Indukční senzor: princip činnosti, schémata zapojení, charakteristiky

V moderních strojích a vysoce přesných zařízeních, kde je důležité kontrolovat polohu konstrukčních prvků, je instalován indukční senzor. K čemu se toto zařízení používá, jaké typy a způsoby připojení existují, jak funguje, se budeme zabývat v tomto článku.

Jmenování

Indukční senzor je určen k řízení pohybu pracovního prvku bez přímého kontaktu s ním. Jeho hlavním použitím jsou obráběcí stroje, přesné lékařské přístroje, automatizační systémy pro technologické procesy, měření a řízení tvaru výrobku. V souladu s ustanoveními odstavce 2.1.1.1 GOST R 50030.5.2-99 se jedná o senzor, který vytváří elektromagnetické pole v oblasti citlivosti a má polovodičový spínač.

Rozsah použití indukčních senzorů je do značné míry určen jejich vysokou spolehlivostí a odolností vůči vnějším vlivům. Jejich odečty a provoz nejsou ovlivněny mnoha faktory prostředí: vlhkostí, kondenzací, hromaděním prachu a nečistot a pevnými částicemi. Tyto vlastnosti jsou zajištěny jejich konstrukčními údaji.

Zařízení

Rozvoj segmentu radioelektroniky vedl nejen ke zlepšení původních mechanismů, ale také ke vzniku zásadně nových indukčních senzorů. Jako příklad uveďme jednu z nejjednodušších možností (obrázek 1):

Jak vidíte na obrázku, skládá se z:

• magnetické jádro nebo jho (1) – určené k přenosu elektromagnetického pole z generátoru do citlivé zóny;
• indukční cívka (2) – vytváří střídavé elektromagnetické pole, když elektrický proud protéká závity;
• objekt měření (3) – kovová kotva zavedená nebo přesunutá do citlivé oblasti, nekovové předměty, které nejsou schopny ovlivnit stav elektromagnetického pole, proto se nepoužívají jako detektor;
• mezera mezi měřeným objektem a hlavním magnetickým obvodem (4) – poskytuje míru interakce jako magnetický dielektrikum, v závislosti na modelu senzoru a způsobu pohybu může zůstat nezměněná nebo kolísat v daném rozsahu;
• generátor (5) — je navržen tak, aby generoval elektrické napětí dané frekvence, které vytvoří střídavé magnetické pole v dané oblasti.

Princip činnosti

Princip činnosti indukčního senzoru spočívá ve schopnosti elektromagnetického pole měnit své parametry v závislosti na hodnotě magnetické vodivosti podél dráhy proudění. Jeho činnost je založena na klasické verzi cívky navinuté na jádru.

Když závity této cívky protéká elektrický proud I, generuje se magnetické pole (viz obrázek 2), jehož výsledný vektor magnetické indukce B je určen pravidlem pravé ruky. Když se magnetické pole pohybuje podél jádra, feromagnetický materiál poskytuje maximální propustnost. Jakmile však čáry magnetické indukce vstoupí do vzduchového prostoru, magnetická vodivost se výrazně zhorší a část pole se rozptýlí.

Když se do pole působení indukčního senzoru vloží provozní objekt (obrázek 3) vyrobený z kovu, napětí v indukčním vedení se prudce změní. V důsledku toho se zvýší průtok a změní se jeho hodnota, což následně vede ke změně elektrické hodnoty v obvodu cívky v důsledku jevu vzájemné indukce. V praxi je tento signál příliš malý, proto je do jejich obvodu zahrnut zesilovač, který rozšíří měřicí limit indukčního senzoru.

Snímací vzdálenost a cílový objekt

V závislosti na konstrukci a principu činnosti indukčního senzoru se může objekt ovlivňování pohybovat vertikálně nebo horizontálně vzhledem k samotnému měřicímu zařízení. Reakce senzoru na začátek pohybu řízeného objektu však nemusí začít okamžitě, což je dáno jmenovitou vzdáleností, ve které je zajištěna zóna citlivosti senzoru, a technickými parametry objektu.

Jak je vidět na obrázku 4, v první poloze se řízený objekt nachází v takové vzdálenosti, kde elektromagnetické čáry nedosahují jeho povrchu. V tomto případě nebude signál z indukčního senzoru snímán, protože nezaznamenává pohyby v citlivé zóně. Ve druhé poloze řízený objekt již překročil citlivostní vzdálenost a vstoupil do citlivé zóny. V důsledku interakce s objektem se na výstupu senzoru objeví odpovídající signál.

Dosah odezvy bude také záviset na geometrických rozměrech, tvaru a materiálu. Je třeba poznamenat, že jako objekt odezvy indukčního senzoru se používají pouze kovové předměty, ale okamžik přechodu senzoru do opačného stavu se bude také lišit od konkrétního typu, což je znázorněno na diagramu:

druhy

V praxi existuje obrovské množství indukčních senzorů, všechny je lze rozdělit do dvou velkých kategorií v závislosti na typu napájecího proudu – střídavý a stejnosměrný. V závislosti na stavu kontaktů v souladu s tabulkou 1 bod 3 GOST R 50030.5.2-99 jsou indukční senzory:

• zavírání – když se ovládaný objekt pohybuje, přepne se do zapnuté polohy;
• otevírací – v případě nárazu indukční senzor přepne kontakty do vypnuté polohy;
• přepínání – současně kombinuje obě předchozí možnosti, jedním sepnutím přepne jeden výstup do polohy zapnuto, druhý do polohy vypnuto.

Z hlediska počtu měřicích obvodů se indukční senzory dělí na jednoduché a diferenciální. První z nich má jednu cívku a jeden měřicí obvod. Druhý typ zahrnuje přítomnost dvou senzorů, jejichž měřicí obvody jsou zapojeny v protifázi pro porovnání naměřených hodnot.

Podle způsobu přenosu dat se indukční senzory dělí na analogové, elektronické a digitální. V prvním případě se používají stejné cívky a feromagnetická jádra. Elektronické používají Schmidtovu spoušť místo feromagnetů pro dosažení hysterezní složky. Digitální se vyrábějí ve formátu desek plošných spojů na mikroobvodech. Typy se navíc dělí podle počtu vodičů senzoru: dva, tři, čtyři nebo pět.

Charakteristiky (parametry)

Při výběru indukčního senzoru pro řešení konkrétního problému se řídíme parametry obvodu, ve kterém bude pracovat, a základní logikou obvodu. Proto je nezbytné zkontrolovat shodu jejich parametrů:

• napájecí napětí – určuje přípustný minimální a maximální rozdíl potenciálů, při kterém indukční senzor normálně pracuje;
• minimální provozní proud – nejnižší hodnota zatížení, při které dojde k přepnutí;
• snímací vzdálenost – přípustná vzdálenost mezi body, ve kterých dojde k přepnutí;
• indukční a magnetický odpor – určuje vodivost elektrického proudu a magnetických indukčních čar pro konkrétní model;
• korekční faktor – používá se k provedení úpravy v závislosti na dalších faktorech;
• spínací frekvence – maximální možný počet sepnutí za sekundu;
• celkové rozměry a způsob instalace.

Příklady zapojení na schématech

Konstrukční vlastnosti indukčních senzorů určují počet jejich vodičů a způsob dalšího připojení. Vzhledem k tomu, že existují čtyři nejběžnější typy, zvažme příklady jejich schémat zapojení.

Dvouvodičové indukční senzory

Jak je vidět na výše uvedeném diagramu, dvouvodičové indukční senzory se používají výhradně pro přímé spínání zátěží: stykačů, spouštěčů, cívek relé jako elektronický spínač. Jedná se o nejjednodušší schéma a model, ale provoz konkrétního modelu silně závisí na parametrech připojené zátěže.

Třívodičové indukční senzory

V třívodičovém obvodu jsou dva výstupy pro napájení samotného indukčního senzoru a třetí je určen pro připojení zátěže k němu. Podle způsobu spínání se dělí na PNP a NPN, první typ spíná kladný výstup, odkud pochází i název, druhý typ spíná záporný výstup.

Čtyřvodičové indukční senzory

Analogicky s předchozím senzorem používá čtyřvodičový senzor také dva terminály 1 a 3 pro příjem napájení. Svorky 2 a 4 se však používají k připojení zátěže s tím rozdílem, že spínání obou zátěží bude opačné.

Pětivodičové indukční senzory

U pětivodičového indukčního senzoru se k napájení citlivého prvku senzoru používají dva svorky, v daném příkladu 1 a 3. Dva svorky 2 a 4 napájejí různé zátěže a řídicí svorka 5 umožňuje volit různé provozní režimy a měnit logiku spínání.

Výhody a nevýhody

Ve srovnání s jinými typy senzorových zařízení zaujímají indukční senzory i nadále významnou mezeru na trhu, což zvyšuje míru jejich implementace v různých oblastech průmyslu a odvětvích národního hospodářství. Takové časté používání je vysvětleno řadou významných výhod:

• vysoká spolehlivost díky jednoduché konstrukci a absenci pohyblivých kontaktů;
• může fungovat jak z domácí sítě, tak ze speciálních generátorů, měničů a jiných zdrojů energie;
• jsou schopny poskytovat značný výstupní výkon – řádově několik desítek wattů;
• se vyznačují vysokou citlivostí v měřené oblasti.

Zároveň však existují i nevýhody indukčních senzorů, které neumožňují jejich použití všude. Mezi nejvýznamnější nevýhody patří jejich objemné rozměry, které neumožňují jejich instalaci do jakýchkoli zařízení. Mezi nevýhody patří také závislost provozních parametrů na teplotě a dalších faktorech, které ovlivňují přesnost.

Reference

• Aleinikov A.F., Gridchin V.A., Tsapenko M.P. „Senzory“ 2001
• Kelim Yu. M. „Typické prvky systémů automatického řízení“ 2002.
• V.V. Litviněnko, A.P. Maistruk. „Automobilové senzory, relé a spínače“ 2004
• Sosnin D. A. „Autotronika. Elektrická zařízení a palubní automatizační systémy moderních osobních automobilů“ 2001