Индуктивные датчики. Виды. Устройство. Параметры и применение

Индуктивные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении индуктивности путем изменения магнитного сопротивления датчика.

Большую популярность индуктивные датчики получили на производстве для измерения перемещений в интервале от 1 микрометра до 20 мм. Индуктивный датчик можно применять для замера уровней жидкости, газообразных веществ, давлений, различных сил. В этих случаях диагностируемый параметр преобразуется чувствительными компонентами в перемещение, далее эта величина поступает на индуктивный преобразователь.

Для замера давления применяются чувствительные элементы. Они играют роль датчиков приближения, предназначенные для выявления разных объектов бесконтактным методом.

Индуктивные датчики разделяются по схеме построения на 2 вида:

1. Одинарные датчики.
2. Дифференциальные датчики.

Первый вид модели имеет одну ветвь измерения, в отличие от дифференциального датчика, у которого две измерительные ветви.

В дифференциальной модели при изменении диагностируемого параметра изменяются индуктивности 2-х катушек. При этом изменение осуществляется на одинаковое значение с противоположным знаком.

Индуктивность катушки вычисляется по формуле:  

L = WΦ/I

Где W– количество витков; Ф – магнитный поток; I – сила тока, протекающего по катушке. Сила тока взаимосвязана с магнитодвижущей силой следующим отношением:  I = Hl/W

Из этой формулы получаем:  

L = W²/Rm

Где R _m = H*L/Ф – магнитное сопротивление.

Работа одинарного датчика заключается в свойстве дросселя, изменять индуктивность при увеличении или уменьшении воздушного промежутка.

Конструкция датчика включает в себя ярмо (1), витки обмотки (2), якорь (3), который фиксируется пружинами. По сопротивлению поступает переменный ток на обмотку. Сила тока в нагрузочной цепи вычисляется:

L – индуктивность датчика, r_d – активное дроссельное сопротивление. Оно является постоянной величиной, поэтому изменение силы тока I может осуществляться только путем изменения составляющей индуктивности XL=IR_н, зависящей от размера воздушного промежутка δ.

Каждой величине зазора соответствует некоторое значение тока, определяющего падение напряжения на резисторе R_н: U_вых=I*R_н – является сигналом выхода датчика. Можно определить следующую зависимость U _вых = f (δ), при одном условии, что зазор очень незначительный и потоки рассеивания можно не учитывать, как и магнитное сопротивление металла R_мж в сравнении с магнитным сопротивлением зазора воздуха R_мв.

Окончательно получается выражение:

На практике активное сопротивление цепи несравнимо ниже индуктивного. Поэтому формула принимает вид:

Из недостатков одинарных можно отметить:

• При эксплуатации датчика на якорь воздействует сила притяжения к сердечнику. Эта сила не уравновешена никакими методами, поэтому она снижает точность функционирования датчика, и вносит некоторый процент погрешности.
• Сила нагрузочного тока зависит от амплитуды напряжения и ее частоты.
• Чтобы измерить перемещение в двух направлениях, нужно установить первоначальное значение зазора, что доставляет определенные неудобства.

Дифференциальные индуктивные датчики объединяют в себе два нереверсивных датчика и изготавливаются в виде некоторой системы, которая состоит из 2-х магнитопроводов, имеющих два отдельных источника напряжения. Для этого чаще всего применяется разделительный трансформатор (5).

Дифференциальные датчики классифицируются по форме сердечника:

• Индуктивные датчики с Ш-образной формой магнитопровода, выполненного в виде листов электротехнической стали. При частоте более 1 килогерца для сердечника используют пермаллой.
• Цилиндрические индуктивные датчики с круглым магнитопроводом.

Форму датчика выбирают в зависимости от конструкции и ее сочетания с механизмом. Использование магнитопровода Ш-образной формы является удобным для сборки катушки и снижения габаритных размеров индуктивного датчика.

Для функционирования дифференциального датчика применяют питание от трансформатора (5), который имеет вывод от средней точки. Между этим выводом и общим проводом катушек подключают прибор (4). При этом воздушный промежуток находится в пределах от 0,2 до 0,5 мм.

При расположении якоря в средней позиции при равных промежутках индуктивные сопротивления обмоток (3 и 3′) равны. Значит, значения токов катушек также одинаковы, и общий полученный ток в устройстве равен нулю.

При малом отклонении якоря в любую сторону изменяется значение воздушных промежутков и индуктивностей. Поэтому прибор определяет ток разности I₁-I₂, который определен функцией перемещения якоря от средней позиции. Разность токов чаще всего определяется магнитоэлектрическим устройством (4), выполненным по типу микроамперметра со схемой выпрямления (В) на входе.

Полярность тока не зависит от изменения общего сопротивления катушек. При применении фазочувствительных схем выпрямления можно определить направление перемещения якоря от средней позиции.

Параметры

• Одним из параметров индуктивных датчиков является диапазон срабатывания. По этому параметру выбирают датчики, однако он не настолько важен. В инструкции по датчику даны номинальные параметры питания при эксплуатации устройства при температуре +20 градусов. Постоянное напряжение для датчика – 24 В, а переменное 230 В. Обычно датчик работает в совершенно других условиях.
• На практике при подборе датчика важны два показателя интервала срабатывания:

— Полезный.
— Эффективный.

Показания первого вычисляются как +10% от 2-го при температуре 25-70 градусов. Показания 2-го отличаются от номинала на 10%. Интервал температуры при этом увеличивается с 18 до 28 градусов. Если при втором параметре применяется номинальное напряжение, то при первом есть разброс 85-110%.

• Другим параметром является гарантированный предел срабатывания. Он колеблется от нуля до 81% от номинала.
• Также следует учитывать параметры: повторяемость и гистерезис, который равен расстоянию между конечными позициями работы датчика. Его оптимальная величина равна 20% от эффективного интервала срабатывания.
• Нагрузочный ток. Изготовители иногда производят датчики специального исполнения на 500 миллиампер.
• Частота отклика. Этот параметр определяет наибольшую величину возможности переключения в герцах. Основные промышленные датчики имеют частоту отклика 1000 герц.

Методы подключения на схемах

Имеется несколько видов индуктивных датчиков с различным числом проводов для подключения. Рассмотрим основные виды подключений разных индуктивных датчиков.

• Двухпроводные индуктивные датчики подключаются непосредственно в нагрузочную цепь. Это наиболее простой способ, однако в нем есть особенности. Для такого способа для нагрузки требуется номинальное сопротивление. Если это сопротивление будет больше или меньше, то устройство функционирует некорректно. При включении датчика на постоянный ток нельзя забывать о полярности выводов.
• Трехпроводные индуктивные датчики наиболее популярны. В них имеется два проводника для подключения питания, а один для нагрузки.
• Четырехпроводные и пятипроводные индуктивные датчики. У них два провода на питание, другие два на нагрузку, пятый проводник для выбора режима эксплуатации.

Цветовая маркировка

Маркировка проводников цветом является очень удобной для осуществления обслуживания и монтажа датчиков. Их выходные проводники промаркированы определенным цветом:

• Минус – синий.
• Плюс – красный.
• Выход – черный цвет.
• Второй проводник выхода – белый цвет.

Погрешности

Погрешность преобразования диагностируемого параметра влияет на способность выдачи информации индуктивным датчиком.

Суммарная погрешность состоит из множества различных погрешностей:

Электромагнитные параметры материалов и их свойства со временем меняются. Чаще всего процессы изменения свойств материалов происходят в первые 200 часов после термообработки сердечника магнитопровода. Далее эти свойства остаются теми же, и не влияют на полную погрешность датчика.

Достоинства

• Большая чувствительность.
• Повышенная мощность выхода, до нескольких десятков Вт.
• Возможность подключения к промышленным источникам частоты.
• Прочное и простое устройство.
• Нет трущихся контактов.

Недостатки

• Способны функционировать только на переменном напряжении.
• Стабильность питания и частота влияют на точность работы датчика.

Сфера использования

• Медицинские аппараты.
• Бытовая техника.
• Автомобильная промышленность.
• Робототехническое оборудование.
• Промышленная техника регулирования и измерения.

Похожие темы:

• Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение
• Датчики Холла. Виды и применения. Работа и подключения
• Тензометрические датчики (Тензодатчики). Виды и работа. Устройство
• Датчики давления. Виды и работа. Как выбрать и применение
• Ультразвуковые датчики часть 1. Устройство и работа
• Ультразвуковые датчики часть 2. Типы и работа. Применение
• Дифференциальные трансформаторы (ДТ). Виды и особенности

бесконтактные датчики, индуктивный сенсор PS2-12M33-4N11-K, Sn=4 мм, DC 10…30 В, замыкающий, PNP, корпус12M

Индуктивный бесконтактный датчик положения переключает состояние выхода при приближении металла к чувствительной поверхности

Цилиндрический латунный корпус с резьбой М12х1 длиной 33 мм

В комплекте две крепежные гайки.

Расстояние срабатывания 4 мм

Способ монтажа в металл — не заподлицо.

Рабочее напряжение питания — 10 … 30 В

Ток нагрузки максимальный — 300 мА

Падение напряжения — Не более 1,5 В

Частота переключения масимальная — 600 Гц

Потребляемый ток — Не более 8,0/25,0 мА

Тип выхода — PNP, замыкающий (NO)

Диапазон рабочих температур — от -25 Цельсия до +70 Цельсия

Степень защиты — IP67

Подключение — Кабель 3х0,35 мм2

• Характеристики

• Расстояние срабатывания (Sn)

• Способ монтажа

  Не встраиваемый заподлицо

• Рабочий интервал (Sa)

  0 . .. 3,2 мм

• Тип выхода

• Функция выхода

  NO, замыкающий

• Рабочая температура

  (-25…+70)°С

• Разброс (Sr)

• Гистерезис максимальный (H), % от Sr

• Повторяемость максимальная (R) % от Sr

• Частота переключения макс.

  (f)

  600 Гц

• Способ подключения

  кабель/ПВХ/3х0,35мм2

• Общие электрические характеристики

• Рабочее напряжение питания (диапазон)

  DC 10…30 В

• Остаточный ток

• Максимальная емкость нагрузки (при Ue)

  2.5мкФ

• Категория применения

• Защита и индикация

• Защита от короткого замыкания

• Защита от перегрузки по току

• Защита от переполюсовки

• Индикатор состояния выхода (LED)

  красный

• Общие механические характеристики

• Материал корпуса

  Латунь

• Ударная нагрузка полусинусоидальная

  30gn, 11мс

• Вибрационная нагрузка

  55Гц, 1мм, 3х30мин

• Момент затяжки гаек

  1,5 кг/м

• Степень защиты по IEC 60529

• Прочее

• Воспроизводимость (R) %

Индуктивные датчики | Метод и функция обнаружения

Различные принципы обнаружения могут использоваться для различных задач обнаружения.

Принцип обнаружения, наиболее подходящий для конкретного приложения, определяется из различных соображений: они включают в себя материал обнаруживаемого объекта, среду применения и расстояние, с которого должно происходить обнаружение.

Если обнаруживаемый объект является электропроводным, например, из металл и могут быть обнаружены с близкого расстояния, рекомендуется использовать индуктивный датчик.

Индуктивные датчики функционируют таким образом, что датчик излучает высокочастотное переменное магнитное поле . Когда металлическая переключающая мишень приближается к этому магнитному полю, энергия извлекается из переменного поля за счет потерь на вихревые токи. Кроме того, ферромагнитные переключающие мишени вызывают потери при перемагничивании. Эти потери оцениваются, и датчик переключается при достижении определенного порога.

Типичные области применения включают контроль положения всех видов, контроль положений клапана и обнаружение скорости движения ремня . Исключительная универсальность принципа физического измерения означает, что на рынке доступно множество различных типов конструкций и версий датчиков, подходящих для конкретных условий эксплуатации, например, датчики с коэффициентом уменьшения 1, датчики NAMUR, датчики с металлическим лицом и датчики с одобрением типа E1 для использование в транспортных средствах.

В зависимости от приложения в качестве альтернативы можно использовать следующие принципы обнаружения :

• Емкостной датчик: для обнаружения объектов из пластика или бумаги, а также жидкостей (маслянистых или водных), гранул и порошков
• Датчик магнитного поля: объекты, которые являются магнитными или могут быть оснащены магнитом

Конструкция с индуктивным датчиком

Индуктивные датчики бесконтактные. Датчики обнаруживают металлических объекта , расположенных в их поле измерения. Для этого они используют взаимодействие металлического предмета как электрического проводника с излучаемым магнитным переменным полем датчика. В электрическом проводнике индуцируются вихревые токи , которые извлекают энергию из поля и тем самым влияют на уровень амплитуды колебаний.

Сердечником индуктивного датчика является катушка , обычно с ферритовым сердечником

, который позволяет магнитному полю выходить в определенном направлении. 9Генератор 0004, расположенный за ним в датчике, использует LC-резонансный контур для создания переменного магнитного поля, которое выходит из чувствительной поверхности датчика. В металлическом объекте, находящемся в зоне измерения, индуцируются вихревые токи. Они извлекают энергию из генератора. Уровень сигнала в осцилляторе меняется. Затем изменение уровня сигнала переключает выходной каскад в бинарных датчиках через триггер Шмитта. В измерительных датчиках это изменение уровня сигнала влияет на аналоговый выходной сигнал в зависимости от расстояние до объекта .

История индуктивных датчиков приближения

Первый индуктивный датчик приближения промышленного класса был разработан и выпущен на рынок в 1958 Уолтером Пепперлом и Вильфридом Гейлом . В то время развитие было обусловлено соседним BASF . BASF хотел заменить механические переключающие контакты, использовавшиеся в то время для обнаружения товаров, на бесконтактные переключающие датчики, которые не вызывали искровых разрядов . Намерение состояло в том, чтобы значительно снизить опасность взрыва . Даже первый индуктивный бесконтактный датчик был разработан с учетом искробезопасности в соответствии со стандартом

NAMUR .

Стандартизация

Все бесконтактные датчики и индуктивные датчики от Pepperl+Fuchs были разработаны, изготовлены и проданы в соответствии с применимым стандартом IEC/EN 60947 «Низковольтные коммутационные устройства — Часть 5-2: Блоки управления и переключающие элементы — датчики приближения».

Для датчиков безопасности от Pepperl+Fuchs также применяется соответствующий стандарт «Низковольтные коммутационные устройства — Часть 5-3: Блоки управления и коммутационные элементы — требования к бесконтактным устройствам с определенным поведением в условиях неисправности (PDDB)».

Дополнительная информация

Индуктивные датчики имеют типичных ключевых технических данных . Это необходимо знать для обеспечения надлежащего использования на установках и в приложениях.

Датчик переключается на определенном расстоянии от металлического предмета. Это расстояние называется «рабочее расстояние». Рабочее расстояние является наиболее важной характеристикой индуктивного датчика.

Принципы работы индуктивного датчика

Определения:

НЕТ (нормально разомкнутый): Релейный выход, который разомкнут, запрещая текущий поток, когда исполнительный механизм отсутствует и закрывается, позволяя поток тока при наличии исполнительного механизма.

НЗ (нормально замкнутый): Релейный выход, который замкнут, позволяя ток течет, когда привод отсутствует и открывается, запрещая поток тока при наличии исполнительного механизма.

НПН Выход: Транзисторный выход, переключающий общий или отрицательное напряжение на нагрузку. Нагрузка подключается между положительный запас и выход. Текущие потоки от нагрузка через выход на землю, когда выход переключателя на. Также известен как поглощение тока или отрицательное переключение.

ПНП Выход: Транзисторный выход, переключающий положительное напряжение к нагрузке. Нагрузка подключается между выходом и общим проводом. Ток течет с выхода устройства через нагрузку на заземление, когда выход переключателя включен. Также известен как текущий источник или положительное переключение.

Эксплуатация Расстояние (Сн): Максимальное расстояние от датчика до квадратный кусок железа (Fe 37) толщиной 1 мм со сторонами = диаметр чувствительной поверхности, который вызовет изменение на выходе датчика. Расстояние будет уменьшаться для других материалы и формы. Испытания проводят при 20ºC с подача постоянного напряжения. Это расстояние действительно включает ± 10% производственный допуск.

Мощность Источник питания: Диапазон напряжения питания, в котором будет работать датчик. в.

Макс. Ток переключения: Допустимая величина непрерывного тока проходить через датчик, не вызывая повреждения датчика. Он указан как максимальное значение.

Мин. Ток переключения: Это минимальное значение тока, которое должен протекать через датчик, чтобы гарантировать работу.

Макс. Пиковый ток: Максимальный пиковый ток указывает на максимальное текущее значение, которое датчик может выдержать за ограниченный период времени времени.

Остаток Ток: Ток, протекающий через датчик при он в открытом состоянии.

Мощность Drain: Количество тока, необходимое для работы датчика.

Напряжение Падение: Падение напряжения на датчике при движении максимальная загрузка.

Короткий Защита цепи: Защита от повреждения датчика если нагрузка закоротит.

Эксплуатация Частота: 90 105 Максимальное количество циклов включения/выключения, устройство способно за одну секунду. Согласно EN 50010, этот параметр измеряется динамическим методом, показанным на рис. инжир. 1 с датчиком в положениях (а) и (б). S — операционная расстояние, а m — диаметр датчика. Частота дается формулой на рис. 2.

Повторяемость (%Sn): 90 105 Разница между любыми значениями рабочего расстояния измерено за 8-часовой период при температуре от 15 до 30ºC и напряжение питания с отклонением <= 5%.

Гистерезис (%Sn): Расстояние между точкой включения подход привода и точка «выключения» отступление привода. Это расстояние снижает количество ложных срабатываний.