Принцип работы и подключение индуктивных датчиков
Бесконтактный датчик индуктивности позиционируется как сенсор, способный реагировать на металлические предметы, оказавшиеся в его электромагнитном поле. Благодаря этому свойству индуктивных бесконтактных датчиков удается отслеживать перемещение подвижных частей оборудования и при необходимости отключать двигатель приводного механизма. Для распознавания и анализа изменений магнитного поля в их состав вводится специальный электронный узел, называемый контроллером (компаратором).
Устройство и принцип действия
Индукционные датчики положения, помимо электронного компаратора, содержат в своем составе следующие обязательные компоненты:
- стальной корпус с разъемом для соединительного шнура;
- встроенный чувствительный элемент, регистрирующий на изменения магнитного поля, выполнен в виде стального сердечника с катушкой;
- исполнительный релейный модуль;
- индикатор активации на светодиоде.
Конструкции различных моделей датчиков металла могут иметь некоторые отличия. Они не влияют на сам индукционный датчик, принцип работы его от этого не меняется.
В соответствии с устройством прибора суть его работы описывается следующим образом:
- перемещение металлической части контролируемого объекта приводит к изменению индуктивности чувствительного элемента датчика;
- отклонение объясняется искажением его магнитного поля, следствием которого является изменение параметров электрической схемы и ее активация (светодиод загорается);
- после этого срабатывает электронный модуль и посылает сигнал на исполнительное устройство;
- при поступлении импульса о превышении перемещением допустимого предела выходной (релейный) узел отключает контролируемое оборудование от сети.
Каждая модель имеет собственный показатель чувствительности по перемещению — зазор смещения. Для различных образцов этот параметр варьируется в пределах от 1 микрона до 20 миллиметров.
Параметры индуктивных датчиков
Помимо диапазона срабатывания или чувствительности индуктивный датчик характеризуется следующими рабочими показателями:
- Размер (диаметр) посадочной резьбы, у различных образцов принимающий значения от 8-ми до 30-ти мм.
- Номинальное напряжение питания при температуре плюс 20 градусов, до 90 Вольт постоянного и до 230 Вольт – переменного токов.
- Общая длина корпуса — ее значение зависит от рабочего напряжения.
Последний показатель у различных образцов может варьироваться в значительных пределах.
Для чувствительной или активной зоны прибора вводится еще один параметр, называемый гарантированным пределом срабатывания. Его нижняя граница равна нулю, а верхняя составляет 80 процентов от номинального значения. Этот показатель иногда называют поправочным коэффициентом рабочего зазора.
Не менее важный показатель функциональности чувствительного прибора – количество соединительных проводов в разъеме. Обычно их насчитывается два или три: два питающих и один для активации схемы. Однако возможны варианты подключения, при обустройстве которых используются четыре или пять контактных точек. Подобные образцы кроме двух питающих проводников содержат два выхода на нагрузку. При этом пятый проводник используется для выбора режима работы самого устройства.
Виды выходов и способы подключения
Для оценки действия чувствительного прибора вводится особая характеристика, оцениваемая по состоянию полярности его выходных параметров. В соответствии с общепринятым обозначением полупроводниковых элементов (транзисторов), входящих в состав электронной схемы датчика, эти выходы называются «PNP» и «NPN».
Отличие этих наименований состоит в том, что они обозначают различные полярности (полюса) источника питания чувствительных приборов. PNP транзисторы коммутируют его положительный выход, а NPN – отрицательный. Нагрузкой выходных схем чаще всего является управляющий микропроцессор.
Основные виды подключений разных индуктивных датчиков
В зависимости от схемы управления контроллером индуктивные датчики обозначаются как HO (нормально открытые) или HЗ – с нормально закрытым входом.
Вариант с NPN транзистором – наиболее распространенный способ включения датчика, поскольку согласно стандартным схемным решениям отрицательный провод делается общим для всех компонентов. В этом случае входы микропроцессоров и других контролирующих устройств активируются положительным напряжением.
Маркировка при подключении
На принципиальных схемах индуктивные датчики принято обозначать в виде ромба или квадрата с двумя вертикальными линиями внутри. Нередко в них также указывается тип выхода (нормально открытый или закрытый), соответствующий одной из разновидностей полупроводниковых транзисторов. В большинстве вариантов схем указывается нормально закрытая группа или оба типа в одном корпусе.
Цветовая маркировка выводов
На практике применяется стандартная система маркировки выводов датчиков индуктивности, которой придерживаются все без исключения производители чувствительных приборов. Тем не менее, перед их монтажом рекомендуется внимательно следить за полярностью подключения и обязательно сверяться с прилагаемой к изделиям инструкцией.
