Senzor vo všeobecnom zmysle je zariadenie, ktoré premieňa jednu fyzikálnu veličinu na inú, vhodnú na spracovanie, prenos alebo následnú konverziu. Prvá veličina je spravidla fyzikálna, ktorá nie je prístupná priamemu meraniu (teplota, rýchlosť, posuv atď.), a druhá je elektrický alebo optický signál. Výklenok v oblasti meracích prístrojov je obsadený snímačmi, ktorých hlavným prvkom je induktor.
Obsah
Ako funguje indukčný snímač a ako funguje
Podľa princípu činnosti sú indukčné snímače aktívne, to znamená, že na fungovanie vyžadujú externý generátor. Do induktora poskytuje signál s danou frekvenciou a amplitúdou.
Prúd prechádzajúci závitmi cievky vytvára magnetické pole. Ak sa do magnetického poľa dostane vodivý predmet, parametre cievky sa zmenia.Zostáva len opraviť túto zmenu.
Jednoduché bezkontaktné snímače reagujú na výskyt kovových predmetov v blízkej zóne vinutia. Tým sa zmení impedancia cievky, táto zmena sa musí previesť na elektrický signál, zosilniť a (alebo) fixovať prechod prahu pomocou porovnávacieho obvodu.
Snímače iného typu reagujú na zmeny v pozdĺžnej polohe objektu, ktorý slúži ako jadro cievky. Keď sa zmení poloha objektu, pohybuje sa dovnútra alebo von z cievky, čím sa mení jeho indukčnosť. Túto zmenu je možné previesť na elektrický signál a merať. Ďalšou verziou takéhoto snímača je, keď sa objekt približuje k cievke zvonku. To spôsobí zníženie indukčnosti v dôsledku zemného efektu.
Ďalšou verziou indukčného snímača posunu je lineárne nastaviteľný diferenciálny transformátor (LVDT). Ide o kompozitnú cievku vyrobenú v nasledujúcom poradí:
- sekundárne vinutie 1;
- primárne vinutie;
- sekundárne vinutie 2.
Signál z generátora sa privádza do primárneho vinutia. Magnetické pole vytvorené strednou cievkou indukuje EMF v každom zo sekundárnych (princíp transformátora). Jadro, keď sa pohybuje, mení vzájomné spojenie medzi cievkami, mení elektromotorickú silu v každom z vinutí. Táto zmena môže byť opravená meracím obvodom. Keďže dĺžka jadra je menšia ako celková dĺžka kompozitnej cievky, polohu objektu možno jednoznačne určiť pomerom EMF v sekundárnych vinutiach.
Na rovnakom princípe - zmena indukčnej väzby medzi vinutiami - je postavený snímač otáčania.Skladá sa z dvoch koaxiálnych cievok. Signál sa aplikuje na jedno z vinutí, EMF v druhom závisí od vzájomného uhla natočenia.
Z princípu činnosti je zrejmé, že indukčné snímače sú bez ohľadu na prevedenie bezkontaktné. Pracujú na diaľku a nevyžadujú priamy kontakt s ovládaným objektom.
Výhody a nevýhody indukčných snímačov
Medzi výhody indukčných snímačov patria predovšetkým:
- spoľahlivosť dizajnu;
- nedostatok kontaktných spojení;
- vysoký výstupný výkon, ktorý znižuje vplyv hluku a zjednodušuje riadiaci obvod;
- vysoká citlivosť;
- schopnosť pracovať zo zdrojov striedavého napätia priemyselnej frekvencie.
Hlavnou nevýhodou snímačov indukčného typu je ich veľkosť, hmotnosť a výrobná náročnosť. Pre navíjanie cievok s danými parametrami je potrebné špeciálne vybavenie. Za mínus sa považuje aj potreba presne udržiavať amplitúdu signálu z hlavného oscilátora. Keď sa zmení, zmení sa aj oblasť citlivosti. Keďže snímače fungujú len na striedavý prúd, udržiavanie amplitúdy sa stáva určitým technickým problémom. Priamo (alebo cez znižovací transformátor) nebude možné pripojiť snímač k domácej alebo priemyselnej sieti - v nej môže kolísanie amplitúdy alebo frekvencie napätia v normálnom režime dokonca dosiahnuť 10%, čo robí presnosť merania neprijateľnou .
Presnosť merania môže byť tiež ovplyvnená:
- magnetické polia tretích strán (tienenie snímača nie je možné na základe princípu jeho fungovania);
- snímače EMF tretích strán v napájacích a meracích kábloch;
- výrobné chyby;
- chyba charakteristiky snímača;
- vôle alebo deformácie v mieste inštalácie snímača, ktoré neovplyvňujú celkový výkon;
- závislosť presnosti od teploty (menia sa parametre drôtu vinutia vrátane jeho odporu).
Neschopnosť indukčných snímačov reagovať na výskyt dielektrických predmetov v ich magnetickom poli možno pripísať výhodám aj nevýhodám. Na jednej strane to obmedzuje rozsah ich aplikácie. Na druhej strane ho robí necitlivým na prítomnosť nečistôt, mastnoty, piesku a pod. na sledovaných objektoch.
Znalosť nedostatkov a možných obmedzení pri prevádzke indukčných snímačov umožňuje racionálne využitie ich výhod.
Rozsah indukčných snímačov
Indukčné snímače priblíženia sa často používajú ako koncové spínače. Takéto zariadenia sa rozšírili:
- v bezpečnostných systémoch ako snímače neoprávneného otvorenia okien a dverí;
- v telemechanických systémoch ako snímače konečnej polohy jednotiek a mechanizmov;
- v každodennom živote v schémach na označenie zatvorenej polohy dverí, uzáverov;
- na počítanie predmetov (napríklad pohyb po dopravnom páse);
- určiť rýchlosť otáčania ozubených kolies (každý zub prechádzajúci okolo snímača vytvára impulz);
- v iných situáciách.
Uhlové snímače možno použiť na určenie uhlov otáčania hriadeľov, ozubených kolies a iných rotačných komponentov, ako aj absolútnych snímačov. Takéto zariadenia možno použiť aj v obrábacích strojoch a robotických zariadeniach spolu s lineárnymi snímačmi polohy. Kde potrebujete presne vedieť polohu uzlov mechanizmov.
Praktické ukážky implementácie indukčných snímačov
V praxi môžu byť návrhy indukčných snímačov implementované rôznymi spôsobmi. Najjednoduchšie prevedenie a zaradenie je pre dvojvodičový jednoduchý snímač, ktorý monitoruje prítomnosť kovových predmetov v zóne svojej citlivosti. Takéto zariadenia sa často vyrábajú na základe jadra v tvare písmena E, ale to nie je zásadný bod. Takáto implementácia je jednoduchšia na výrobu.
Keď sa zmení odpor cievky, zmení sa prúd v obvode a pokles napätia na záťaži. Tieto zmeny môžu byť vykonané. Problém je v tom, že odpor zaťaženia sa stáva kritickým. Ak je príliš veľký, zmeny prúdu, keď sa objaví kovový predmet, budú relatívne malé. Tým sa znižuje citlivosť a odolnosť systému voči hluku. Ak je malý, potom bude prúd v obvode veľký, bude potrebný odolnejší snímač.
Preto existujú konštrukcie, v ktorých je merací obvod zabudovaný do krytu snímača. Generátor generuje impulzy, ktoré napájajú induktor. Po dosiahnutí určitej úrovne sa spustí spúšť a preklopí sa zo stavu 0 do 1 alebo naopak. Nárazový zosilňovač zosilní signál z hľadiska výkonu a (alebo) napätia, rozsvieti (zhasne) LED a vyšle diskrétny signál do externého obvodu.
Výstupný signál môže byť vytvorený:
- elektromagnetickým príp polovodičové relé – nula alebo jedna úroveň napätia;
- "suchý kontakt" elektromagnetické relé;
- otvorený kolektor tranzistor (štruktúry n-p-n alebo p-n-p).
V tomto prípade sú na pripojenie snímača potrebné tri vodiče:
- jedlo;
- spoločný vodič (0 voltov);
- signálny drôt.
Takéto snímače môžu byť napájané aj jednosmerným napätím. Impulzy na indukčnosť sú tvorené pomocou vnútorného generátora.
Na sledovanie polohy sa používajú diferenciálne snímače. Ak je riadený objekt symetrický vzhľadom na obe cievky, prúd cez ne je rovnaký. Keď sa akékoľvek vinutie posunie smerom k poľu, dôjde k nerovnováhe, celkový prúd sa prestane rovnať nule, čo môže byť zaznamenané indikátorom so šípkou v strede stupnice. Indikátor je možné použiť na určenie veľkosti posunu aj jeho smeru. Namiesto ukazovacieho zariadenia môžete použiť riadiacu schému, ktorá po prijatí informácie o zmene polohy vydá signál, prijme opatrenia na zarovnanie objektu, vykoná úpravy technologického procesu atď.
Snímače vyrobené na princípe lineárne nastaviteľných diferenciálnych transformátorov sa vyrábajú vo forme kompletných konštrukcií, ktorými sú rám s primárnym a sekundárnym vinutím a vo vnútri sa pohybuje tyč (môže byť odpružená). Drôty sú vyvedené, aby vyslali signál z generátora a odstránili EMF zo sekundárnych vinutí. Na tyč je možné mechanicky pripevniť ovládaný predmet. Môže byť vyrobený aj z dielektrika – pri meraní záleží len na polohe drieku.
Napriek určitým inherentným nedostatkom indukčný snímač uzatvára mnohé oblasti spojené s bezkontaktnou detekciou objektov vo vesmíre.Napriek neustálemu vývoju techniky tento typ prístroja v dohľadnej dobe neopustí trh s meracími prístrojmi, pretože jeho fungovanie je založené na základných fyzikálnych zákonoch.
Podobné články:
