Принцип работы и виды индуктивных датчиков, способы подключения

Преимущества и недостатки

Особенности конструкции основных элементов управления (катушек обмотки и металлических деталей) обеспечивают чрезвычайную надежность большинства индуктивных датчиков. Учитывая их солидную репутацию, возникает очевидный вопрос: «Почему индуктивные датчики не используются чаще?» Причина в том, что их физическая прочность является одновременно их преимуществом и недостатком. Индуктивные датчики отличаются точностью, надежностью и стабильностью, но при этом являются большими, громоздкими и тяжелыми. Большой расход материала и необходимость тщательной намотки катушек обуславливают дороговизну производства датчиков, особенно высокоточных приборов, требующий прецизионной намотки. Помимо простых бесконтактных датчиков, более сложные индуктивные датчики стоят слишком дорого для использования в широко распространенных коммерческих или промышленных сферах применения.

Другая причина их относительно редкого использования заключается в сложности составления инженерами-конструкторами технических условий. Это связано с тем, что схемы генерации переменного тока и обработки сигналов для каждого датчика необходимо рассчитывать и приобретать отдельно. Для этого обычно требуются глубокие навыки и знания в области аналоговой электроники. Поскольку молодые инженеры стремятся сосредоточиться на цифровой электронике, они рассматривают изучение таких дисциплин как приобретение ненужной квалификации, которую следует избегать.

Датчик оборотов двигателя для контроллера

Понадобилось на работе контролировать обороты двигателя. Решили использовать датчик Холла. На муфту установленную на валу двигателя приклеили пару неодимовых магнитов. Для датчика Холла сделали схему на компараторе, чтобы фиксировать моменты прохождения магнита напротив датчика. Схема приведена на рис.1

Описание работы

Датчик Холла AHSS49 на каждый проход магнита, закрепленного на валу двигателя формирует импульс амплитудой около 1 вольта, со смещением относительно земляной шины на +2,5 В.

Полученный сигнал поступает на вход компаратора IC1 LM311, который формирует управляющие импульсы для выходной опто-развязки OC1 PC817, выход которой присоединяется ко входу контроллера, подтянутому через сопротивление 1-2 кОм к питанию контроллера. В промышленных контроллерах, такие резисторы предустановлены и требуется только конфигурирование входных цепей. Порог срабатывания компаратора IC1 настроен на напряжение 2,6 В. Настраивая компаратор на более высокое напряжение можно получить более узкие импульсы на выходе — это связано с тем, что импульсы на выходе датчика Холла имеют форму близкую к треугольной.

Конденсаторы С1, С2 предназначены для снижения импульсных помех и исключения ложных срабатываний компаратора.

Схема была смакетирована на самодельной монтажной плате см. рис.2 Для публикации была подготовлена разводка печатной платы см. Приложения к статье.

Установка датчика около муфты вала двигателя см.рис.3 Датчик Холла был установлен таким образом, чтоб при прохождении магнитов установленных на муфте они оказывались на расстоянии пимерно 5 мм напротив датчика Холла. При установке на валу двух магнитов результирующая частота на выходе платы удваивается. При установке 4 магнитов возрастает в 4 раза. Большее число магнитов устанавливается для подсчета частоты вращения низко-оборотных двигателей. Соответственно, при измерении частоты вращения двигателя результат делится на число магнитов установленных на валу двигателя.

Выход тахометра может быть организован несколькими способами в зависимости от решаемых задач

Схема приведенная на рис. 1 при работе с промышленными контроллерами может не дать устойчивого срабатывания на каждый импульс поскольку 2 p-n перехода опто-развязки PC817 при полном открытии будут давать падение напряжения около 1 В. И , в этом случае, дискретные входы пром.контроллера выполненные на КМОП микросхемах будут срабатывать неустойчиво, в этом случае имеет смысл реализовать схему выхода на полевом N-канальном транзисторе. Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе приведен на рис.4 . Для управления полевым транзистором пришлось задействовать дополнительный вход контроллера (клемма Х1). В случае если входов контроллера для этого не хватает, можно использовать дополнительный источник питания + 5В, подключив его к клемме Х1. Рабочий вход (клемма Х2) замыкается полевым транзистором и сформированные импульсы поступают на вход контроллера Х2.

Если дополнительная гальваническая развязка выхода не нужна, можно использовать схему рис.5

Рис. 6 Осциллограмма выходного сигнала для варианта схемы см. рис. 4

Источник

Схема принципиальная датчика

Для более чёткого рассмотрения картинки — сохраните её на ПК и увеличьте.

