Senzor v obecném smyslu je zařízení, které převádí jednu fyzikální veličinu na jinou, vhodnou pro zpracování, přenos nebo následnou konverzi. První veličina je zpravidla fyzikální, nelze ji přímo měřit (teplota, rychlost, výchylka atd.) a druhá je elektrický nebo optický signál. Výklenek v oblasti měřicích přístrojů zaujímají senzory, jejichž hlavním prvkem je induktor.
Jak funguje indukční snímač a jak funguje
Podle principu činnosti jsou indukční snímače aktivní, to znamená, že ke své činnosti vyžadují externí generátor. Do induktoru poskytuje signál s danou frekvencí a amplitudou.
Proud procházející závity cívky vytváří magnetické pole. Pokud se do magnetického pole dostane vodivý předmět, změní se parametry cívky. Zbývá pouze opravit tuto změnu.
Jednoduché bezkontaktní senzory reagují na výskyt kovových předmětů v blízké zóně vinutí. Tím se změní impedance cívky, tato změna se musí převést na elektrický signál, zesílit a (nebo) zafixovat průchod prahu pomocí srovnávacího obvodu.
Senzory jiného typu reagují na změny v podélné poloze předmětu, který slouží jako jádro cívky. Když se změní poloha objektu, pohybuje se dovnitř nebo ven z cívky, čímž se mění její indukčnost. Tuto změnu lze převést na elektrický signál a změřit. Další verzí takového senzoru je, když se k cívce přiblíží předmět zvenčí. To způsobí snížení indukčnosti vlivem zemního efektu.
Další verzí indukčního snímače vzdálenosti je lineárně nastavitelný diferenciální transformátor (LVDT). Jedná se o kompozitní cívku vyrobenou v následujícím pořadí:
- sekundární vinutí 1;
- primární vinutí;
- sekundární vinutí 2.
Signál z generátoru je přiváděn do primárního vinutí. Magnetické pole vytvořené střední cívkou indukuje EMF v každé ze sekundárních (princip transformátoru). Jádro při pohybu mění vzájemné spojení mezi cívkami a mění elektromotorickou sílu v každém z vinutí. Tato změna může být opravena měřicím obvodem. Protože délka jádra je menší než celková délka kompozitní cívky, lze polohu předmětu jednoznačně určit poměrem EMF v sekundárních vinutích.
Na stejném principu – změna indukční vazby mezi vinutími – je postaven snímač otáčení. Skládá se ze dvou koaxiálních cívek. Signál je přiveden na jedno z vinutí, EMF ve druhém závisí na vzájemném úhlu natočení.
Z principu činnosti je zřejmé, že indukční snímače jsou bez ohledu na provedení bezkontaktní. Pracují na dálku a nevyžadují přímý kontakt s ovládaným objektem.
Výhody a nevýhody indukčních snímačů
Mezi výhody snímačů indukčního typu patří především:
- strukturální spolehlivost;
- nedostatek kontaktních spojení;
- vysoký výstupní výkon, který snižuje vliv šumu a zjednodušuje řídicí obvod;
- vysoká citlivost;
- schopnost pracovat ze zdrojů střídavého napětí průmyslové frekvence.
Hlavní nevýhodou snímačů indukčního typu je jejich velikost, hmotnost a výrobní náročnost. Pro navíjení cívek s danými parametry je zapotřebí speciální zařízení. Rovněž nutnost přesně udržovat amplitudu signálu z hlavního oscilátoru je považována za mínus. Když se změní, změní se i oblast citlivosti. Protože snímače pracují pouze na střídavý proud, stává se udržování amplitudy určitým technickým problémem. Připojení snímače přímo (nebo prostřednictvím snižovacího transformátoru) do domácí nebo průmyslové sítě nebude fungovat – v ní mohou kolísání napětí v amplitudě nebo frekvenci v normálním režimu dosáhnout i 10%, což činí přesnost měření nepřijatelnou.
Přesnost měření může být také ovlivněna:
- magnetická pole třetích stran (stínění snímače není možné na základě principu jeho fungování);
- snímače EMF třetích stran v napájecích a měřicích kabelech;
- výrobní chyby;
- chyba charakteristiky snímače;
- vůle nebo deformace v místě instalace snímače, které neovlivňují celkový výkon;
- závislost přesnosti na teplotě (mění se parametry drátu vinutí včetně jeho odporu).
Neschopnost indukčních snímačů reagovat na výskyt dielektrických předmětů v jejich magnetickém poli lze připsat jak výhodám, tak nevýhodám. To na jedné straně omezuje rozsah jejich použití. Na druhou stranu jej činí necitlivým na přítomnost nečistot, mastnoty, písku apod. na sledovaných objektech.
Znalost nedostatků a možných omezení provozu indukčních snímačů umožňuje racionální využití jejich výhod.
Rozsah indukčních snímačů
Indukční snímače přiblížení se často používají jako koncové spínače. Taková zařízení se rozšířila:
- v bezpečnostních systémech jako senzory neoprávněného otevření oken a dveří;
- v telemechanických systémech jako snímače konečné polohy jednotek a mechanismů;
- v každodenním životě ve schématech pro indikaci zavřené polohy dveří, okenic;
- pro počítání předmětů (například pohyb po dopravním pásu);
- určit rychlost otáčení ozubených kol (každý zub procházející kolem snímače vytváří impuls);
- v jiných situacích.
Úhlové enkodéry lze použít k určení úhlů natočení hřídelů, ozubených kol a dalších rotujících součástí, stejně jako absolutní enkodéry. Taková zařízení lze také použít v obráběcích strojích a robotických zařízeních spolu s lineárními snímači polohy. Kde potřebujete přesně znát polohu uzlů mechanismů.
Praktické ukázky implementace indukčních snímačů
V praxi lze návrhy indukčních snímačů realizovat různými způsoby. Nejjednodušší provedení a zařazení je pro dvouvodičový jednoduchý senzor, který monitoruje přítomnost kovových předmětů v zóně své citlivosti. Taková zařízení jsou často vyráběna na základě jádra ve tvaru E, ale to není zásadní bod. Taková implementace je jednodušší na výrobu.
Když se změní odpor cívky, změní se proud v obvodu a pokles napětí na zátěži. Tyto změny lze provést. Problém je, že zátěžový odpor se stává kritickým. Pokud je příliš velký, pak změny proudu, když se objeví kovový předmět, budou relativně malé. To snižuje citlivost a odolnost systému proti hluku. Pokud je malý, pak bude proud v obvodu velký, bude potřeba odolnější snímač.
Proto existují provedení, ve kterých je měřicí obvod zabudován do pouzdra snímače. Generátor generuje impulsy, které napájejí induktor. Když je dosaženo určité úrovně, spoušť se spustí, překlopí se ze stavu 0 do 1 nebo naopak. Vyrovnávací zesilovač zesílí signál z hlediska výkonu a (nebo) napětí, rozsvítí (zhasne) LED a vyšle diskrétní signál do vnějšího obvodu.
Výstupní signál může být tvořen:
- pomocí elektromagnetického nebo polovodičového relé – úroveň napětí je nula nebo jedna;
- “suchý kontakt” elektromagnetického relé;
- tranzistor s otevřeným kolektorem (struktury npn nebo pnp).
Viz také: Co je elektrokontaktní manometr, účel, princip činnosti, schéma zapojení a přehled oblíbených modelů
V tomto případě jsou pro připojení senzoru zapotřebí tři vodiče:
- jídlo;
- společný vodič (0 voltů);
- signální drát.
Takové snímače mohou být také napájeny stejnosměrným napětím. Impulzy na indukčnost jsou tvořeny pomocí vnitřního generátoru.
Pro sledování polohy se používají diferenciální snímače. Pokud je řízený objekt symetrický vzhledem k oběma cívkám, je proud jimi stejný. Při posunutí libovolného vinutí směrem k poli dochází k nerovnováze, celkový proud přestává být roven nule, což lze zaznamenat indikátorem se šipkou uprostřed stupnice. Indikátor lze použít k určení jak velikosti posunu, tak jeho směru. Místo ukazovacího zařízení můžete použít ovládací schéma, které po obdržení informace o změně polohy vydá signál, přijme opatření k vyrovnání objektu, provede úpravy technologického procesu atd.
Snímače vyrobené na principu lineárně nastavitelných diferenciálních transformátorů jsou vyráběny ve formě kompletních konstrukcí, kterými jsou rám s primárním a sekundárním vinutím a uvnitř pohyblivá tyč (může být odpružená). Vodiče jsou vyvedeny, aby vyslaly signál z generátoru a odstranily EMF ze sekundárních vinutí. K tyči lze mechanicky připevnit ovládaný předmět. Může být i z dielektrika – pro měření záleží pouze na poloze stonku.
