Jaké jsou výhody a nevýhody indukčních snímačů

Je uvažován princip činnosti, návrh obvodu a vlastnosti dvou typů indukčních snímačů přiblížení – generátorového a rezonančního. Je uveden stručný popis moderního evropského trhu indukčních snímačů přiblížení.

V 50. letech dvacátého století, v éře diskrétních balených elektronických součástek, byl vyvinut originální oscilátorový obvod vyrobený pouze se čtyřmi nebo pěti tranzistory, který se s úspěchem používá dodnes a znamenal počátek výroby malorozměrových indukčních senzory v milionech kopií, jejichž hlavním účelem je vytvořit logický (binární) elektrický signál při kovovém předmětu (cíl – cíl) se přiblíží k senzoru na krátkou vzdálenost (obvykle se tato vzdálenost pohybuje od zlomků milimetru do sta milimetrů).

Tyto indukční snímače se ukázaly jako velmi dostupný, jednoduchý, spolehlivý, levný prvek řídicích systémů pro pohony, obráběcí stroje, automatické linky a systémy pro měření fyzikálních veličin. Na výrobě těchto prvků systémů řízení procesů – indukčních senzorů přiblížení, vyrostly snad desítky, ne-li stovky firem po celém světě. Například v USA se v roce 1990 zabývalo výrobou takových senzorů nejméně 35 společností. Podle časopisu“ovládání Inženýrství Evropa» globální trh senzorů přiblížení byl v roce 2002 odhadován na 2,7 miliardy eur a jeho růst je 5 % ročně (což znamená celý trh senzorů přiblížení: indukční, optické, kapacitní, ultrazvukové, magnetické) a evropský trh senzorů přiblížení – 1 miliarda eur. Podle tohoto časopisu jsou hlavními výrobci elektronických senzorů přiblížení tyto společnosti: OBR, Balluff, Prapor, Baumer Elektrická , Bernstein, Carlo Gavazzi, Datasensor, ifm elektronický, Heslo, Pepperl + Fuchs, Schmersal, Schneider, Nemocný, Siemens, Turck (seřazeno v abecedním pořadí).

Je jasně vidět, že páteř tvoří německé firmy, a to je jeden ze „stavebních kamenů“ vedení německého strojírenství ve světě. Pokud tento seznam zúžíme na tři nejvýznamnější výrobce indukčních snímačů v Německu, místa budou rozdělena následovně: 1. místo ifm elektronický; 2. místo ŘízpErl +Fuchs; 3. místo Balluff.

Společnosti specializující se na výrobu indukčních snímačů vyrábějí obrovský sortiment až tisíc a více standardních velikostí. Některé provozní a technické parametry indukčních snímačů přiblížení naznačují dokonalost technologie výrobce:

• Snímače jsou umístěny v pouzdrech o průměru 3 mm s celou řadou funkcí (vestavěná LED, ochrana výstupu proti zkratu a nesprávnému připojení napájení, úroveň ochrany pouzdra není nižší než IP67);
• snímače mají celokovové tělo, tj. citlivá plocha snímače je pokryta kovem;
• vysoký stupeň ochrany (těsnění) pouzdra, např. IP68, IP69K. Při obraně IP69K snímač spolu s elektrickým konektorem lze ošetřit horkou vodou ve spreji pod tlakem (až 100 bar);
• výroba snímačů s tzv. korekčním faktorem rovným 1. To znamená, že snímač v téměř stejných vzdálenostech určuje přiblížení různých kovů k němu: uhlíkové oceli, nerezové oceli, mědi, hliníku atd.;
• uvolnění senzorů s analogovým výstupem, kdy je na výstupu senzoru vytvořen měřicí analogový signál úměrný vzdálenosti mezi senzorem a objektem;
• výroba senzorů, které vydrží vysoké tlaky (200, 300, 500 bar);
• výroba senzorů pracujících při velmi nízkých (až -60 °C) nebo velmi vysokých (až +180 °C) teplotách;
• maximální spínací frekvence výstupního binárního (reléového) signálu je 5, 7, 10 kHz.

Spolehlivost sériových indukčních snímačů je taková, že jejich speciální verze se používají na nejkritičtějších místech souvisejících s bezpečností osob: TP nebezpečné pro personál nebo například v automatizovaných řídicích systémech moderních lanových drah.

Technologie výroby snímačů je natolik vyspělá, že výrobní podniky garantují životnost až tři až pět let. Například společnost ifm elektronický uvádí ve svých katalozích pětiletou záruku. Životnost senzorů může být 20 let i více. Navíc je to již odzkoušeno v praxi, protože celá výrobní zařízení, zakoupená jako komplet z Německa v 80. letech XNUMX. století a vybavená takovými senzory, fungují dodnes.

Obvody moderních indukčních senzorů přiblížení jsou rozmanité a mohou se výrazně lišit od jejich „předků“ z poloviny dvacátého století. Například pro automatizaci řízení velkých technologických komplexů nebo složitých strojů je nutné instalovat desítky a stovky indukčních a dalších senzorů. V tomto případě může nová generace dvouvodičových senzorů s rozhraním poskytnout hmatatelné výhody na komunikačních linkách. AS–i (ovladač – senzor rozhraní), kdy je na jednu dvouvodičovou měděnou sběrnici připojeno až 248 senzorů. Stejná sběrnice zároveň napájí senzory, akční členy a přijímá informace ze senzorů. V podstatě jeden senzor s AS–i Rozhraní je mikrokontrolér s vlastním systémem přenosu dat.

Ale přesto, originalita obvodu generátoru – „primární zdroj“ moderních indukčních senzorů přiblížení, bohatost funkčnosti obvodu a jeho jednoduchost jsou působivé. Podívejme se na toto schéma, zhodnoťme, kde to všechno začalo, kde několik ruských a ještě dříve mnoho zahraničních společností „vzrostlo“.

Jedna z variant tohoto schématu je znázorněna na Obr. 1

„Hřebíkem“ obvodu je oscilátor na tranzistorové sestavě VT1 s dvouvinutým indukčním snímacím prvkem. Parametry dvou indukčních cívek umístěných na jednom jádru, kondenzátorů a rezistorů jsou vypočteny a zvoleny tak, aby při připojení napájení samovolně docházelo v generátoru k oscilacím. Výhodou generátoru je navíc jeho schopnost oscilovat ve velmi širokém rozsahu napájecích napětí. To má za následek široký rozsah přípustných napájecích napětí u mnoha indukčních snímačů: 10 V DC. Konstrukce induktorů může být velmi různorodá: vinutí umístěná v pancéřovém jádru; vinutí navinutá na jádru libovolného tvaru; dva standardní typy jádra DM, vzájemně propojené; jen vinutí bez jader. Jádra pouze soustřeďují a přerozdělují únikové toky v prostoru kolem vinutí. Většina výrobců používá jádro kalíšku ke koncentraci většiny proudu do otevřené oblasti kalíšku. Zde bude sledována maximální citlivost generátoru na přiblížení kovů. Hlavní je však zvolit parametry oscilačního obvodu tak, aby při zapnutí napájení docházelo k oscilacím.

Nyní, pokud se do blízkosti cívek přiblíží kovový předmět nebo jakýkoli materiál (terč), ve kterém se mohou indukovat vířivé proudy, pak schopnost oscilačního obvodu prudce oscilovat vlivem vzájemné indukce cívek a terče. Pokud budete cívky nadále přibližovat k cíli, oscilace se prakticky zastaví nebo se jejich amplituda několikrát sníží. Citlivost generátoru na přiblížení kovového nebo magnetického materiálu je tedy velmi vysoká, což je také důležitá výhoda obvodu. Na sběrateli 7 tranzistorová sestava již obsahuje demodulovaný signál, který jde do komparátoru – spouště Schmitt na tranzistorech VT2, VT3. Protože na sběrateli 7 Existuje analogový signál, který je funkčně závislý na vzdálenosti mezi cívkami a přibližujícím se objektem, lze jej použít pro účely měření, tj. určení této vzdálenosti. Komparátor vytváří reléový (binární) zesílený výstupní signál. Obvod generátoru je pojmenován, protože citlivým prvkem obvodu je generátor: v generátoru dochází k oscilacím – cíl je mimo citlivou zónu cívek, oscilace jsou narušeny – cíl je uvnitř citlivé zóny. LED VD1 se rozsvítí a na zátěž bude přivedeno napájecí napětí, když je cíl blízko snímacího prvku. Společnosti dnes prakticky nevyrábějí senzory bez indikačních LED zabudovaných v pouzdře. Taková LED ve výstupním obvodu je vhodná pro instalaci senzoru a sledování jeho výkonu. V případě indukčního charakteru (například relé) by měla být zátěž přemostěna diodou VD3k odstranění rušivých špiček ve výstupním signálu snímače. Dioda VD2 plní důležitou funkci ochrany celého obvodu před nesprávnou polaritou napájení. Nevýhodou takového generátorového zapojení indukčního snímače přiblížení je rozdílná spínací vzdálenost snímače pro různé materiály terče – tzv. redukční koeficient. Výrobci jej obvykle uvádějí ve svých katalozích pro materiály z oceli, hliníku a mosazi.