Схема построена как генератор с индуктивной обратной связью. Колебательный контур на элементах: L2, C2 задаёт частоту, катушка L1 и ёмкость C1 обратной связи обеспечивают генерацию, резисторы: R2, R4 задают режим транзистора по постоянному току и стабилизируют его. Развязку по высокой частоте обеспечивает цепочка: R1, C3.

Формирователь выходного сигнала выполнен по схеме удвоения напряжения на элементах: C4, C5, VD1, VD2, R3 диоды любые высокочастотные, резистор R3 подбирается в зависимости от необходимой скорости убывания выходного напряжения при срыве генерации. При наличии металлического лепестка между катушками генерация срывается.

Печатная плата изготавливается из фольгированного стеклотекстолита, для её крепления используется  2 мм. отверстие, в которое вставляется болт с надетой на него ограничивающей бобышкой (или просто кусок хлорвиниловой трубки от капельницы) и зажимается всё гаечкой, либо болт вкручивается в нарезанную на каком-то основании резьбу…

Индуктивный датчик: принцип действия и устройство

Индуктивный датчик является очень распространенным устройством, входящим в состав низового оборудования в автоматизированных системах управления производством. Устройства широко применяются в машиностроении, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности.


Наиболее эффективно приборы используются в станках в качестве конечных выключателей, а также в автоматических линиях.

При этом индуктивные датчики реагируют только на металлы, оставаясь нечувствительными к другим материалам. Данное свойство позволяет увеличить защищенность устройств от помех, вводя в их зону чувствительности различные смазки, эмульсии и другие вещества, что не вызовет ложного срабатывания.

Объектами, на которые воздействует индуктивный датчик положения, являются различные металлические детали: кулачки, ползуны, зубья шестеренок. Во многих случаях может применяться прикрепленная к деталям оборудования пластина.

По статистике, из всех используемых датчиков положения более 90 процентов приходится на индуктивные устройства.


Это можно объяснить их отличными эксплуатационными характеристиками, низкой стоимостью и одновременно высокой надежностью, чего нельзя сказать о других приборах.

Бесконтактный выключатель (индуктивный датчик) работает по следующим принципам. Входящий в состав устройства генератор производит электромагнитное поле, которое взаимодействует с объектом. Необходимую длительность сигнала управления и гистерезис при переключении обеспечивает триггер. Усилитель позволяет увеличить до необходимого значения амплитуду сигнала.

Расположенный в датчике световой индикатор обеспечивает оперативность настройки, контроль работоспособности и показывает состояние выключателя. Для защиты от проникновения в устройство воды и твердых частиц используется компаунд. Корпус изделия позволяет монтировать индуктивный датчик приближения и защищает приспособление от механических воздействий. Его изготавливают из полиамида или латуни, комплектуя метизными компонентами.

В процессе работы устройства при подаче напряжения катушкой индуктивности генератора создается переменное магнитное поле, которое располагается перед активной поверхностью выключателя. При попадании в зону чувствительности объекта воздействия происходит снижение качества контура и амплитуды колебаний. В результате происходит срабатывание триггера и изменяется состояние выхода выключателя.

Индуктивный датчик имеет некоторые особенности применения. Он может распознавать различные группы металлов, благодаря отсутствию износа и механического воздействия является долговечным приспособлением. Устройства комплектуют с помощью механизмов защиты от короткого замыкания и перегрузок.

Они имеют стойкость к высокому давлению, впускаются в различных вариантах для применения при высоких (до 150 Сo) и низких (от – 60 Со) температурах. Индуктивный датчик обладает устойчивостью к активным химическим средам, может иметь аналоговый или дискретный выход для определения положения относительно устройства объекта воздействия.

Как заземлить ванну?

Преимущества и недостатки

Индукционные датчики имеют свои достоинства и недостатки, как и любое другое устройство. Главным преимуществом считается простота конструкции, не требующая сложной настройки и не нуждающаяся в особых условиях для монтирования. Приспособление не имеет скользящих контактов, сделано из прочного материала и может на протяжении длительного времени работать без перерыва.

Стоит также отметить, что прибор очень редко выходит из строя, и ремонт его не представляет сложности. Именно поэтому его часто устанавливают на предприятиях, где необходим почти круглосуточный контроль за производственным процессом. Бесконтактное подключение позволяет без проблем осуществлять соединение с промышленной системой напряжения.

Важным преимуществом считается высокая чувствительность, позволяющая устанавливать датчики на производстве, где работают с металлическими предметами из разных сплавов.

Несмотря на все достоинства приспособления, существуют и некоторые недостатки. Наиболее важным считаются погрешности, которые прибор выдает в работе. Нелинейный тип погрешности проявляется вследствие того, что прибор имеет свой показатель индуктивной величины, который может отличаться от значения тех предметов, на которые он реагирует. Именно поэтому датчик может реагировать на металл некорректно и подавать неверные сигналы.

Часто встречается температурная погрешность, связанная со значительным понижением или повышением температуры в производственном помещении. Инструкция к прибору предполагает его правильное функционирование при показателе +25 градусов. При отклонении значения в ту или иную сторону нарушается работа приспособления.

Одной из случайных погрешностей считается изменение показаний датчика вследствие воздействия на него электромагнитного поля других приборов. Для того чтобы избежать подобных ситуаций, на всех производствах установлен стандарт частоты электроустановок, составляющий 50 Гц. В этом случае риск возникновения погрешности из-за постороннего электромагнитного излучения снижается к минимуму. Исключить любые нарушения в работе устройства можно путем предварительной проработки деталей.

Индуктивный датчик и реле для увеличения возможностейИндуктивный датчик и реле для увеличения возможностей

Что еще нам нужно знать об индуктивном датчике?

Индуктивный датчик местоположения и скорости — это устройство со своей спецификой, поэтому в описании его работы используются специальные определения, такие как:

Активная зона

Эта зона означает область, в которой степень магнитного поля наиболее выражена. Сердечник расположен перед чувствительной областью датчика, где уровень концентрации магнитного поля самый высокий.

Номинальное расстояние переключения

Этот параметр считается теоретическим, поскольку он не учитывает производственные характеристики, температурный режим, уровень напряжения и другие факторы.

Рабочий диапазон

Рабочий диапазон показывает параметры, которые гарантируют эффективную и нормальную работу индуктивного датчика.

Поправочный коэффициент

Поправочный коэффициент связан с материалом, из которого сделан металлический предмет, который проверяется датчиком.

Преимущества и недостатки индуктивных датчиковКак и все другие устройства, индуктивные датчики имеют свои сильные и слабые стороны.

Среди самых больших преимуществ этого типа датчиков являются:

Простая конструкция. Конструкция индуктивных датчиков чрезвычайно проста и не содержит сложных элементов, требующих специальной конфигурации. Поэтому датчики обладают высокой степенью прочности и надежности, редко ломаются и фактически могут использоваться в течение очень длительного времени.

·Особые характеристики — характеристики индуктивных датчиков позволяют без проблем устанавливать и подключать их к частям автомобильной системы.

·Чувствительность — датчики этого типа достаточно чувствительны, что позволяет использовать их при работе с различными металлическими деталями и предметами.

Единственный недостаток заключается в том, что возможно, что на датчики могут воздействовать различные внешние факторы во время работы, и поэтому требуется обеспечить соответствующие условия, которые не могли бы помешать правильному функционированию индуктивных датчиков.

Как подключить контактор

Особенности подключения светодиодных лент

При подключении контактора сразу нужно определиться с механизмом, который он будет включать. Это может быть двигатель, насос, вентилятор, нагревательные элементы, компрессоров и т. д. Главной особенность контактора, отличающего его от автомата, является отсутствие всякой защиты. Поэтому продумывая цепи включения электрооборудования через контактор обязательно необходимо учесть ограничивающие ток и нагрев элементы. Для ограничения и отключения оборудования при коротких замыканиях и превышающих во много раз номинал нагрузках используются предохранители и автоматы. От длительного незначительно превышения номинальных токов работающего оборудования применяются тепловые реле.

Для того чтобы правильно подключить контактор в схему нужно чётко понимать какие из контактов силовые, а какие из них вспомогательные, то есть блок-контакты. Также нужно посмотреть на номиналы катушки включения. Там должны быть указаны напряжение его тип и величина, а также токи которые через неё протекают для нормальной работы. Во время работы силовые контакты могут погорать, поэтому их необходимо регулярно осматривать и чистить.

Как подключить модульный контактор

Модульный контактор — это разновидность обычных таких же аппаратов для коммутации, только применяются они в основном для включения и отключения распределительных щитков дистанционно. То есть включая его, подаётся питание на группу автоматов, каждый из которых, отвечает за свою определённую цепь. Устанавливается он на DIN — рейке. Может коммутировать как цепи постоянного, так и переменного тока.

Подключение контактора через кнопку

Для подключения контактора через кнопку нужно изучить ниже приложенную схему. Она предназначена для пуска нагрузки, в данном случае двигателя, от контактора катушка которого рассчитана на 220 Вольт переменного напряжения. В зависимости от напряжения стоит продумать её питание. Поэтому при покупке и выборе контактора стоит учесть этот нюанс. Так как если электромагнит будет рассчитан на постоянное напряжение, то понадобится именно такой источник.

При нажатии на кнопку пуск катушка электромагнита контактора получит питание и он включится. Замкнутся силовые контакты, тем самым подастся напряжение на асинхронный двигатель. Также замкнётся блок-контакт контактора К1, который подключен параллельно кнопке стоп. Он называется электриками контакт самоподхвата, так как именно он подаёт питание на включающую катушку после того, как кнопка пуска отпускается. При нажатии на кнопку стоп от электромагнита отключается питание, силовые элементы контактора разрывают цепь и двигатель отключается.

Подключение контактора с тепловым реле

Тепловое реле предназначено для недопускания длительных незначительных токовых перегрузок во время работы электрооборудования, ведь перегрев отрицательно сказывается на состоянии изоляции. Частые превышения температуры и токов приведут к её разрушению, а значит и к короткому замыканию, и выходу из строя дорогостоящего исполнительного элемента.

При повышении тока в цепи статора электродвигателя элементы теплового реле КК будут нагреваться. При достижении заданной температуры, которая может быть регулирована, тепловое реле сработает и его контакты разорвут цепь катушки электромагнита контактора КМ.

В целях безопасности нужно помнить, что работа в цепи контактора должна производиться при полном обесточивании его. При этом автомат питания должен быть заблокирован ключом или запрещающим плакатом от несанкционированного, или ошибочного включения. А также нельзя включать этот аппарат со снятыми дугогасительными камерами, это приведут к короткому замыканию.

З2-позиционный датчик угла поворота

Традиционно датчики угла поворота выполняются с использованием систем с механическими контактами. Вследствие присутствия контактов такие системы имеют проблемы с долговременной надежностью, что приводит к необходимости их замены из-за износа движущихся частей. Альтернативным решением является использование оптических датчиков, но такое решение подвержено негативному влиянию грязи и пыли, что уменьшает время наработки на отказ во многих автомобильных и промышленных системах. Вариант использования магнитных датчиков позволяет решить проблемы с грязью и пылью, но несвободен от воздействия внешних магнитных полей, что уменьшает надежность изделия. Индуктивный датчик позволяет реализовать надежный вращающийся бесконтактный управляющий элемент. Более того, данная технология обладает повышенной устойчивостью при работе в жестких внешних условиях и может быть выполнена в водостойком варианте.

Предложенное решение шагового датчика угла поворота TIDA-00828 позволяет реализовать надежный круговой регулятор для различных промышленных, потребительских и автомобильных применений. Использование индуктивных датчиков обеспечивает надежную работу в среде с повышенным загрязнением/влажностью и не требует дополнительных магнитов. Основным узлом регулятора являются две микросхемы LDC0851 (рисунок 10).

Рис. 10. LDC0851 в cхеме энкодера(TIDA-00828)

Решение представляет собой набор из нескольких элементов: индуктивного датчика, платы с проводящими детектируемыми элементами, ручки управления. Индуктивный датчик со всеми необходимыми элементами выполнен в виде платы. Плата с детектируемыми проводящими элементами присоединяется к ручке управления и вращается на определенном расстоянии над уровнем платы с индуктивными датчиками (рисунок 11). Плата с детектируемыми элементами содержит только набор медных проводников и не требует никаких дополнительных элементов. При вращении ручки сигнал на выходах LDC0851 изменяется, тем самым передавая микроконтроллеру сигнал о смене положения и количестве измененных позиций. Две микросхемы необходимы для определения направления поворота. Каждая имеет свой датчик и опорную индуктивность. Датчики и детектируемые элементы расположены так, что данные на выходе микросхем выдают сигнал в виде кода Грея. Таким образом, исходя из полученной последовательности, можно вычислить, в какую сторону двигалась ручка управления. В данном дизайне последовательность «00_01_11_10_00» соответствует повороту по часовой стрелке, тогда как обратная последовательность – «00_10_11_01_00», – соответствует повороту против часовой стрелки. Предложенный вариант расположения датчиков и детектируемых элементов позволяет обеспечить 32-позиционную систему определения кругового месторасположения (рисунок 12).

Рис. 11. Конфигурация датчика и платы с детектируемыми элементами

Реализация малогабаритного многопозиционного сенсора накладывает свои ограничения на размеры используемых датчиков. Такие датчики обладают малой индуктивностью, величина которой может быть недостаточна для корректной работы индуктивного компаратора LDC0851. Для того чтобы получить максимальную индуктивность в заданном пространстве, в TIDA-00828 реализован трапециевидный датчик вместо обычного круглого. Дополнительно индуктивность датчика выполнена в четырех слоях с 7-ю витками на каждом слое (рисунок 13).

Рис. 12. Функциональная блок-схема 32-позиционного кругового регулятора

Рис. 13. Трапециевидная конструкция датчика, выполненного в четырех слоях

Предложенный дизайн рассчитан на работу от USB-интерфейса 5 В и регулируемого напряжения 3,3 В для питания микроконтроллера и LDC0851. И хотя представленный дизайн датчика угла поворота разрабатывался для реализации интерфейса «человек-машина», он с успехом может быть использован для применений, где необходимо измерение скорости. В данном случае следует учитывать, что максимальная измеряемая скорость будет зависеть от времени преобразования микросхемы и необходимости дополнительной передискретизации для достижения надежных показаний. Измеряемую максимальную скорость можно оценить по формуле (1):

(1)

где RPMмакс – максимально возможная измеряемая скорость вращения, tмин – время преобразования с учетом передискретизации. В предлагаемом решении с использованием LDC08051, с частотой датчика 16,73 МГц и с учетом того, что для надежной работы производится усреднение по трем значениям, максимальная измеряемая скорость составляет 2415 об/мин.

Обзор емкостных датчиков CR

CR – серия емкостных цилиндрических датчиков от Autonics (рисунок 9).

Выпускаются датчики двух типоразмеров – CR18 и CR30 с зонами чувствительности 8 и 15 мм соответственно.

Двухпроводные нормально разомкнутые версии CRxx-xAO и двухпроводные нормально замкнутые версии CRxx-xAС работают с переменным выходным напряжением 110…240 В и током 5…200 мА. Частота срабатывания – 20 Гц.

Трехпроводные версии предназначены для работы в цепях постоянного напряжения 10…30 В с выходными токами до 200 мА. Их частота срабатывания достигает 50 Гц (таблица 8).

Таблица 8. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства CR

Параметр Наименование
CR18-8DN,CR18-8DP,CR18-8DN2 CR30-15DN,CR30-15DP,CR30-15DN2 CR18-8AO,CR18-8AC CR30-15AO,CR30-15AC
Зона чувствительности, мм 8 15 8 15
Гистерезис Макс. 20% от расстояния срабатывания
Стандартный объект для обнаружения (железо), мм 50x50x1
Рабочий зазор, мм 0…5,6 0…10,5 0…5,6 0…10,5
Напряжение питания ном., В 12/24 100/240
Предельное напряжение питания, В 0…30 85…264
Ток потребления, мА Макс. 15 Макс. 2,2
Частота срабатывания *, Гц 50 20
Температурный дрейф Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температуре окружающей среды 20°С
Номинальный ток, мА Макс. 200
Сопротивление изоляции Мин. 50 МОм (500 В=)
Электрическая прочность диэлектрика ~1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты
Стойкость к вибрациям амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов
Стойкость к ударным нагрузкам 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза
Индикатор Индикатор работы (красный светодиод)
Рабочая температура, °C -25…70
Температура хранения, °C -30…80
Влажность, % 35…95
Встроенная защита от перенапряжения, обратной полярности от перенапряжения
Степень защиты (IP) IP66 IP65 IP66 IP65
Масса, г 76 206 70 200

* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального.

Состояние датчика можно определить по светодиоду. Если он светится – ток поступает в нагрузку.

Код для заказа датчиков серии CR включает 5 позиций: тип датчика, форму, диаметр головки, код зоны чувствительности, код типа выходного каскада (таблица 9).

Таблица 9. Именование датчиков семейства CR

C R 30 -15 DN
Тип датчика Форма корпуса Диаметр головки датчика, мм Зона чувствительности, мм Тип выхода
С – емкостной R – цилиндр 18 8 DN 3-проводной, NPN, нормально разомкнутый, питание 24 В DC
30 15 DN2 3-проводной, NPN, нормально замкнутый, питание 24 В DC
DP 3-проводной, PNP, нормально разомкнутый, питание 24 В DC
DP2 3-проводной, NPN, нормально замкнутый, питание 24 В DC
AO 2-проводной, нормально разомкнутый, питание 110…240 В AC
2-проводной, нормально замкнутый, питание 110…240 В AC

Стоит отметить и высокую степень защиты: IP66 – для CR18, IP66 – для CR30. Изоляционные свойства также на высоте. Так как емкостные датчики способны обнаруживать не только металлические объекты, то спектр приложений серии CR еще шире, чем у индуктивных датчиков. Сфера их применения:

  • концевые выключатели станков;
  • детекторы автоматических линий розлива молока, пива, и тому подобное;
  • датчики уровня жидкости;
  • детекторы обнаружения брака в текстильном производстве.
Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий