Senzor je vo všeobecnosti zariadenie, ktoré premieňa jednu fyzikálnu veličinu na inú, ktorú možno spracovať, prenášať alebo konvertovať. Prvým je zvyčajne fyzikálna veličina, ktorú nemožno priamo merať (teplota, rýchlosť, posun atď.), zatiaľ čo druhým je elektrický alebo optický signál. Senzory, ktorých základným prvkom je indukčná cievka, majú v oblasti meracích prístrojov svoje vlastné miesto.
O stránke
Ako sú indukčné snímače navrhnuté a ako fungujú
Indukčné snímače sú svojím princípom činnosti aktívne, t. j. vyžadujú externý oscilátor. Tým sa v cievke induktora generuje signál s definovanou frekvenciou a amplitúdou.
Prúd tečúci cez cievky vytvára magnetické pole. Ak do magnetického poľa vstúpi vodivý predmet, parametre cievky sa zmenia. Zostáva už len zistiť túto zmenu.
Jednoduché bezkontaktné snímače reagujú na prítomnosť kovových predmetov v blízkom poli cievky. Tým sa zmení impedancia cievky, táto zmena sa musí previesť na elektrický signál, ktorý sa zosilní a/alebo zistí porovnávacím obvodom.
Iný typ snímača reaguje na zmeny pozdĺžnej polohy objektu, ktorý slúži ako jadro cievky. Keď sa mení poloha objektu, posúva sa do cievky alebo z nej, čím sa mení jej indukčnosť. Túto zmenu možno previesť na elektrický signál a merať ju. Iná verzia tohto snímača spočíva v tom, že sa na cievku tlačí predmet zvonku. To spôsobuje zníženie indukčnosti v dôsledku tieniaceho efektu.
Ďalšou verziou indukčného snímača posunutia je lineárny diferenciálny transformátor (LVDT). Ide o zloženú cievku vyrobenú v nasledujúcom poradí:
- sekundárna cievka 1;
- primárne vinutie;
- sekundárne vinutie 2.
Signál z generátora sa privádza na primárne vinutie. Magnetické pole vytvorené strednou cievkou indukuje EMP v každej zo sekundárnych cievok (princíp transformátora).princíp transformátora). Jadro pri pohybe mení vzájomnú väzbu medzi cievkami, čím sa mení elektromotorická sila v každom z vinutí. Túto zmenu možno zistiť pomocou meracieho obvodu. Keďže dĺžka jadra je menšia ako celková dĺžka zloženej cievky, pomer EMP v sekundárnych vinutiach môže jednoznačne určiť polohu objektu.
Rotačný snímač je založený na rovnakom princípe zmeny indukčnej väzby medzi vinutiami. Skladá sa z dvoch koaxiálnych cievok. Signál sa privádza na jedno z vinutí, pričom EMP v druhom vinutí závisí od vzájomného uhla natočenia.
Z princípu činnosti je zrejmé, že indukčné snímače sú bez ohľadu na ich konštrukciu bezkontaktné snímače. Pracujú na diaľku a nevyžadujú priamy kontakt s monitorovaným objektom.
Výhody a nevýhody indukčných snímačov
Výhody indukčných snímačov sú najmä
- Robustná konštrukcia;
- žiadne kontaktné pripojenia;
- vysoký výstupný výkon, ktorý znižuje vplyv šumu a zjednodušuje riadiace obvody;
- vysoká citlivosť;
- Možnosť prevádzky s napájaním striedavým prúdom s priemyselnou frekvenciou.
Hlavnými nevýhodami indukčných snímačov sú ich veľkosť, hmotnosť a zložitosť. Na navíjanie cievok s požadovanými parametrami je potrebné špeciálne zariadenie. Ďalšou nevýhodou je, že amplitúda signálu z hlavného oscilátora sa musí presne udržiavať. Rozsah citlivosti sa tiež mení so zmenou amplitúdy signálu. Keďže snímače pracujú len so striedavým prúdom, udržiavanie amplitúdy sa stáva určitým technickým problémom. Snímač nie je možné pripojiť priamo (alebo cez znižovací transformátor) k domácej alebo priemyselnej elektrickej sieti, kde môžu odchýlky napätia v amplitúde alebo frekvencii dosahovať až 10 %, a to aj pri bežnej prevádzke, čím sa presnosť merania stáva neprijateľnou.
Presnosť merania môže byť ovplyvnená aj:
- Vonkajšie magnetické polia (tienenie snímača nie je možné na základe jeho princípu činnosti);
- indukcie bočných EMP v napájacích a meracích kábloch
- výrobné nepresnosti;
- Chyby v charakteristike snímača;
- Vrásky alebo deformácie v mieste montáže sondy, ktoré nemajú vplyv na celkový výkon;
- Závislosť presnosti od teploty (menia sa parametre vinutého drôtu vrátane jeho odporu).
Neschopnosť indukčných snímačov reagovať na prítomnosť dielektrických objektov v ich magnetickom poli možno považovať za výhodu aj nevýhodu. Na jednej strane to obmedzuje rozsah použitia. Na druhej strane sú necitlivé na nečistoty, mastnotu, piesok atď. na sledovaných objektoch.
Pochopením obmedzení a možných obmedzení indukčných snímačov možno racionálne využiť výhody indukčných snímačov.
Oblasti použitia indukčných snímačov
Indukčné bezkontaktné spínače sa často používajú ako koncové spínače. Tieto zariadenia sa používajú na širokú škálu aplikácií:
- v bezpečnostných systémoch ako snímače neoprávneného otvorenia okien a dverí;
- v systémoch telekontroly ako snímače medznej polohy pre zostavy a mechanizmy;
- v každodennom živote v okruhoch indikácie zatvorenej polohy dverí, krídiel;
- na počítanie objektov (napr. pohybujúcich sa na dopravníkovom páse);
- na určenie rýchlosti otáčania ozubených kolies (každý zub prechádzajúci okolo snímača generuje impulz);
- V iných situáciách.
Snímače uhlovej polohy sa môžu používať na určovanie uhlov otáčania hriadeľov, ozubených kolies a iných rotujúcich jednotiek a tiež ako absolútne snímače. Môžu sa používať aj v obrábacích strojoch a robotických aplikáciách spolu s lineárnymi snímačmi. Všade tam, kde je potrebné poznať presnú polohu komponentov stroja.
Praktické aplikácie indukčných snímačov
V praxi sa indukčné snímače dajú realizovať rôznymi spôsobmi. Najjednoduchšia konštrukcia a použitie je s dvojvodičovým jednoduchým snímačom, ktorý monitoruje prítomnosť kovových predmetov v rozsahu snímania. Tieto zariadenia sa často vyrábajú na základe jadra v tvare W, ale to nie je rozhodujúce. Tento dizajn sa ľahšie vyrába.
Pri zmene odporu cievky sa mení prúd v obvode a úbytok napätia na záťaži. Tieto zmeny sa dajú zistiť. Problémom je, že odpor záťaže sa stáva kritickým. Ak je príliš veľká, zmena prúdu pri objavení kovového predmetu bude relatívne malá. Tým sa znižuje citlivosť a odolnosť systému. Ak je malý, prúd v obvode bude vysoký a bude potrebný odolnejší snímač.
Z tohto dôvodu existujú konštrukcie, v ktorých sú snímacie obvody zabudované do puzdra snímača. Generátor generuje impulzy, ktoré napájajú cievku induktora. Keď sa dosiahne určitá úroveň, aktivuje sa spúšťač, ktorý sa prepne zo stavu 0 na 1 alebo naopak. Nárazníkový zosilňovač zosilní signál z hľadiska výkonu a/alebo napätia, rozsvieti (zhasne) LED diódu a vyvedie diskrétny signál pre externý obvod.
Výstupný signál môže byť generovaný:
- pomocou elektromagnetického alebo polovodičové relé - nulová alebo jednotná úroveň napätia;
- "suchý kontakt" elektromagnetické relé;
- otvorený kolektor tranzistor (n-p-n alebo p-n-p štruktúry).
V tomto prípade sú na pripojenie snímača potrebné tri vodiče:
- napájanie;
- spoločný vodič (0 V);
- signálny vodič.
Takéto snímače môžu byť napájané aj jednosmerným napätím. Ich indukčné impulzy sú generované vnútorným oscilátorom.
Na monitorovanie polohy sa používajú diferenciálne snímače. Ak sa sledovaný objekt nachádza symetricky voči obom cievkam, prúd prechádza oboma cievkami rovnako. Ak je niektorá z cievok vychýlená smerom k poľu, dochádza k nevyváženosti, celkový prúd už nie je nulový, čo možno zistiť pomocou indikátora so šípkou v strede stupnice. Pomocou indikátora možno určiť veľkosť posunu aj jeho smer. Namiesto číselníkového meradla sa môže použiť riadiaci obvod, ktorý po prijatí informácie o zmene polohy vydá signál, vykoná opatrenia na vyrovnanie objektu, vykoná korekcie procesu atď.
Snímače založené na princípe lineárne regulovaných diferenciálnych transformátorov sa vyrábajú ako kompletné jednotky, ktoré predstavujú kostru s primárnym a sekundárnym vinutím a tyčou pohybujúcou sa vo vnútri (môže byť odpružená). Vodiče pre signál generátora a EMF sekundárneho vinutia sú pripojené zvonku. Ovládaný objekt môže byť mechanicky pripojený k stonke. Môže byť vyrobený aj z dielektrického materiálu - pre meranie je dôležitá len poloha stonky.
Napriek určitým prirodzeným nevýhodám indukčný senzor uzatvára mnohé oblasti súvisiace s bezkontaktnou detekciou objektov v priestore. Napriek neustálemu vývoju technológií tento typ prístroja v dohľadnej budúcnosti neopustí trh s meracími prístrojmi, pretože jeho činnosť je založená na základných fyzikálnych zákonoch.
Súvisiace články:
