Работа на промышленных предприятиях требует внедрения автоматической системы управления. С этой целью применяется разное оборудование, способное обеспечить бесперебойное функционирование производственных машин. Для контроля металлических объектов не редко используют бесконтактные индуктивные датчики, обладающие как положительными, так и отрицательными качествами. Но главное, что они отличаются небольшими размерами и прекрасно выполняют возложенные функции, поэтому пользуются популярностью и у производителей бытовой и даже медицинской техники.
Общее описание и назначение
Индуктивным датчиком принято называть устройство, способное преобразовывать механические перемещений контролируемых объектов в электрический сигнал. Представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, объединенных с магнитопроводом и подвижным якорем, который регистрирует измерения линейного или углового размера и, перемещаясь, влияет на показатель индуктивности, изменяя ее в одну или другую сторону. Благодаря такой особенности, бесконтактные датчики активно используются в качестве элементов контроля положения металлических объектов.
Какие материалы уменьшат диапазон индуктивного бесконтактного переключателя?
Индуктивные датчики лучше всего работают со сталью (Fe360). Используя это как ссылку, специальный «поправочный коэффициент» определяется для других типов материалов. Чем ниже коэффициент коррекции, тем меньше становится расстояние обнаружения.
Например, если конкретный датчик приближения может обнаруживать стальной объект на расстоянии 10 мм, он сможет обнаружить латунный объект только тогда, когда он находится примерно на 10 мм * 0.25 — 10 мм * 0.45 (2.5 мм — 4.5 мм) близко к чувствительной поверхности. .
Виды
По схеме построения индукционные датчики принято разделять только на 2 отдельных вида: одинарные и дифференцированные.
Одинарные
Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей.
Дифференциальные
Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем.
Скачать инструкции и руководства на некоторые типы индуктивных датчиков:
• Autonics_PR / Индуктивные датчики приближения. Подробное описание параметровэ, pdf, 135.28 kB, скачан: 3173 раз./
• Autonics_proximity_sensor / Каталог датчиков приближения Autonics, pdf, 1.73 MB, скачан: 1876 раз./
• Omron_E2A / Каталог датчиков приближения Omron, pdf, 1.14 MB, скачан: 2451 раз./
• ТЕКО_Таблица взаимозаменяемости выключателей зарубежных производителей / Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан: 1880 раз./
• Turck_InduktivSens / Датчики фирмы Turck, pdf, 4.13 MB, скачан: 2402 раз./
• pnp npn / Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar, 2.18 kB, скачан: 3795 раз./
Устройство и схема
Индукционный датчик, как и любое электронное устройство, состоит из связанных друг с другом узлов, обеспечивающих бесперебойность его работы. В качестве основных элементов аппарата можно выделить следующее.
Генератор
Ключевой задачей генератора является создание магнитного поля, на основе которого, в частности, строится принцип действия индукционного датчика, а также образуются зоны активности с объектом.
Триггер Шмидта
Триггер Шмидта представляет собой отдельный элемент, основным назначением которого считается обеспечение гистерезиса в процессе переключения устройства.
Усилитель
Усилительное устройство используется в качестве элемента, способного повышать значение амплитуды импульса, что позволяет сигналу быстрее достигать необходимого параметра.
Специальный индикатор
Диодный индикатор, свидетельствующий о фактическом состоянии контроллера. Кроме того, светодиод используется для обеспечения достаточного контроля функционирования индукционного датчика, а также, чтобы обеспечить достаточную оперативность в процессе настройки.
Компаунд
Компаунд предназначается для защиты устройства, поскольку может предотвратить попадание жидкости, в частности воды, внутрь корпуса индукционного датчика, а также снижает риск загрязнения оборудования, так как пыль может спровоцировать его поломку.
Мониторинг паропроводов
LOCA (утечка охладителя) описавает аварию с утечкой охлаждающей жидкости в реакторе, причина которой может заключаться в нарушении трубопроводной системы. В худшем случае, можно предположить, что оба конца трубы отрезаны и утечка происходит через двойное сечение трубопровода. Соответственно рассичтывается аварийная охлаждающая система и размер резервной емкости реактора. Дублирующие системы должны быть доступны, поврежденные трубопроводы должны быть перекрыты аварийными клапанами за короткий промежуток времени. Причины аварии могут быть разными, например, землетрясение, крушение самолета или цунами.
