Senzori

Pag.18ECHIPAMENTE DE AUTOMATIZARE

9. Traductoare de proximitate

9.1. Generalitin procesele automate senzorii de proximitate (fig.9.1) sunt necesari pentru a transmite informaii spre automatele programabile care conduc procesul. Asigur semnale pentru poziionare, limitare de curs, pentru operaiile de numrare a pieselor sau de numrare a rotaiilor unui ax sau arbore. Fa de contactele mecanice clasice au o serie de avantaje: pot funciona la o frecven de comutaie ridicat, precizia este ridicat i durata de funcionare este mare. Nu sunt influenate de vibraii, praf i umezeal.

n general, proximitatea exprim gradul de apropiere dintre dou obiecte, dintre care unul reprezint sistemul de referin. Se poate realiza controlul poziiei unui obiect care se deplaseaz, fr contact ntre acesta i referin.

n categoria msurrilor de proximitate intr:

- sesizarea capetelor de curs;

- sesizarea interstiiului dintre suprafee;

- sesizarea prezenei unui obiect n cmpul de lucru, etc.

Traductoarele de proximitate au de regul o caracteristic de tip releu, mrimea de ieire avnd variaii discrete, prin nchiderea sau deschiderea unui contact, discerne ntre dou valori care reprezint prezena sau absena corpului controlat. Aceast particularitate conduce la realizarea compact a traductorului, elementul sensibil i adaptorul fiind plasate n aceeai unitate constructiv.

Fig.9.1. Senzori de proximitate inductivi diverse forme constructive

Fig. 9.2. Utilizarea senzorilor de proximitate la poziionarea pieselor

9.2. Traductoare inductive de proximitate

Senzorii inductivi de proximitate detecteaz metale sau obiecte metalice fr a fi contact fizic cu ele.

Schema de principiu a acestui traductor este dat n fig.9.3. Detectorul are rolul de a converti informaia asupra poziiei unui obiect metalic (n raport cu faa sensibil) n semnal electric. Blocul adaptor prelucreaz semnalul electric de la ieirea detectorului i comand un etaj final cu ieire pe sarcin de tip releu. Blocul de alimentare furnizeaz tensiunea necesar circuitelor electronice.

Fig. 9.3. Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate

Oscilatorul din blocul-detector ntreine, prin cmpul magnetic alternativ, oscilaiile n jurul bobinei ce formeaz (mpreun cu miezul de ferit) faa sensibil a detectorului. Cnd un obiect metalic (cu proprieti feromagnetice) intr n cmpul magnetic al detectorului, n masa metalului apar cureni Foucault care genereaz, la rndul lor, un cmp magnetic de sens opus cmpului principal pe care l atenueaz puternic i ca urmare blocheaz oscilaiile.

Caracteristicile de funcionare ale traductorului pot fi apreciate n funcie de valorile cotelor utile, notate n fig.9.4 prin: e grosimea ecranului metalic (grosimea obiectului detectat); l - limea ecranului; L lungimea ecranului; x distana de la marginea ecranului la centrului feei sensibile; y acoperirea feei sensibile de ctre ecranul metalic; z distana de la ecran la faa sensibil; zN distana nominal de detecie (sesizare).

Fig.9.4. Dimensiunile traductorului inductiv de proximitateMajoritatea traductoarelor inductive permit ajustarea distanei de detecie a pieselor metalice. Alimentarea lor se poate realiza att la tensiune continu 10-36 V, ct i la tensiune alternativ 20-290 V (cu una dintre aceste tensiuni, nu cu amndou). Distana ntre senzor i pies poate fi de 19-120 mm (la senzorii speciali), pentru o gam larg de temperaturi de funcionare.Caracteristici funcionale:- Zona de aciune, delimitat de valorile [ 3 40 ] mm, este cuprins ntre curba de anclanare (oprirea oscilaiilor) i curba de declanare (pornirea oscilaiilor);

- Distana util de detecie - zu, influenat puternic de natura i dimensiunile obiectului (ecranului), ct i de variaia temperaturii, a tensiunii de alimentare i de dispersiile cmpului magnetic (din fabricaie);- Fidelitatea reprezint tolerana preciziei de reperare a punctelor de oprire i pornire a oscilaiilor, cnd se menin constani urmtorii parametri: distana, sensul i viteza de deplasare, temperatura i tensiunea de alimentare;- Histerezisul reprezint cursa (distana) dintre punctele de oprire i de pornire a oscilaiilor n aceleai condiii (fig.9.5).

- Durata impulsului de ieire, determinat de viteza deplasrii ecranului (obiectului) i dimensiunile acestuia.

Constructiv traductoarele inductive de proximitate se realizeaz n dou variante:

a. cu faa sensibil inclus frontal sau lateral n corpul propriu-zis al traductorului;

b. cu faa sensibil separat i legat prin cablu flexibil de corpul traductorului.

Fig.9.5. Histerezisul unui traductor de proximitate

Pentru aplicaii speciale se pot utiliza senzori inductivi de proximitate cu carcas metalic din inox (fig.9.6).

Fig. 9.6. Senzori de proximitate inductivi cu carcas metalic

Senzorii de proximitate inductivi au o multitudine de aplicaii industriale. De obicei, aceste aplicaii se refer la detectarea unor poziii limit (fig.9.7 i 9.8).

Fig. 9.7. Detectarea poziiei unei ui cu senzori de proximitate inductivi

Fig. 9.8. Detectarea poziiei unui piston hidraulic cu senzori de proximitate9.3. Traductoare magnetice de proximitateAceste traductoare au o construcie simpl i sunt formate dintr-un contact ntreruptor (releu de tip Reed) plasat pe un bra al unei carcase sub form de " U " i un magnet permanent fixat pe cellalt bra. Trecerea unui obiect metalic printre braele detectorului (carcasei) modific liniile de for ale magnetului (le ecraneaz) i ca urmare contactul releului i schimb starea fig.9.9. Exist variante constructive la care obiectele magnetice pot aciona direct asupra releului.

Fig. 9.9. Traductor magnetic de proximitate

Cnd viteza de deplasare a magnetului mobil depete 10 m/s, distana nominal de acionare se reduce cu un coeficient (0,7... 0,9) n funcie de viteza de lucru.

Fig.9.10. Senzorul Reed

Senzorul Reed este alctuit din dou lamele feromagnetice, de obicei aurite, iar zona de contact electric este amalgamat cu mercur. Lamelele sunt nchise ermetic ntr-un tub de sticl din care ies ctre exterior dou srme pentru legturi electrice. n prezena cmpului magnetic, liniile de cmp se concentreaz n zona lamelelor, care constituie o cale de reluctan mic. ntre lamele apare o for de atracie magnetic. Cnd fora este suficient de puternic pune n contact lamele i nchide contactul electric.

Fig. 9.11. Senzori de proximitate magnetici9.4. Elemente sensibile capacitive pentru traductoare de proximitate

Senzorii de proximitate capacitivi sunt utilizai pentru detectarea fr contact a oricror obiecte (nu neaprat metalice). Pot fi detectate pe lng obiecte i pulberi i lichide, care exist n recipieni metalici sau nemetalici. Senzorii capacitivi sunt imuni la zgomotele de nalt frecven de la diverse convertoare de energie electric. Distana sesizat este de pn la 19-20 mm, cu contact normal deschis sau nchis la ieire. Alimentarea se poate realiza att la tensiune continu 10-36 V, ct i la tensiune alternativ 20-290 V.

n cazul traductoarelor capacitive de proximitate elementul sensibil este format dintr-un condensator care face parte dintr-un circuit oscilant. Prezena unui material conductor sau dielectric cu permitivitatea >1, la o distan n raport cu faa sensibil a detectorului, modific capacitatea de cuplaj i amorseaz oscilaiile, fig.9.12.

Funcionarea este diferit n raport cu natura obiectului controlat.

a) La detecia materialelor conductoare, obiectul a crui poziie este controlat formeaz cu faa sensibil un condensator a crui capacitate crete odat cu micorarea distanei x dintre obiect i faa sensibil.

b) La detecia materialelor izolante, faa sensibil este un condensator a crui capacitate crete, cu att mai mult, cu ct permitivitatea dielectric () a obiectului controlat este mai mare.

Principalele surse de erori le reprezint variaiile de temperatur. Pentru evitarea perturbaiilor, n cazul detectrii obiectelor metalice, acestea se leag la pmnt.

Fig. 9.12. Element sensibil capacitiv pentru traductoare de proximitate

Fig. 9.13. Senzori de proximitate capacitivi

Fig. 9.14. Identificarea nivelului maxim de lichid ntr-un recipient cu traductorul capacitiv

9.5.Elemente sensibile fotoelectrice pentru traductoare de proximitate

Automatizarea proceselor industriale se bazeaz i pe senzorii fotoelectrici. Pot fi utilizai n aplicaiile care necesit siguran n funcionare i detectare fr contact a obiectelor. O caracteristic important a acestor senzori este distana mare de detecie a obiectelor (m sau zeci de m). Aceste sisteme sunt formate din componente: emitor i receptor. Funcionarea acestora se bazeaz pe modificarea fluxului de radiaii care se stabilete ntre o surs (emitor) i un receptor, datorit prezenei obiectului controlat. Se disting dou variante constructive :

a. Element sensibil de tip barier, la care emitorul i receptorul sunt de o parte i de alta a obiectului controlat, fig.9.15.

Fig. 9.15. Element sensibil de tip barier

b. Element sensibil de tip reflector la care fasciculul de radiaii emis de sursa (E) este transmis spre receptor, situat de aceeai parte cu emitorul, n raport cu obiectul controlat, prin intermediul unui paravan reflectorizant (reflector). Se utilizeaz pentru detectarea direct a senzorilor. Emitorul i receptorul sunt n aceiai carcas. Emitorul transmite o lumin care este reflectat de obiectul detectat, i care lumin este detectat de receptor. Senzorul analizeaz unda de lumin reflectat. Prezena obiectului controlat modific intensitatea fluxului luminos receptat dup reflexie.

Dac obiectul controlat are proprieti reflectorizante, atunci el poate juca i rolul de paravan reflectorizant, (fig.9.16).

Sursele emitoare (E) pot fi realizate cu diode electroluminiscente (LED) cu fascicul vizibil sau infrarou (cel mai utilizat) dar i cu lmpi speciale care au lentil de focalizare. Receptoarele (R) utilizeaz fotodiode sau fototranzistoare n domeniul vizibil sau infrarou, dar pot utiliza i celule fotovoltaice n domeniul vizibil. Variaia de semnal electric furnizat de elementul sensibil, datorit modificrii poziiei obiectului detectat este prelucrat de adaptorul traductorului (care conine un formator de impulsuri i un amplificator) apoi transmis elementului de ieire de tip releu sau contactor static (tiristor sau triac).

Fig. 9.16. Element sensibil fotoelectric de tip reflectorSe evit mediile umede care pot aburi lentilele ct i obiectele strlucitoare (oglinzi) din apropierea zonei de lucru traductorului spre a evita erorile n funcionarea acestor traductoare.

Fig. 9.17. Montarea senzorilor optici retro-reflexivi

Fig. 9.18. Utilizarea traductoarelor optice de proximitate la numrarea produselor pe o band

Fig. 9.19. Utilizarea traductoarelor optice de proximitate la numrarea componentelor electronice

9.7.Senzori de proximitate ultrasonici

Funcionarea se bazeaz pe msurarea duratei de propagare a unui semnal ultrasonor ntre emitor i obiect, iar distana maxim de lucru este n funcie de natura traductorului (piezoceramic, electrostatic etc.) i de frecven.

Fig.9.20. Utilizarea senzorilor ultrasonici la detectarea curgerii unui fluid printr-o conduct

9.8. Traductoare integrate de proximitate

Traductoarele de proximitate realizate cu circuite integrate reprezint o tendin actual i de viitor, datorit avantajelor pe care le ofer: gabarit redus, performane ridicate, pre de cost mai mic i fiabilitate mare. Noiunea de traductor integrat este justificat numai dac semnalul de la ieirea acestuia este un semnal unificat, n accepiunea definiiei din automatizrile industriale. Cnd aceast condiie nu este ndeplinit se poate utiliza denumirea de senzor integrat.

9.8.1 Senzorul inductiv integrat de proximitate

Acesta este realizat cu circuitul integrat TCA - 109N a crui schem de principiu (bloc) este dat n fig.9.21. Acesta este capsulat ntr-o carcas tip MP 48 - cu 8 terminale.

Fig. 9.21. Schema bloc a senzorului integrat TCA 109 NBornele 2, 3 i 4 reprezint baza, emitorul, respectiv colectorul unui tranzistor care permite realizarea unui oscilator ce lucreaz pe frecvena de 1...9 MHz, dac n exterior se monteaz un circuit adecvat de tip L-C. Schema mai conine un stabilizator de tensiune care alimenteaz oscilatorul OSC, blocul comparator cu histerezis, ct i etajul de amplificare (ieire).

Etajul de ieire ofer dou tensiuni n antifaz compatibile TTL (de tip tranzistor avnd colectorul n gol). n funcie de amplitudinea oscilaiilor, unul din tranzistoare este saturat, iar cellalt blocat. Schema tipic de cuplare a senzorului TCA 109-N la circuitul oscilant L-C i la o rezisten de sarcina Rs este dat n fig.9.21. n funcionarea senzorului, din aceast figur, se disting dou situaii:

- Cnd se aproprie un obiect feromagnetic de bobina oscilatorului (simbolizat cu L), oscilaiile se amortizeaz, iar rezistena de sarcin Rs este conectat la mas.

- Dup ndeprtarea obiectului feromagnetic, circuitul de intrare ncepe s oscileze din nou, iar ieirea decupleaz sarcina Rs n gol.

Fig.9.22. Conectarea circuitului L-C la senzorul TCA 109N

Fig.9.23. Senzorul de proximitate cu fant

Caracteristicile principale ale circuitului integrat TCA 109-N, sunt date prin urmtoarele valori limit:

- Tensiunea de alimentare +20V; curent absorbit la ieire 79mA; curent de alimentare 9 mA; frecvena maxim la oscilator 9 MHz.

Schema senzorului inductiv de proximitate cu fant (realizat cu TCA 109-N) este prezentat n fig.9.23. Circuitul de intrare are configuraie de oscilator. Oscilaiile sunt ntreinute de cuplajul inductiv dintre cele dou bobine L1 i L2 plasate pe miezuri de ferit i poziionate astfel nct bobinele (avnd axa de simetrie comun) s aib ntre ele o distan (fant) de 37 mm.

n funcionarea senzorului se disting dou situaii:

- n lipsa obiectului (feromagnetic) oscilaiile, cu frecvena de aproximativ 1 MHz, din etajul de intrare menin ieirile circuitului n starea " acionat ".

- La apariia obiectului metalic n fant cuplajul magnetic dintre bobine se ntrerupe, oscilaiile se amortizeaz iar ieirile trec n starea "blocat ".

Valorile parametrilor constructivi ai circuitului oscilant (dimensiunea miezurilor de ferit, numrul de spire al bobinelor, valoarea capacitii C, etc) sunt date n i depind de mrimea fantei dintre bobine.

9.8.2. Senzorul magnetic integrat de proximitateTermenul "magnetic" deriv de la faptul c acest senzor utilizeaz un detector de tip element Hall, care sesizeaz prezena cmpurilor magnetice de intensiti relativ mici (aproximativ 90 mT) i produce semnale de tensiune de ordinul (1...10) mV. Acest senzor utilizeaz circuite integrate specializate de fabricaie romneasc din seria SM 23X (X = 1, 2, 3, 4) sau SM 24X (X = 1, 2) .

Aceste circuite integrate, conin n acelai cristal de siliciu att senzorul Hall, ct i blocurile de prelucrare a semnalelor oferite de acesta. Denumirea comercial a acestor circuite este senzori magnetici comutatori. Schema bloc a unui senzor magnetic de tip SM 23X; (24X) este prezentat n fig.9.24. Din punct de vedere calitativ circuitul SM 24X este superior circuitului SM 23X prin doi parametri electrici: curentul de alimentare (la o inducie de 90 mT) este de 2 mA n cazul circuitului SM 24X, fa de 4,3 mA (7mA) n cazul circuitului SM 23X, tensiunea de alimentare: 7V la SM 24X, fa de 10V (29V) la SM 23X.

Fig. 9.24. Schema bloc a senzorului magnetic comutator de tip SM 23XLa circuitul SM 24X nu mai exist stabilizatorul tensiunii de alimentare, n rest schema este aceeai, ca i la SM 23X.

n funcionarea acestui senzor se disting dou situaii:

- Dac este sesizat un cmp magnetic de inducie B, senzorul Hall furnizeaz o tensiune diferenial, proporional cu B. Aceast tensiune este preluat de amplificatorul diferenial care o aplic unui comparator cu histerezis, ce lucreaz ca un comutator. Dac circuitul este plasat ntr-un cmp magnetic a crui inducie depete valoarea corespunztoare pragului de deschidere, comparatorul comand prin intermediul unui amplificator - injecia unui curent n baza tranzistorului de ieire, care este adus n saturaie, deci colectorul su absoarbe un curent important (curentul prin sarcina conectat la borna 3).

- Dac inducia B scade sub valoarea pragului de blocare, ieirea comutatorului revine n starea iniial, iar tranzistorul de ieire este blocat. ntre pragul de deschidere i cel de blocare (nchidere) exist un histerezis, necesar pentru a asigura imunizarea circuitului fa de zgomote. Principalele ci de basculare a senzorului magnetic comutator, legate direct de aplicaiile industriale, sunt:

- Deplasarea magnetului permanent, care se poate face frontal sau transversal. Pentru funcionarea corect a senzorului, cursa magnetului trebuie s depeasc (datorit histerezisului) dou distane de prag: una la care are loc deschiderea, iar cealalt la care are loc blocarea;- Ecranarea cmpului unui magnet care se poate realiza printr-o folie feromagnetic plasat ntre sursa de cmp magnetic i senzor;- Concentrarea cmpului unui magnet ce se poate face prin apropierea unui material feromagnetic n spatele senzorului, care se afl ntr-un cmp magnetic insuficient de intens pentru a produce bascularea. Astfel inducia magnetic va crete la o valoare capabil s basculeze senzorul.

n afar de soluiile menionate, prin care circuitele SM 23X sau SM 24X sunt utilizate ca senzori de proximitate (limitator de curs la maini-unelte, roboi industriali, periferice de calculatoare, etc), exist i aplicaii n construcia unor traductoare:

- traductor de orizontalitate (sau verticalitate), utiliznd un pendul cu magnet;

- traductor de nivel avnd magnetul introdus ntr-un flotor ce se poate deplasa ghidat prin dreptul senzorului magnetic comutator;- traductor numeric rotativ incremental pentru vitez sau poziie unghiular;

- traductor de curent (releu de curent pentru protecie), cnd senzorul magnetic sesizeaz depirea valorii limit a curentului printr-o nfurare.

Firmele SPRAGUE, PHILIPS i MICROSWITCH produc traductoare de proximitate care dau la ieire o tensiune continu liniar variabil cu variaia induciei magnetice B n intervalul (-90mT... +90mT).

9.9. Exemple de senzori de proximitate

n industrie, senzorii de proximitate sunt cei mai utilizai. Pot avea numeroase aplicaii: detectare de materiale feroase i neferoase, detecie de poziie limit, poziionare, numrare de piese, msurarea nivelului.

Fig.9.25. Detectarea poziiei unei clapete cu traductor de proximitate

Fig.9.26. Utilizarea senzorilor inductivi robuti n industria cimentului

PAGE 186

_1446821208.unknown

_1446821226.unknown

_1446821204.unknown