У цій статті поговоримо про датчиках положення механізмів. Взагалі, важлива функція будь-якого датчика - дати сигнал з настанням якогось конкретного події. Тобто датчик при настанні події спрацьовування активується, і подає сигнал, який може бути як аналоговим, так і дискретним, цифровим.
Як датчики положення протягом багатьох десятиліть використовуються кінцеві вимикачі. Вони складаються з електричних контактів, які механічно розмикаються або замикаються, коли будь-яка змінна (положення) досягає певного значення. Кінцеві вимикачі різних типів є важливою частиною багатьох систем управління, надійність яких істотно залежить саме від них, тому що такі датчики містять рухливі механічні елементи ресурс яких обмежений.
В даний час кінцеві вимикачі активно витісняються різними безконтактними датчиками. Найбільш поширені безконтактні датчики положення наступних типів: індуктивні, генераторні, магнітогерконовій і фотоелектронні. Зазначені датчики не мають механічного контакту з рухомим об'єктом, положення якого контролюється.
Безконтактні датчики положення забезпечують високу швидкодію і велику частоту включень механізму. Певним недоліком цих датчиків є залежність, їх точності від зміни напруги живлення і температури. Залежно від вимог вихідним апаратом цих пристроїв може бути як безконтактний логічний елемент , так і електричне реле .
У схемах точної зупинки електроприводів безконтактні датчики можуть використовуватися як для подачі команди на перехід до зниженій частоті обертання, так і для остаточної зупинки.
Типів датчиків сьогодні на ринку безліч, проте, в рамках даної статті висвітлимо тему безпосередньо індуктивних датчиків положення, бо в більш ніж 80% випадків, в якості датчиків положення механізмів служать саме індуктивні датчики.
Спрацювання індуктивного датчика відбувається в момент наближення металу в його зону спрацювання. З цієї причини індуктивні датчики положення ще називають датчиками присутності, датчиками наближення або просто індуктивними вимикачами.
Розглянемо тепер принцип спрацьовування індуктивного датчика. Як говорилося вище, коли метал досить зближується з зоною спрацювання, датчик активується. Явище це полягає у взаємодії включеної котушки індуктивності з наближенням до неї металом, який різко змінює величину магнітного поля котушки, що і призводить до активації датчика, він спрацьовує, на його виході з'являється відповідний сигнал.
Електронна частина пристрою містить схему управління, яка в свою чергу управляє реле або транзисторним ключем. Вона складається з наступних частин:
Генератор, що створює електромагнітне поле, необхідне для взаємодії з об'єктом.
Тригер Шмітта, що забезпечує гістерезис, коли відбувається перемикання.
Підсилювач для збільшення амплітуди сигналу, щоб він досяг необхідного для спрацьовування значення.
Світлодіодний індикатор, що інформує про стан вимикача. Також з його допомогою забезпечується контроль працездатності та налаштування.
Компаунд для захисту від попадання всередину твердих частинок і води.
Корпус для забезпечення монтажу датчика і його захисту від різних механічних впливів. Виготовляється з латуні або поліаміду і комплектується кріпильними виробами.
Індуктивні датчики положення широко застосовуються в системах промислової автоматизації, де необхідно час від часу або постійно визначати положення якої-небудь частини механізму. Датчик подає сигнал, який надходить на виконавчий пристрій. Як виконавчий пристрій може виступати пускач, контролер, реле, частотний перетворювач і т. П. Головне, щоб параметри датчика відповідали параметрам виконавчого пристрою по напрузі і струму.
Датчики в більшості своїй не є силовими пристроями, це головним чином сигнальні пристрої, з цієї причини сам датчик, як правило, нічого сильний не комутує, а тільки керує, подає сигнал управління, виступає в якості пристрою ініціювання того чи іншого дії, яке вже може бути пов'язано з силової комутацією.
Сучасні індуктивні датчики положення найчастіше зустрічаються в двох варіантах виконання пластикового або металевого корпусу: прямокутної або циліндричної форми. Діаметр датчика круглого перетину може бути від 4 до 30 мм, але найчастіше застосовують діаметри 18 і 12 мм.
При монтажі датчика на обладнання, виставляють зазор між металевою пластиною і зоною спрацювання датчика, зазвичай ця відстань не перевищує діаметра датчика, і як правило, виявляється в 2-3 рази менше його діаметра.
За способом підключення індуктивні датчики положення бувають двопровідними, трипровідними, чотирипровідними і п'ятипровідні.
Двопровідні безпосередньо коммутируют навантаження, таку як котушка пускача , Тобто вони працюють як звичайний вимикача. Двопровідні датчики вимогливі до опору навантаження, тому не завжди підходять в якості надійного інструменту, однак актуальності своєї не втрачають.
Навантаження просто підключається послідовно з датчиком, якщо застосовується постійна напруга, то важливо дотримати полярність, якщо змінна - полярність не важлива, головне - потужність комутації і струм.
Трипровідні датчики мають третій провід для живлення самого датчика, і це найбільш популярне рішення. Чотирипровідні і п'ятипровідні датчики мають транзисторні або релейні виходи для підключення навантаження, а п'ятий провід дозволяє вибрати режим роботи датчика, початковий стан виходів.
Оскільки виходи можуть бути як релейними, так і транзисторними, то датчики, відповідно, поділяються на три типи по влаштуванню виходів: релейні, npn і pnp.
Датчики з релейним виходом
Датчик з релейним виходом має гальванічну розв'язку ланцюга харчування від комутованої ланцюга. Комутує один провід, і напруга в комутованій ланцюга не є особливо критичним. Оскільки схема харчування датчика гальванічне розв'язана, це можна вважати гідністю релейного датчика. Датчики даного типу, як правило, великогабаритні.
Датчики з pnp-транзисторним виходом
Датчик має на виході pnp-транзистор, який здійснює комутацію плюсового проводу з навантаженням. У колекторний ланцюг вихідного pnp-транзистора включається навантаження, яка другим своїм проводом з'єднана постійно з мінусом.
Датчики з npn-транзисторним виходом
Датчик має на виході npn-транзистор, який здійснює комутацію мінусового проводу з навантаженням. У колекторний ланцюг вихідного npn-транзистора включається навантаження, яка другим своїм проводом з'єднана постійно з плюсовим проводом.
За вихідного стану виходів, індуктивні датчики положення можуть бути з нормально замкнутими або з нормально роз'єднаними контактами. Початковий стан позначає, що цей стан в той момент часу, коли датчик ще не спрацював, тобто не активований.
Якщо вихідні контакти нормально замкнуті, то навантаження підключена в неактивний час, якщо нормально розімкнуті, то поки датчик не спрацює, навантаження буде відключена, і на виконавчий прилад (наприклад контактор) харчування подано не буде. Позначення нормально замкнутих контактів в англомовному форматі - NC (Normal Closed), нормально розімкнутих - NO (Normal Open).
Таким чином, датчики з транзисторними виходами бувають чотирьох різновидів: два види по провідності (pnp чи npn), і два види по вихідного стану виходів. Також може бути передбачена затримка включення або виключення.
Залежно від виду виконавчого пристрою, який підключається до датчика, а також від способу його заживлення, логіка роботи датчика може бути позитивною або негативною. Це пов'язано з рівнем напруги, яке активізує вхід пристрою.
Якщо вхід активується при підключенні мінусового проводу виконавчого пристрою до землі, до мінуса, то логіка називається негативною, таке підключення властиво датчикам з транзисторними виходами npn-типу.
Позитивна логіка відповідає підключенню при активації плюсового проводу виконавчого пристрою до плюса харчування, така логіка властива датчикам, які мають транзисторні виходи pnp-типу. Найчастіше зустрічається позитивна логіка роботи індуктивних датчиків положення механізмів.
Старі найбільш часто використовувані типи індуктивних датчиків положення
Індуктивні датчики положення ИКВ-22
Індуктивні датчики ИКВ-22. Робота цих датчиків заснована на принципі зміни індуктивного опору котушок зі сталевим сердечником при зміні повітряного зазору в магнітному колі.
На сталевій плиті встановлений муздрамтеатр з двома котушками, закритий пластмасовою кришкою. З нижнього боку до плити кріпляться два конденсатора типу МБГП (один ємністю 15 мкФ, 200 В, другий -10 мкФ, 400 В). Конденсатори закриті кришкою. Підключення кабелю проводиться через сальниковий введення. На механізмі встановлюється магнітний шунт, розміри якого повинні бути не менше: товщина 2 мм, ширина 80 мм, довжина 140 мм. Повітряний зазор між магнітопроводом і шунтом дорівнює 6 ± 4 мм.
Вихідна реле нормально включено і відключається в момент проходжень магнітного шунта над датчиком, коли через зміни індуктивного опору котушки настає резонанс струмів і струм через обмотку реле падає. Дані реле: тип МКУ-48, 12 В змінного струму, струм втягування не більше 0,45 А, струм отпаданія не менше 0,1 А. Напруга живлення ланцюга датчик - реле 24 В змінного струму.
Індуктивні датчики положення ВД-5
У металургійних цехах використовують індуктивні датчики типу ВД-5, розраховані для роботи при температурі навколишнього середовища до +80 ° С і вологості до 100%. Припустимо присутність струмопровідного пилу і окалини. У комплекті з датчиком застосовують вихідний напівпровідниковий підсилювач типу УІД-10. Вихідна потужність підсилювача (25 Вт) достатня для включення широко поширених реле РЕВ-800, контакторів КП21, МК-1 і т. Д.
Повітряний зазор між датчиком і контрольованим феромагнітним об'єктом може досягати 30 мм. Розміри датчика ІД-5 187х170х70 мм, напруга живлення 220 В ± ± 15%, 50 Гц.
Безконтактні малогабаритні шляхові перемикачі БСП
На металорізальних верстатах знаходять застосування малогабаритні шляхові перемикачі БСП-2 (з безконтактним виходом, на логічний елемент) і БРП (з виходом на реле ПЕ-21, 24 В, 16 Ом).
Перемикач БСП-2 складається з диференційно-трансформаторного датчика і напівпровідникового тригера. Магнітна система першої котушки датчика зашунтувати сталевою пластиною, а друга котушка шунтируется при переміщенні над її магнітною системою пов'язаного з механізмом плоского якоря. Котушки включені зустрічно.
Якщо якір знаходиться над датчиком, індуктивні опору котушок рівні і вихідний сигнал диференційно-трансформаторного датчика дорівнює нулю. При цьому на виході тригера з'являється напруга не менше 2,5 В, достатню для спрацьовування логічного елемента.
При відсутності якоря над датчиком на тригер подається напруга, яке повертає його в початковий стан. Вихідний сигнал перемикача при цьому дорівнює нулю.
Принцип дії перемикача БРП багато в чому аналогічний БСП-2. Усередині корпусу змонтовані індуктивний датчик (за схемою диференціального трансформатора), тригер і підсилювач. Вторинні котушки, що мають різне число витків, включені зустрічно. У міру перекриття якорем магнітної системи датчика сигнал зменшується, а після зміни його фази перемикається тригер і спрацьовує зовнішнє вихідне реле (ПЕ-21, 24 В, 16 Ом).
Якір, закріплений на механізмі, має розміри 80х15х3 мм. Зазор між якорем і датчиком 4 мм. Точність вимикачів в номінальному режимі складає ± 0,5 мм, диференціал спрацьовування - не більше 5 мм. При. коливаннях напруги живлення і температури похибка перемикачів БСП-2 і БРП може досягати ± (2,5-f-3,0) мм.
Високочастотні індуктивні датчики ВКБ
Для автоматизації металорізальних верстатів використовують також високоточні індуктивні датчики типу ВКБ з П-образним або плоским якорем. Полюси вбудованого трансформатора утворюють разомкнутую електромагнітну систему. Робочий повітряний зазор дорівнює 0,1-0,15 мм.
Вихідна напруга з вторинної обмотки трансформатора подається на диференціальну вимірювальну схему, а потім на транзисторний підсилювач. Сумарна похибка датчика при коливаннях температури від 5 до 40 ° С і напруги від 85 до 110% номінального значення становить ± (0,064-0,15) мм, диференціал спрацьовування не перевищує 0,4 мм. Максимальна швидкість руху механізму дорівнює 10 м / мм. Розміри датчика 62х34х24 мм .. Напруга живлення 12 В.
Спеціальні типи верстатних прецизійних індуктивних датчиків з диференціальної схемою мають похибку менше ± 0,01 мм. До таких датчиків відноситься шляховий безконтактний вимикач типу ВПБ12, що складається з блоку датчика електронного блоку. У блок датчика входять індуктивний робочий датчик, індуктивний компенсаційний датчик і друковані плати. На механізмі встановлюється: керуючий феритовий елемент. Напруга живлення 12 В постійного струму. Максимальна відстань дії - не більше 0,12 мм. На виході датчика можуть бути включено реле типу РПУ-0. Максимальний струм навантаження вихідного апарату 0,16 А.
Генераторні датчики положення
Датчики цього типу відрізняються компактністю і високою точністю. Добре зарекомендували себе генераторні датчики серій КВД-6М і КВД-25 (щілинні), КВП-8 і КВП-16 (площинні). Вони придатні для використання при підвищеній концентрації вологи і пилу. У корпусі з ударостійкого полістиролу розміщені елементи транзисторної схеми датчика (генератор і тригер). Герметизація виконана компаундом холодного затвердіння. Інтервал робочих температур - від - 30 до +50 ° С.
Датчик КВД видає сигнал дискретної форми, коли через щілину проходить металева пластина ( «прапорець»), що викликає зрив генерації і перемикання тригера. Ширина щілини дорівнює 6 мм у датчика КВД-6М і 25 мм у датчика КВД-25.
Датчики КВП-8 і КВП-16 спрацьовують при проходженні повз них металевої пластини на максимальній відстані відповідно 8 і 16 мм.
