Jste zde

TEST – válcový kapacitní snímač Selet M18

Antonín Vojáček, 8. Srpen 2011 - 20:33

Vyzkoušel jsem válcový kapacitní snímač velikosti M18 s třívodičovým elektrickým připojením od méně známého italského výrobce snímačů, společnosti Selet Sensor. Konkrétně jde o nestíněné (nevestavné) provedení, které však poskytuje větší snímací dosah (v praxi až několik centimetrů). Jeho výhodou je příznivá cena při zachování dobré kvality.

Po delší době se mi do ruky dostal některý další snímač, který ještě nebyl uveden na stránkách serveru automatizace.HW.cz. Je jím válcový kapacitní snímač přiblížení (tedy pro detekci přítomnosti předmětů), který je vybavený spínaným PNP výstupem. Konkrétně jde o typ K01EG18PO od předního italského výrobce průmyslových snímačů, společnosti Selet Sensor.

Jde o jeden z nejlevnějších zástupců kapacitních snímačů, který je v ČR možné koupit například prostřednictvím pražské společnosti OEM Automatic s.r.o. za cenu cca 1 400,- Kč bez DPH. Tento snímač K01EG18PO ve válcovém pouzdře M18 a v nestíněném provedení. To na první pohled identifikuje "plastová čepička bez závitu" na čele snímače. Díky tomu však má proti stíněnému provedení výrazně lepší snímací dosah, dle výrobce až 15 mm vs. max. 8 mm (u stíněného provedení). Jak uvidíte níže, v praxi to však může být i daleko více. Na druhou stranu snímač v prostoru "zelené čepičky" je také citlivý na okolí, což neumožňuje zapuštění do držáku snímače či stěny zařízení tak, aby čelo snímače bylo zároveň s okolím (prostě v jejím okolí se může nacházet jen detekovaný předmět), podobně jako je tomu například u stíněných a nestíněných provedení válcových indukčních snímačů.

Obecně ke kapacitním snímačům

Kapacitní senzory přiblížení umožňují bezkontaktně detekovat, příp. měřit, přiblížení předmětů na vzdálenosti až několik desítek mm. Jejich hlavní výhodou je možnost detekovat prakticky libovolný materiál a montážní provedení shodné s indukčními senzory.

Kapacitní senzory přiblížení, podle názvu, by měly být opak k senzorům indukčním ve smyslu materiálu, jehož přiblížení detekují. Svou konstrukcí však zvládnou i některé aplikace méně vhodné pro indukční senzory. Zatímco indukční senzory mohou detekovat jen elektricky vodivé materiály, kapacitní senzory jak ty nevodivé, tvářící se jako dielektrikum, tak i ty vodivé. U nich se pak uplatňuje jako dielektrikum vzduch mezi senzorem a detekovanou kovovou ploškou.

Z pohledu použití mají kapacitní snímače podobné uplatnění jako například ty indukční, pouze proti nim umožňují detekovat i nekovové předměty:

Typicky pro snímání polohy nekovových materiálů
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, detekce tloušťky materiálu ...
Potravinářský průmysl - míchací stroje, balicí stroje, plnicí stroje, posuvné dopravníky
Dřevoobráběcí stroje
Montážní linky - nastavení pozice
Textilní stroje
Sledování a detekce úrovně hladiny materiálu (sypké, kapalné, pevné) např. v zásobníku
Detekce pohybu a posuvu, přesné nastavení pozice - dopravníky...
Detekce malých kovových plošek (lepší citlivost než indukční senzory)

Běžný kapacitní snímač přiblížení válcového provedení obsahuje několik za sebe řazených bloků elektrických obvodů, které pracují v posloupnosti:

RC Oscilátor (OSC)
Vyhodnocovací obvody - komparátor v případě diskrétního výstupu
Koncový stupeň (výkonový)

Typické blokové schéma průmyslového kapacitního snímače pro detekci přiblížení předmětů.

Hlavním aktivním prvkem kapacitního senzoru je kotoučová elektroda uvnitř válcového pouzdra, které působí i jako stínění. Vytvářejí tak kondenzátor, který má nějakou základní kapacitu, která se pak dále mění se změnou dielektrika - přiblížení detekovaného objektu. Kapacitní snímač je pak doplněn rezistorem, se kterým je součástí RC oscilátoru. Ten je tedy rozlaďován právě změnou kapacity aktivního snímače. Výstupní napěťový signál oscilátoru je usměrněn a filtrován pro získání stejnosměrné složky. Ta je poté porovnávána v komparátoru s referencí a logický výstup Q již řídí výstupní výkonový spínací stupeň. V případě analogového provedení je použit převodník frekvence-napětí a výstup je koncipován jako lineární závislost napětí nebo proudu na přiblížení předmětu k senzoru.

U kapacitních senzorů, stejně jako u induktivních, souvisí maximální detekovatelná vzdálenost na materiálu detekovaného objektu. Ta se změní o násobek tzv. redukčního činitele (koeficientu). U kapacitních senzorů je rozhodující relativní permitivita detekovaného materiálu (dielektrická konstanta). Snímací vzdálenost však může být ovlivněna i teplotou či vlhkostí, protože permitivita materiálů je obvykle na nich závislá.

Největší redukční činitel má samozřejmě suchý vzduch, který nemá být detekován (hodnota 0). Pak následují materiály jako teflon (hodnota 0,2), plast či plexisklo (hodnota 0,25 až 0,29), sklo (hodnota cca 0,4). Nejlépe jsou samozřejmě detekovány elektricky vodivé materiály, jako například voda či kov (redukční činitel je 1).

Tabulka redukčních činitelů některých materiálů.

Provedení a parametry snímače Selet K01EG18PO

Jak již bylo výše zmíněno, jde o kapacitní snímač pro detekci přiblížení nejrůznějších předmětů v provedení v nezápustném válcovém pouzdře se závitem M18. Celková délka je pak 59,5 mm, přičemž délka závitové části je 39 mm. Závitová část je z poniklované mosazi (nabízena je i nerezová ocel), čelo snímače pak z PBT plastu a zadní část snímače, kde vychází ven dvouvodičový kabel, je z tvrdého černého plastu.

V mém konkrétním případě šlo o provedení s 2m kabelem, ale samozřejmě jsou nabízeny i verze s EURO konektorem. Protože jde o nezápustnou verzi, není závit snímače až k samotnému čelu, které slabě detekuje předměty i z boku. Na druhé straně je pak v zadní části schovaná jedna indikační oranžová LED dioda informující o detekci (sepnutí spínaného výstupu). Dále zde nechybí pod plastovým "špuntem" schovaný víceotáčkový regulační potenciometr, se kterým se nastavuje citlivost snímače. U kapacitního typu, proti indukčnímu, je důležitý hlavně z důvodu nastavení výchozí citlivosti tak, aby snímač nedetekoval již samotné okolí bez přítomnosti požadovaného zjišťovaného objektu. V praxi totiž v blízkém či vzdáleném okolí se mohou nacházet pevné části zařízení, držáků apod. či při maximálně nastavené citlivosti může snímač i reagovat jen na okolní prach a znečištění nebo i jen zvýšenou vlhkost okolního vzduchu. Tyto okolnosti a toto základní nastavení pak v praxi definuje praktickou snímací vzdálenost. Údaj výrobce o jmenovité snímací vzdálenosti 2 až 15 mm, pak je nutné brát spíše jako orientační. V praxi lze dosáhnout jak výrazně větších, tak ale i menších hodnot, právě podle okolních podmínek. V mém laboratorním testu na pracovním stole jsem dosahoval hodnot spíše vyšších - viz tabulka níže.

Celkový pohled na kapacitní snímač Selet a detail na indikační LED a "zašpuntovaný" přístup k regulačnímu potenciometru citlivosti.

Z pohledu elektrického připojení je napájení a spínaný výstup snímače klasicky v třívodičovém provedení, kde dva vodiče zajišťují napájení v rozsahu 10 až 30 VDC a třetí vodič pak proti společnému vodiči poskytuje spínaný signál, který lze zatížit proudem až 200 mA.

Výstupní vodiče kapacitního snímače.

Základní parametry snímače (dle specifikace výrobce):

Jmen. snímací vzdálenost: 2 až 15 mm
Hystereze: cca do 10 % spínací vzdálenosti
Snímací /spínací rychlost: do 100 Hz
Napájecí napětí: 10 až 30 V DC
Max. zatížení výstupu: 200 mA
Provozní teplota: -25...70°C
El. propojení: třívodičový kabel, spínaný výstup PNP-NO
Stupeň krytí: IP65

Odzkoušení detekční citlivosti

Snímač jsem připojil na stabilizovaný stejnosměrný napájecí zdroj 24 V. Při klidové činnosti není základní stav nijak indikován a tedy není při pohledu na snímač patrné, zda má či nemá napájení, zda tedy pracuje či ne. To je trošku negativní stránka. Na druhou stranu v tomto stavu je odběr snímače pouze cca 6 mA.

Při přiblížení libovolného předmětu na detekční hranici snímače se rozsvítí oranžová LED. Zároveň se i sepne výstupní tranzistor snímače a tak na výstup připojí napětí 23,5 VDC a spotřeba je 15 mA (stav na prázdno bez zatížení). Hystereze stavu, kdy dochází k detekci, je však relativně dost vysoká. Prakticky je nutné, aby se výstup zpět přepnul, detekovaný předmět oddálit na vzdálenost i více jak výrobcem deklarovaných 10 % spínací vzdálenosti od čela. To však platí v případě nastavení co nejvyšší možné citlivosti aniž by bylo detekováno samo "čisté okolí".

Jinak však i při mém nastavení co největší detekční citlivosti, tj. největší snímací vzdálenosti, byla při opakované přibližování a oddalování detekčních vzorků tyto hodnoty prakticky stejná (vezmu-li v potaz nepřesnost mé metody zkoušení +/- 1 mm).

Jak je z principu činnosti kapacitního snímače logické (viz redukční činitel výše) detekční vzdálenost na různé materiály je různá. Z pohledu nejčastěji využívaných materiálů je nejnižší citlivost snímače na plast, naopak nejvyšší na libovolný kov.

Pokusně jsem zkusil citlivost na některé materiály: