Правила монтажа индуктивных датчиков
При проектировании размещения индуктивного датчика следует учитывать минимально допустимые ГОСТ IEC 60947-5-2-2012 (ГОСТ Р 50030.5.2-99) расстояния до окружающих элементов конструкций из металла.
Установка индуктивных датчиков в конструкции
При проектировании размещения индуктивного датчика следует учитывать минимально допустимые ГОСТ IEC 60947-5-2-2012 (ГОСТ Р 50030.5.2-99) расстояния до окружающих элементов конструкций из металла.
Индуктивные датчики неутапливаемого исполнения имеют несколько большие расстояния срабатывания, но более жесткие ограничения по условиям установки.
Устанавливать индуктивные датчики можно и несколько ближе, чем предусматривает ГОСТ, но расстояние срабатывания в этом случае может увеличиться.
В индуктивных датчиках серии ВБИ-П40 чувствительная головка имеет возможность смены положения, и потребитель может расположить активную поверхность на одной из пяти плоскостей изделия. От изготовителя изделие поступает с торцевой активной поверхностью.
Навигация
- Цилиндрический корпус утапливаемое исполнение
- Цилиндрический корпус неутапливаемое исполнение
- Фланцевый корпус неутапливаемое исполнение
- Прямоугольный корпус утапливаемое исполнение
- Прямоугольный корпус неутапливаемое исполнение
- Щелевой корпус
- Устройство зубчатого колеса (боковое)
- Расстояние срабатывания и площадь объекта воздействия
- Устройство зубчатого колеса (торцевое)
Цилиндрический корпус утапливаемое исполнение
Важные особенности монтажа моделей индуктивных датчиков с увеличенным расстоянием срабатывания (УРС)
1. При монтаже индуктивного датчика ВБИ-М18 утапливаемого исполнения, чувствительная поверхность датчика должна выступать из металла на 0,8 мм.
2. При монтаже индуктивного датчика ВБИ-М30 утапливаемого исполнения необходимо учитывать следующее.
Если материал детали, в которую устанавливается датчик, является ферромагнетиком (СТ3, конструкционная сталь), то чувствительная поверхность датчика должна выступать на 2 мм из металла.
При уменьшении выступа расстояние срабатывания увеличивается вплоть до потери работоспособности датчика.
Если материал не магнитный (цветной металл, нержавеющая сталь), то чувствительная поверхность датчика должна выступать из металла на 4 мм.
При уменьшении выступа расстояние срабатывания уменьшается примерно на 15 %.
Стандартное расстояние срабатывания
(минимальные размеры)
| Типоразмер | B, мм | C, мм |
| ВБИ-Д06 | 12 | 4,5 |
| ВБИ-М08 | 16 | 4,5 |
| ВБИ-М12 | 24 | 6 |
| ВБИ-М18 | 36 | 15 |
| ВБИ-М24 | 48 | 24 |
| ВБИ-М30 | 60 | 30 |
Увеличенное расстояние срабатывания
(минимальные размеры)
| Типоразмер | B, мм | C, мм |
| ВБИ-М08 | 16 | 6 |
| ВБИ-М12 | 24 | 12 |
| ВБИ-М18 | 36 | 24 |
| ВБИ-М30 | 60 | 45 |
Цилиндрический корпус неутапливаемое исполнение
Стандартное расстояние срабатывания
(минимальные размеры)
| Типоразмер | A, мм | B, мм | C, мм | D, мм |
| ВБИ-Д06 | 6 | 12 | 7,5 | 5 |
| ВБИ-М08 | 8 | 16 | 7,5 | 5 |
| ВБИ-М12 | 12 | 24 | 12 | 8 |
| ВБИ-М18 | 18 | 36 | 24 | 16 |
| ВБИ-М30 | 30 | 60 | 45 | 30 |
Увеличенное расстояние срабатывания
(минимальные размеры)
| Типоразмер | A, мм | B, мм | C, мм | D, мм |
| ВБИ-М08 | 8 | 16 | 12 | 8 |
| ВБИ-М12 | 12 | 24 | 18 | 12 |
| ВБИ-М18 | 18 | 36 | 36 | 24 |
| ВБИ-М30 | 30 | 60 | 75 | 50 |
Фланцевый корпус неутапливаемое исполнение
Стандартное расстояние срабатывания
(минимальные размеры)
B, мм
(расстояние между
центрами ЧЭ)
Прямоугольный корпус утапливаемое исполнение
Стандартное расстояние срабатывания
(минимальные размеры)
| Типоразмер | C, мм | D, мм |
| ВБИ-П12 | 6 | 0 |
| ВБИ-П18 | 15 | 0 |
| ВБИ-П30 | 30 | 0 |
| ВБИ-П40 | 60 | 0 |
Прямоугольный корпус неутапливаемое исполнение
Стандартное расстояние срабатывания
(минимальные размеры)
| Типоразмер | A, мм | B, мм | C, мм | D, мм |
| ВБИ-П12 | 12 | 24 | 12 | 8 |
| ВБИ-П18 | 18 | 36 | 24 | 16 |
| ВБИ-П30 | 30 | 60 | 45 | 30 |
| ВБИ-П40 | 40 | 80 | 75 | 40 |
Щелевой корпус
Щелевые индуктивные датчики ВБИ при наличии допустимых люфтов обеспечивают более точное позиционирование, граница срабатывания у них приближена к прямой линии.
