Как работает индуктивный датчик

Как работают индукционные датчики положения и зачем нужна технология CIPOS

Что объединяет ускорение, торможение, рулевое управление и переключение передач? Все эти относящиеся к безопасному вождению процессы требуют точной регистрации положения механических узлов и управления их перемещением. В современном автомобиле эти функции реализуются при участии бесконтактных индукционных датчиков положения, которые также известны как датчики траектории или датчики угла положения. Они и сейчас играют ключевую роль во всё большем числе автомобилей, а скоро без них и вовсе будет не обойтись. Объясняем, почему так, как они работают, что такое технология CIPOS и причём тут Hella.

Принципиальное устройство индукционных датчиков

Работа датчика основана на явлении электромагнитной индукции. Оно, кратко напомним школьный курс физики, состоит в том, что в замкнутом проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электрический ток. Помните опыт, когда к выводам катушки из нескольких витков провода подсоединяли вольтметр, а затем вносили в катушку магнит? При этом стрелка вольтметра отклоняется — это происходит благодаря электромагнитной индукции.

Вот в этом видеоролике о самом явлении и истории его открытия рассказывается подробнее. Потратьте три минуты времени, чтобы освежить знания:

Обратите внимание: металлический магнит не касается витков катушки, но она реагирует на его приближение и удаление.

Теперь рассмотрим, как устроен индукционный датчик. Его принципиальная схема изображена на рисунке:

Под действием электрического тока, протекающего по катушке (2), в ней возникает магнитное поле. Поскольку магнитная проводимость у железного сердечника (1) лучше, чем у воздуха, магнитное поле концентрируется в сердечнике и рассеивается в воздухе.

Если вблизи сердечника катушки появляется металлический предмет (3), рассеивание магнитного поля уменьшается, магнитный поток в сердечнике возрастает. Изменение магнитного поля вызывает изменение величины электрического тока в катушке — на резисторе R меняется напряжение — датчик срабатывает. Другими словами, появление в магнитном поле катушки металлического предмета изменяет её индуктивность — изменение индукции фиксируется электроникой. (Разумеется, в реальности картина сложнее, но для принципиального понимания работы индукционного датчика подробности можно опустить.)

Очевидно, что индукционный датчик реагирует только на металлические элементы — неметаллические предметы не проводят электрический ток, поэтому на переменное магнитное поле никак не влияют. Помимо этого, поскольку магнитное поле быстро уменьшается с расстоянием, контролируемый объект должен располагаться в зоне чувствительности датчика.

В этом видеоролике принцип работы индукционных датчиков рассмотрен на более высоком уровне — для его понимания нужно знание физики:

Преимущества индукционных датчиков

Из описания устройства индукционных датчиков следует два их важных (в частности, для автомобилестроения) свойства во-первых, они в процессе эксплуатации не изнашиваются — в них просто нечему ломаться; во-вторых, появляется возможность сделать корпус датчика водонепроницаемым.

Использование для питания катушки переменного тока высокой частоты повышает помехозащищённость датчиков: они не реагируют на магнитные поля, возникающие при работе электромоторов и при протекании больших токов по проводам, проложенным вблизи датчиков.

Индукционные датчики отличаются от других типов сенсоров также другими преимуществами:
— высокой точностью;
— быстрым срабатыванием и безынерционностью;
— способностью работать в широком диапазоне температур;
— способностью работать во влажной и химически агрессивной среде;
— конструктивной гибкостью.

В работе индукционных датчиков очень мало систематических погрешностей. Датчики чувствительны к нестабильности питающего напряжения, но это компенсируется незначительным усложнением электрической схемы их подключения.

Что такое технология CIPOS и почему она важна

CIPOS® (от англ. Contactless Inductive Position Sensors) — технология компании Hella, на основе которой разработаны бесконтактные индукционные датчики положения, отвечающие требованиям электромагнитной совместимости.

Hella разработала технологию CIPOS в конце 1990-х годов. Сегодня она применяется в электронных датчиках педалей, рулевого механизма, датчиках выравнивания положения кузова, а также датчиках положения, установленных на валу двигателя. Эта же технология используется в приводном механизме турбонаддува, в дроссельных заслонках, реле радиаторной решетки и в электромагнитных клапанах.

Особенность бесконтактных датчиков CIPOS заключается не только в их высокой надёжности и безотказности. Помимо этого, они позволяют определять положение контролируемого элемента в абсолютных величинах. Благодаря этому датчик может сообщить в блок управления правильные данные сразу же после включения питания. В этом преимущество абсолютных датчиков перед инкрементальными датчиками, которым после включения нужна калибровка для определения «точки отсчёта». Цифровую обработку сигналов производят разработанные Hella чипы, входящие в конструкцию каждого датчика CIPOS.

Поскольку усилия инженеров направлены на уменьшение массы и габаритов автомобилей с целью экономии энергоресурсов, компоновка агрегатов становится всё более плотной. В результате в моторном отсеке становится теснее — и жарче. Компактные и конструктивно гибкие датчики CIPOS способны работать в условиях вибрации, повышенной влажности и при экстремальных температурах от –40°C до +170°C и более. При этом их форма, габариты и диапазон измерений легко адаптируются для решения конкретных задач.

Технология CIPOS остается одним из ключевых компонентов автомобилей с режимом автономного вождения и электромобилей. Электромобили с использованием бесщёточных двигателей обладают внушительным КПД и, соответственно, генерируют большую выработку тока. В датчиках CIPOS, работающих индуктивно в диапазоне 3–4 МГц, не используются постоянные электромагниты, а следовательно, в силу естественных свойств они не подвержены действию магнитных полей, создаваемых током двигателя.

Где найти индукционные датчики в автомобиле

Составить общее представление о местах размещения индукционных датчиков в современном автомобиле вам поможет этот короткий видеоролик от Hella:

Если предпочитаете читать, а не смотреть, то вот вам примерный, но не полный, список узлов и агрегатов, где в современных автомобилях применяются индукционные датчики:
— датчики положения дроссельной заслонки и педали газа;
— датчики педали тормоза и сцепления;
— приводной механизм турбонаддува;
— датчик реле управления радиаторной решёткой (в просторечии «жабры»);
— различные электромагнитные клапаны.

В продуктовой линейке Hella имеется множество индукционных датчиков. Вот несколько примеров, которые помогут читателю составить более предметное представление о них.

750 миллионов и будет больше

Сочетание возможностей и надёжности индукционных датчиков обеспечивают им широкую область применения. Они являются примером по-настоящему массового изделия. За два десятилетия компания Hella произвела более 750 миллионов датчиков, и их выпуск растёт.

Индукционные датчики являются необходимым компонентом автоматики, широко применяются в электромобилях. Это закономерно, ведь в движение электромобиль приводится электромоторами, создающими неблагоприятную электромагнитную среду, в которой трудно работать сенсорам, устроенным по альтернативным принципам. В ближайшие пару десятилетий электромобилей будет выпускаться гораздо больше. Даже General Motors объявила об отказе от выпуска автомобилей с ДВС после 2035 года. А значит, и производство и применение индукционных датчиков будет всё шире и шире.

Познакомиться с ассортиментом датчиков Hella можно в каталоге по ссылке. Если же у вас появились вопросы, задавайте их в комментариях под этим постом — мы постараемся на них ответить.

Наша страница на DRIVE2:

Так что же это за «хитрость» — индуктивный датчик приближения?

Рассматриваются принцип действия, схемотехника, особенности двух типов индуктивных датчиков приближения — генераторного и резонансного. Даётся краткая характеристика современного европейского рынка индуктивных датчиков приближения.

В 50-е годы ХХ века, в эру дискретных корпусных электронных компонентов, была разработана оригинальная генераторная схема, выполненная всего на четырёх-пяти транзисторах, которая успешно применяется до сих пор и положила начало производству миллионными тиражами малогабаритных индуктивных датчиков, основное назначение которых — создавать логический (бинарный) электрический сигнал, когда металлический предмет (target — мишень) приближается к датчику на малое расстояние (обычно это расстояние составляет от долей миллиметра до ста миллиметров).

Эти индуктивные датчики оказались очень доступным, простым, надёжным, дешёвым элементом систем управления приводов, станков, автоматических линий, систем измерения физических величин. Пожалуй, десятки, если не сотни, фирм по всему миру выросли на производстве этих элементов АСУТП — индуктивных датчиков приближения. Например, в США в 1990 г., по крайней мере, 35 компаний занималось производством подобных датчиков. По оценкам журнала «Control Engineering Europe» глобальный рынок датчиков приближения оценивался в 2002 г. в 2,7 млрд. Евро и его рост составляет 5 % в год (имеется в виду весь рынок датчиков приближения: индуктивных, оптических, ёмкостных, ультразвуковых, магнитных), а европейский рынок датчиков приближения — в 1 млрд. Евро. По мнению этого журнала, главными производителями электронных датчиков приближения являются фирмы: ABB, Balluff, Banner, Baumer Electric, Bernstein, Carlo Gavazzi, Datasensor, ifm electronic, Leuze, Pepperl + Fuchs, Schmersal, Schneider, Sick, Siemens, Turck (приведены в алфавитном порядке).

Хорошо видно, что костяк составляют немецкие фирмы, и это является одним из «кирпичиков» лидерства немецкого машиностроения в мире. Если сузить этот список до тройки самых главных производителей индуктивных датчиков в Германии, то места распределятся так: 1-е место ifm electronic; 2-е место Pepperl + Fuchs; 3-е место Balluff.

