток катушки в железном сердечнике и вокруг него, невозможно проникнуть через короткозамкнутое кольцо, поскольку вихревые токи компенсируются в короткозамкнутом кольце практически до нуля. Вихревые токи в короткозамкнутом кольце выступают таким образом — как: «магнитный изолятор» — распространение магнитного потока Ф пространством между катушкой и короткозамкнутым кольцом (отсюда англ: shading ring) и делают его зависимым от положения х короткозамкнутого кольца, Ф = Ф(х).

Индуктивность определяется как:

L = Ф/I

Поэтому положение х короткозамкнутого кольца оказывает непосредственное влияние на индуктивность L катушки обмотки возбуждения. Взаимосвязь L = L(х) в широком диапазоне явятся положительно линейной. Для измерения можно использовать почти всю длину датчика. При этом не требуется механической узкой направляющей короткозамкнутого кольца. Масса короткозамкнутого кольца, которое следует передвигать, очень мала. Создание очертаний (придание формы) расстояния между цапфами влияет на форму графической характеристики: сужение расстояния от цапфы до конца измерительного диапазона улучшает заданную хорошую линейность. В зависимости от материала и конструкции чаще всего эксплуатация осуществляется в диапазоне 5…50 кГц. Датчик используется также в самых жестких условиях эксплуатации, например, в дизельных топливных насосах.

Рис. Полудифференциальный короткозамкнутого кольца. Конструкция датчика хода рейки ТНВД для серийных дизельных топливных насосов:

1. Магнитомягкий сердечник
2. Эталонная катушка (L2)
3. Эталонное короткозамкнутое кольцо
4. Рейка ТНВД
5. Измерительная катушка (Lt)
6. Измерительное короткозамкнутое кольцо
7. S Ход рейки ТНВД

Из-за режима работы в переменном токе сердечники луженые (например, NiFe-лужение, 0,2 мм толщина). Для получения нужной механической стабильности, которая удерживает щитки в устойчивом к ускорению состоянии, они не только склеиваются обычным способом, но и дополнительно «перфорируются». Для этой цели на щитках в определенных местах делаются утолщения, с помощью которых они еще до мягкого отжига соединяются изнутри (как в конструкторе ЛЕГО), не разрушая при этом электроизоляцию между щитками.

Полудифференциальный кольцевой датчик с короткозамкнутой обмоткой с подвижным измерительным и эталонным жестким короткозамкнутым кольцом является очень точным; он выполняет анализ данных как индуктивный делитель напряжения (анализ данных индуктивности L1/L2 или (L1-L2)/(L1+L2) или как член генераторной схемы, определяющий частоту, в целях создания частотно-аналогового сигнала (прекрасно защищен от помех, легко оцифровывается).

Рис. Полудифференциальный короткозамкнутый кольцевой угловой датчик. Конструкция углового датчика в исполнительном механизме дизельных распределительных ТНВД:

1. Измерительная катушка
2. Измерительное короткозамкнутое кольцо
3. Магнитомягкий сердечник
4. Вал регулирующей заслонки
5. Эталонная катушка
6. Эталонное короткозамкнутое кольцо
7. Ф Угол измерения
8. Фмах Область угла опережения зажигания вала регулирующей заслонки

Рисунок отображает конструкцию полудифференциального кольцевого датчика с короткозамкнутой обмоткой (КДКО) для дизельных распределительных ТНВД. На каждой цапфе сердечника крепятся одна измерительная катушка и одна эталонная катушка. Если по катушкам проходит электрический переменный ток, исходящий от прибора управления, образуются переменные поля. Эталонное короткозамкнутое кольцо неподвижно, в то время как: измерительное короткозамкнутое кольцо закреплено на вале регулирующей заслонки (угол опережения зажигания (ф). При смещении измерительного короткозамкнутого кольца изменяется магнитный поток, а вместе с ним и напряжение на катушке, поскольку прибор управления поддерживает постоянный ток (подводимый ток). Переключатель, обрабатывающий сигналы, формирует соотношение выходного напряжения UA на измерительной индуктивности L1 к эталонному напряжению URef на эталонной индуктивности L2. Оно пропорционально отклонению измерительного короткозамкнутого кольца и может анализироваться прибором управления.