При работе с различными технологиями при желании автоматизировать ряд действий обращаются к различным датчикам. В изделиях из металлов важную роль играет индуктивный датчик. Что он собой представляет и зачем необходим?
Что такое индуктивный датчик?
Что это и где он нашел применение? Индуктивный датчик — это бесконтактный прибор, который используется, чтобы контролировать положение объектов, сделанных из металлов. К другим материалам он чувствительности не проявляет. Применяются бесконтактные индуктивные датчики, чтобы решать задачи АСУТП. Могут быть использованы с нормально замкнутым или разомкнутым контактом. Принцип действия базируется на редактировании параметров магнитного поля, которое создаётся катушкой индуктивности, что внутри датчика. Но все тонкости настолько многочисленны, что необходимо их обсудить отдельно.
Принцип действия
Всё базируется на изменении амплитуды колебаний используемого в индуктивном датчике генератора, когда в активную зону вносится предмет определённого размера из металлического, магнитного и ферро-магнитного материала. Так что использование может быть реализовано только с этими типами. Когда подаётся питание на конечный выключатель, расположенный в его области чувствительности, то образуется магнитное поле. Оно наводит в материале вихревые токи, влияние которых меняет амплитуду колебаний генератора. В конечном результате таких преобразований получается аналоговый выходной сигнал. Его величина меняется и зависит от расстояния между контролируемым предметом и датчиком. Триггер Шмитта превращает аналоговый сигнал в логический. Индуктивный датчик перемещения играет важную роль для механизмов, которые отслеживают изменение местоположения металлических деталей. Встретить подобные устройства вы можете в автомобильных конвейерах. Индуктивный датчик положения поможет определить, расположен ли предмет так, как должен. Если ответ отрицательный, то будут предприняты действия, предусмотренные программой, чтобы всё было так, как необходимо для полноценной и правильной работы конвейера.
Построение индуктивного датчика
Из чего состоит данный механизм? Бесконтактные индуктивные датчики имеют такие основные узлы:
- Генератор. Создаёт электромагнитное поле, которое необходимо для взаимодействия с объектом.
- Триггер Шмитта. Он обеспечивает гистерезис, когда происходит переключение.
- Усилитель. Занимается увеличением амплитуды сигнала, чтобы он достиг необходимого значения.
- Светодиодный индикатор. Информирует о состоянии выключателя. Также с его помощью обеспечивается контроль работоспособности и указывает на оперативность настройки.
- Компаунд. Необходим для защиты от попадания вовнутрь воды и твердых частиц.
- Корпус. С его помощью обеспечивается монтаж датчика и его защита от различных механических воздействий. Изготавливается из полиамида или латуни и комплектуется крепежными изделиями.
Определения
Когда необходимо использовать индуктивный датчик, следует разбираться и в терминологическом минимуме, который нужен для приятной и комфортной работы. Итак, что следует понимать:
- Активная зона. Это область перед чувствительной поверхностью индуктивного датчика, где наибольшим образом сконцентрировалось магнитное поле. Диаметр данной площади обычно равен размеру самого прибора.
- Номинальное расстояние переключения. Это теоретическая величина расстояния активной зоны, которая не учитывает разброс производственных параметров индуктивного датчика, температурный режим и подаваемое напряжение питания.
- Рабочий зазор. Это расстояние, которое гарантирует надежную работу прибора в определённом диапазоне напряжения и температуры.
- Поправочный коэффициент. Это показатель, который корректирует значение рабочего зазора, в зависимости от вида металла, из которого был создан объект воздействия.
Достоинства
Почему индуктивные датчики пользуются значительной популярностью? Этому способствует целый ряд параметров, которыми они обладают:
- Прочность и простота конструкции, а также отсутствие скользящих контактов.
- Индуктивный датчик может быть подключен к источникам промышленной частоты.
- Имеют довольно большую выходную мощность, которая может составлять десятки Ватт.
- Обладают значительной чувствительностью.
Погрешности
Но при всех плюсах индуктивные датчики имеют и минусы. Самый главный из них - это погрешность. Выделяют такие недостатки:
- Погрешность, которая зависит от нелинейной характеристики. В приборе используется принцип индуктивного преобразования величины, что базируется на работе датчиков, которые имеют свой диапазон, из-за чего и возникает данная проблема.