Autoři článku z Moskevského energetického institutu (1988) vyvinuli další indukční snímač přiblížení pracující na rezonančním principu, tedy indukční snímač malé vzdálenosti. Rezonanční princip činnosti pro citlivé prvky fotosenzorů byl navržen již dříve a dobře se ukázal v elektronických měřicích zařízeních pro olympijské hry v Moskvě (1980).

Schematický diagram rezonančního indukčního snímače přiblížení je na Obr. 2

Citlivým prvkem snímače je cívka s jádrem L1, který spolu s kondenzátorem С1 tvoří paralelní rezonanční obvod napájený z R–C generátor nosné frekvence.

Na Obr. 1 citlivý prvek (dvě cívky s jádrem) je integrální součástí generátoru nosného kmitočtu. U dvou popsaných obvodů na tvaru kmitů (sinusové, obdélníkové nebo jiné) příliš nezáleží. V rezonančním obvodu (viz obr. 2) jsou kmity nosné vytvářeny regulovatelným RC generátor sestávající ze dvou mikroobvodových prvků 564LN2. Oscilace nosné přes izolační odpor R2 vstoupit do rezonančního obvodu L1-C1. Rezonanční frekvence obvodu musí být v rozsahu nastavení generátoru rezistorem R1. Při rezonanční frekvenci je vnitřní odpor paralelního rezonančního obvodu největší. Proto amplituda na hradle tranzistoru s efektem pole VT1 maximum. Nemovitý L–C obvod má také boční rezonance, ale amplituda kolísání napětí v obvodu při bočních rezonancích je mnohem menší než při frekvenci hlavní rezonance. Generátor se nastavuje odporem R1 na frekvenci kmitání, při které je napětí na vstupu komparátoru maximální (při absenci cíle v blízkosti citlivého prvku). Od vnitřního odporu L–C obvod je významný, pak je jako zesilovač použit tranzistor s efektem pole s vysokým vstupním odporem. Za zesilovačem je signál detekován diodou VD2 a filtrován filtrem R4-C3. Na vstupu komparátoru tedy existuje signál konstantního napětí. Při nepřítomnosti terče na citlivém prvku je napěťový signál na vstupu komparátoru maximální a činí 3 V. Po aktivním citlivém prvku a terči, např. z uhlíkové oceli, se k sobě přiblíží, víří v cílovém materiálu se budou indukovat proudy, které začnou interagovat s citlivým prvkem indukčního snímače. V důsledku toho je rezonance narušena, amplituda napětí klesá o L–C obvodu, napětí na výstupu filtru a na vstupu komparátoru klesá. Pokud bude přibližování citlivého prvku a cíle pokračovat, pak pokles napětí na vstupu komparátoru bude 1,5. 2 V. Komparátor je postaven na dvou mikroobvodových prvcích 564LN2. Spínací prahy komparátoru a šířka hystereze jsou nastaveny hodnotami odporů rezistorů R5, R6, R7. Hystereze komparátoru nastavuje hysterezi snímače. Když se senzor a cíl přiblíží k sobě, výstup komparátoru se přepne z logické nuly na logickou jedničku. Po odstranění terče se komparátor přepne zpět. Při uvedených hodnotách prvků obvodu se senzor zapne ve vzdálenosti asi 1,5 mm od povrchu ocelového terče a vypne ve vzdálenosti asi 2,5 mm od stejného povrchu. Rezistor R9, umístěný v kolektorovém obvodu výstupního tranzistoru VT2, plní funkci ochrany proti přetížení proudového výstupu, brání toku nadměrného výstupního proudu. V případě indukčního charakteru zátěže snímače (například relé), dioda VD3 potlačí napěťové rázy v zátěži. Dioda VD1 je ochrana v případě nesprávného připojení polarity napájení k senzoru. V kolektorovém obvodu výstupního tranzistoru lze v případě potřeby rozsvítit LED s rezistorem pro vizuální sledování stavu výstupu indukčního snímače.