Фирмы, специализирующиеся на производстве индуктивных датчиков, выпускают огромный ассортимент, насчитывающий до тысячи и более типоразмеров. Некоторые эксплуатационные и технические параметры индуктивных датчиков приближения указывают на совершенство технологии фирмы-производителя:

• датчики размещаются в корпусах диаметром 3 мм с полным набором функций (встроенный светодиод, защита выхода от короткого замыкания и неправильного подключения питания, степень защиты корпуса не ниже IP67);
• датчики имеют цельнометаллический корпус, т. е. чувствительная поверхность датчика закрыта металлом;
• высокая степень защиты (герметизации) корпуса, например, IP68, IP69K. При защите IP69K датчик вместе с электрическим разъёмом можно обрабатывать горячими водяными брызгами под давлением (до 100 бар);
• выпуск датчиков с так называемым корректирующим фактором, равным 1. То есть датчик, практически, на одинаковых расстояниях определяет приближение к нему разных металлов: углеродистой стали, нержавеющей стали, меди, алюминия и др.;
• выпуск датчиков с аналоговым выходом, когда на выходе датчика создаётся измерительный аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию между датчиком и предметом;
• выпуск датчиков, выдерживающих высокие давления (200, 300, 500 бар);
• выпуск датчиков, работающих при очень низких (до −60 °С) или очень высоких (до +180. 200 °C) температурах;
• максимальная частота переключения выходного бинарного (релейного) сигнала 5, 7, 10 кГц.

Надёжность серийных индуктивных датчиков такова, что специальные их исполнения применяются в наиболее ответственных местах, связанных с безопасностью людей: опасные для персонала ТП или, например, в АСУ современными канатными дорогами.

Технология производства датчиков настолько отработана, что фирмы-производители гарантируют сроки эксплуатации до трёх-пяти лет. Например, фирма ifm electronic указывает о пятилетней гарантии в своих каталогах. Сроки службы датчиков могут составлять 20 лет и более. Причём, это уже проверено на практике, поскольку по сей день работают целые производства, закупленные комплектно в Германии в 80-х годах ХХ века и снабжённые такими датчиками.

Схемотехника современных индуктивных датчиков приближения разнообразна и может значительно отличаться от своих «прародителей» середины ХХ века. Например, для автоматизации управления больших технологических комплексов или сложных машин требуется устанавливать десятки и сотни индуктивных и иных датчиков. В этом случае ощутимую выгоду на линиях связи может дать новое поколение двухпроводных датчиков с интерфейсом AS—i (actuator — sensor interface), когда к одной двухпроводной медной шине подключаются до 248 датчиков. При этом, по одной и той же шине проходит электропитание датчиков, исполнительных механизмов и получение информации с датчиков. По существу, один датчик с AS—i интерфейсом — это микроконтроллер со своей системой передачи данных.

Но всё же, оригинальность генераторной схемы -«первоисточника» современных индуктивных датчиков приближения, богатство функциональных возможностей схемы, её простота впечатляют. Рассмотрим эту схему, оценим с чего всё начиналось, откуда «поднялись» несколько российских, а ещё раньше — множество зарубежных фирм.

Один из вариантов этой схемы изображён на рис. 1

«Гвоздь» схемы — генератор колебаний на транзисторной сборке VT1 с двухобмоточным индуктивным чувствительным элементом. Параметры двух индуктивных катушек, уложенных на один сердечник, конденсаторы и резисторы рассчитываются и подбираются так, что при подключении питания в генераторе самопроизвольно возникают колебания. Причём, достоинство генератора — в способности к колебаниям в очень широком диапазоне питающих напряжений. Отсюда и получается широкий диапазон допустимых напряжений питания во многих индуктивных датчиках: 10. 30 В постоянного тока. Конструктивное исполнение катушек индуктивности может быть самое разнообразное: обмотки, уложенные в броневой сердечник; обмотки, намотанные на сердечник произвольной формы; два стандартных сердечника типа ДМ, соединённые между собой; просто обмотки без сердечников. Сердечники лишь концентрируют, перераспределяют в пространстве около обмоток потоки рассеяния. Большинство изготовителей применяют сердечник-«чашку», чтобы бóльшую часть потоков сконцентрировать в открытой области «чашки». Здесь и будет наблюдаться максимальная чувствительность генератора к приближению металлов. Однако, главное — подобрать параметры колебательного контура так, чтобы обеспечивалось возникновение колебаний при включении питания.

Теперь, если к катушкам близко поднести металлический предмет или любой материал (мишень), в котором могут наводиться вихревые токи, то способность колебательного контура к колебаниям резко падает из-за взаимоиндукции катушек и мишени. Если продолжить сближение катушек с мишенью, колебания практически прекратятся или их амплитуда уменьшится в несколько раз. Таким образом, чувствительность генератора к приближению металлического или магнитного материала очень высока, что также является важным достоинством схемы. На коллекторе 7 транзисторной сборки уже присутствует демодулированный сигнал, который поступает на компаратор — триггер Шмитта на транзисторах VT2, VT3. Поскольку на коллекторе 7 имеется аналоговый сигнал, находящийся в функциональной зависимости от расстояния между катушками и приближающимся предметом, его можно использовать для измерительных целей, т. е. определения этого расстояния. Компаратор создаёт релейный (бинарный) усиленный выходной сигнал. Генераторной схема названа потому, что чувствительным элементом схемы является генератор: есть колебания в генераторе — мишень находится вне чувствительной зоны катушек, колебания нарушились — мишень находится внутри чувствительной зоны. Светодиод VD1 будет светиться и к нагрузке будет прикладываться напряжение питания, когда мишень приближена к чувствительному элементу. Фирмы теперь уже, практически, не выпускают датчиков без встроенных в корпус индикаторных светодиодов. Такой светодиод в выходной цепи удобен при монтаже датчика и контроле его работоспособности. В случае индуктивного характера (например, реле) нагрузку следует шунтировать диодом VD3, чтобы ликвидировать паразитные всплески в выходном сигнале датчика. Диод VD2 выполняет важную функцию защиты всей схемы от неправильной полярности питания. Недостатком такой генераторной схемы индуктивного датчика приближения является разное расстояние переключения датчика для разных материалов мишени — так называемый, коэффициент редукции. Производители приводят его в своих каталогах обычно для материалов из стали, алюминия, латуни.

Авторами статьи в Московском Энергетическом институте (1988 г.) был разработан иной индуктивный датчик приближения, работающий на резонансном принципе, т. е. индуктивный датчик малых перемещений. Резонансный принцип действия для чувствительных элементов фотодатчиков был предложен ещё раньше и хорошо показал себя в измерительном электронном оборудовании для Московской Олимпиады (1980 г.).

Принципиальная схема резонансного индуктивного датчика приближения приведена на рис. 2

Чувствительным элементом датчика является катушка с сердечником L1, которая вместе с конденсатором С1 составляет параллельный резонансный контур, запитываемый от R—C генератора несущей частоты.

На рис. 1 чувствительный элемент (две катушки с сердечником) является составной частью генератора несущей частоты. В двух описываемых схемах форма колебаний (синусоидальные, прямоугольные или иные) большого значения не имеет. В резонансной схеме (см. рис. 2) несущие колебания создаются регулируемым RC генератором, состоящим из двух элементов микросхемы 564ЛН2. Несущие колебания через разделительный резистор R2 поступают в резонансный контур L1-C1. Частота резонанса контура должна быть в пределах регулировки генератора резистором R1. На частоте резонанса внутреннее сопротивление параллельного резонансного контура наибольшее. Поэтому, амплитуда на затворе полевого транзистора VT1 максимальная. Реальный L—C контур имеет и боковые резонансы, но амплитуда колебаний напряжения в контуре при боковых резонансах значительно меньше, чем на частоте основного резонанса. Генератор настраивается резистором R1 на частоту колебаний, при которой напряжение на входе компаратора максимальное (в отсутствии мишени вблизи чувствительного элемента). Поскольку внутреннее сопротивление L—C контура значительное, то применяется в качестве усилителя именно полевой транзистор, имеющий большое входное сопротивление. После усилителя сигнал детектируется диодом VD2 и фильтруется фильтром R4-C3. Таким образом, на входе компаратора существует сигнал постоянного напряжения. В отсутствии мишени у чувствительного элемента сигнал напряжения на входе компаратора максимален и составляет 3. 4 В. После сближения активного чувствительного элемента и мишени, например, из углеродистой стали, в материале мишени будут наводиться вихревые токи, которые начинают взаимодействовать с чувствительным элементом индуктивного датчика. Вследствие этого, нарушается резонанс, уменьшается амплитуда напряжения на L—C контуре, уменьшается напряжение на выходе фильтра и на входе компаратора. Если продолжается сближение чувствительного элемента и мишени, то уменьшение напряжения на входе компаратора составит 1,5. 2 В. Компаратор построен на двух элементах микросхемы 564ЛН2. Пороги переключения компаратора и ширина гистерезиса устанавливаются величинами сопротивлений резисторов R5, R6, R7. Гистерезис компаратора устанавливает гистерезис датчика. При сближении датчика и мишени происходит переключение выхода компаратора из логического нуля в логическую единицу. При удалении мишени происходит обратное переключение компаратора. При указанных номиналах элементов схемы включение датчика происходит на расстоянии около 1,5 мм от поверхности стальной мишени, выключение — на расстоянии около 2,5 мм от той же поверхности. Резистор R9, находящийся в коллекторной цепи выходного транзистора VT2, выполняет функцию защиты от токовых перегрузок выхода, препятствует протеканию чрезмерного выходного тока. В случае индуктивного характера нагрузки датчика (например, реле) диод VD3 будет подавлять броски напряжения в нагрузке. Диод VD1 является защитой при неправильном подключении полярности питания к датчику. В коллекторной цепи выходного транзистора, при необходимости, может быть включён светодиод с резистором для визуального контроля состояния выхода индуктивного датчика.

Таким образом, рассмотренный индуктивный датчик вырабатывает бинарный сигнал высокого уровня при сближении с мишенью и низкого уровня — при удалении от мишени. Кроме того, в измерительных целях может быть использован выходной аналоговый сигнал индуктивного датчика, который снимается с фильтра. Этот сигнал монотонно изменяется при сближении чувствительного элемента и мишени. Установлено, что при расстояниях между датчиком и мишенью до 1 мм выходной аналоговый сигнал изменяется практически линейно. Изменение аналогового сигнала составляет не менее 2 В (от состояния, когда нет стальной мишени, до состояния, когда мишень и датчик соприкасаются). Схема обладает хорошей термостабильностью. Расстояние переключения индуктивного датчика с мишенями из разных материалов практически не изменяется, т. е. коэффициент редукции близок к единице.

В данном схемотехническом решении генератора, несущая частота, а, значит, амплитуда напряжения на L—C контуре, существенно зависят от стабильности напряжения питания. Поэтому, реальный допуск на изменение питающего напряжения не должен быть более ±5 %.

Очевидно, что схемотехника генератора несущей частоты, компаратора и выходного усилителя может быть весьма разнообразной и даже более термостабильной и нечувствительной к изменениям напряжения питания, чем описанные. Однако, резонансный чувствительный контур, простой усилитель на полевом транзисторе, детектор, фильтр, т. е. основа датчика, очень просты, оригинальны, надёжны и не требуют никаких подстроек.

Итак, рассмотрены две принципиальные схемы для построения индуктивных датчиков приближения. Каждая из них имеет свои достоинства. Вероятно, резонансная схема имеет больший потенциал для реализации по гибридной или интегральной технологии.

В заключении следует отметить, что западноевропейские лидеры в этой области постоянно патентуют всё новые и новые индуктивные датчики, ссылки на которые регулярно появляются в отечественных реферативных журналах электротехнической тематики. Новшества касаются как схемотехники, так и конструкции датчиков. В России работают две-три электротехнические компании по производству датчиков, использующих, в основном, первую (генераторную) схему. Их интернет-сайты приводятся в конце статьи. Заинтересованному читателю рекомендуем просмотреть сайт немецкой фирмы ifm electronic, один из удачных в этой области.

Статья впервые опубликована в журнале «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.» — Москва, 2005.- № 12.- с.36-39.

• Sensors expo // Sensors. September 1990.
• Колотов А. Бесконтактный прерыватель электронной системы зажигания // Радио. 1993. № 11.
• Габов А. П., Рыжов С. Н. Индуктивный конечный датчик в электроприводе // Всесоюзная науч.-техн. конф. «Следящие электроприводы пром. установок, роботов и манипуляторов»: Тез. докл. Челябинск, 1989.

Если у вас возникли какие-либо вопросы по данному материалу, вы можете задать их, написав на электронную почту соавтора статьи: ryzhovsn@list.ru.

Источник: Кандидаты технических наук Андрей Павлович Габов и Сергей Николаевич Рыжов

�� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Индуктивные датчики: виды и принцип работы

Индуктивные датчики предназначены для бесконтактного обнаружения и подсчета различных объектов, находящихся в зоне их чувствительности.

Назначение

Индуктивный датчик позволяет обнаруживать присутствие объекта без необходимости прикасаться к нему. В отличие от других датчиков, такие приборы могут обнаружить только металлы и нечувствительны к другим материалам, что повышает их защищенность от помех. Даже если в зону чувствительности датчика попадет посторонний предмет, ложное срабатывание будет исключено.

Типы индуктивных датчиков

По устройству датчики подразделяют на:

• одинарные — с одним магнитопроводом, ветвью измерения. Схема реализована в бесконтактных выключателях.
• трансформаторные — коэффициент трансформации изменяется при перемещении якоря, генерируя определенное напряжение на выходе вторичной обмотки. Принцип используется в элементах фиксации угловых, небольших линейных перемещений.
• дифференциальные — с двумя магнитопроводами ш-образной формы, взаимно компенсирующим воздействие на сердечник, что повышает чувствительность и точность измерений. По сути, представляют собой систему двух одинарных датчиков, с общим якорем.

По типу подключения: датчики могут иметь от двух до пяти выходов.

Принцип работы

Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении параметров магнитного поля катушки индуктивности, в зону которой попадает металлический объект. Схема колебаний внутри прибора генерирует электромагнитное поле. Так как на ней возникают индуцированные токи, колебания уменьшается, что мгновенно считывает датчик.

• Применим только к металлическим объектам.
• Довольно маленькое расстояние до объекта: до 80 мм.
• Относительно низкая цена.
• Долгий срок службы.
• Устойчивость к неблагоприятным условиям среды.
• Высокая скорость измерения.

Как выбрать индуктивный датчик?

Чтобы правильно выбрать индуктивный датчик, требуется определить необходимую скорость измеряемого процесса, надежность, допустимую стоимость. Также необходимо знать, каково будет расстояние между объектом и датчиком, а также форму объекта.

Сферы применения

Индуктивные датчики известны своей надежностью и безопасностью при работе в сложных условиях. Это делает их лучшим выбором для военной, аэрокосмической, железнодорожной и тяжелой промышленности. Также индуктивные датчики находят применение в станках, машинах для текстильной промышленности, автомобильной промышленности, на сборочных линиях и т.д. Они используются для обнаружения металлических деталей в трудных условиях и при необходимости контроля быстро движущихся деталей.

ПРИБОРЫ И АВТОМАТИКА

• Измерение и регулирование температуры
  • Термометры стеклянные
  • Термометры биметаллические
  • Термометры манометрические
  • Термометры цифровые
  • Термометры инфракрасные
  • Тепловизоры
  • Преобразователи температуры
  • Термопреобразователи сопротивления
  • Терморегуляторы
  • Регистраторы температуры / Логгеры
  • Регуляторы температуры прямого действия
  • Погодные компенсаторы
  • Калибраторы температуры. Метрологическое оборудование
  • Пирометры промышленные
  • Программируемые терморегуляторы
  • Температурные контроллеры
  • Манометры
    • Вспомогательная арматура для подключения манометров
    • Манометры, вакуумметры, мановакуумметры показывающие
    • Манометры грузопоршневые
    • Манометры дифференциальные
    • Манометры точных измерений
    • Манометры цифровые
    • Манометры электроконтактные
    • Дифференциальные датчики давления
    • Датчики давления газа
    • Датчики давления WIKA
    • Датчики давления воды
    • Ротаметры
    • Счетчики воды
    • Расходомеры жидкости
    • Счетчики стоков, пара
    • Счетчики ГСМ и вязких жидкостей
    • Теплосчетчики
    • Регуляторы расхода
    • Счетчики импульсов
    • Счетчики метража
    • Тахометры. Счетчики оборотов.
    • Вибрационные уровнемеры
    • Емкостные уровнемеры
    • Кондуктометрические уровнемеры
    • Поплавковые уровнемеры
    • Радиоволновые уровнемеры
    • Сигнализаторы-регуляторы уровня
    • Стекла смотровые иллюминаторные.Трубки уровнемерные
    • Ультразвуковые уровнемеры
    • Гидростатические уровнемеры
    • Ротационные (роторные) уровнемеры
    • Уровнемеры и сигнализаторы уровня Dinel
    • Уровнемеры и сигнализаторы уровня Nivelco
    • Вольтамперфазометры (ВАФ)
    • Измерители параметров УЗО
    • Измерители параметров электрических сетей и электроустановок
    • Измерители сопротивления заземления
    • Измерители тока короткого замыкания
    • Токовые клещи
    • Мегаомметры
    • Мосты, магазины, меры измерительные
    • Мультиметры цифровые
    • Омметры, микроомметры, миллиомметры
    • Преобразователи тока, напряжения, частоты измерительные
    • Тестеры — комбинированные электроизмерительные приборы
    • Указатели, индикаторы напряжения
    • Фазоуказатели, указатели последовательности чередования фаз
    • Щитовые электроизмерительные приборы
    • Амперметры щитовые
    • Ваттметры, варметры щитовые
    • Вольтметры щитовые
    • Частотомеры щитовые
    • Калибраторы и поверочное оборудование
    • Анализатор качества электроэнергии/мощности/ПКЭ
    • Анализаторы спектра
    • Вольтметры и мультиметры лабораторные
    • Генераторы сигналов НЧ, ВЧ, шума
    • Измерители RLC
    • Источники питания лабораторные
    • Осциллографы цифровые
    • Частотомеры лабораторные
    • Аксессуары и дополнительные опции к приборам
    • Аспираторы и зонды
    • Вискозиметры
    • Водородомеры
    • Газоанализаторы
    • Иономеры
    • Кондуктометры
    • Оксиметры
    • Плотномеры
    • Приборы по охране труда и анализу атмосферы
    • рН-метры
    • Гигрометры — измерители влажности воздуха и газов
      • Гигрометры от Рэлсиб
      • Анемометры
      • Барометры
      • Гигрометры
      • Термогигрометры
      • Трубки Пито
      • Дозиметры
      • Измерители запыленности
      • Измерители параметров электромагнитного поля
      • Люксметры
      • Шумомеры
      • Дальномеры
        • 100
        • с нониусом
        • Виброметры
        • Дефектоскопы
        • Магнитометры
        • Приборы для испытаний строительных материалов
        • Склерометры
        • Твердомеры
        • Толщиномеры

        Оборудование

        • Средства автоматизации технологических процессов
          • Датчики
            • Лидар сканеры
            • Блоки питания WEHO
            • Автотрансформаторы (ЛАТРы)
            • Вентиляторы для продувки колодцев
            • Заземления переносные
            • Указатели высокого напряжения УВН
            • Штанги оперативные
            • Трансформаторы тока
            • Стабилизаторы, источники бесперебойного питания
            • Затворы поворотные дисковые
            • Клапаны запорные
            • Клапаны обратные
              • Подъемные
              • Фланцевые
              • Шаровой
              • Газовый
              • Блоки управления
              • Запально-защитные устройства и комплектующие
              • Запальные горелки
              • Источники высокого напряжения ИВН
              • Комплекты средств управления
              • Механизмы исполнительные
              • Приборы контроля пламени и управления розжигом
              • Регуляторы температуры, давления, расхода, уровня
              • Электромагнитные клапаны
              • Кнопки управления, кнопочные посты/выключатели
              • Концевые выключатели
              • Реле времени
              • Реле напряжения
              • Реле промежуточные
              • Реле тока
              • Реле указательные
              • Устройства защитного отключения
              • Твердотельные реле
              • Паяльники
              • Паяльные станции
                • Паяльные станции ATTEN
                • Блоки подготовки воздуха
                • Соединительные элементы
                • Пневмораспределители. Управляющие элементы.
                • Пневмоцилиндры
                • Кабелеискатели
                • Определители скрытой проводки
                • Течеискатели
                • Трассоискатели (кабельных линий, трубопроводов)
                • Рефлектометры оптические
                • Готовые комплекты рабочих мест
                • Столы
                • Стулья и кресла
                • Шкафы, стеллажи, стойки, полки
                • Лампы-лупы
                • Микроскопы
                • Светильники бестеневые
                • Оптические приспособления
                • Колонны сигнальные
                • Лампы сигнальные щитовые
                • Маяки светосигнальные
                • Сирены, зуммеры

                

                

                Тел. / факс: (495) 710-70-37

                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.

                Александр Ярошенко, автор блога SamElectric.ru

                �� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

                Пожаловаться

                Все новости и публикации пользователя Ярошенко Александр в персональной ленте вашего личного кабинета на Elec.ru

                Подписаться
                Читайте также
                10 апреля 2016 г. 11:17
                Практические схемы включения датчиков
                29 сентября 2017 г. 16:02
                Применение датчиков в промышленном оборудовании
                19 августа 2013 г. 4:38
                Индуктивные датчики. Разновидности, применение, схемы включения
                20 апреля 2016 г. 17:29
                Датчики приближения Autonics: индуктивные и емкостные
                26 ноября 2018 г. 11:36
                Оптические и фотодатчики. Разновидности и принципы работы
                6 февраля 2019 г. 10:39
                Так что же это за «хитрость» — индуктивный датчик приближения?
                Новости по теме
                Новые датчики тока HARTING прямоугольной формы — надёжная защита от помех
                6 декабря 2017 г. 10:03

                Датчики движения от компании Schneider Electric – автоматическое управление освещением дома и на улице

                20 июня 2017 г. 12:40
                Промышленные и модульные датчики от «Электронщика» позволяют создавать сложные системы управления
                14 апреля 2017 г. 10:42
                Фотоэлектрические датчики серии E3Z от OMRON-IA
                30 января 2017 г. 9:34
                Выпущена новая модификация прибора ПКВ/У3.0 (теперь с тремя датчиками перемещений)
                23 апреля 2010 г. 10:52
                Новая гамма датчиков для промышленного применения
                2 июня 2005 г. 11:03
                Объявления по теме

                ПРОДАМ: Фотоэлектрический датчик WSE130L-54 (pn 6029868) из наличия

                Продается НОВЫЙ фотоэлектрический датчик WSE130L-54 (pn 6029868) — 1 штука. Фотоэлектрический датчик в миниатюрном корпусе Датчик в наличии. Есть ГТД, ввезен в РФ в конце 2022 года. Только для юридических лиц по безналичному расчету. Тип: WSE130L-54 Артикул: 6029868 В объем поставки входит: DSL-8L04-2-130 (1 шт) Описание на сайте производителя https://www.sick.com/ru/ru/6029868 Узнать цену и оставить заявку можно здесь: https://inortek.ru/search.html?q=6029868

                Беляков Андрей · ДАНЭКС · Вчера · Россия · г Санкт-Петербург

                ПРОДАМ: Датчик измерения вибрации ВД06А широкого применения

                Вибродатчик используют во всех областях профессиональных виброизмерений — системах диагностики, мониторинга и аварийного отключения в электро- и теплоэнергетике, гидроэнергетике, на транспорте и в др. отраслях. Цена на датчики вибрации оптимальна и ниже, чем аналоги у других поставщиков и производителей. Принцип действия По принципу действия датчики являются пьезоэлектрическими вибропреобразователями. Восемь преимуществ пьезоэлектрического датчика вибрации Малый коэффициент гармоник выходного сигнала за счет сдвоенного пьезоэлектрического чувствительного элемента. Высокие метрологические характеристики и предельно малые размеры датчика за счет применения специальных конструктивных решений и материалов (сейсмической массы из сплава вольфрама). Долговременная стабильность параметров датчика вибрации в самых неблагоприятных условиях эксплуатации без потери точности измерений за счет использования герметичного корпуса из полированной нержавеющей стали, посадочной плоскости, притёртой по 10-му классу чистоты и специально состаренных пьезоэлементов. Виброизмерение всех известных типов механизмов (вращающихся, возвратно-поступательных, неповторяющихся и т.д.) за счет расширенного диапазона частот. Подключение датчика вибрации на значительном расстоянии от вторичной аппаратуры (до 20. 30 м) за счет встроенного усилителя. Стандартный тип выхода – ICP. Широкий диапазон рабочих температур датчика вибрации. Влагобрызгозащищённое исполнение. Четыре особенности датчика вибрации Возможность стационарной и временной установки датчика на объекте контроля. При стационарной установке он крепится на шпильку М5, при временной — на магнитное крепление, поставляемое отдельно. Миниатюрный коаксиальный разъём типа СР50-267 для подключения к внешним устройствам. Для преобразования сигнала ВД06А (а также вибродатчиков любых типов) в выходной стандартный токовый сигнал 4-20 мА используется интегрирующий преобразователь сигнала датчика вибрации ИПВ-3. Для крепления датчика к поверхности.

                Ивкина Лидия · НТФ Микроникс · Вчера · Россия · Омская обл

                ПРОДАМ: Индуктивный датчик IZ5048 фирмы IFM ELETRONIC

                В наличии НОВЫЙ индуктивный датчик фирмы IFM ELETRONIC (Германия) IZ5048 (pn IZ93001-BPKG/2M PVC) Поставка в РФ в Декабре 2022. Полный комплект документов, включая ГТД. Только для юридических лиц по безналичному расчету. Расстояние срабатывания 1 мм Неутапливаемый монтаж 10…30 DC V; 3-проводый; PNP NO (замыкающий) PVC кабель (ПВХ провод); 2 метра. Узнать цену и оставить заявку можно здесь: https://inortek.ru/search.html?q=IZ5048

                Беляков Андрей · ДАНЭКС · Вчера · Россия · г Санкт-Петербург

                ПРОДАМ: Тороидальный датчик тока Д. 250/0, 125 (1: 2000)

                Датчик тока предназначен для использования в системах измерений, контроля и автоматики в электроустановках до 1000 В частотой 50 Гц. Конструктивно датчик представляет собой тороидальный трансформатор тока; определяет величину действующего значения переменного синусоидального тока в контролируемом проводе первичной обмотки. Изготавливается в пластиковом корпусе. Материал сердечника — электротехническая сталь. Исполнения: — Д. 100/0,1 — ток 5-100 А, коэффициент трансформации (±2%) — 1:1000 — Д. 250/0,125 — ток 5-250 А, коэффициент трансформации (±2%) — 1:2000

                Симахин Иван · ООО «ЭНЕРГИС-АВТОМАТИКА» · Сегодня · Россия · Кировская обл

                ПРОДАМ: Датчики ПДФ-9 263 . Индуктивные датчики BALLUF BES . EUCHNER . ВЕ-178А5 Z=1024.Z-2500

                ПДФ-9 263-1.Индуктивные датчики BALLUF , BES , EUCHNER , Ойхнер , EGT 12-01 , 12-02 , 12-04 , 12-06 , 12-08 Датчики : ДВУ-215 , ДВУ-165 , ПДФ-9 263 наружный и внутренние сервомотор HSM-150 (Чехия) ВЕ-178 А 5 Z=1024.Z-2500 соединитель электрический С Э11-19 , REXROTH

                М Aлександр · 31 декабря 2023 г. · Россия · г Москва

                • ВКонтакте
                • Однокласники
                • Facebook
                • Twitter
                • Telegram
                • Pinterest
                Похожие публикации:

                1. Как посмотреть код восстановления в steam guard на пк
                2. Как скачать фото из гугл документа
                3. Первичная применяемость ескд как заполнять
                4. Сколько стоит кабель 5х4 цена за метр