- Температурная погрешность. Является случайной составляющей. Поскольку работа прибора зависит от температуры используемых датчиков, то погрешность может достигать значительных значений. Поэтому высокую важность имеет среда работы механизма. Работа индуктивного датчика обычно осуществляется при показателе в 25 градусов в хорошо вентилируемом помещении. Значительное изменение температуры в большее или меньшее значение является нежелательным.
- Погрешность из-за влияния других электромагнитных полей. Является случайной составляющей. Возникает из-за того, что на индуктивный датчик действуют внешние электромагнитные поля, которые могут сильно влиять на работу прибора. Чтобы избежать таких случаев, в промышленности электроустановки почти всегда используют частоту в 50 Гц.
Для минимизации вероятности возникновения погрешности необходимо качественно прорабатывать все нюансы.
Индуктивный датчик приближения. Внешний вид
В промышленной электронике индуктивные, и другие датчики применяются очень широко.
Статья будет обзорной (если хотите, научно-популярной). Приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.
Виды датчиков
Итак, что вообще такое датчик. Датчик – это устройство, которое выдаёт определённый сигнал при наступлении какого-либо определённого события. Иначе говоря, датчик при определённом условии активируется, и на его выходе появляется аналоговый (пропорциональный входному воздействию) или дискретный (бинарный, цифровой, т.е. два возможных уровня) сигнал.
Точнее можем посмотреть в Википедии: Датчик (сенсор, от англ. sensor) - понятие в системах управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.
Там же и много другой информации, но у меня своё, инженерно-электронно-прикладное, видение вопроса.
Датчиков бывает великое множество. Перечислю лишь те разновидности датчиков, с которыми приходится сталкиваться электрику и электронщику.
Индуктивные. Активируется наличием металла в зоне срабатывания. Другие названия – датчик приближения, датчик положения, индукционный, датчик присутствия, индуктивный выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. Смысл один, и не надо путать. По-английски пишут “proximity sensor”. Фактически это – датчик металла.
Оптические. Другие названия – фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический выключатель. Такие применяются и в быту, называются “датчик освещённости”
Емкостные. Срабатывает на наличие практически любого предмета или вещества в поле активности.
Давления . Давления воздуха или масла нет – сигнал на контроллер или рвёт . Это если дискретный. Может быть датчик с токовым выходом, ток которого пропорционален абсолютному давлению либо дифференциальному.
Концевые выключатели (электрический датчик). Это обычный пассивный выключатель, который срабатывает, когда на него наезжает или давит объект.
Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами .
Пока хватит, перейдём к теме статьи.
Индуктивный датчик является дискретным. Сигнал на его выходе появляется, когда в заданной зоне присутствует металл.
В основе работы датчика приближения лежит генератор с катушкой индуктивности. Отсюда и название. Когда в электромагнитном поле катушки появляется металл, это поле резко меняется, что влияет на работу схемы.
Поле индукционного датчика. Металлическая пластина меняет резонансную частоту колебательного контура
Схема индуктивного npn датчика. Приведена функциональная схема, на которой: генератор с колебательным контуром, пороговое устройство (компаратор), выходной транзистор NPN, защитные стабилитрон и диоды
Большинство картинок в статье – не мои, в конце можно будет скачать источники.
Применение индуктивного датчика
Индуктивные датчики приближения применяются широко в промышленной автоматике, чтобы определить положение той или иной части механизма. Сигнал с выхода датчика может поступать на вход контроллера, преобразователя частоты, реле, пускателя, и так далее. Единственное условие – соответствие по току и напряжению.
А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?
Подписывайся, и читай статью дальше:
Работа индуктивного датчика. Флажок движется вправо, и когда достигает зоны чувствительности датчика, датчик срабатывает.
Кстати, производители датчиков предупреждают, что не рекомендуется подключать непосредственно на выход датчика лампочку накаливания. О причинах я уже писал – .
Характеристики индуктивных датчиков
Чем отличаются датчики.
Почти всё, что сказано ниже, относится не только к индуктивным, но и к оптическим и ёмкостным датчикам .
Конструкция, вид корпуса
Тут два основных варианта – цилиндрический и прямоугольный . Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса – металл (различные сплавы) или пластик.
Диаметр цилиндрического датчика
Основные размеры – 12 и 18 мм . Другие диаметры (4, 8, 22, 30 мм) применяются редко.
Чтобы закрепить датчик 18 мм, нужны 2 ключа на 22 или 24 мм.
Расстояние переключения (рабочий зазор)
Это то расстояние до металлической пластины, на котором гарантируется надёжное срабатывание датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние – от 0 до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм – до 4 и 8 мм, для крупногабаритных датчиков – до 20…30 мм.
Количество проводов для подключения
Подбираемся к схемотехнике.
2-проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки.
2-проводный датчик. Схема включения
Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением – не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность. Можно вообще не думать, как их подключать. Главное – обеспечить ток.
3-проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один – для нагрузки. Подробнее расскажу отдельно.
4- и 5-проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод – выбор режима работы или состояния выхода.
Виды выходов датчиков по полярности
У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента:
Релейный. Тут всё понятно. Реле коммутирует необходимое напряжение либо один из проводов питания. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка от схемы питания датчика, что является основным достоинством такой схемы. То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением. Используется в основном в крупногабаритных датчиках.
Транзисторный PNP. Это – PNP датчик. На выходе – транзистор PNP, то есть коммутируется “плюсовой” провод. К “минусу” нагрузка подключена постоянно.
Транзисторный NPN. На выходе – транзистор NPN, то есть коммутируется “минусовой”, или нулевой провод. К “плюсу” нагрузка подключена постоянно.
Можно чётко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод и коммутируется. Другой провод подключен к нагрузке постоянно.
Ниже будут даны схемы включения датчиков , на которых будет хорошо видно эти отличия.
Виды датчиков по состоянию выхода (НЗ и НО)
Какой бы ни был датчик, один из основных его параметров – электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).
Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание) либо выключен. Соответственно, говорят – нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт либо нормально открытый (НО) контакт. В иностранной аппаратуре, соответственно – NС и NО.
То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков – то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода:
- PNP NO
- PNP NC
- NPN NO
- NPN NC
Положительная и отрицательная логика работы
Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле).
ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ или ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.
ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ логика: вход контроллера активизируется (логическая “1”) при подключении к ЗЕМЛЕ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В=. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.
ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика: вход активизируется при подключении к +24 В=. Клемму контроллера S/S необходимо соединить с ЗЕМЛЕЙ. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.
Существуют варианты различных устройств и подключения к ним датчиков, спрашивайте в комментариях, вместе подумаем.
Продолжение статьи – . Во второй части даны реальные схемы и рассмотрено практическое применение различных типов датчиков с транзисторным выходом.
PS. Платиновый провод при эксплуатации неизбежно загрязняется. Чтобы предотвратить такое загрязнение после того, как двигатель будет выключен, провод на одну секунду накаляется до температуры 1000 С. Вся пыль, которая на него налипла, моментально сгорает.
Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов (платина, несколько хуже - медь и никель), так и из полупроводников.
По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).
Служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.
Принцип действия индуктивных датчиков состоит в преобразовании линейного перемещения в изменение индуктивности катушки датчика.
Устройство и принцип работы индуктивных датчиков
Индуктивный датчик функционирует следующим образом (на примере датчика частоты вращения):
Принцип действия. В основе работы индуктивных датчиков частоты вращения лежит явление электромагнитной индукции. Датчики выполнены в виде катушек с магнитными сердечниками. При прохождении под сердечником зубца ферромагнитного диска (например, зубца венца маховика коленчатого вала двигателя) магнитный проток датчика изменяется, и в катушке датчика индуцируется электродвижущая сила. Амплитуда импульсов зависит от частоты вращения коленчатого вала и зазора между сердечником и зубцом маховика
Индуктивные преобразователи имеют множество различных конструкций:
а) индуктивный преобразователь переменной длиной воздушного зазора δ.
Характеризуется нелинейной зависимостью L = f(δ).
Такие преобразователи обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01 - 5 мм.
б) индуктивный преобразователь с переменным сечением воздушного зазора. Имеет значительно меньшую чувствительностью, но линейную зависимость L = f(δ).
Эти преобразователи используют при перемещениях до 10 - 15 мм.
в) индуктивные преобразователи дифференциальные преобразователи, в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов.
Имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов.
Области применения индуктивных датчиков.
1. Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм.
2. Для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидкости и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю.
Достоинства индуктивных датчиков:
Простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;
Возможность подключения к источникам промышленной частоты;
Относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);
Значительная чувствительность.
Недостатки индуктивных датчиков:
Точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;
Возможна работа только на переменном токе.
Примеры применения индуктивных датчиков:
1. Датчик положения коленчатого вала:
Датчик положения коленчатого вала установлен на кронштейне около шкива привода генератора (см. Фото-2).
Для генерации импульса синхронизации оборотов коленвала на шкиве отсутствуют два зуба (см.Фото-2 и Рис. 1).
Самым распространенным типом устройств в составе существующих АСУ ТП являются индуктивные датчики положения, их количество превышает 90% от всех применяемых дискретных датчиков положения. Любой технологический процесс в практически любой отрасли промышленности (пищевая, машиностроение, нефтегазовая, энергетика) требует отслеживать положение заслонок, приводов, клапанов, деталей и заготовок, подвижных элементов конструкций агрегатов и т.д. в автоматическом режиме.
Повсеместному распространению индуктивных датчиков послужили их надежность, отличные эксплуатационные характеристики и сравнительно низкая стоимость. Основными рабочими характеристиками индуктивных датчиков положения являются: диапазон срабатывания, степень защиты, рабочая температура и частота отклика.
Принцип действия индуктивных датчиков заключается в следующем. При подаче питания на датчик возбуждается первичная обмотка от переменного напряжения резонатор и тем самым создает вблизи себя электромагнитное поле. При помещении в зону действия электромагнитного поля металлического объекта, который, по сути, становится вторичной обмоткой, начинают наводиться токи вихревого характера, так называемые токи Фуко. Такое явление ведет к ухудшению добротности первичной обмотки, что в свою очередь приводит к изменению в сторону уменьшения амплитуды сигнала резонатора, из-за чего срабатывает компаратор (триггер Шмидта), далее сигнал усиливается посредством усилителя и выдается на выход датчика.
Параметры индуктивных датчиков положения и рекомендации по их применению
Чтобы правильно подобрать индуктивный датчик под определенную задачу необходимо знать ряд основных параметров, а также за какие функции эти параметры отвечают.
Наверное, главным параметром, указанным в паспорте на датчик является номинальный диапазон срабатывания . Он обозначается как Sn. Номинальный диапазон срабатывания, хотя и является основным параметром, но практического значения особо не имеет. Так как его значение получается при ряде ограничений связанных с внешними факторами, а именно: температура окружающей среды 20 градусов Цельсия, питающее напряжение 24 В постоянного или же 230 В переменного тока. А в качестве объекта должна использоваться стальная пластина, выполненная из определенной стали, квадратной формы с шириной в 3 раза больше ширины значения Sn и толщиной 1мм. Практическое же значение имеют такие параметры, как эффективный диапазон срабатывания Sr и полезный диапазон срабатывания Su. Значение Sr варьируется в пределах плюс минус 10% от номинального диапазона срабатывания, а измеряется в температурном диапазоне от 18 до 28 градусов Цельсия и при номинальном напряжении питания. Полезный диапазон срабатывания индуктивного датчика варьируется в пределах плюс минус 10% от эффективного и измеряется при напряжении питания равного 85% - 110% от номинального и температуре от -25 до +70 градусов Цельсия. Часто в техническом описании на датчик можно встретить такой параметр, как гарантированная зона (диапазон) срабатывания . Его нижняя граница равна 0, а верхняя значению 0.81Sn. Также важными параметрами индуктивных датчиков положения, влияющими на точность и достоверность измерений, являются гистерезис и повторяемость H и R соответственно. Гистерезисом называют расстояние между самыми дальними точками срабатывания датчика на объект при приближении и удалении последнего. Нормальным считается значение гистерезиса равное 0.2Sr.
Помимо свойств присущих непосредственно самому индуктивному датчику положения на диапазон срабатывания влияют свойства материала объекта, речь идет об электропроводимости и магнитной проницаемости. Для этого было введено понятие коэффициента редукции . Эталонным материалом считается Сталь 37, ее коэффициент редукции равен 1. Для других металлов коэффициент редукции имеет значение меньше 1. Например, нержавейка имеет коэффициент редукции 0.85, а медь всего лишь 0.3. То есть, если объектом срабатывания является медь, то диапазон срабатывания уменьшается до значения равного 0.3Sn .
Напряжение питания датчика
Питание индуктивных датчиков может осуществляться как от источников постоянного тока, так и источников переменного тока. Для постоянного тока характерны диапазоны напряжений: 10-30В, 10-60В и 5-60В. Для переменного тока характерен диапазон: 98-253В. Также существуют индуктивные датчики имеющие универсальное питание, такие датчики можно запитать как от источника постоянного, так и от источника переменного тока.
Номинальный ток нагрузки
Параметр показывает, на какое значение тока рассчитан датчик при действии нагрузки продолжительный интервал времени. Стандартным является значение равное 200мА, но бывают спец исполнения датчиков рассчитанные и на 500мА.
Частота отклика
Параметр показывает, с какой максимальной частотой, выраженной в герцах, датчик может осуществлять переключения. Для большинства промышленных применений хватает частоты отклика равной 1000Гц, а вот поднимать частоту выше 5кГц производителям датчиков нет особого смысла, так как такая частота будет выше, частоты выполнения стандартного цикла промышленного контроллера (ПЛК). Тем самым состояние такого датчика может быть неверно интерпретировано модулем ввода ПЛК.
При выборе датчиков также стоит обратить на степень защиты корпуса от брызг и пыли, и диапазон температуры при котором может работать индуктивный датчик. Стандартными являются степень защиты IP67, а температурный диапазон от минус 25 до плюс 70 градусов Цельсия.
Индукционные датчики
Индукционные датчики предназначены для преобразования скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС. Они относятся к датчикам генераторного типа. Принцип действия индукционных датчиков основан на законе электромагнитной индукции. Выходным сигналом индукционных датчиков является ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки катушки. Это изменение происходит за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки.
Основным отличием индукционных датчиков от индуктивных является то, что в них используется постоянное магнитное поле, а не переменное (питание индуктивных датчиков осуществляется от сети переменного тока). Постоянное магнитное поле в индукционных датчиках создается двумя способами: постоянными магнитами или катушкой, обтекаемой постоянным током.
На рис. 6.19, а показана схема датчика с обмоткой W 2 , размещенной в воздушном зазоре, в котором постоянный магнитный поток Ф создается катушкой W 1 , включенной на постоянное напряжение. При перемещении катушки в магнитном поле в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения:
где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа витков W 2 и конструктивных параметров датчика.
На
рис. 6.19, б
показан
датчик, в котором постоянный магнитный
поток создается с помощью постоянного
магнита с полюсными наконечниками. ЭДС,
индуцируемая во вращающейся катушке,
пропорциональна скорости вращения Ω:
В обоих этих датчиках катушки подвижны, поэтому для отвода от них выходного сигнала (ЭДС) необходимы гибкие токоподводы или контактные кольца со щетками.
Индукционный датчик может быть выполнен и другой конструкции: с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магнитом (рис. 6.19, в). Надежность при этом повышается за счет отсутствия скользящего контакта. Возможен и другой способ повышения надежности датчика по схеме рис. 6.19, б: и катушка, и постоянный магнит неподвижны, а в зазоре между ними вращается ферромагнитное кольцо с вырезами (рис. 6.19, г) или иной элемент, имеющий существенно разную магнитную проводимость по взаимно перпендикулярным осям. При вращении изменяется поток, пронизывающий плоскость катушки.
В датчиках (рис. 6.19, б, в, г) в качестве выходного сигнала можно использовать частоту ЭДС. Принцип их действия по существу такой же, как у синхронных генераторов. Для измерения частоты вращения используются и специальные электрические машины малой мощности - тахогенераторы.
Тахогенератор постоянного тока имеет обмотку возбуждения, создающую при питании постоянным током магнитный поток Ф. При вращении якоря в нем создается ЭДС, пропорциональная частоте вращения п: Е= кФп, где k - постоянная, определяемая конструкцией.
Частота
вращения п
обычно
выражается в 1/мин (количество оборотов
в минуту) и связана со скоростью вращения
выражением:
С помощью коллектора и щеток выходной сигнал подается на нагрузку в виде выпрямленного напряжения.
Тахогенератор переменного тока имеет на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 90 град. Одна обмотка включается в сеть переменного тока. При вращении ротора, выполненного в виде тонкостенного электропроводящего цилиндра, в другой обмотке наводится переменная ЭДС, которая пропорциональна частоте вращения п. Для повышения температурной стабильности в качестве материала полого ротора используется константан.
Тахогенераторы обладают высокой чувствительностью и мощностью выходного сигнала. Общим недостатком всех генераторных датчиков является зависимость выходного сигнала от сопротивления нагрузки.