Nedávno jste si mohli přečíst článek „“ o magnetických lineárních snímačích pro měření posunu či lineárního pohybu. To však není jediný konstrukční princip běžně využívaný u bezkontaktních snímačů polohy / pohybu. Většina velkých výrobců snímačů (na českém trhu např. Turck/Kuebler, Balluff, ASM a další) produkuje i tzv. magnetostrikční lineární snímače pro bezkontaktní měření absolutní polohy. Ty sice také pracují s magnetickým polem, ale na jiném, o něco složitějším principu magnetostrikce, který vychází ze dvou dalších magnetomechanických jevů, magnetostrikčního Wiedemannova a magnetoelastického (Villariho jev). Konkrétně při své funkci využívají Wiedemannův a Villariho fyzikální jev.
To poskytuje těmto typům senzorů důležité systémové výhody, obzvláště pro použití při detekci úrovně hladiny a nebo jiného bezkontaktní absolutní měření polohy. Je velmi robustní a tím použitelný v aplikacích, kde ostatní metody nevyhoví. Měřicí rozsah může být u všech senzorů nastaven, takže výstupní signál je generován jen pro potřebný rozsah. Na přání zákazníka lze upravit celkovou délku, která bude vyhovovat aplikaci. Kompletní elektronika je obsažena v těle senzoru, umožňuje tak jednoduchou instalaci a senzory jsou prakticky bezúdržbové. V nabídce výrobců lze najít tyto snímače pro měření posuv v řádu milimetrů i mnoha metrů s přesností dnes již i od 1 mikrometru. Elektrický výstup se pak u různých výrobců různí, ale běžný je analogový i pulsní výstup, digitální sériový přenos hodnoty a u velkých výrobců (např. Balluff) i průmyslová komunikace CANopen, Profibus, DeviceNet atd.
Technické výhody:
- absolutní měřící systém
- měřící rozsahy cca od 25 mm až do cca 7 metrů (někdy i více)
- rozlišovací schopnost: ± 0,1 % délky měřicí stupnice (některé snímače dnes již od 0,001 mm - např. Balluff)
- linearita až 0,01 %
- žádné opotřebení a údržba
- necitlivý na znečištění, prach a vlhkost
- krytí až IP68 (běžně IP67)
- vysoká odolnost proti vibracím
- jednoduchá montáž
- bez přívodu energie k pohyblivému magnetu
Příklad použití magnetostrikčního lineárního snímače pro měření posuvu
tlumiče
(ukázka ze katalogu švédské společnosti REGAL).
Obvyklá konstrukce magnetostrikčních lineárních snímačů
U většiny výrobců tohoto typů snímačů se lze setkat s následujícími dvěma typy provedení:
- Tyčové provedení pro instalaci do hydraulických válců (měřená délka
obvykle od 50 mm až do délek přes 10 m). Existuje pevné neohebné provedení
s pouzdrem z nerezové oceli i pružná ohebná tyčové varianta s plastovým pouzdrem
(PVDF provedení např. snímačů společnosti Turck).
- Profilové provedení s volným magnetem pro připojení pohybujících
se částí vně válců (měřená délka od cca 50 mm do cca 7 m). Princip snímačů
však obvykle umožňuje kaskádově složená odměřování a tím dovolují získat prakticky
jakoukoliv měřenou délku.
- Profilové provedení s vedeným magnetem připojeným na pohyblivý člen vodící tyčkou (měřená délka od 50 mm do cca 7 m). Úhel vyosení vodící tyčky ±18° dovoluje snadno získat lineární polohovou informaci dokonce i tam, kde se část stroje pohybuje nelineárně.
Základní dva typy magnetostrikčních lineárních snímačů polohy - odshora: tyčový , profilový (nabídka společnosti Balluff)
Zatímco pevné nerezové tyčové je ideální pro použití v agresivních mediích nebo v potravinářském průmyslu , plastové pružné provedení všude tam, kde je nutné mít dráhu zahnutou. U profilového provedení je pak vlnovod chráněn robustním hliníkovým pouzdrem.
Z pohledu konstrukce se každý snímač skládá z následujících částí:
- Vlnovod (magnetostrikční slitina Ni-Fe)
- Ochranné tyčové nebo profilové pouzdro na vlnovod
- Montážní příruby
- Snímací permanentní magnet
- Generátor měřících pulsů + jejich vodič uvnitř vlnovodu
- Senzor / detektor torze (vzniklé mechanické vlny na vlnovodu)
- Vyhodnocovací SMD elektronika robustním taženém hliníkovém pouzdře
Průřez základní obecnou konstrukcí magnetostrikčních lineárních snímačů (vlevo) a průřez tyčového snímače POSICHRON společnosti ASM GmbH (vpravo).
Měřící element ("vlnovod") je obvykle vyroben ze speciální slitiny niklu a oceli s vnějším průměrem cca 1 mm a vnitřním průměrem cca 0,5 mm. Uvnitř je po celé délce této trubičky vedený měděný vodič sloužící k vedení elektrického pulsu spouštějící magnetostrikci (viz popis funkce níže). Na jednom konci vlnovodu bývá tlumící prvek, zatímco na druhém konci pak snímací a vyhodnocovací elektronika celého snímače. I když v některých případech se místo tlumícího prvku využívá naopak odrazový prvek a odraz vlny ke zpřesnění měření. Permanentní magnet je pak navlečen na vlnovodu a vytváří pohyblivý pro snímání pohybu / polohy.
Příklad tyčového magnetostrikčního lineárního snímače absolutní polohy švédské společnosti REGAL.
Princip funkce magnetostrikčních lineárních snímačů
Běžně se využívá u magnetostrikčních lineárních snímačů absolutní polohy principu funkce založeného na měření doby šíření mechanické vlny (metoda „Time-of-Flight“) vzniklé elastickou deformací vlnovodu způsobenou magnetostrikčním jevem. Ten vychází ze dvou dalších magnetomechanických jevů, magnetostrikčního Wiedemannova a magnetoelastického (Villariho jev). Wiedemannův jev spočívá v tom, že prochází-li dlouhou a tenkou tyčí z feromagnetického materiálu umístěnou v podélném magnetickém poli proud, namáhá se tyč krutem. Za Villariho jev popisuje změnu magnetických vlastností, např. permeability, materiálu feromagnetické tyče, která je vyvolána její deformací v podélném směru.
Struktura a funkce magnetostrikčních snímačů Micropulse společnosti Balluff.
Konkrétně ve snímači probíhá zhruba následující děj:
-
Start měření je inicializován krátkým proudovým impulsem vypuštěným do vodiče
uvnitř vlnovodu, který vytváří kruhové magnetické pole otáčející se okolo
vlnovodu.
- Magnetické siločáry snímacího permanentního magnetu umístěného v bodě měření
jsou kolmé k uvedenému vzniklému elektromagnetickému poli. V místě vlnovodu,
kde se obě pole protnou, se vytvoří vlivem magnetostrikčního jevu elastická
deformace v rozsahu mikrometrů, která se šíří vlnovodem oběma směry ve formě
mechanické vlny. Rychlost šíření této vlny na vlnovodu je cca 3000 m/s a je
prakticky nezávislá na vlivech okolního prostředí (např. teplota, rázy, vibrace,
znečištění).
- První část vlny, která dosáhne ke vzdálenému konci vlnovodu, je obvykle
zatlumena na konci vlnovodu v tlumícím prvku, i když u některých výrobců se
vlna namísto zatlumení naopak na konci odráží také ke snímací části a využívá
se ke zpřesnění měření. Druhá část vlny pak přímo směřuje a přijde ke snímacímu
konci snímače a je detekována senzorem torze (mechanické vlny). To je prakticky
signálový konvertor, který mění mechanickou vlnu na elektrický signál obráceným
magnetostrikčním jevem (magnetoelastického Villariho jevu).
- Doba přeběhu vlny od místa vzniku (místa umístění permanentního magnetu) k signálovému konvertoru je přímo úměrná vzdálenosti permanentního magnetu a signálového konvertoru. V praxi se však měří časová prodleva mezi počátky torzního a proudového impulsu, protože rychlost šíření mechanické vlny je rovna rychlosti zvuku, zatímco proudový puls (elmag. pole) se šíří rychlostí světla, který lze zanedbat. Naměřený čas pak dovoluje určit vzdálenost s extrémně vysokou přesností a elektronický převodník jej mění naměřený čas na odpovídající výstupní signál. Některé magnetostrikční snímače Balluff pak například dosahují rozlišení až 1 mikrometr bez průměrování nebo recirkulace.
Posloupnost funkce magnetostrikčních lineárních snímačů, kde se pro měření využívá přímé i odražené vlny - odleva: vyslání budoucího elektrického pulsu (A), magnetostrikce s mag. polem permanentního magnetu vytváří mechanickou vlnu (B), detekce odražené vlny pro zpřesnění výpočtu vzdálenosti.
Závěrem…
Výše uvedený princip je v praxi u všech výrobců téměř stejný, přičemž někteří jej dále vylepšují dokonalejším zpracováním a vyhodnocením v elektronické části snímače. Například snímače společnosti Balluff s označením BTL5 obsahují "Autotuning" elektroniku s automatickým nastavením, která automaticky kompenzuje rozdíly v síle magnetického pole snímacího prvku - magnetu tak, že je vždy dosaženo shodných výsledků. To například zvýšilo možnou vzdálenost magnetu od vlnovodu a tyčové provedení odměřování může být namontováno i do válců s magnetickými kroužky jiných výrobců…
Článek vytvořil z podkladů výrobců: Antonín Vojáček
DOWNLOAD & Odkazy
- Stránky společnosti REGAL - www.regal.se
- Stránky společnosti ASM GmbH - www.asm-sensor.com, český prodejce REM-Technik - www.rem-technik.cz
- Stránky českého zastoupení společnosti Ballufff - www.Ballufff.cz
- Stránky českého zastoupení společnosti Turck/Kuebler - www.turck.cz
- Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz