Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

У сучасних верстатах та високоточному обладнанні, де важливо контролювати положення конструктивних елементів, встановлюється індуктивний датчик. Для чого використовується цей пристрій, які різновиди та способи підключення існують, як воно працює, ми розглянемо в даній статті.

Призначення

Індуктивний датчик призначений для контролю переміщення робочого органу без безпосереднього контакту з ним. Основною сферою застосування для нього є верстатне обладнання, точні медичні прилади, системи автоматизації технологічних процесів, вимірювання та контролю форми виробу.Відповідно до положень п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.2-99 це датчик, який створює електромагнітне поле в області чутливості та має напівпровідниковий комутатор.

Сфера застосування індуктивних датчиків багато в чому визначається їх високою надійністю та стійкістю до впливу зовнішніх факторів. На їх показання та роботу не впливають багато факторів навколишнього середовища: волога, осідання конденсату, скупчення пилу та бруду, попадання твердих частинок. Такі особливості забезпечуються їх пристроєм та конструктивними даними.

Пристрій

Розвиток сегменту радіоелектроніки призвело не тільки до вдосконалення початкових механізмів, але й до виникнення принципово нових індуктивних датчиків. Як приклад розглянемо один із найпростіших варіантів (рисунок 1):

Мал. 1. Пристрій індуктивного датчика

Як бачите на малюнку, до його складу входять:

  • магнітопровід або ярмо (1) - призначений для передачі електромагнітного поля від генератора в зону чутливості;
  • котушка індуктивності (2) - створює змінне електромагнітне поле при протіканні електричного струму по витках;
  • об'єкт вимірювання (3) - металевий якір, що вводиться або переміщується в області чутливості, неметалеві предмети не здатні впливати на стан електромагнітного поля, тому вони не використовуються як детектор;
  • зазор між об'єктом вимірювання та основним магнітопроводом (4) - забезпечує міру взаємодії як магнітний діелектрик, залежно від моделі датчика і способу переміщення може залишатися незмінним або коливатися в заданому діапазоні;
  • генератор (5) - призначений для генерації електричної напруги заданої частоти, яка створюватиме змінне магнітне поле в заданій області.

Принцип роботи

Принцип дії індуктивного датчика полягає у здатності електромагнітного поля змінювати свої параметри, залежно від значення магнітної провідності на шляху протікання потоку. В основі його роботи лежить класичний варіант котушки, намотаної на сердечник.

Мал. 2. Магнітне поле у стані спокою

При протіканні електричного струму I за витками цієї котушки генерується магнітне поле (див. малюнок 2), результуючий вектор магнітної індукції B якого визначається за правилом Правої руки. При русі магнітного поля серцевиною, феромагнітний матеріал забезпечує максимальну пропускну здатність. Але як тільки лінії магнітної індукції потрапляють у повітряний простір, магнітна провідність істотно погіршується і частина поля розсіюється.

Мал. 3. Магнітне поле під час введення об'єкта спрацьовування

При внесенні в дію поля індуктивного датчика об'єкта спрацьовування (рисунок 3), виготовленого з металу, напруженість ліній індукції різко змінюється. У результаті посилюється потік і змінюється його значення, але це, своєю чергою, призводить до зміни електричної величини ланцюга котушки з допомогою явища взаємоіндукції. Насправді цей сигнал занадто малий, тому розширення межі вимірювання індуктивного датчика у тому схему включається підсилювач.

Відстань спрацьовування та об'єкт впливу

Залежно від конструкції та принципу дії індуктивного датчика об'єкт впливу може мати вертикальне або горизонтальне переміщення щодо самого вимірювача. Однак реакція сенсора на початок руху контрольованого об'єкта може починатися не відразу, що обумовлюється номінальною відстанню, при якій забезпечується зона чутливості датчика та технічними параметрами об'єкта.

Мал. 4. Область та об'єкт спрацьовування

Як бачите на малюнку 4, у першому положенні контрольований об'єкт знаходиться на такому видаленні, де електромагнітні лінії не досягають його поверхні. У такому разі з індуктивного датчика сигнал не зніматиметься, оскільки він не фіксує переміщення в зоні чутливості. У другому положенні контрольований об'єкт вже перетнув відстань спрацьовування та увійшов у чутливу зону. В результаті взаємодії з об'єктом на виході датчика з'явиться відповідний сигнал.

Також відстань спрацьовування залежатиме від геометричних розмірів, форми та матеріалу. Слід зауважити, що як об'єкт спрацьовування індуктивного датчика застосовуються тільки металеві предмети, але від конкретного типу відрізнятиметься і момент переходу датчика у протилежний стан, що зображено на діаграмі:

Мал. 5. Залежність відстані спрацьовування від матеріалу

Види

На практиці існує величезна різноманітність індуктивних датчиків, всіх їх можна розділити на дві великі категорії, залежно від роду струму живлення - змінного і постійного. Залежно стану контактів відповідно до таблицею 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 індуктивні датчики бувають:

  • замикаючий - при переміщенні контрольованого об'єкта відбувається переведення у включене положення;
  • розмикаючий - у разі впливу індуктивний датчик переводить контакти у відключене положення;
  • перемикаючий - одночасно об'єднує обидва попередні варіанти, за одну комутацію переводить один висновок у включене, другий, у відключене положення.

За кількістю вимірювальних ланцюгів індуктивні датчики поділяються на одинарні та диференціальні. Перший з них має одну котушку і один ланцюг вимірювання. Другий тип має на увазі наявність двох сенсорів, вимірювальні ланцюги яких включаються в протифазу для порівняння показань.

Мал. 6. Одинарий та диференціальний датчик

За способом передачі даних індуктивні датчики поділяються на аналогові, електронні та цифрові. У першому випадку застосовуються ті ж котушки та феромагнітні сердечники. Електронні використовують тригер Шмідта замість феромагнетиків для отримання гістерезисної складової. Цифрові виконуються у форматі друкованих плат мікросхемах. Крім цього види поділяються за кількістю висновків датчика: два, три, чотири або п'ять.

Характеристики (параметри)

При виборі індуктивного датчика для вирішення конкретної задачі керуються параметрами ланцюга, в яких він функціонуватиме і основною логікою схеми. Тому обов'язково перевіряється відповідність їх параметрів:

  • напруга живлення - визначає допустимий мінімум і максимум різниці потенціалів, при якій індуктивний датчик нормально працює;
  • мінімальний струм спрацьовування - найменше значення навантаження, при якому відбудеться перемикання;
  • відстань спрацьовування - допустимий проміжок видалення, при якому відбуватиметься комутація;
  • індуктивний та магнітний опір - визначає провідність електричного струму та ліній магнітної індукції для конкретної моделі;
  • поправочний коефіцієнт - застосовується для внесення поправки, залежно від додаткових факторів;
  • частота перемикань - максимально можлива кількість разів комутації протягом секунди;
  • габаритні розміри та спосіб встановлення.

Приклади підключення на схемах

Конструктивні особливості індуктивних датчиків визначають кількість їх висновків та спосіб подальшого підключення. Зважаючи на те, що існує чотири найбільш поширені типи, розглянемо приклади схем їх підключення.

Двопровідних датчиків індуктивності

Мал. 7. Схема підключення двопровідного датчика

Як бачите на схемі вище, двопровідні індуктивні датчики застосовуються виключно для безпосередньої комутації навантаження: контакторів, пускачів, котушок реле як електронний вимикач. Це найбільш проста схема і модель, але робота конкретної моделі сильно залежить від параметрів навантаження, що підключається.

Трипровідних датчиків індуктивності

Мал. 8. Схема підключення трипровідного датчика індуктивності

У трипровідній схемі є два висновки на живлення самого індуктивного датчика, а третій, призначений для підключення навантаження до нього. За способом комутації їх поділяють на PNP і NPN, перший вид комутує позитивний висновок, звідки і походить назва, другий тип комутує негативний висновок.

Чотирипровідні датчики індуктивності

Мал. 9. Схема підключення чотирипровідного датчика індуктивності

За аналогією з попереднім датчиком, чотирипровідний також використовує два висновки 1 і 3 для отримання живлення. А ось 2 і 4 висновок використовується для підключення навантаження з тією різницею, що комутація для обох навантажень буде протилежною.

П'ятипровідних датчиків індуктивності

Мал. 10. Схема підключення п'ятипровідного датчика індуктивності

У п'ятипровідному індуктивному датчику два висновки застосовуються для подачі напруги на чутливий елемент датчика, в прикладі це 1 і 3. Два висновки 2 і 4 подають харчування на різні навантаження, а керуючий висновок 5 дозволяє вибирати різні режими роботи і змінювати логіку перемикань.

Переваги та недоліки

У порівнянні з іншими типами сенсорних пристроїв індуктивні датчики продовжують займати вагому нішу, нарощуючи темпи впровадження у різні сфери промисловості та галузі народного господарства. Таке часте застосування пояснюється низкою вагомих переваг:

  • висока надійність за рахунок простої конструкції та відсутності рухомих контактів;
  • може функціонувати як від побутової мережі, так і від спеціальних генераторів, перетворювачів та інших джерел живлення;
  • здатні забезпечувати значну потужність на виході - близько кількох десятків Ватт;
  • характеризуються високою чутливістю в зоні вимірювання.

Але, разом з тим, існують недоліки індуктивних датчиків, які не дозволяють використовувати їх повсюдно. Серед найістотніших мінусів є громіздкі розміри, що не дозволяють монтувати їх у будь-яких пристроях. Також до недоліків відноситься залежність параметрів роботи від температурних та інших факторів, що вносять поправку на точність.

Використана література

  • Алейніков А.Ф., Гридчин В.А., Цапенко М.П. Датчики 2001
  • Келім Ю. М. «Типові елементи систем автоматичного управління» 2002.
  • В.В. Литвиненко, О.П. Майструк. «Автомобільні датчики, реле та перемикачі» 2004
  • Соснін Д. А. «Автотроніка. Електрообладнання та системи бортової автоматики сучасних легкових автомобілів» 2001

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Електрик