Uvažovaný indukční senzor tedy produkuje binární signál vysoké úrovně při přiblížení k cíli a nízkou úroveň při vzdalování se od cíle. Kromě toho lze pro účely měření použít výstupní analogový signál indukčního snímače, který je odstraněn z filtru. Tento signál se monotónně mění, jak se snímací prvek a cíl přibližují. Bylo zjištěno, že ve vzdálenosti mezi snímačem a cílem do 1 mm se výstupní analogový signál mění téměř lineárně. Změna analogového signálu je minimálně 2 V (ze stavu, kdy není ocelový terč do stavu, kdy jsou terč a snímač v kontaktu). Obvod má dobrou tepelnou stabilitu. Spínací vzdálenost indukčního snímače s terčíky z různých materiálů se prakticky nemění, to znamená, že koeficient redukce se blíží jednotce.

V tomto návrhu obvodu generátoru je nosná frekvence, a tedy amplituda napětí při L–C obvodu, výrazně závisí na stabilitě napájecího napětí. Skutečná tolerance změn napájecího napětí by proto neměla být větší než ±5 %.

Je zřejmé, že obvody generátoru nosného kmitočtu, komparátoru a výstupního zesilovače mohou být velmi rozmanité a dokonce tepelně stabilnější a necitlivé na změny napájecího napětí, než jaké byly popsány. Rezonančně citlivý obvod, jednoduchý tranzistorový zesilovač s efektem pole, detektor, filtr, tedy základ snímače, jsou však velmi jednoduché, originální, spolehlivé a nevyžadují žádné úpravy.

Jsou tedy uvažována dvě schémata zapojení pro konstrukci indukčních snímačů přiblížení. Každý z nich má své vlastní přednosti. Pravděpodobně má rezonanční obvod větší potenciál pro implementaci pomocí hybridní nebo integrované technologie.

Závěrem je třeba poznamenat, že západoevropští lídři v této oblasti si neustále patentují stále nové a nové indukční snímače, zmínky o nich se pravidelně objevují v tuzemských abstraktových časopisech o elektrotechnice. Inovace se týkají jak obvodů, tak designu senzorů. V Rusku existují dvě nebo tři elektrotechnické společnosti vyrábějící senzory, které využívají hlavně první (generátorový) obvod. Jejich webové stránky jsou uvedeny na konci článku. Doporučujeme, aby si čtenář, který má zájem, podíval na stránky německé společnosti ifm elektronický, jeden z úspěšných v této oblasti.

Článek byl poprvé publikován v časopise „Devices and Systems. Řízení, kontrola, diagnostika.“ – Moskva, 2005. – č. 12. – s. 36-39.

• Senzory expo // Senzory. září 1990.
• Kolotov A. Bezkontaktní přerušovač elektronického zapalování // Rádio. 1993. č. 11.
• Gabov A. P., Ryzhov S. N. Indukční koncový snímač v elektrickém pohonu // All-Union Scientific and Technical. conf. „Sledování průmyslových elektrických pohonů. instalace, roboty a manipulátory“: Abstrakt. zpráva Čeljabinsk, 1989.

Máte-li jakékoli dotazy týkající se tohoto materiálu, můžete je položit e-mailem spoluautorovi článku: [email protected].

Zdroj: Kandidáti technických věd Andrey Pavlovič Gabov a Sergey Nikolaevich Ryzhov

Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki