Бесконтактные датчики положения

     Индуктивные датчики широко используются для  решения задач АСУ ТП. Выполняются  с нормально разомкнутым или нормально замкнутым контактом.

     Принцип действия основан на изменении параметров магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности внутри датчика.

     Принцип действия бесконтактного конечного выключателя (ВК) основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону датчика металлического, магнитного, ферромагнитного или аморфного материала определенных размеров. При подаче питания на конечный выключатель в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле, наводящее во внесенном в зону материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется от расстояния между датчиком и контролируемым предметом. Триггер преобразует аналоговый сигнал в логический, устанавливая уровень переключения и величину гистерезиса

     Структура

     Индуктивные бесконтактные выключатели  состоят  из следующих основных узлов:  

Рис.2.4. Устройства индуктивного выключателя 

     1.Генератор  создает электромагнитное поле  взаимодействия с объектом.

     2. Триггер обеспечивает гистерезис  при переключении и необходимую  длительность фронтов сигнала  управления.

     3. Усилитель увеличивает амплитуду  сигнала до необходимого значения.

     4. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки.

     5. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.

     6. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

     Основные определения.

     1. Активная зона

     Активная  зона бесконтактного индуктивного выключателя — та область перед его чувствительной поверхностью, где более всего сконцентрировано магнитное поле чувствительного элемента датчика. Диаметр этой поверхности приблизительно равен диаметру датчика.

     

     Рис. 2.5. Активной зоны датчика

     2.Номинальное расстояние срабатывания

     

     Рис.2.6. Номинальное расстояние переключения

     Номинальное расстояние переключения  — теоретическая величина, не учитывающая разброс производственных параметров датчика, изменения температуры и напряжения питания.

     Номинальное расстояние срабатывания (Sn) — основной параметр датчика, нормируемый для данного типоразмера при номинальном напряжении питания и температуре. Расстояние срабатывание увеличивается с ростом габаритов чувствительного элемента и, соответственно, с ростом габаритов датчика.

     Согласно  ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивный датчик должен срабатывать в гарантированном интервале срабатывания, а именно в диапазоне от 0 (то есть от поверхности чувствительной головки датчика) до 81% от заявляемого Sn для стандартизированного стального объекта воздействия.

     Интервал  срабатывания датчиков объективно зависит от температуры окружающей среды.

     Как правило, датчик устанавливается так, чтобы объект воздействия (подвижный  элемент конструкции) двигался параллельно  чувствительной поверхности устройства.

     3.Рабочий зазор

     Рабочий зазор — это любое расстояние, обеспечивающее надежную работу бесконтактного выключателя в допустимых пределах температуры и напряжения.

     

     4.Поправочный коэффициент рабочего зазора

     Поправочный коэффициент дает возможность определить рабочий зазор, который зависит от металла, из которого изготовлен объект воздействия.

     Различаются датчики утапливаемого исполнения (допускающие установку заподлицо  в металл) и неутапливаемого. Во втором случае датчики имеют большее  расстояние срабатывания.

     На  рисунке отображена зависимость выходного сигнала от расстояния до диска.

     

     Рис.2.7. Поперечный датчик приближения зависимость выходного сигнала от расстояния.

      
 
 
 
 
 
 
 

     2.1.2. Емкостные датчики.

     Емкocтный дaтчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический.

     Принцип действия емкостных  бесконтактных выключателей

     Емкостные датчики  имеют чувствительный элемент в виде вынесенных к активной поверхности пластин конденсатора.

       Принцип действия емкостных сенсоров основывается либо на изменении геометрии конденсатора (т.е. на изменении расстояния между пластинами), либо на изменении емкости за счет размещения между пластинами различных материалов: электропроводных или диэлектрических. Изменения емкости, как правило, преобразуются в переменный электрический сигнал.

     Принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. 

     Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

     С = e₀eS/d

     где e₀ - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; d - расстояние между обкладками конденсатора.

     Зависимости C(S) и C(d) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.

     Приближение объекта из любого материала к  активной поверхности ведет к  изменению емкости конденсатора, параметров генератора и в конечном итоге к переключению коммутационного  элемента.

Устройство  и принципы работы емкостного датчика

Рис. 2.8. Устройство емкостного датчика

     Емкocтный бecконтактный датчик функционирует следующим образом: 
 
1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом. 
2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения. 
3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса. 
4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения. 
5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки. 
6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды. 
7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями. 
 
Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как обкладки "развернутого" конденсатора (см. рис.). Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотного автогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. При приближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкость обратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал. Емкостные бесконтактные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящих материалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материалов расстояние Sr уменьшается в зависимости от диэлектрической проницаемости материала er (см. график зависимости Sr от er и таблицу диэлектрической проницаемости материалов). При работе с объектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Sr от er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в технических характеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение для определения реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn < Sr < 1,1 Sn. 
 
 
 
Рис 2.9.Зависимость реального расстояния срабатывания Sr от диэлектрической проницаемости материала объекта er 
 
Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов: Материал - er 
Бумага.........................................2,3 
Бумага промасленная............4,0 
Вода.............................................80 
Воздух..........................................1,0 
Древесина..................................2-7 
Керосин.......................................2,2 
Мрамор........................................8,0 
Нефть...........................................2,2 
Спирт этиловый........................25,8 
Стекло.........................................5,0 
Фторопласт (тефлон)..............2,0 
Фарфор........................................4,4 
Фанера........................................4,0

 

     Емкостные датчики могут быть однополярными (в их состав входит только один конденсатор), дифференциальными (в их состав входят два конденсатора) или мостовыми (здесь уже используются четыре конденсатора). В случае дифференциальных или мостовых сенсоров, один или два конденсатора являются либо постоянными, либо переменными, включенными навстречу друг другу.

     На  практике при измерении перемещения  электропроводного объекта, его  поверхность часто играет роль пластины конденсатора. На рис.3 отображена принципиальная схема однополярного емкостного датчика, в котором одна из пластин конденсатора соединена с центральным проводником коаксиального кабеля, а другой пластиной является сам объект. Отметим, что собственная пластина датчика окружается заземленным экраном, что позволяет улучшать линейность и уменьшать краевые эффекты. Типовой емкостной датчик работает на частотах 3-МГц диапазона и может детектировать перемещения быстро двигающихся объектов. Частотные характеристики такого датчика со встроенным электронным интерфейсом лежат в диапазоне 40 кГц.

     Емкостные датчики приближения очень эффективны при работе с электропроводными  объектами, при этом они измеряют емкость между электродом и самим объектом. Емкостные датчики также достаточно хорошо работают и с непроводящими объектами, но при этом их точность несколько ухудшается. Любой объект, попадающий в окрестность электрода, обладает своими собственными диэлектрическими свойствами, которые изменяют емкость между электродом и корпусом датчика, что, в свою очередь, приводит к появлению выходного сигнала, пропорционального расстоянию между объектом и детектором.

     Для повышения чувствительности и снижения краевых эффектов в однополярном емкостном датчике применяют активное экранирование. При этом экран размещается вокруг нерабочих сторон электрода и на него подается напряжение, равное напряжению на электроде. Поскольку напряжения на экране и электроде имеют одинаковые амплитуды и фазы, между ними нет электрического поля, и все компоненты, расположенные за экраном не оказывают никакого влияния на работу датчика. Этот метод экранирования проиллюстрирован на рис. 3.1.

     

     Рис.3 Емкостный датчик с экранирующим кольцом, поперечное сечение 
 

     

     Рис. 3.1 Емкостный датчик, измеряющий расстояние до объекта, с активным экраном вокруг электрода