Princip činnosti a zapojení indukčních snímačů

Článek pojednává o tak důležité praktické otázce, jako je připojení indukčních snímačů s tranzistorovým výstupem, které se nacházejí všude v moderních průmyslových zařízeních. Kromě toho jsou popsány skutečné senzory přiblížení – nedílná součást práce elektrotechnika, jejich klady, zápory a příklady použití. První díl vyšel v předchozím čísle (č. 5-6, 2017) časopisu.

Indukční snímače

V první části článku byly popsány možné možnosti výstupů senzorů. S připojením senzorů s kontakty (reléový výstup) by neměly být problémy. Ale u tranzistorových není vše tak jednoduché. Existuje mnoho nuancí, které je třeba vzít v úvahu: polarita, provozní logika, napětí.

Jako příklad jsou uvedena zjednodušená schémata připojení snímačů s tranzistorovým výstupem. (obr. 1). Zátěž je obvykle vstup regulátoru.

Rýže. 1, a — snímač s výstupním tranzistorem NPN. Společný vodič je přepnut, což je v tomto případě záporný vodič napájecího zdroje. Zátěž (Load) je trvale připojena ke znaménku „plus“ (+V). Zde je aktivní úroveň (diskrétní „1“) na výstupu snímače nízká (0 V), zatímco napájení je dodáváno do zátěže přes otevřený tranzistor.

Rýže. 1, b – pouzdro s PNP tranzistorem na výstupu. Zátěž (Load) je trvale připojena na „mínus“ (0V), napájení diskrétní „1“ (+V) je spínáno tranzistorem. Tento případ je nejběžnější, protože v moderní elektronice je běžné vytvořit společný záporný vodič zdroje (nula) a aktivovat vstupy ovladačů a dalších záznamových zařízení s kladným potenciálem.

Výstupní napětí tranzistoru je typicky určeno napájecím napětím, které je obvykle omezeno v úzkém rozsahu. Například od 18 do 30 V. Můžete se na to podívat z druhé strany – nyní je většina zařízení standardizována napětím.

Dále přejdeme od teorie k praktickým otázkám.

Zaměnitelnost snímačů

Jak jsem již psal v předchozí části článku, existují čtyři typy snímačů s tranzistorovým výstupem, které se dělí podle vnitřní struktury a spínacího obvodu: PNP NO; PNP NC; NPN NO; NPN NC.

Stává se, že požadovaný typ snímače není po ruce, ale zařízení musí fungovat bez prostojů! Dobrou zprávou je, že uvedené typy senzorů lze vzájemně nahradit.

To je implementováno následujícími způsoby:

• Změna iniciačního zařízení – mechanicky se mění konstrukce. Pokud například NO senzor reagoval na přítomnost kovu, pak NC senzor bude reagovat na jeho nepřítomnost. Pokud má výstup stejnou polaritu, nezmění se ani program, ani provozní algoritmus.
• Změna stávajícího spínacího obvodu snímače (podrobněji ji zvážíme níže).
• Přepínání typu výstupu snímače (pokud jsou takové přepínače na těle snímače).
• Přeprogramování programu regulátoru (změna aktivní vstupní úrovně, změna programového algoritmu).

Výrobci přirozeně o takových příležitostech mlčí, aby prodali velké množství a řadu produktů. Níže je uveden příklad, jak můžete vyměnit snímač PNP za snímač NPN změnou schématu zapojení (obr. 2).

Pochopení fungování těchto obvodů vám pomůže pochopit skutečnost, že tranzistor je klíčovým prvkem, který může být reprezentován běžnými reléovými kontakty.

Na rýže. 2, a znázorňuje obvod snímače s normálně otevřeným výstupem typu PNP. Když není čidlo aktivní, jsou jeho výstupní „kontakty“ rozepnuté a neprotéká jimi žádný proud. Naopak, pokud jsou kontakty sepnuté, pak protékající proud vytváří pokles napětí na zátěži.

Při aktivaci je napětí (+V) přiváděno na vstup regulátoru přes otevřený tranzistor a je aktivováno. Jak můžeme dosáhnout stejného s výstupem NPN?

Podívejme se na změny ve schématu na rýže. 2, b. V první řadě je zajištěn pracovní režim výstupního tranzistoru snímače. K tomu je do obvodu přidán další rezistor, jehož odpor je obvykle asi 4,7–10 kOhm. Nyní, když senzor není aktivní, je na vstup regulátoru přivedeno napětí (+V) přes přídavný odpor a vstup regulátoru je aktivován.

Když je senzor aktivní, je vstup regulátoru diskrétní „0“, protože vstup regulátoru je obejit otevřeným tranzistorem NPN a téměř veškerý přídavný odporový proud protéká tímto tranzistorem.

Jak opravit a zkontrolovat indukční snímač?

Senzory přiblížení prakticky nepodléhají opravě, protože mají pevné tělo naplněné sloučeninou. Většina poruch je navíc spojena s mechanickým poškozením neopatrným personálem nebo posunutím aktivátoru.

Chcete-li senzor elektricky otestovat, musíte jej napájet, to znamená připojit jej k obvodu a poté aktivovat (iniciovat). Po aktivaci by se měl indikátor rozsvítit. Indikace však nezaručuje správnou funkci indukčního snímače. Musíte připojit zátěž a změřit napětí na ní, abyste si byli 100% jisti.

Symbol senzoru přiblížení

Ve schématech zapojení jsou indukční snímače (snímače přiblížení) označeny čtvercem se dvěma čarami, otočenými o 45°. Příklad na obr. 3.

V horním diagramu je normálně otevřený (NO) kontakt (konvenčně označovaný PNP tranzistor). Druhý obvod je normálně uzavřen a třetí obvod jsou oba kontakty v jednom pouzdře.

Barevné kódování vodičů snímače

K dispozici je standardní systém označování senzorů. Všichni výrobci ho v současnosti dodržují.

• Modrá – minus výkon.
• Hnědá – plus výživa.
• Černá – výstup.
• Bílá – druhý výstup nebo řídicí vstup.

Bezprostředně před instalací by však bylo užitečné ujistit se, že připojení je správné, podle návodu k připojení (pokynů). Kromě toho jsou zpravidla barvy vodičů uvedeny na samotném snímači, pokud to jeho velikost umožňuje.

Konkrétní výrobci

Níže uvádím můj subjektivní názor na senzory, se kterými jsem se musel potýkat.

„TEKO“. Pro ty, kteří volí tuzemského výrobce. Tato čeljabinská společnost existuje již od sovětských dob a v současné době vyrábí širokou škálu senzorů. Bohužel podle mých zkušeností mají na svědomí velké množství elektrických poruch. Mají také slabou mechanickou pevnost. Doufám, že společnost nyní zlepšila kvalitu svých výrobků. Nepochybnou výhodou této společnosti je cena, která může být 2-3krát nižší než dovážené analogy (s výjimkou Číny). Příklad použití indukčního snímače „Teko“ – obr. 4.

Rýže. 4 – Příklad použití indukčního snímače „TEKO“

V tomto případě se aktivátor, který projíždí kolem senzoru, posunul a rozbil původní senzor. Řešením byla instalace snímače Teko s velkou zónou odezvy.

AUTONICS. Optimální volba z hlediska poměru cena/kvalita. Tato korejská společnost vyrábí velké množství snímačů s dobrou kvalitou. Díky mírným investicím do propagace značky zůstávají ceny velmi příznivé.

Na Obr. 5 ukazuje příklad modernizace pájecí hlavy balicí linky.

Rýže. 5 — Příklad modernizace pájecí hlavy balicí linky

Nahoře je senzor Autonics. Dříve byl instalován elektrický koncový spínač, jako ve spodní části fotografie. Pro odstranění problémů s kontakty bylo rozhodnuto nainstalovat indukční snímač, se kterým Autonics odvedl vynikající práci a poruchy ustaly. Dokončením bylo položení přídavného napájecího vodiče a výroba montážní desky.

OMRON. Jedná se o starou, dobře propagovanou značku, takže cena za tyto senzory je poměrně vysoká. Kvalita je však na úrovni.

Na Obr. 6 — snímače ukazují polohu mechanismu převodovky.

Rýže. 6 – Senzor ukazuje polohu mechanické převodovky.

Instalace senzorů oblíbených značek je ve většině případů nepraktická, proto se instalují do zařízení vysoké cenové kategorie.

Allen Bradley. Tato americká značka je ve světě motorů jako Rolls-Royce. Cena je velmi vysoká, ale kvalita nás v tomto konkrétním případě zklamala: senzor nainstalovaný na víku nádoby na sypké látky přestal fungovat (obr. 7).

Rýže. 7 — Vysílač Allena Bradleyho

Ukázalo se, že problém byl v kontaktech konektoru. Byly ohnuté a vyčištěné. V tomto případě by při správné instalaci odvedl snímač Teco skvělou práci. Mimochodem rozdíl v ceně těchto senzorů je cca 10x!

Je třeba říci, že v současné době je více než 90 % z celkového počtu indukčních snímačů nahrazeno snímači jiných výrobců. Zřídka jsou chvíle, kdy je potřeba konkrétní typ. Zpravidla je to způsobeno rozměry a instalačními vlastnostmi. V rámci jednoho podniku je vhodné vybrat jednoho výrobce.

Alexander Yaroshenko, autor blogu SamElectric.ru

Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki

Indukční snímače přiblížení jsou široce používány jak v hobby projektech, tak v průmyslových aplikacích. Principem jejich činnosti je detekce kovových předmětů v blízkosti citlivého prvku. Nejsou citlivé na jiné materiály. Detekční vzdálenost se může u různých senzorů lišit. To je způsobeno konstrukcí konkrétního senzoru a typem kovu, který je třeba detekovat. Každý výrobce zpravidla uvádí tyto parametry v technické dokumentaci.
Dnes se amatérský rádiový trh může pochlubit velkým množstvím indukčních senzorů přiblížení, které se od sebe liší podle určitých kritérií. Navzdory tomu mají všechny podobnou strukturu a princip fungování. Obrázek 1 ukazuje zobecněnou strukturu snímače přiblížení s indukčním snímacím prvkem.

Obrázek č. 1 – blokové schéma indukčního snímače přiblížení

Jak je patrné z výše uvedeného obrázku, ve vinutí citlivého prvku se pomocí vysokofrekvenčního generátoru indukuje elektromagnetické pole. Při přivedení kovového předmětu ke snímači se změní parametry tohoto pole, které je následně zaznamenáno spouštěcím obvodem. Spouštěcí výstup ovládá klíčový prvek, který může spínat malou zátěž v podobě relé atp. Většina senzorů má také indikátor provozu ve formě LED. Tento přístup umožňuje posoudit stav senzoru a provést jeho kalibraci během instalace. Níže na obrázku 2 je znázorněna jedna z možností obvodu pro indukční snímač přiblížení.

Obrázek č. 2 – jedna z možností obvodu pro proximity senzor

Vezměte prosím na vědomí, že výrobci nedoporučují připojovat k výstupu snímače žárovky, i když je tento navržen pro požadovaný výkon. Důvodem je nízký odpor závitu při prvním spuštění, který může poškodit indukční snímač. Obrázek 3 ukazuje typickou konstrukci snímače přiblížení bez krytu.

Obrázek č. 3 – zařízení indukčního snímače přiblížení

Výše byly tedy uvedeny zobecněné informace, které obecně poskytují představu o všech typech indukčních senzorů. Jak si ale vybrat ten správný senzor pro svůj projekt? Chcete-li to provést, musíte pochopit, podle jakých kritérií se mohou navzájem lišit.

Geometrie a materiál těla

Podle typu provedení mohou být indukční snímače přiblížení válcové, čtvercové, kulaté, obdélníkové, ve tvaru U (štěrbinový typ), prstencové atd. Podle tohoto parametru podle mého názoru výrobci zcela pokrývají zájmy spotřebitele. Obrázek 4 ukazuje několik senzorů různých tvarů.

Obrázek č. 4 – typy indukčních snímačů přiblížení

Snímací prvek v válcové senzory umístěné v jejich koncové části, která může být vyrobena buď z plastu nebo kovu. Takové snímače mohou mít různé průměry (od 3 mm a více), stejně jako hladké nebo závitové verze.

Senzorytyp prstenu Mají tvar prstence, uvnitř kterého je soustředěno střídavé magnetické pole. Ke spouštění dochází, když kovový předmět projde přímo prstencem.

Štěrbinové senzory, jsou zpravidla vybaveny zesíleným pouzdrem ve tvaru U z vysoce pevného plastu. Vinutí umístěná proti sobě vytvářejí střídavé magnetické pole mezi sebou, což umožňuje upevnění kovu mezi dvě tyče ve tvaru U.

Senzory ve čtvercových nebo obdélníkových pouzdrech mají montážní otvory, pomocí kterých můžete snímač nainstalovat ve směru požadovaném pro monitorování.

• celokovové — použití v náročných podmínkách (vysoká teplota, tlak atd.). Zároveň má menší citlivost díky stínění cívky materiálem pouzdra;
• plastický – má větší citlivost, ale menší sílu;
• kombinované (kov + plast) — takové snímače mají zpravidla kovové tělo a plastový povlak citlivého prvku.

Selektivita

Podle kritéria selektivity existují senzory, které mohou reagovat jak na všechny kovy, tak na některé, například pouze měď nebo pouze železo. Některé indukční senzory mají schopnost určit vzdálenost ke kovovému předmětu.

Typ výstupu

• typický tranzistor NPN výstup (příklad – obrázek č. 2);
• typický tranzistor PNP výstup;
• reléový výstup – používá se především u velkých snímačů. Zvláštností reléového výstupu je galvanické oddělení mezi napájecím obvodem snímače a spínacími kontakty, což umožňuje napájet zátěže libovolným napětím.

Počet vodičů k připojení

• 2-vodičové připojení. Ze snímače vycházejí dva vodiče a samotný je analogem spínače. Zátěž je připojena k přerušení jednoho z vodičů. Nevýhody takových snímačů zahrnují nestabilní provoz se zátěží, která má příliš vysoký nebo nízký odpor. Je třeba poznamenat, že indukční snímače přiblížení mohou mít normálně zavřený (NC) nebo normálně otevřený (NO) kontakt, jak je znázorněno na obrázku 5.

Obrázek č. 5 – dvouvodičové zapojení

• 3-vodičové připojení. Znamená to přítomnost tří vodičů, z nichž dva jsou přiděleny pro napájení snímače a jeden pro zátěž. Toto provedení je nejběžnější (obrázek č. 6).

Obrázek č. 6 – třívodičové zapojení

• 4 a 5 drátové připojení. Tuto modifikaci lze použít při současném použití dvou výstupů (například NC a NO) jako součásti jednoho senzoru. Přítomnost pátého vodiče předpokládá, že jej lze použít k nastavení provozního režimu nebo stavu výstupu. Na obrázku č. 7 je schéma zapojení 4 pinů.

Obrázek č. 7 – schéma čtyřvodičového zapojení

Rozdíl mezi výstupem NPN a PNP

Jak již bylo zmíněno dříve, indukční senzory přiblížení s tranzistorovým výstupem mohou mít různou vodivost (NPN nebo PNP). Rozdíl mezi těmito snímači spočívá v přepínání různých pólů přes zátěž. Senzor s PNP výstup spíná kladný pól napájecího zdroje a NPN – negativní. To se jasněji odráží na obrázku 8.

Obrázek č. 8 – indukční snímače s různými typy výstupů

Při použití indukčního snímače přiblížení s NPN struktura, máme následující. Pokud v citlivé oblasti není žádný kov, je na výstup aplikována vysoká úroveň přes vnitřní diodu a rezistor 10 kΩ. Vzhled kovu vede k objevu NPN-tranzistor s následným přepnutím nízké úrovně na výstup snímače.
Pokud je použit snímač PNP-typ, pak se vše děje přesně naopak. Ve výchozím nastavení bude jeho výstup nízkonapěťový. Po detekci kovu se otevře PNP-tranzistor a připojte jeho výstup ke kladnému pólu napájení.

Barevné kódování svorek

• Hnědá – kladný pól napájení (+);
• Modrá – záporný pól napájení (-);
• Černá – výjezd;
• Bílá – v závislosti na úpravě snímače může být buď druhým výstupem nebo řídicím vstupem.

Značení indukčních snímačů přiblížení

• IS – indukční koncový spínač;
• B – způsob instalace (vestavěný, obecné použití);
• A – verze těla (válcový závit);
• 0 — typ připojení (pomocí kabelu);
• B — materiál těla (mosaz);
• 3 – třívodičové (10-30 V);
• 1 – normálně otevřený (NO);
• N – npn („společné +“);
• 0,8 – Mezera (nominální), mm.

Kde mohu koupit další senzory pro Arduino? Arduino senzory můžete zakoupit v našem 3DIY obchodě!

Příklad použití indukčních senzorů přiblížení v projektech s Arduinem.

• Třídění kovových předmětů podle tvaru a velikosti;
• Kontrola správné orientace matic při automatizované montáži;
• Detekce středu symetricky se pohybujících a rotujících částí stroje. Regulátor zpracovává signály ze dvou senzorů přiblížení;
• Absolutní měření úhlu natočení pomocí indukčního snímače;
• Šikmost měřicí části;
• Měření úderů a deformací hřídelů pomaloběžných turbín, generátorů, motorů, převodovek, dvojkolí kolejových vozidel;
• Měření vzdálenosti pomocí nakloněného kovového povrchu pro zvýšení efektivního měřicího rozsahu;
• Měření tloušťky papíru. Tímto řešením lze odlišit situaci uchopení více než jednoho listu papíru (nebo např. plechu). Používá se v tiskových tiskárnách, skenerech, strojích s automatickým podáváním archového materiálu atd. Rozlišení je určeno poměrem délek ramen kopírky.

Pro bližší seznámení s indukčním senzorem přiblížení zrealizujeme na jeho základě malý projekt, jehož podstata je následující. Řekněme, že máme typickou větrnou turbínu, jejíž struktura je znázorněna na obrázku 9

Obrázek č. 9 – konstrukce větrné turbíny

Jak je vidět z obrázku, hlavní zátěží větrného generátoru je baterie. Co ale dělat v situaci, kdy je baterie plně nabitá a vítr nepolevuje. V tomto případě není rotor větrného generátoru ničím zatížen a začíná zrychlovat do šílených rychlostí. To vše je zatíženo mechanickým poškozením lopatek a dalšími nešťastnými událostmi. Aby se tento scénář eliminoval, je do systému zavedena přídavná zátěž, například topné těleso pro ohřev vody. Úkolem regulátoru je přečíst rychlost větrného generátoru a připojit topné těleso, když tento indikátor překročí horní bezpečnostní limit.

Na základě výše uvedeného vyplývá, že pro výpočet rychlosti otáčení je nejvhodnější indukční snímač přiblížení a deska Arduino rozhodne o přepnutí hlavní nebo přídavné zátěže. Obrázek č. 10 ukazuje možnost umístění indukčního snímače pro záznam otáček.

Obrázek č. 10 – poloha indukčního snímače pro fixaci otáček

Ukazuje se, že v okamžiku, kdy kovový výstupek přejde přes citlivý povrch snímače, tento se spustí a vydá příkaz mikrokontroléru, aby byl připraven počítat čas. Jakmile kov zmizí ze zorného pole, Arduino začne počítat. Při příštím spuštění senzoru se vypočítá doba, za kterou hřídel generátoru vykoná jednu celou otáčku.

Pokud je rychlost normální, pak Arduino propojí generátor s baterií, jinak připojí další zátěž ve formě topného tělesa. Obrázek 11 ukazuje kompletní návrh projektu.

Obrázek č. 11 – schéma jednoduchého regulátoru větrné turbíny

Ve výchozím stavu je baterie připojena ke generátoru přes normálně sepnutý kontakt relé. Výstup indukčního snímače přiblížení je připojen na kolík D2 Arduino, který bude následně nakonfigurován pro zpracování externích přerušení. To vám umožní rychle ovládat otáčky hřídele generátoru. Když je dosaženo maximální rychlosti uvedené v náčrtu, Arduino vydá povel k sepnutí relé a tím připojení topného tělesa. Po ustálení otáček se obvod vrátí do původního stavu. Aby se eliminoval častý provoz relé na prahových hodnotách, bude do programu zavedena určitá hystereze. Níže je uveden úplný kód projektu s podrobnými komentáři.

#define SPEED_HEATER_ON 1000 // Обороты, при которых будет включаться ТЭН #define SPEED_HEATER_OFF 900 // Обороты, при которых ТЭН будет отключаться #define PIN_RELAY 4 // Пин, к которому подключено реле volatile unsigned long lastTurnTime; // Время последнего оборота volatile int RPM; // Обороты в секунду // ФУНКЦИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК void setup() < Serial.begin(9600); // Инициализация связи с монитором порта attachInterrupt(0, getRPM, FALLING); // Прерывание на выводе №2 Arduino pinMode(PIN_RELAY, OUTPUT); digitalWrite(PIN_RELAY, LOW); // Изначально реле выключено >// ОСНОВНОЙ ЦИКЛ ПРОГРАММЫ void loop() < while(1) < Serial.println(RPM); // Выводим в монитор порта кол-во оборотов // Включаем ТЭН при превышении оборотов if(RPM >= SPEED_HEATER_ON) digitalWrite(PIN_RELAY, HIGH); // Выключаем ТЭН при стабилизации оборотов if(RPM > // ОБРАБОТЧИК ВНЕШНЕГО ПРЕРЫВАНИЯ void getRPM() < // Вычисляем скорость вращения (об./мин.) RPM = 60/((float)(micros() - lastTurnTime) / 1000000); // Запомнить время последнего оборота lastTurnTime = micros(); >

Pokud potřebujete vytisknout pouzdro pro projekt na 3D tiskárně, můžete si v našem obchodě zakoupit komponenty pro 3D tiskárnu.

FAQ Často kladené otázky.

Otázka: Může indukční snímač přiblížení fungovat, pokud se na něj dostane olej?
Odpověď: Ano, může. Olej nemá na snímač žádný vliv. Ale dlouhodobé vystavení izolace drátu oleji je může poškodit.

Otázka: Jaká je pozitivní a negativní logika indukčního snímače přiblížení?
Odpověď: Kladná nebo záporná logika se týká úrovně napětí, která aktivuje vstup. Použijte pozitivní logiku pro snímače typu PNP. Nejčastěji se používá pozitivní logika. Pro snímače typu NPN se používá záporná logika.

Otázka: Jak zkontrolovat indukční snímač?
Odpověď: Chcete-li otestovat senzor, musíte jej napájet a aktivovat přiblížením ke kovu. Každý senzor má zpravidla světelný indikátor, který se při výše uvedených akcích rozsvítí. Je třeba také pamatovat na to, že ani přítomnost indikace nezaručuje, že snímač je v dobrém stavu. Abyste si byli zcela jisti jeho provozuschopností, měli byste připojit zátěž a změřit na ní napětí.

Otázka: Je možné na výstup NPN připojit elektromagnetické relé?
Odpověď: Snímač musí poskytovat požadovaný proud a napětí pro cívku relé a provozní logiku (NO/NC). Navíc bývá k cívce v obráceném zapojení paralelně zapojena dioda.

Otázka: Jaká je hlavní nevýhoda indukčních senzorů přiblížení?
Odpověď: Hlavní nevýhodou je velké kolísání limitů odezvy senzoru, když je jeho napájení nestabilní. Je poměrně náročný na kvalitu síťového napětí.