Устройство зубчатого колеса (боковое)
Приведены значения частоты срабатывания индуктичного датчика серии ВБИ, измеренные по стандартной методике.
При проверке частоты срабатывания активная поверхность ВБИ устанавливается на расстоянии 0,5 Sn от поверхности стандартных объектов воздействия, размещенных на вращающемся диске.
При этом «а» должно быть равно наибольшему из следующих размеров: диаметру чувствительного элемента или три Sn (расстояние срабатывания).
Расстояние срабатывания и площадь объекта воздействия
Если объект воздействия имеет размеры меньше стандартного, то расстояние срабатывания может измениться. Характер этого изменения представлен на графике зависимости отношения S/Sn от К – отношения площади используемого объекта (толщиной примерно 1 мм) к площади стандартного объекта воздействия.
При работе с объектами из различных металлов и сплавов расстояния срабатывания могут уменьшаться, и для предварительных расчетов можно использовать следующие поправочные коэффициенты:
| Нержавеющая сталь | 0,8 |
| Латунь | 0,5 |
| Алюминий | 0,5 |
| Медь | 0,48 |
Устройство зубчатого колеса (торцевое)
Приведены значения частоты срабатывания индуктичного датчика серии ВБИ, измеренные по стандартной методике.
При проверке частоты срабатывания активная поверхность ВБИ устанавливается на расстоянии 0,5 Sn от поверхности стандартных объектов воздействия, размещенных на вращающемся диске.
При этом «а» должно быть равно наибольшему из следующих размеров: диаметру чувствительного элемента или три Sn (расстояние срабатывания).
Читать также
Оборудование СЕНСОР во взрывозащищенном исполнении производится с различными видами взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» уровня «ia», «mb» (герметизация компаундом).
Индуктивные бесконтактные датчики (выключатели) серии ВБИ применяются там, где важна надежная работа оборудования.
Срабатывая от металла, они наиболее широко используются в качестве конечных выключателей в станках с ЧПУ, в автоматических линиях.
Оптические датчики серии ВБО применяются во всех отраслях для позиционирования или счета объектов.
Использование в датчиках кодированного инфракрасного излучения позволяет избежать влияния посторонних источников света.
Применение датчиков в промышленном оборудовании. Часть II
В статье рассмотрен такой важный практический вопрос, как подключение индуктивных датчиков с транзисторным выходом, которые в современном промышленном оборудовании встречаются повсеместно. Кроме того, описаны реальные датчики приближения — неотъемлемая часть работы инженера-электронщика, их плюсы, минусы и примеры применения. Часть первая опубликована в предыдущем номере (№ 5-6, 2017) журнала.
Индуктивные датчики
В первой части статьи были описаны возможные варианты выходов датчиков. По подключению датчиков с контактами (релейный выход) проблем возникнуть не должно. А по транзисторным не все так просто. Нужно учитывать много нюансов: полярность, логика работы, напряжение.
Для примера показаны упрощенные схемы подключения датчиков с транзисторным выходом (рис. 1). Нагрузка, как правило, это вход контроллера.