На корпусах всех датчиков имеется рисунок с цветной маркировкой проводов, если это позволяют его размеры.
Стандартный порядок обозначения:
- синий (Blue) всегда означает минусовую шину питания;
- коричневым цветом (Brown) обозначается плюсовой проводник;
- черный (Black) соответствует выходу датчика;
- белый (White) – это дополнительный выход или вход.
Для уточнения последнего маркировочного обозначения его следует сверить с данными инструкции, прилагаемой к конкретному прибору.
Погрешности датчиков
Погрешность снятия показаний контрольной системой существенно влияет на работу бесконтактного индуктивного датчика. Ее общая величина набирается из отдельных ошибок измерений по различным показателям: электромагнитным, температурным, аппаратным, магнитной упругости и многим другим.
Электромагнитная погрешность определяется как случайно проявляющаяся величина. Она появляется из-за паразитной ЭДС, наведенной в катушке внешними магнитными полями. В производственных условиях этот компонент создается силовым оборудованием с рабочей частотой 50 Герц. Температурная погрешность – один из важнейших показателей, поскольку работать большинство датчиков могут лишь в определенном диапазоне температур. Она обязательно учитывается при проектировании устройств этого класса.
Погрешность магнитной упругости вводится как показатель нестабильности деформаций сердечника, возникающей в процессе сборки прибора, а также как тот же фактор, но проявляющийся при его работе. Нестабильности внутренних напряжений в магнитопроводе приводит к ошибкам в обработке выходного сигнала. Погрешность, возникающая в самом чувствительном устройстве, проявляется из-за влияния полевой структуры на коэффициент деформации металлических элементов датчика. Кроме того, на ее суммарное значение существенно влияют люфты и зазоры в подвижных частях конструкции.
Погрешность соединительного кабеля набирается из отклонений величины сопротивления его проводных жил в зависимости от температурного фактора, а также как наводки посторонних электромагнитных полей и ЭДС. Тензометрическая погрешность как случайная величина зависит от качества изготовления намоточных элементов датчика (его катушки, в частности). В различных условиях эксплуатации возможно изменение сопротивления обмотки по постоянному току, приводящее к «плаванию» выходного сигнала. Погрешность старения проявляется вследствие износа подвижных элементов датчика, а также изменения электромагнитных свойств магнитопровода.
Проверить реальную величину этого параметра удается только с помощью сверхточных измерительных приборов. При этом обязательно принимаются во внимание кинематические особенности самого датчика. При проектировании и изготовлении чувствительных элементов такая возможность заранее учитывается в его конструкции.
Для индуктивных и емкостных датчиков характерны режимы работы со многими факторами влияния, определяемыми конкретными условиями эксплуатации. Именно поэтому выбор подходящих для данной марки прибора чувствительности и набора выходных параметров является определяющим при его использовании в качестве конечного выключателя.
Датчики с транзисторным выходом PNP/NPN, схема подключения, разница и отличия
Среди всех используемых в промышленности датчиков до сих пор превалируют дискретные, т. е. имеющие два состояния выходного сигнала – включен/выключен (иначе – 0 либо 1). В основном подобные датчики используются для определения некоторых конечных положений, и принцип действия может быть любым – индуктивным, оптическим, емкостным и так далее.
Все подобные датчики объединяет одна характеристика – схемотехника выхода. Основных вариантов здесь два:
— релейный выход основывается, очевидно, на использовании реле. Схема питания датчика при этом гальванически развязана с выходом, что даёт возможность использовать такие датчики для коммутации высокого напряжения.
— транзисторный выход использует PNP либо NPN транзистор на выходе и подключает соответственно плюсовой либо минусовой провод.
Немного теории. Транзисторы PNP и NPN относятся к категории биполярных и имеют три вывода: коллектор, база и эмиттер. Сам транзистор состоит из трёх частей, называемых областями, разделенных двумя p-n переходами. Соответственно, транзистор PNP имеет две области P и одну область N, а NPN, соответственно, две N и одну P. Направление протекания тока также разное:
— для PNP при подаче напряжения на эмиттер ток протекает от эмиттера к коллектору;
— для NPN подача напряжения на коллектор вызывает протекание тока от коллектора к эмиттеру.
Это обуславливает необходимость подключения питания с прямой полярностью относительно общих клемм для транзисторов NPN, и обратной – для PNP.
Любой биполярный транзистор работает по принципу управления током базы для регулирования тока между эмиттером и коллектором. Единственное различие в принципе работы транзисторов PNP и NPN заключается в полярности напряжений, подаваемых на эмиттер, базу и коллектор. В зависимости от реализации смещений p-n переходов возможны различные режимы работы транзисторов, но в общем случае в датчиках используются два:
— насыщение: прямое прохождение тока между эмиттером и коллектором (замкнутый контакт)
— отсечка: отсутствие тока между эмиттером и коллектором (разомкнутый контакт)
Рассмотрим подробнее подключение и особенности применения, например, индуктивных датчиков с транзисторным выходом. Отличием является коммутация разных проводов цепи питания: PNP соединяет плюс источника питания, NPN – минус. Ниже наглядно показаны различия в подключении; справа изображён датчик с выходом PNP, слева – NPN.
Принципиальное отличие логики PNP от NPN
Чаще применяется вариант с выходом на основе транзистора PNP, поскольку большее распространение получила схемотехника с общим минусовым проводом источника питания. Выходное напряжение зависит от напряжения питания датчика и обычно находится в узком диапазоне, например, 20…28 В.
Выбор датчика по типу используемого транзистора обуславливается в первую очередь схемотехникой используемого контроллера или иного оборудования, к которому предполагается подключать датчик. Обычно в документации на контроллеры и устройства коммутации указывается, какой транзисторный выход они позволяют использовать.
Теперь о совместимости. Вообще, существует четыре основных разновидности выхода датчиков:
Помимо типа используемого транзистора, различие также заключается в исходном состоянии выхода – он может быть в нормальном (если датчик не активирован) состоянии либо разомкнутым (открытым), либо замкнутым (закрытым). Отсюда обозначения NO (НО) – normally open (нормально открытый) и normally closed (нормально закрытый).
Что делать, если требуется заменить один датчик на другой, но нет возможности установить аналог с идентичной логикой и схемотехникой выхода? В случае, если меняется только исходное состояние выхода (НО на НЗ и наоборот), путей решения может быть несколько:
— внесение изменений в конструкцию, инициирующую датчик
— внесение изменений в программу (смена алгоритма)
— переключение выходной функции датчика (при наличии такой возможности)
Замена же оптического датчика с изменением типа используемого транзистора представляет собой проблему большую, нежели просто поменять алгоритм или сместить какой-то элемент конструкции. Изменение схемотехники датчика влечет за собой также необходимость внесения существенных изменений в схему его подключения. Конечно, это не всегда допустимо, однако в ряде случаев это единственный выход.
Замена датчика PNP на NPN
Рассмотрим схему, представленную выше слева (для примера взят датчик с транзистором PNP). В случае неактивного датчика с нормально открытым выходом ток не протекает через его выходные контакты; для нормально закрытого, соответственно, ситуация обратная. Благодаря протекающему току на нагрузке создаётся падение напряжения.
Наряду с основной (внешней) нагрузкой датчика, которой может являться вход контроллера, в нём может присутствовать также внутренняя нагрузка, однако она не гарантирует, что датчик будет работать стабильно. Если внутреннего сопротивления нагрузки у датчика нет, такая схема называется схемой с открытым коллектором – она может функционировать исключительно при наличии внешней нагрузки.
Вернемся к схеме. Активация датчика с выходом PNP обеспечивает подачу напряжения +V через транзистор на вход контроллера. Реализация этой схемы с датчиком, имеющим выход NPN, требует добавления в схему дополнительного резистора (номинал которого обычно подбирается в диапазоне 4.9-10 кОм) для обеспечения функционирования транзистора. В этом случае при неактивном датчике напряжение поступает через добавленный резистор на вход контроллера, что делает схему, по сути, нормально закрытой. Активация датчика обеспечивает отсутствие сигнала на входе контроллера, поскольку транзистор NPN, через который проходит почти весь ток дополнительного резистора, шунтирует вход контроллера.
Таким образом, подобный подход обеспечивает возможность замены датчика PNP на NPN при условии, что перефазировка датчика не является проблемой. Это допустимо, когда датчик исполняет роль счетчика импульсов – контроль числа оборотов, количества деталей и т. д.
Если подобное изменение не является приемлемым, и требуется сохранить в том числе логику работы системы, можно пойти по более сложному пути.
Схемы подключения датчиков PNP к устройству со входом NPN и наоборот
Суть заключается в добавлении в схему подключения дополнительного биполярного транзистора, тип которого выбирается исходя из типа входа прибора, к которому подключается датчик, а также двух дополнительных сопротивлений нагрузки. Если используется прибор с входом NPN, то и дополнительный транзистор требуется такой же. Активация датчика инициирует переключение внешнего транзистора, который уже подаёт напряжение на вход прибора. Данная схема, в отличие от рассмотренной ранее, сохраняет логику работы системы, однако более сложна в сборке.