Jste zde

Indukční senzory přiblížení - obecný popis

Antonín Vojáček, 31. Srpen 2005 - 21:14
Indukční senzory přiblížení umožňují bezkontaktně detekovat, příp. měřit, přiblížení elektricky vodivých předmětů na vzdálenosti až desítek mm. Jejich hlavní výhodou je možnost bezchybně dlouhodobě pracovat v prašném nebo jinak znečištěném průmyslovém prostředí.

V průmyslu a jeho aplikacích se často setkáváme s nutností bezkontaktně spolehlivě detekovat pohyb, dorazy, limitní posuv, natočení, vyosení apod. To vše v prašné a nehostinném výrobním prostředí. Pokud detekovaný materiál je kov (elektricky vodivý materiál), je nejvhodnější použít tzv. indukční senzory. Obecně krátce shrnuto, indukční senzor přiblížení slouží pro vyhodnocování přítomnosti kovového materiálu (pro detekci el. nevodivých materiálů slouží kapacitní senzory).

Dnes je na celosvětovém trhu nepřeberné množství výrobců těchto senzorů (snímačů) s různými vlastnostmi, často optimalizovanými pro konkrétní použití a pracovní podmínky. Obecný princip a funkce indukčních senzorů přiblížení je však shodný a právě obecným vlastnostem bych věnoval tento článek. Tedy následující informace jsou něco jako úvod do problematiky.

Použití

INDUKčNÍ SENZORY přiblížení lze použít v mnoha aplikacích, jako například:

  • Strojní průmysl - obráběcí stroje, řízení svářecích robotů, dopravníků, detekce posunu, dorazy, detekce tloušťky materiálu ...
  • Potravinářský průmysl - míchací stroje, balící stroje, plnící stroje, posuvné dopravníky ...
  • Dřevoobráběcí stroje
  • Montážní linky
  • Textilní stroje
  • Automobilový průmysl - detekce pohybu kol automobilů (ABS, ESP) ...
  • Bezdotykové koncové spínače na strojích
  • Detekce natočení a otáčení,
  • Měření a detekce přiblížení kovového předmětu, detekce vyosení
  • Detekce pohybu a posuvu - dopravníky, soustruhy ...
  • dále viz. obrázek 1.

Prakticky veškerý mechanický pohyb, lze detekovat a řídit s použitím indukčních senzorů přiblížení, ať již s analogovým nebo diskrétním výstupem. Proti jiným metodám a senzorům se indukční senzory vyznačují hlavně velkou odolností proti nepříznivým okolním pracovním podmínkám, jako jsou prach, olej, voda, vlhkost, elmag. rušení, teplota. Proto je lze přímo, bez přídavné izolace apod., použít na exponovaných místech vystavených nepříznivým podmínkám například v dopravních prostředcích, výrobních provozech těžkého strojírenství, venkovní provozy apod.


 

Obr. 1. Příklady použití indukčních senzorů přiblížení v praktických aplikacích ( a) a e) detekce tloušťky, b) a f) detekce vychýlení, c) detekce vyosení, d) detekce mezery )

Princip běžného indukčního senzoru

Běžný indukční senzor přiblížení válcového provedení obsahuje několik za sebe řazených bloků elektrických obvodů, které pracují v posloupnosti, jak je zobrazeno na obrázku 2.

  • Oscilátor (Oscilator)
  • Vyhodnocovací obvody (Evaluation Circuit)
  • Koncový stupeň (Output Circuit)

Obr. 2. řazení bloků uvnitř běžného válcového senzoru

Základ snímače tvoří oscilátor pracující na principu změny činitele jakosti jádra Q při přiblížení kovového materiálu. Tato změna se projeví útlumem kmitů oscilátoru a oscilátor přestane kmitat. Vysazení kmitů oscilátoru vyhodnotí prahový detektor (evaluation stage), který řídí klopný obvod ovládající výkonový koncový stupeň (output amplifier). Odstraněním kovového materiálu z aktivní spínací zóny oscilátor obnoví kmity. Podle toho o jaký druh spínače jde (spínací nebo rozpínací), se výstup spojí nebo rozpojí při přiblížení kovového materiálu do aktivní zóny snímače.

Hlavním aktivním prvkem indukčního senzoru je tedy cívka (coil), která doplněna kondenzátorem na paralelní rezonanční obvod tvořící již zmíněný oscilátor. Cívka je umístěná na jádru poloviny feritového hrníčku (ferrite core) - viz. obrázek 3. a 4. Vysokofrekvenční střídavý proud, generovaný oscilátorem, protéká cívkou a vytváří magnetické pole, které vystupuje z otevřené strany hrníčku = aktivní plocha senzoru. Jestliže se nachází v blízkosti této aktivní plochy nějaký předmět z elektricky vodivého materiálu (tlumící clonka), dojde k deformaci magnetického pole. V clonce (konstrukční ocel) se indukují vířivé proudy. Ty způsobí změnu magnetického pole, které působí vlivem vzájemné indukčnosti M zpátky na cívku tak, že změní svoji impedanci. Ta se ovšem výrazně mění teprve při velmi malých vzdálenostech s mezi cívkou a clonkou (viz. obrázek 4.). řádově v maximálním rozsahu jednotek až desítek mm.