Рис. 1, а — датчик с выходным транзистором NPN. Коммутируется общий провод, который в данном случае — отрицательный провод источника питания. Нагрузка (Load) постоянно подключена к «плюсу» (+V). Здесь активный уровень (дискретный «1») на выходе датчика — низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.
Рис. 1, б — случай с транзистором PNP на выходе. Нагрузка (Load) постоянно подключена к «минусу» (0V), подача дискретной «1» (+V) коммутируется транзистором. Этот случай — наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим (нулевым), а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.
Напряжение на транзисторном выходе, как правило, определяется напряжением питания, обычно ограниченным узкими пределами. Например, от 18 до 30 В. На это можно посмотреть с другой стороны — сейчас большинство устройств стандартизовано по напряжениям.
Далее от теории перейдем к практическим вопросам.
Взаимозаменяемость датчиков
Как я уже писал в предыдущей части статьи, есть четыре вида датчиков с транзисторным выходом, которые подразделяются по внутреннему устройству и схеме включения: PNP NO; PNP NC; NPN NO; NPN NC.
Бывает, что нужного типа датчика нет под рукой, а оборудование должно работать без простоя! Хорошая новость — перечисленные типы датчиков можно заменить друг на друга.
Это реализуется следующими способами:
- Переделка устройства инициации — механически меняется конструкция. Например, если NO датчик реагировал на наличие металла, то NC будет реагировать на его отсутствие. Если выход той же полярности, то не изменится ни программа, ни алгоритм работы.
- Изменение имеющейся схемы включения датчика (рассмотрим подробнее ниже).
- Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
- Перепрограммирование программы контроллера (изменение активного уровня входа, изменение алгоритма программы).
Естественно, производители умалчивают о таких возможностях, чтобы продавать большое количество и номенклатуру изделий. Ниже приведен пример, как можно заменить датчик PNP на NPN, изменив схему подключения (рис. 2).
Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор — это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле.
На рис. 2, а показана схема датчика с нормально открытым выходом типа PNP. Когда датчик не активен, его выходные «контакты» разомкнуты, и ток через них не протекает. И наоборот, если контакты замкнуты, то протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.
При активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?
Смотрим на изменения в схеме на рис. 2, б. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 4,7–10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется.
Когда датчик активен, на входе контроллера дискретный «0», поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.
Как отремонтировать и проверить индуктивный датчик?
Ремонту датчики приближения практически не подлежат, поскольку имеют цельный корпус, залитый компаундом. К тому же, большинство поломок связано с механическими повреждениями из-за неаккуратного персонала или сдвига активатора.
Чтобы проверить датчик электрически, нужно подать на него питание, то есть подключить его в схему, а затем активировать (инициировать). При активации должен загораться индикатор. Но индикация не гарантирует правильной работы индуктивного датчика. Нужно подключить нагрузку и измерить напряжение на ней, чтобы быть уверенным на 100%.
Условное обозначение датчика приближения
На принципиальных схемах индуктивные датчики (датчики приближения) обозначают квадратом с двумя линиями в нем, повернутым на 45°. Пример на рис. 3.
На верхней схеме нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема — нормально закрытый, и третья схема — оба контакта в одном корпусе.
Цветовая маркировка выводов датчиков
Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются ее.
- Синий (Blue) — минус питания.
- Коричневый (Brown) — плюс питания.
- Черный (Black) — выход.
- Белый (White) — второй выход, или вход управления.
Однако непосредственно перед монтажом нелишним будет убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.
Конкретный производители
Ниже — мое субъективное мнение по датчикам, с которыми приходилось иметь дело.
«ТЕКО». Для тех, кто выбирает отечественного производителя. Эта челябинская компания существует с советских времен и в настоящее время выпускает большое разнообразие датчиков. К сожалению, по моему опыту, на их долю приходится большое количество электрических отказов. Также у них слабая механическая прочность. Надеюсь, в настоящее время фирма улучшила качество продукции. Несомненное преимущество этой компании — цена, которая может быть в 2–3 раза ниже импортных аналогов (исключение Китай). Пример применения индуктивного датчика «Теко» — рис. 4.
Рис. 4 — Пример применения индуктивного датчика «TEKO»
В данном случае активатор, который проезжает мимо датчика, сместился и поломал оригинальный датчик. Выход — был установлен датчик «Теко» с большой зоной срабатывания.
AUTONICS. Оптимальный выбор по соотношению цена/качество. Эта корейская фирма выпускает большое количество датчиков с неплохим качеством. Благодаря скромным вложениям в раскрутку бренда, цены остаются весьма приемлемыми.
На рис. 5 показан пример модернизации спаивающей головки упаковочной линии.
Рис. 5 — Пример модернизации спаивающей головки упаковочной линии
В верхней части — датчик Autonics. Ранее установили электрический концевой выключатель, как на нижней части фото. Чтобы исключить проблемы с контактами, было решено установить индуктивный датчик, с чем Autonics прекрасно справился и сбои прекратились. Завершением стала прокладка дополнительного провода питания и изготовление крепежной пластины.
OMRON. Это старый раскрученный бренд, поэтому цена на эти датчики довольно высока. Однако и качество на уровне.
На рис. 6 — датчики показывают положение механизма редуктора.
Рис. 6 — Датчик показывает положение механического редуктора.
В большинстве случаев установка датчиков раскрученных брендов нецелесообразна, поэтому они устанавливаются в оборудовании высокой ценовой категории.
ALLEN BRADLEY. Этот американский бренд, как Rolls-Royce в мире моторов. Цена весьма высока, а вот качество в конкретно взятом случае подкачало: датчик, установленный на крышке бункера сыпучего вещества, перестал работать (рис. 7).
Рис. 7 — Дитчик Allen Bradley
Оказалось, проблема в контактах разъема. Их подогнули и почистили. В данном случае при грамотной установке датчик «Теко» прекрасно бы справился. Кстати, разница в цене этих датчиков — примерно в 10 раз!
Следует сказать, что в настоящее время более 90% от общего числа индуктивных датчиков имеют замену на датчики других производителей. Редко бывают случаи, когда нужен какой-то определенный тип. Как правило, это связано с габаритами и особенностями монтажа. В пределах одного предприятия целесообразно остановить выбор на одном производителе.
Практические схемы включения датчиков
Данная статья – вторая часть статьи про разновидности и принципы работы датчиков. Кто не читал – рекомендую, там очень много тонкостей разложено по полочкам.
Здесь же я отдельно вынес такой важный практический вопрос, как подключение индуктивных датчиков с транзисторным выходом, которые в современном промышленном оборудовании – повсеместно. Кроме того, приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.
Принцип активации (работы) датчиков при этом может быть любым – индуктивные (приближения), оптические (фотоэлектрические), и т.д.
В первой части были описаны возможные варианты выходов датчиков. По подключению датчиков с контактами (релейный выход) проблем возникнуть не должно. А по транзисторным и с подключением к контроллеру не всё так просто.
Рекомендую тем, кто интересуется, также мою статью про параллельное подключение транзисторных выходов.
Схемы подключения датчиков PNP и NPN
Отличие PNP и NPN датчиков в том, что они коммутируют разные полюсы источника питания. PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN – отрицательный.
Ниже для примера даны схемы подключения датчиков с транзисторным выходом. Нагрузка – как правило, это вход контроллера.
PNP выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “минусу” (0V), подача дискретной “1” (+V) коммутируется транзистором. НО или НЗ датчик – зависит от схемы управления (Main circuit)
NPN выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “плюсу” (+V). Здесь активный уровень (дискретный “1”) на выходе датчика – низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.
Призываю всех не путаться, работа этих схем будет подробно расписана далее.
СамЭлектрик.ру в социальных сетях:
Подписывайтесь! Там тоже интересно!
На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.
Схемы подключения NPN и PNP выходов датчиков
На левом рисунке – датчик с выходным транзистором NPN. Коммутируется общий провод, который в данном случае – отрицательный провод источника питания.
Справа – случай с транзистором PNP на выходе. Этот случай – наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.
Подключение двухпроводных датчиков
Про параллельное подключение датчиков я писал на блоге несколько раз, ссылки в конце статьи. Но если с трехпроводными всё более-менее понятно (с релейными вообще нет проблем), то двухпроводные не могут работать в параллель, в отличие от трехпроводных.
Когда первый включается, на выход второго приходит напряжение, и он никак не может работать, поскольку брать питание ему не откуда. Ведь тока через датчик нет.
Вообще двухпроводные очень капризны к нагрузке и питанию, им нужен определенный уровень тока, и не с каждой нагрузкой они работают. Например, индуктивные нагрузки, импульсные PFC блоки питания и светодиодные лампы не могут обеспечить нормальную работу двухпроводных датчиков. Поэтому я не люблю их.
Если нужно параллель, то решения три –
1. оставить один датчик
2. оставить два датчика, но чтобы они работали не в параллель, а каждый на свою нагрузку.
3. поставить трехпроводные датчики в параллель.
Как проверить индуктивный датчик?
Для этого нужно подать на него питание, то есть подключить его в схему. Затем – активировать (инициировать) его. При активации будет загораться индикатор. Но индикация не гарантирует правильной работы индуктивного датчика. Нужно подключить нагрузку, и измерить напряжение на ней, чтобы быть уверенным на 100%.
Замена датчиков
- PNP NO
- PNP NC
- NPN NO
- NPN NC
Все эти типы датчиков можно заменить друг на друга, т.е. они взаимозаменяемы.
Это реализуется такими способами:
- Переделка устройства инициации – механически меняется конструкция.
- Изменение имеющейся схемы включения датчика.
- Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
- Перепрограммирование программы – изменение активного уровня данного входа, изменение алгоритма программы.
Ниже приведён пример, как можно заменить датчик PNP на NPN, изменив схему подключения:
PNP-NPN схемы взаимозаменяемости. Слева – исходная схема, справа – переделанная.
Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор – это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле (примеры – ниже, в обозначениях).
Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.
Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.
Если внутренней нагрузки в датчике нет, и коллектор “висит в воздухе”, то это называют “схема с открытым коллектором”. Эта схема работает ТОЛЬКО с подключенной нагрузкой.
Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?
Бывают ситуации, когда нужного датчика нет под рукой, а станок должен работать “прям щас”.
Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется. Когда датчик активен – на входе контроллера дискретный “0”, поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.
В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.
Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.
Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.
Условное обозначение датчика приближения
На принципиальных схемах индуктивные датчики (датчики приближения) обозначают по разному. Но главное – присутствует квадрат, повёрнутый на 45° и две вертикальные линии в нём. Как на схемах, изображённых ниже.
НО НЗ датчики. Принципиальные схемы.
На верхней схеме – нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема – нормально закрытый, и третья схема – оба контакта в одном корпусе.
Цветовая маркировка выводов датчиков
Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются её.
Однако, нелишне перед монтажом убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.
Вот эта маркировка.
- Синий (Blue) – Минус питания
- Коричневый (Brown) – Плюс
- Чёрный (Black) – Выход
- Белый (White) – второй выход, или вход управления, надо смотреть инструкцию.
Система обозначений индуктивных датчиков
Тип датчика обозначается цифро-буквенным кодом, в котором зашифрованы основные параметры датчика. Ниже приведена система маркировки популярных датчиков Autonics.
Система обозначений датчиков Autonics
Скачать инструкции и руководства на некоторые типы индуктивных датчиков:
• Autonics_proximity_sensor / Каталог датчиков приближения Autonics, pdf, 1.73 MB, скачан: 2243 раз./
• Omron_E2A / Каталог датчиков приближения Omron, pdf, 1.14 MB, скачан: 2876 раз./
• ТЕКО_Таблица взаимозаменяемости выключателей зарубежных производителей / Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан: 2283 раз./
• Turck_InduktivSens / Датчики фирмы Turck, pdf, 4.13 MB, скачан: 2733 раз./
• pnp npn / Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar, 2.18 kB, скачан: 4396 раз./
Скачать книгу про датчики
Реальные датчики
Датчики – товар специфический, и в магазинах электрики такие не продают. Как вариант, их можно купить в Китае, на АлиЭкспрессе.
А вот какие оптические датчики я встречаю в своей работе.
Всем спасибо за внимание, жду вопросов по подключению датчиков в комментариях!
Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики
В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик. Для чего применяется данное устройство, какие разновидности и способы подключения существуют, как оно работает, мы рассмотрим в данной статье.
Назначение
Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним. Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. В соответствии с положениями п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.2-99 это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности и обладает полупроводниковым коммутатором.
Сфера применения индуктивных датчиков во многом определяется их высокой надежностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов. На их показания и работу не влияют многие факторы окружающей среды: влага, оседание конденсата, скопление пыли и грязи, попадание твердых частиц. Такие особенности обеспечиваются их устройством и конструктивными данными.
Устройство
Развитие сегмента радиоэлектроники привело не только к совершенствованию первоначальных механизмов, но и к возникновению принципиально новых индуктивных датчиков. В качестве примера рассмотрим один из простейших вариантов (рисунок 1):
Рис. 1. Устройство индуктивного датчика
Как видите на рисунке, в его состав входят:
- магнитопровод или ярмо (1) – предназначен для передачи электромагнитного поля от генератора в зону чувствительности;
- катушка индуктивности (2) – создает переменное электромагнитное поле при протекании электрического тока по виткам;
- объект измерения (3) – металлический якорь, вводимый или перемещаемый в области чувствительности, неметаллические предметы не способные влиять на состояние электромагнитного поля, поэтому они не используются в качестве детектора;
- зазор между объектом измерения и основным магнитопроводом (4) – обеспечивает меру взаимодействия в качестве магнитного диэлектрика, в зависимости от модели датчика и способа перемещения может оставаться неизменным или колебаться в заданном диапазоне;
- генератор (5) — предназначен для генерации электрического напряжения заданной частоты, которое будет создавать переменное магнитное поле в заданной области.
Принцип работы
Принцип действия индуктивного датчика заключается в способности электромагнитного поля изменять свои параметры, в зависимости от значения магнитной проводимости на пути протекания потока. В основе его работы лежит классический вариант катушки, намотанной на сердечник.
Рис. 2. Магнитное поле в состоянии покоя
При протекании электрического тока I по виткам этой катушки генерируется магнитное поле (см. рисунок 2), результирующий вектор магнитной индукции B которого определяется по правилу Правой руки. При движении магнитного поля по сердечнику, ферромагнитный материал обеспечивает максимальную пропускную способность. Но, как только линии магнитной индукции попадают в воздушное пространство, магнитная проводимость существенно ухудшается и часть поля рассеивается.
Рис. 3. Магнитное поле при введении объекта срабатывания
При внесении в область действия поля индуктивного датчика объекта срабатывания (рисунок 3), изготовленного из металла, напряженность линий индукции резко изменяется. В результате чего усиливается поток и меняется его значение, а это, в свою очередь, приводит к изменению электрической величины в цепи катушки за счет явления взаимоиндукции. На практике этот сигнал слишком мал, поэтому для расширения предела измерения индуктивного датчика в их схему включается усилитель.
Расстояние срабатывания и объект воздействия
В зависимости от конструкции и принципа действия индуктивного датчика объект воздействия может иметь вертикальное или горизонтальное перемещение относительно самого измерителя. Однако реакция сенсора на начало движения контролируемого объекта может начинаться не сразу, что обуславливается номинальным расстоянием, при котором обеспечивается зона чувствительности датчика и техническими параметрами объекта.
Рис. 4. Область и объект срабатывания
Как видите на рисунке 4, в первом положении контролируемый объект находится на таком удалении, где электромагнитные линии не достигают его поверхности. В таком случае с индуктивного датчика сигнал сниматься не будет, так как он не фиксирует перемещения в зоне чувствительности. Во втором положении контролируемый объект уже пересек расстояние срабатывания и вошел в чувствительную зону. В результате взаимодействия с объектом на выходе датчика появится соответствующий сигнал.
Также расстояние срабатывания будет зависеть от геометрических размеров, формы и материала. Следует заметить, что в качестве объекта срабатывания индуктивного датчика применяются только металлические предметы, но от конкретного типа будет отличаться и момент перехода датчика в противоположное состояние, что изображено на диаграмме:
Рис. 5. Зависимость расстояния срабатывания от материала
На практике существует огромное разнообразие индуктивных датчиков, всех их можно разделить на две большие категории, в зависимости от рода питающего тока – переменного и постоянного. В зависимости от состояния контактов в соответствии с таблицей 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивные датчики бывают:
- замыкающий – при перемещении контролируемого объекта происходит перевод во включенное положение;
- размыкающий – в случае воздействия индуктивный датчик переводит контакты в отключенное положение;
- переключающий – одновременно объединяет оба предыдущих варианта, за одну коммутацию переводит один вывод во включенное, второй, в отключенное положение.
По количеству измерительных цепей индуктивные датчики подразделяются на одинарные и дифференциальные. Первый из них обладает одной катушкой и одной цепью измерения. Второй тип подразумевает наличие двух сенсоров, измерительные цепи которых включаются в противофазу для сравнения показаний.
Рис. 6. Одинарый и дифференциальный датчик
По способу передачи данных индуктивные датчики подразделяются на аналоговые, электронные и цифровые. В первом случае применяются те же катушки и ферромагнитные сердечники. Электронные используют триггер Шмидта вместо ферромагнетиков для получения гистерезисной составляющей. Цифровые выполняются в формате печатных плат на микросхемах. Помимо этого виды подразделяются по количеству выводов датчика: два, три, четыре или пять.
Характеристики (параметры)
При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами цепи, в которых он будет функционировать и основной логикой схемы. Поэтому обязательно проверяется соответствие их параметров:
- напряжение питания – определяет допустимый минимум и максимум разности потенциалов, при которой индуктивный датчик нормально работает;
- минимальный ток срабатывания – наименьшее значение нагрузки, при котором произойдет переключение;
- расстояние срабатывания – допустимый промежуток удаления, при котором будет происходить коммутация;
- индуктивное и магнитное сопротивление – определяет проводимость электрического тока и линий магнитной индукции для конкретной модели;
- поправочный коэффициент – применяется для внесения поправки, в зависимости от дополнительных факторов;
- частота переключений – максимально возможное количество раз коммутации в течении секунды;
- габаритные размеры и способ установки.
Примеры подключения на схемах
Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и способ дальнейшего подключения. В виду того, что существует четыре наиболее распространенных типа, рассмотрим примеры схем их подключения.
Двухпроводных датчиков индуктивности
Рис. 7. Схема подключения двухпроводного датчика
Как видите на схеме выше, двухпроводные индуктивные датчики применяются исключительно для непосредственной коммутации нагрузки: контакторов, пускателей, катушек реле в качестве электронного выключателя. Это наиболее простая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.
Трехпроводных датчиков индуктивности
Рис. 8. Схема подключения трехпроводного датчика индуктивности
В трехпроводной схеме присутствует два вывода на питание самого индуктивного датчика, а третий, предназначен для подключения нагрузки к нему. По способу коммутации их подразделяют на PNP и NPN, первый вид коммутирует положительный вывод, откуда и происходит название, второй тип коммутирует отрицательный вывод.
Четырехпроводных датчиков индуктивности
Рис. 9. Схема подключения четырехпроводного датчика индуктивности
По аналогии с предыдущим датчиком, четырехпроводный также использует два вывода 1 и 3 для получения питания. А вот 2 и 4 вывод используется для подключения нагрузки с той разницей, что коммутация для обеих нагрузок будет противоположной.
Пятипроводных датчиков индуктивности
Рис. 10. Схема подключения пятипроводного датчика индуктивности
В пятипроводном индуктивном датчике два вывода применяются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в рассматриваемом примере это 1 и 3. Два вывода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий вывод 5 позволяет выбирать различные режимы работы и менять логику переключений.
Преимущества и недостатки
В сравнении с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать весомую нишу, наращивая темпы внедрения в различные сферы промышленности и отрасли народного хозяйства. Такое частое применение объясняется рядом весомых преимуществ:
- высокая надежность за счет простой конструкции и отсутствия подвижных контактов;
- может функционировать как от бытовой сети, так и от специальных генераторов, преобразователей и прочих источников питания;
- способны обеспечивать значительную мощность на выходе — порядка нескольких десятков Ватт;
- характеризуются высокой чувствительностью в зоне измерения.
Но, вместе с тем, существуют и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее существенных минусов являются громоздкие размеры, не позволяющие монтировать их в любых устройствах. Также к недостаткам относится зависимость параметров работы от температурных и других факторов, вносящих поправку на точность.