Другое возможное явление — это гидроудар, который может произойти в горячих паропроводах при конденсации части насыщенного пара и накопления в трубе из-за недостаточного дренирования, так что неожиданно на определенных участках трубы все поперечное сечение оказывается заполнено водой. Водяной столб ускоряется давлением пара, и происходит удар, похожий на работу поршня цилиндра. Последующие изгибы трубопровода представляют препятствие водяному столбу и его массовой инерции. Давление в сети трубопроводов быстро возрастает и в несколько раз превышает максимальное давление пара и может исчерпать запас проектный прочности трубопровода, приводя к деформации или разрыву трубы.
Мониторинг трубопроводов электростанций
В обоих авариях, LOCA (утечка охладителя) и гидроудар, важно постоянно контролировать важные для безопасности станции элементы, такие как трубопроводы охлаждения и паропроводы перегретого пара, а также, если необходимо, немедленно их перекрывать при помощи аварийных клапанов. Функции берут на себя дублирующие системы. Эффективное предохранительное устройство состоит из установленных датчиков перемещений трубопроводов, построенных по принципу полного индуктивного моста (LVDT). Индуктивный датчик перемещений передает данные о положении трубопровода в виде сигнала на пульт управления. Кроме того, низкочастотные вибрации трубопроводов могут служить сигналом о возможной аварии. Положение трубопроводов в нескольких различных точках отображается на пульте управления станции. Если результат измерений выходит за предварительно заданные пороговые значения с учетом возможных расчетных перемещений и амплитуды вибраций, подается сигнал тревоги и выполняется установленная аварийная процедура.
Установка индуктивного датчика линейных перемещений для мониторинга паропроводов (измерение положения трубы)
Используются диапазоны измерений индуктивных датчиков линейных перемещений от 100 до 300 мм. Сами датчики должны выдерживать экстремальные условия эксплуатации без ущерба, например, максимальную температуру 180°C, паро-воздушную смесь 100% (относительная влажность) и конденсат 0,5 кг/м³ при температуре 125°C. Датчики eddylab, предназначенные для этой задачи, состоят из цилиндрического корпуса и подвижного штока. Корпус крепится к неподвижной конструкции при помощи струбцин, шток соединяется с трубопроводом. Если паропровод движется вместе со штоком относительно корпуса датчика, выходной сигнал изменяется. Результаты мониторинга в виде непрерывного сигнала положения передаются в систему управления станции.
Внутри датчик состоит из системы катушек (первичная и вторичная) в герметичном корпусе с кольцевыми уплотнениями Viton. Электроника IMCA питает первичную катушку LVDT сигналом на несущей частоте 3 кГц и анализирует дифференциальное напряжение на вторичной катушке по амплитуде и фазе. Преимуществом данной системы является возможность использования длинного кабеля между датчиком и электроникой, так что электроника может находиться в безопасном месте на удалении 100 м и более, в то время как датчик может подвергаться экстремальным условиям на месте установки без проблем.
Принцип работы
Принцип действия основывается на изменениях амплитудного значения колебаний генераторного узла при попадании в активную зону устройства объекта определенных размеров. В процессе подачи электропитания на концевик оборудования в районе его чувствительной части формируется изменяющееся магнитное поле. Оно наводит в находящемся в рабочей зоне датчика материале вихревые токи, ведущие к изменению амплитуды электромагнитных колебаний.
В результате начнет вырабатываться выходной сигнал, который в процессе может изменяться в зависимости от фактического расстояния между устройством и объектом контроля.
Параметры
Чтобы контролировать функциональность индукционного датчика, а также определять уровень его сигналов, надо разбираться в параметрах устройства.
Напряжение питания
Представляет собой диапазон допустимого напряжения, в рамках которого устройство работает корректно.
Минимальный ток переключения
Это минимально возможное значение электрического тока, которое обязательно должно поступать к датчику для обеспечения его работы.
Рабочие расстояния
Это максимально допустимое расстояние от устройства до железного квадрата миллиметровой толщины. При этом данное значение уменьшается, если используется другой материал.
Частота переключения
Это максимально возможное количество переключений, которые можно сделать в течение одной секунды.
А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру?
Подписывайся, и читай статью дальше:
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.
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?
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.
Способ подключения
Вариант подключения любого бесконтактного датчика зависит от примененной в процессе его производства схемы построения.
Трехпроводные
Трехпроводные имеют 3 проводника, 2 из которых предназначаются для обеспечения устройства питанием, а третий применяется для подключения к нагрузке. Она, в зависимости от использованной при разработке структуры, может подсоединяться к аноду либо катоду источника напряжения электрического тока.
Четырехпроводные
Четырехпроводные индукционные датчики отличаются наличием четырех проводников: 2 провода идут на питание, а другие 2 — на загрузку.
Двухпроводные
Двухпроводные устройства подключаются прямо в нагрузочную цепь. Это самый элементарный вариант, но и он обладает отдельными особенностями. Данный способ для нагрузки требует номинальное сопротивление, если же его значение окажется больше или меньше, тогда индукционный датчик не сможет корректно работать.
Внимание! При подключении устройства к источнику постоянного тока следует помнить о полярности выводов.
Пятипроводные
Пятипроводной отличается от четырехпроводного только наличием пятого проводника, который позволяет выбирать режим работы устройства.
Основные отличия двух типов биполярных транзисторов
Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.
Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.
Цветовая маркировка
Все электротехническое оборудование, в том числе проводники, обязательно имеет цветовую маркировку. Ее принято наносить для удобства последующих монтажных работ и дальнейшего обслуживания. Это правило должно соблюдаться и в случае с индукционными датчиками. Их выходные проводники маркируются следующими цветами:
- минус обычно указывается синим;
- плюс — красным;
- выход — черным;
- белый — дополнительный выход или же вход управления, что определяется типом используемого датчика.
Погрешности
Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.
Электромагнитная
Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.
От температуры
Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.
Магнитной упругости
Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.
Деформация элементов
Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.
Кабеля
Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.
Старение
Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.
Технологии
Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.
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.
Сферы использования
Возможная область применения индукционных датчиков настолько велика, что позволяет использовать их не только в быту и автомобилестроении, но и в промышленности с робототехникой, а также медицине.
Медицинские аппараты
Индуктивные датчики широко используются при производстве медицинского оборудования, поскольку магнитные свойства устройства позволяют регистрировать легочную вентиляцию, параметры вибрации, а также снимать баллистокардиограммы.
Бытовая техника
В бытовом плане датчики могут выступать в качестве приспособления контроля водоснабжения, уровня освещения и положения двери (закрыта или открыта), поэтому используются при производстве, к примеру, стиральных машин и другой бытовой техники. Кроме того, устройства применяются в процессе создания элементов «умного дома».
Автомобильная промышленность
Используется индукционный датчик и в автостроении, выступая в роли контроллера, определяющего положение коленчатого вала. При приближении металлического объекта, в данном случае, зуба шестерни, к устройству, генерируемое встроенным постоянным магнитом магнитное поле увеличивается, что приводит к наведению в катушке переменного напряжения.
Внимание! Некоторые производители для повышения эффективности стараются изменить конструкцию индукционного датчика, к примеру, используя внешние магниты для его активации.
Робототехническое оборудование
В случае с робототехникой, индуктивным датчикам нашли применение в производстве беспилотных аппаратов и промышленных роботов для повышения их чувствительности к препятствиям и способности распознавать объекты, а также устройствах, для которых важна самобалансировка.
Промышленная техника регулирования и измерения
Широко используются в работе систем транспортеров, упаковочных аппаратов и сборочных линий, а еще в составе всех видов станкового оборудования и запорной арматуры. Также индуктивные датчики помогают контролировать мелкие и крупные элементы промышленной техники (зубцы шестеренок, стальные флажки, штампы), объекты производства (металлические изделия, листы металла, крышки) и т.п. Кроме того, при их подключении к импульсным счетчикам можно в результате получить элементарное, но крайне эффективное считывающее устройство.
Индукционные датчики следующего поколения
Благодаря новым разработкам в этой области, были созданы усовершенствованные модели индукционных датчиков следующего поколения. Принцип работы остался прежним, однако подверглась тщательной переработке конструкция устройства. В результате датчики теперь оснащаются тонкими платами, распечатанными на 3D-принтерах, и современной цифровой электроникой. Кроме того, их производят на гибких подложках, что избавляет от необходимости использования традиционных кабелей и разъемов. Так что пользоваться устройствами можно даже в тяжелых погодных условиях.
К преимуществам новых разработок можно отнести следующее:
- снижение стоимости и веса, более компактные размеры;
- возможность выбора практически любых форм-факторов;
- повышение точности реагирования на металлические объекты;
- возможность проведения замеров, связанных со сложной геометрией, в двух или трех измерениях;
- упрощение конструкции;
- возможность устанавливать несколько индукционных датчиков близко друг к другу из-за высокой электромагнитной совместимости.
Все это позволило увеличить эффективность и доступность устройства, а также расширить сферу его применения.