Obr. 3. Princip indukčního senzoru

Obr. 4. Konstrukce aktivní cívky (1 - mag. pole, 2 - clonka (el. vodivý materiál), 3 - cívka, 4 - oscilátor, 5 - zesilovač)

Každý indukční senzor přiblížení vždy popisuje v katalogovém listu několik důležitých základních údajů:

  • Napájecí napětí - rozsah napětí kterým je snímač napájený, při kterém je zaručená jeho správná činnost.
  • Klidový proud - proud, který snímač odebírá ze zdroje při max. napájecím napětí. Jedná se o samotnou spotřebu snímače, není v něm zahrnut proud tekoucí výstupem snímače.
  • Spínací proud - maximální proud, který je možno odebírat z výstupu.
  • Reálná spínací vzdálenost (axiální citlivost) - vzdálenost od čela snímače, v které při pohybu kovovým předmětem ve směru axiálním, snímač sepne nebo rozepne výstup (viz. obrázek 5.). Je definovaná při teplotě okolí 20°C, materiál ocel St37, tloušťka clony 1 mm, plocha clony rovná aktivní ploše snímače. Pro jiné materiály je nutno hodnotu vynásobit daným koeficientem (slitiny chromniklové 0.9, slitiny bronzu/ mosaz 0.5, měï 0.3, hliník 0.4).
  • Pracovní vzdálenost - vzdálenost, při které spolehlivě snímač vyhodnotí kovový předmět.
  • Hystereze - rozdíl mezi bodem sepnutí a bodem rozepnutí. Udává se jako axiální citlivost tj. ve směru axiálním.
  • Spínací frekvence - maximální počet sepnutí za vteřinu.

Obr. 5. Definování termínů v axiálním rozlišení

Rozdělení běžně vyráběných snímačů

Běžně vyráběné snímače, tj. snímače pro takové účely, pro které je vyrábí většina firem, lze rozdělit do několika kategorií podle jejich vlastností a použití.

Elektrické vlastnosti

Z pohledu elektrických vlastností, snímač je obvykle konstruován pro napojení do obvodů s napájením v základním rozsahu 10 - 30 V DC (stejnosměrných), u vybraných typů 20 - 60 V nebo 22 - 250 V AC (střídavých). Vyrábí se obvykle ve třech typech vývodů (viz. obrázek 6.):

  • pro vývod je použit přívodní kabel délky 2m (někde na přání zákazníka i delší)
  • pro vývod je použit konektor
  • pro vývod je použita svorkovnice

Typ připojení konkrétního snímače často závisí na jeho rozměrech, přičemž nejmenší snímače se obvykle vyrábějí s přívodním kabelem a ty největší (z pohledu rozměrů aktivní plochy snímače) často se svorkovnicí.

Obr. 6. Rozdělení indukčních senzorů podle počtu a typů vývodů

Dále existují tři verze provedení podle počtu vývodů (nezávisle na typu vývodů - viz. obrázek 6. a 7.):

  • 2vodičové - spínaný objekt je přímo napojen na napájecí svorky
  • 3vodičové - spínaný objekt má svůj výstup oddělený od napájecích svorek
  • 4vodičové - spínaný objekt má svůj výstup oddělený od napájecích svorek

Podle typu spínání zátěže při detekovaném přiblížení kovového předmětu lze snímače rozdělit (viz. obrázek 7.) na:

  • spínací PNP - spínaná zátěž se připojuje mezi zápornou napájecí svorku a příslušný ovládací vývod (také viz. obrázek 6.)
  • rozpínací NPN - spínaná zátěž se připojuje mezi kladnou napájecí svorku a příslušný ovládací vývod
  • spínací/rozpínací (programovatelné) - lze použít obě varianty PNP i NPN

Obr. 7. Příklady spínání zátěže (relé) indukčním senzorem typu PNP nebo NPN

Mechanické vlastnosti (upevnění)

Z pohledu mechanické zabudovatelnosti senzoru do zařízení se vyrábí ve dvou provedeních (viz. obrázek 8.):

  • snímače s pouzdry z plastů (vazební - flush device)
  • snímače s pouzdry z kovu (nevazební - Non-flush device)

Obr. 8. Příklad provedení vazebního senzoru (vlevo) a nevazebního (vpravo)

Snímač v provedení nevazebním je citlivý na kovové předměty nacházející se po stranách snímače a je zapotřebí při jeho montáži do kovu dodržet určité podmínky (obrázek 9. vpravo), snímač v provedení vazebním je možno zabudovat přímo do kovu bez přesahu aktivní části senzoru (obrázek 9. vlevo).

Obr. 9. Vestavba senzoru do zařízení - vazební (vlevo), nevazební (vpravo)

Dále pak existují různá mechanická provedení:

  • válcová (viz. obrázek 10.) - ty lze rozdělit dále rozdělit podle možnosti upevnění na indukční senzory bez závitu (hladké) a s upevňovacím závitem, jehož velikosti pak odpovídá i spínací vzdálenost (M5 - spín. vzd. cca 1mm, M8 - 1.5 mm, M12 - 2 mm, M18 - 5 mm, M30 - 30 mm).
  • kvádrová

Obr. 10. Příklad provedení senzoru s upevňovacím závitem (vlevo) a bez závitu - hladké (vpravo)

Nejběžnější principy pro detekci přiblížení

Na následujících třech obrázcích jsou základní a nejběžnější principy detekce přiblížení kovového předmětu při využití indukčních senzorů.

Obr. 11. Příklady základních principů přiblížení předmětu k úspěšné detekci

Závěr

Indukční senzory jsou jedna z možností, jak i v obtížných podmínkách bezkontaktně detekovat nebo zjišťovat přiblížení elektricky vodivých předmětů na vzdálenosti desítek mm. Indukční senzory přiblížení se proto dnes často využívají v průmyslu a jejich výrobou se zabývá každá významná firma z oblasti průmyslové senzoriky. V některých dalších článcích se k uvedené skupině snímačům vrátím a pokusím se konkrétně stručně uvést některé výrobky známých firem s prodejem a distribucí na území české republiky. Pro více teoretických informací pak odkazuji na výbornou knihu z nakladatelství BEN - "Senzory v průmyslové praxi".

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: