Czujniki zbliżeniowe indukcyjne

W pierwszej części artykułu o czujnikach zbliżeniowych przedstawiona została ogólna zasada ich działania oraz podział. Opisaliśmy także zastosowania poszczególnych czujników ze względu na materiały jakie mogą one wykrywać. W części drugiej przedstawione zostaną dokladniej zbliżeniowe czujniki indukcyjne.

Czujniki zbliżeniowe indukcyjne są najczęściej stosowanymi czujnikami posród czujników zbliżeniowych. Stosuje się je najczęściej w aplikacjach, gdzie potrzebne jest wykrycie obecności metalowego elementu w niewielkiej odległości od czujnika. Są odporne na trudne warunki przemysłowe takie jak wysoka temperatura czy ciśnienie. Istnieją także specjalne wykonania odporne na agresywne chemicznie środowiska, posiadające poszerzony zakres temperatur pracy.

Budowa i zasada działania czujnika zbliżeniowego indukcyjnego

Czujnik zbliżeniowy indukcyjny składa się z czterech  podstawowych komponentów: cewki, oscylatora, obwodów detekcji i obwodów wyjściowych. Oscylator generuje prąd przemienny, który przepływając przez cewkę umieszczoną wewnątrz jego obudowy wywołuje zmienne pole magnetyczne. Gdy obiekt metalowy przesuwa się przez to pole, generowane są w nim prądy wirowe. Prądy te oddziaływują z kolei na zmianę parametrów drgań oscylatora, zmniejszając w ten sposób amplitudę lub częstotliwość jego drgań. Zmiana ta jest rozpoznawana przez układ detekcji i po przekroczeniu określonego progu aktywowane są obwody wyjściowe. Czujnik taki posiada zazwyczaj pewną niewielką histerez, która zapobiega szybkim zmianom stanu wyjścia w przypadku pojawienia się obiektu na granicy wykrywalności przez czujnik.

Budowa czujnika indukcyjnego. 1 - cewka; 2. oscylator; 3,4. obwód detekcji z histetrzą; 4, 5 - obwód wyjściowy.

Czujnik indukcyjny ekranowany i nieekranowany

Czujnik indukcyjny nieekranowany nie posiada ekranu w okół cewki przez co ma większy zasięg od wersji ekranowanej. Generowane pole przez taki czujnik rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach. Powoduje to detekcję obiektów metalowych, które nie znajduję się bezpośrednio w czole działania cewki czujnika.

W przypadku czujnika ekranowanego pole magnetyczne jest kierowane wyłącznie w kierunku czoła sensora. Czujnik taki wykrywa obiekty zbliżające się do niego tylko od jego czoła.

Podsumowując, zaletą czujnika nieekranowanego jest większy dystans i pole detekcji, okupione jednak kosztem większej wrażliwości na zakłócenia oraz bardziej rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi jego montażu.

Wpływ rodzaju i kształtu metalu na czułość detekcji czujnika indukcyjnego

Czułość czujnika indukcyjnego podawana jest w  kartach katalogowych zazwyczaj dla obiektów wykonanych z żelaza. Inne metale takie, jak: stal nierdzewna, aluminium, mosiądz czy miedź inaczej mogą oddziaływać na czujnik. Zazwyczaj dystans detekcji dla tych metali jest mniejszy niż dla żelaza.

Tabela zasiegów dla poszczególnych metali, gdzie D - standardowy dystans detekcji czujnika.

Na dystans detekcji bardzo duży wpływ ma także przewodność (konduktywność) oraz grubość wykrywanego materiału. Materiały o dużej konduktywności są gorzej wykywane przez czujniki. Także grubszy materiał powoduje gorszą wykrywalność.  Wymienione czynniki wpływają bowiem na prądy wirowe generowane prze pole sensora - im lepsza przewodność materiału i większa jego grubośc tym mocniej rozpraszane są prądy wirowe i mniejszy dystans detekcji.

Produceni oferują również czujniki specjalne, ktore pozwalają wykrywać większość metali w tej samej odległości, niezależnie od wielkości obiektu. Są one jednak większe i zazwyczaj droższe od typowych czujników

Wpływ środowiska na pracę czujnika - zakłócenia

Środowisko pracy może wpływać na działanie czujnika. Przykładowo zmiana temperatury (zbyt niska lub zbyt wysoka) powoduje zazwyczaj zmianę zasięgu detekcji. Kolejnym problemem, który może zakłócić pracę czujnika są odpady produkcyjne. Metalowy pył lub wióry mogą gromadzić się na powierzchni czujnika lub blisko niego i wpływać na zmianę zasięgu detekcji lub nawet doprowadzić do załączenia sensora na stałe. Zaawansowane sensory mogą posiadać obwody detekcji takich stanów i opowiednio zmieniać poziom czułości. Czujniki takie nazywane są często „inteligentnymi” (ang. chip-immune, tzn).

Podstawowe parametry czujnika indukcyjnego

Podstawowe parametry czujników indukcyjnych podawanych w notach katalogowych tyczą się obiektów standardowych (o określonym kształcie, materiale). Wyróżnić można następujące parametry:

• Dystans detekcji (zadziałania) - dystans przy którym następuje wykrycie obiektu i załączenie wyjścia czujnika
• Dystans zwolnienia - dystans, przy którym obwody detekcji czujnika stwierdzają brak obiektu w polu detekcji i nastąpi wyłączenie wyjścia czujnika

Różnica pomiędzy dystansem detekcji, a zwolnienia nazywana jest histerezą czujnika. Standardowo jest to 3..10%. Histereza zapobiega zbyt szybkim przełączaniom wyjść czujnika przy wibracjach obiektu.

Montaż czujnika indukcyjnego

Ważnym czynnikiem wpływającym na  pracę czujnika indukcyjnego jest jego poprawny montaż. Czujnik  w obudowie cylindrycznej z gwintem jest najczęściej montowany w metalowym uchwycie lub elemencie nośnym urządzenia.

Czujnik ekranowany może być zamontowany tak, że aktywna powierzchnia detekcji (czoło czujnika) jest zrównana z powierzchnią montażu (Rys. A). Zamontowany w ten sposób czujnik jest chroniony przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Rys. A - Poprawne mocowanie czujnika indukcyjnego.	Rys. B - Błędne mocowanie czujnika indukcyjnego.

Czujnik nawet w wykonaniu ekranowanym nie powinien być natomiast wpuszczany w otwór w taki sposób, że jego powierzchnia czołowa zagłębi się w nim (Rys. B). Może to bowiem doprowadzić do ograniczenia jego zasięgu, a najgorszym przypadku do błędnego zadziałania.

Czujnik nieekranowany nie może być całkowicie schowany w otworze tak, jak jego odpowiednik w obudowie ekranowanej (Rys. A), ponieważ ze względu na powiększony dystans detekcji jest on bardzo podatny na wpływ otaczających metali. Nieprzestrzeganie tego zalecenia może prowadzić do jego niepoprawnej pracy. By pracował on poprawnie należy w wokoło niego  pozostawić wolny obszar o średnicy co najmniej potrojonego dystansu detekcji (Rys. C).

Rys. C - Poprawne mocowanie czujnika indukcyjnego nieekranowanego. 

Podsumowanie informacji o czujnikach indukcyjnych

• Czujniki indukcyjne nadają się tylko do wykrywania metali.
• Najbardziej podatnym na wykrycie metalem jest żelazo, najmniej miedź.
• Im grubszy materiał tym gorzej jest wykrywany przez czujnik.
• Czujnik nieekranowany posiada większą czułość (i zasięg detekcji), ale wymaga odpowiedniego zamontowania.
• Zbyt wysoka lub niska temperatura wpływa na zasięg detekcji.
• Metalowy pył lub wióry mogą zakłócać pracę czujnika.