Indukční senzory přiblížení, provádějící bezdotykovou detekci přítomnosti kovových plošek, obalů nebo značek, jsou zvláště ve více znečištěném prostředí těžkého a strojírenského průmyslu díky své odolnosti a spolehlivosti detekce dost oblíbené a lze se tak s nimi setkat velmi často. Tam, kde by z důvodu zašpinění snímací plochy olejem, sazemi či různým sypkým materiálem, nedokázaly optické nebo ultrazvukové senzory pracovat více jak několik dní nebo někdy i hodin, jsou "indukčáky" schopné bezchybně fungovat i mnoho let.

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, venkovních provozech apod.

Jejich hlavní nevýhodou byl však vždy krátký snímací (spínací) dosah, tedy vzdálenost, kde ještě na kovový předmět zareagují a vydetekují ho, v řádu jednotek mm a pak nestejná citlivost na různé kovy (železo, měď, hliník apod.). Některé současné technologie některých výrobců však dokáží tyto nedostatky maximálně potlačovat. Jednou z nich je i systém uprox+ indukčních senzorů společnosti Turck.

Stručně 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)

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 tvoří 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.

Technologie uprox+, kterou se vyznačují některé indukční senzory přiblížení společnosti Turck, poskytuje v zásadě dvě praktické výhody:

• Výrazně větší snímací dosah při stejných rozměrech senzoru
• Stejnou detekční citlivost (stejný snímací dosah) pro všechny typy kovů

První výhoda je patrná hned na první pohled při nahlédnutí do katalogových listů (datasheetů). Například pro válcový indukční snímač M30 není snímací dosah běžných 10 mm, ale 15 mm, což je již významný rozdíl a pro mnoho aplikací, kde není předem zaručena pevná vzdálenost detekované kovové plošky od čela senzoru, tzn. detekované předměty mají nějakou možnost podelného posuvu (například produkt na dopravním páse se může nadzvedávat a potřebuje nějaký prostor k pohybu).

Druhá výhoda, tedy stejná detektivita pro různé typy kovů již sice není na první pohled tak zjevná, ale v praxi neméně důležitá. Obvykle totiž nemají "běžné" indukční snímače stejnou citlivost na všechny kovy jako jsou železo, měď, hliník, mosaz, bronz apod. To je obvykle v katalogových listech vyjádřeno tzv. redukčním koeficientem, který má obvykle hodnotu 1 pro železo, které senzor detekuje nejlépe a hodnoty <1 pro ostatní kovy. To znamená, že aby je bylo možné detekovat, musí být blíže, přesněji řečeno, snímací vzdálenost se snižuje. Pro získání snímací vzdálenosti pro určitý kov je nutné vynásobit v parametrech uvedenou hodnotu sn právě příslušným redukčním koeficientem.

Klasické provedení představuje z pohledu snímací části tradiční válcovou cívku navinutou na feritovém jádru, jejíž průměr je obvykle jen o něco menší než u válcového závitového pouzdra jeho průměr. Takové provedení však zabírá v pouzdru hodně místa a hlavně se mění spínací rozsah v závislosti na detekovaném kovu.

Systém uprox+ společnosti Turck využívá bezferitový snímací systém tvořený 3 nebo 4 vzduchovými cívkami realizovanými jako měděné kruhové závity na desce plošných spojů. Tímto způsobem se právě poskytuje koeficient (factor) 1 pro všechny kovy. Mimo to se eliminuje vliv rušení magnetickým polem na funkci senzoru, což v praxi znamená, že indukční snímače nejsou citlivé k chybám způsobeným silným magnetickým polem, jako např. při elektrickém svařování nebo v blízkosti zdviží, elektrických pecí a motorů.

Navíc technologie cívek realizovaných na DPS je více flexibilní na výrobu, čímž se nabízí značné možnosti při zapouzdření senzoru bez velkého mechanického omezení. S jednodušší výrobou jsou pak spojené i nižší náklady a tím i konečná cena senzoru. Proto jsou také indukční snímače řady uprox+ často levnější než běžné provedení senzorů s kratším dosahem.

Indukční senzor Turck Bi15U-M30-AP6X

Nedávno jsem pro potřeby aplikace detekce přítomnosti, resp. průchodu, kovové spony na dopravním páse, vyzkoušel válcový indukční senzor Turck řady uprox+ označený jako Bi15U-M30-AP6X. Jak již bylo uvedeno výše, výhodou rodiny uprox+ je velký spínací dosah, který v tomto případě u válcového senzoru průměru M30 dělá až výborných 15 mm. To je již dostatečná hodnota pro spolehlivou detekci i v aplikacích, kde nemůže být, nebo jen obtížně zaručen přesný běh předmětu pod senzorem a tedy je potřeba dostatečný prostor pod senzorem, nebo dostatečná spínací vzdálenost pro spolehlivou funkci. Navíc tato hodnota je u vestavného typu senzoru, co již není úplně běžné. Takové provedení senzoru lze například zašroubovat zespodu do spodní desky, po kterém klouže dopravní pás, a tím jednak eliminovat nutnost "vymýšlet" horizontální upevnění, nebo ušetřit prostor v hodně stísněných podmínkách. Navíc stejná citlivost na všechny běžné typy kovů odstraňuje potřebu se zabývat, o jaký kov v praxi jde.

Jinak je senzor Bi15U-M30-AP6X na použití úplně triviální, protože neobsahuje žádné ovládací či nastavovací prvky, jen indikační žlutou LED informující o sepnutí výstupu a stačí jen mezi hnědý a modrý vodič připojit stejnosměrné napájecí napětí 12 nebo 24 V a černý vodič spínaného výstupu na vstup PLC nebo jiného řídícího či vyhodnocovacího systému. Z pohledu fyzického připojení může být senzor v provedení s konektorem nebo pevně připojeným kabelem, přičemž sice s kabelem není vůbec žádná práce, ale je dodáván pouze 2 m, což dost často nestačí. Konektor se sice dobře rozpojuje a nelimituje délku kabelu, ale zase prakticky zvětšuje velikost (délku) senzoru.