Mimo základní průmyslové senzory/detektory přiblížení existují i méně známé výrobky a principy. Mezi ně patří i magnetické senzory. Na první pohled vypadají jako indukční, ale umožňují detekovat objekt i skrz nemagnetické kovové materiály (hliník, zlato apod.). Mají relativně velký dosah a malé rozměry.

Seznam fyzikálních principů použitelné pro detekci přiblížení nějakého objektu je hodně obsáhlý. Proto i když jsem v předchozích dílech seriálu o senzorech přiblížení stručně probral všechny často používané principy (indukční, kapacitní, ultrazvukové, optické), stále existuje plno dalších možností. Další nejpoužívanější druh po těch uvedených jsou magnetické senzory přiblížení (Magnetic proximity sensors).

Magnetické spínače, jak se taky pojmenovávají, slouží obecně k bezdotykové a bez opotřebení probíhající detekci poloh v řídicí technice. Jsou používány všude tam, kde již induktivní senzory z hlediska spínacích vzdáleností nestačí, protože proti nim nabízí podstatně delší spínací vzdálenosti při stejných nebo i menších rozměrech snímače. Další jejich výhodou je použití jen magnetismu. Magnetická pole totiž prochází všemi nemagnetickými materiály, a tak mohou tyto senzory rozpoznávat magnety, které jsou umístěny např. za stěnami z barevných kovů, ušlechtilé ocele, hliníku, umělých hmot nebo dřeva. Z pohledu možného provedení magnetických senzorů však existuje více možností, které se používají v různých situacích:

• Tradiční (historický) Reedův senzor
• Senzory s Hallovou sondou
• Magnetorezistivní sondy
• Senzory s nasycovaným jádrem cívky

V průmyslové praxi, na kterou se v uvedené sérii článků zaměřuji, se pak nejčastěji využívá toho prvního a posledního principu. Zatímco ten první je hlavně mechanické konstrukce využívané již desítky let, poslední princip je již sofistikovanější a vyžaduje použití elektroniky.

Použití

Magnetické senzory přiblížení lze použít v mnoha aplikacích, jako například:

 

• Identifikace objektu skrz nádobu z umělé hmoty
• Identifikace objektu v agresivním prostředí přes teflonovou stěnu
• Identifikace objektu v oblasti vysokých teplot
• Rozpoznání daného magnetu prostřednictvím kódování
• V elektromechanických, jeřábových, manipulačních systémech
• Měření otáček, detekce natočení a otáčení (velmi rychle reagovat na změnu stavu)
• Měření limitů, hladin, polohy apod.
• Indikaci polohy v oblasti vysokých teplot - magnetické pole je možné přenášet magnetickými vodiči a vlastní indikaci provádět ze vzdálených míst.
• Snímaní poloh pneumatických a hydraulických válců

Klasický Reedův magnetický senzor přiblížení

Nejjednoduší provedení, které se však stále běžně využívá a je v nabídkách různých firem, je založeno na tzv. Reedově senzoru/kontaktech. Ten je tvořen jazýčkovým kontaktem, jehož magnetické pláště jsou uloženy ve skleněné žárovkové baňce s inertním plynem. Kontakty jsou citlivé na vlivy magnetických polí, které jsou vytvářeny magnety, cívkami nebo procházejícím elektrickým proudem. Indukcí se vytváří opačná magnetická polarita plášťů, což způsobuje sepnutí či rozepnutí kontaktů. Povrch kontaktů opláštění je potažen kvalitním materiálem (zlato, rhodium, wolfram), který podle zvoleného povlaku umožňuje napájení nízkonapěťových obvodů nebo vedení silně indukční zátěže. Tak lze spínat napětí v rozsahu 10~30V DC nebo 20~240V AC. Spínací vzdálenost pak závisí na používaném magnetu, minimálně však 10 cm. Nemagnetické a neželezné materiály, které jsou umístěny mezi senzor a magnet, neovlivňují jeho funkci. Jestliže je senzor nainstalován na železném povrchu, který rozptyluje magnetické proudění, je při instalaci nezbytné vkládat vhodné nemagnetické mezerníky. Uvedený princip se vyznačuje vysokou maximální spínací frekvencí až stovky Hz a dlouhou životností kontaktů (desítky až stovky milionů operací). Nevýhodou je pak vykazování tzv. opakovaného spínání, kdy při úplném horizontálním přejetí magnetu kolem snímače dojde k několikanásobnému sepnutí (viz. obrázek 7.).

Princip magnetického senzoru s nasycovaným jádrem cívky

Relativně novým principem, který bylo možné použít až se zvládnutím technologie amorfního kovu, jsou magnetické senzory s nasycovaným jádrem cívky. Kompletní senzor v průmyslovém provedení se pak obvykle nazývá jako magnetoindukční nebo prostě magnetický senzor.

Magnetoindukční senzor přiblížení válcového provedení obsahuje podobné vnitřní elektrické bloky jako indukční senzor. Hlavní rozdíl je prakticky pouze ve snímači, resp. provedení cívky a jejího jádra. Obecně tedy vnitřní zapojení senzoru obsahuje několik za sebe řazených bloků elektrických obvodů ( viz. obrázek 4.):

Snímač tvořený cívkou s jádrem s velkou permeabilitou (Coil) Oscilátor (Oscilator) Vyhodnocovací obvody (Evaluation Circuit) Koncový stupeň (Output Circuit)

Obr. 4. Řazení bloků uvnitř běžného válcového senzoru

Snímač magnetického senzoru, jak již název napovídá, využívá magnetické pole vytvořené v magnetu. Magnetické siločáry probíhají od severního pólu jižnímu. Přiblížením ocelové destičky (clonky) k magnetu, způsobí deformaci magnetických siločar. Na rozhraní dvou materiálu s rozdílnou permeabilitou se siločáry (v případě, že nejdou kolmo) lámou. Pomocí feromagnetických předmětů se tak dají siločáry nasměrovat dle potřeby.

Konkrétně je princip snímače s nasycovaným jádrem (magnetoindukčního senzoru) tvořen jádrem cívky z amorfního kovu (viz. obrázek 5.). Tento materiál vykazuje vůči obvyklým krystalickým slitinám velmi vysokou permeabilitu (až 500 000), nepatrnou koercitivní sílu, nízké hysterezí ztráty a ztráty vířivými proudy. Vůči Hallovým a magnetorezistivním sondám mají vyšší citlivost. Indukčnost celé cívky je pak závislá na reverzibilní permeabilitě jádra. Jestliže je tedy cívka buzena střídavým proudem konstantní amplitudy, který vyvolá rozkmit intenzity magnetického pole H okolo pracovního bodu, pak působením vnějšího magnetického pole dojde k posuvu bodu na magnetizační křivce. Důsledkem je snížení permeability a tím i indukčnosti cívky. Mírou intenzity mag. pole je pak měřený úbytek napětí na cívce nebo, jako v případě indukčních senzorů, změna kmitočtu a amplitudy signálu generovaného oscilátorem, kterého je cívka snímače součástí.

Obr. 5. Princip snímače magnetoindukčního senzoru

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

Napájecí napětí (Supply voltage) - rozsah napětí kterým je snímač napájený, při kterém je zaručená jeho správná činnost. Klidový proud (Continuous current) - proud, který snímač odebírá ze zdroje při max. napájecím napětí. Spínací proud (Switching current) - maximální proud, který je možno odebírat z výstupu. Spínací vzdálenost/rozsah (Sensing range Sn) - vzdálenost od čela snímače, ve kterém bude vyhodnocena přítomnost magnetu. Tato hodnota je vždy závislá na použitém magnetu. Volby obvykle uvádí výrobce v katalogu v tabulce). Výstupní spínací funkce (Output function) - definuje typ spínání výstupu senzoru (NO=Normally open, NC=Normally close) Hystereze (Hysteresis H) - rozdíl mezi bodem sepnutí a bodem rozepnutí. Spínací frekvence (Max. switching frequency) - maximální počet sepnutí za vteřinu.

Obr. 6. Princip detekce magnetického senzoru

Funkce magnetických senzorů přiblížení závisí ještě na polarizaci magnetu. Pozor na variantu se dvěma spínacími body. Podélná magnetizace vyvolá jeden spínací bod a příčná magnetizace dva body.

Provedení magnetoindukčních senzorů přiblížení

Provedení magnetických senzorů je opět podobné provedení ostatních senzorů přiblížení, aby bylo možné použít stejné provedení držáků nebo otvorů, případně i připojení.

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 dvou typech vývodů (viz. obrázek 9.):

 

• pro vývod je použit kabel délky obvykle 2m
• pro vývod je použit konektor

Podle typu spínání zátěže při detekovaném přiblížení kovového předmětu lze i magnetické senzory, stejně jako ostatní senzory přiblížení, rozdělit na NPN a PNP (viz. obrázek 10.). Mimo to se ale také uvádí další označení: NO (Normally Open) a NC (Normally Close), příp. NO/NC (viz. obrázek 11.). Uvedené označení prakticky definuje, jaký stav sepnutí na kontaktech bude v okamžiku připojení napájení, bez přítomnosti detekovaného magnetu (magnetického pole).

Mechanické vlastnosti (upevnění)

Z pohledu mechanické zabudovatelnosti senzoru do zařízení se vyrábí, stejně jako indukční senzory, v provedení vestavném (flush sensor) a nevestavném (non-flush sensor) - viz. obrázek 12. Volba zabudování může ovlivňovat samotnou spínací vzdálenost. Zde však závisí i na materiálu, do kterého se senzor upevňuje. V případě nemagnetovatelného materiálu je z pohledu spínací vzdálenosti jedno jaké upevnění je zvoleno. Naopak u zabudování do materiálů, které se dají zmagnetovat, se spínací vzdálenost v případě flush senzoru zkracuje v rozsahu 1% až 30% dle použitého magnetu. Obvykle uvádí výrobce v datasheetu k senzoru i tabulku změny spínací vzdálenosti dle typu použitého magnetu.

Z pohledu tvarového provedení senzoru se zde objevuje jak provedení kvádrové s různými rozměry, tak i válcové provedení. Například výrobky firmy SICK mají často rozměry 10.3 x 16 x 37 mm. V případě válcového provedení se obvykle používá rozměrů M8, M10 nebo M12 (viz. obrázek 13). Magnetoindukční senzory se vyrábí s vysokou mechanickou ochranou proti vodě i prachu, IP65 až IP67.

Závěr

Magnetické senzory v průmyslovém již obecně nejsou tak známé jako ty uvedené dříve (indukční, kapacitní, univerzální a optické senzory), ale mají odlišné vlastnosti, které lze využít v případech nevyhovujících jiným senzorům přiblížení. Hlavně to je relativně velký dosah od desítek milimetrů až do desítek centimetrů (obvykle dle použitého magnetu v těle detekovaného objektu) a detekce magnetického pole, které se lze vést i směrovat, hůře se ruší a neomezeně prostupuje nemagnetickými materiály (tzn. i kovy jako hliník). Navíc se takové senzory vyznačují i menšími rozměry, což například umožňuje zabudovatelnost do malých drážek hliníkových bloků motorů, jako detektory polohy válce. Pro více praktických i teoretických informací pak odkazuji na knihu z nakladatelství BEN - "Senzory v průmyslové praxi". Jinak seriál o senzorech přiblížen stále nekončí. Stále existuje ještě mnoho principů, i když málo známých. Příště se tak podíváme na skoro neznámé možnosti tzv. Luminiscenčních senzorů/detektorů objektů. Proto sledujte stránky serveru AUTOMATIZACE.hw.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy SICK, výrobce senzorů - www.sick.com

• Další firmy a web-stránky zabývající se mimo jiné magnetickými a indukčními senzory - www.ipf-electronic.de, www.fargocontrols.com, sensor.olympo.cz
  
  
• Martin Krupa: "Monitorování polohy a teploty objektu s využitím bezkontaktních senzorů", semestrální práce, FS VSB-TU Ostrava
• Kniha vydavatelství BEN: Ing. Radislav Martínek, "Senzory v průmyslové praxi", 2004 - právě v prodeji
• Článek o indukčních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz