133Traductoare de proximitate

TRADUCTOARE DE PROXIMITATE

n general (n sens larg) 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 (" tot sau nimic ") discerne ntre dou valori care reprezint (convenional) prezena sau absena corpului controlat.

Aceast particularitate conduce la realizarea compact a traductorului, elementul sensibil i adaptorul (ES + AD) fiind plasate n aceeai unitate constructiv.

5.1 Traductoare inductive de proximitate Schema de principiu a acestui traductor este dat n figura 5.1. 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. 5.1 - 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 figura 5.2 prin: e grosimea ecranului metalic (grosimea obiectului detectat); - 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.5.2 - Dimensiunile de gabarit ale traductorului inductiv de proximitate.

Principalele caracteristici funcionale:

a) Zona de aciune,[2] delimitat de valorile [ 3 40 ] mm, este cuprins ntre curba de anclanare (oprirea oscilaiilor) i curba de declanare (pornirea oscilaiilor);

b) Distana util de detecie , influenat puternic de natura i dimensiunile obiectului (ecranului), ct i de variaia temperaturii, a tensiunii de alimentare i de dispersiile cmpului magnetic (din fabricaie).

c) 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.

d) Histerezisul reprezint cursa (distana) dintre punctele de oprire i de pornire a oscilaiilor n aceleai condiii (figura 5.3).

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

Constructiv traductoarele inductive de proximitate se realizeaz n dou variante:

1) cu faa sensibil inclus frontal sau lateral n corpul propriu-zis al traductorului ;

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

Fig. 5.3 Histerezisul unui traductor de proximitateFig. 5.4 Traductor magnetic de proximitate

5.2. 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 figura 5.4. Exist variante constructive la care obiectele magnetice pot aciona direct asupra releului.

Observaie: 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.

5.3. Elemente sensibile capacitive pentru traductoare de proximitate

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, figura 5.5.

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 premitivitatea dielectric () a obiectului controlat este mai mare.

Principalele surse de erori le reprezint variaiile de temperatur.

Observaie: Pentru evitarea perturbaiilor, n cazul detectrii obiectelor metalice, acestea se leag la pmnt.

Fig. 5.5 Element sensibil capacitiv pentru traducoare de proximitate

5.4 Elemente sensibile fotoelectrice pentru traductoare de proximitate 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, figura 5.6.

Fig. 5.6 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).

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, (figura 5.7).

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. 5.7 Element sensibil fotoelectric de tip reflector.

Observaie: Se 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.

5.5 Elemente sensibile fluidice pentru traductoarele de proximitate

Traductoarele fluidice se caracterizeaz prin simplitate constructiv i funcional. De aceea, aceste traductoare se afl n nomenclatorul majoritii productorilor mondiali de aparatur fluidic.

Principiile funcionale ale elementelor sensibile fluidice deriv din sesizarea modificrii unuia sau a mai multor parametri de stare ai fluidului: presiune, vitez, sens de curgere - sub influena corpului a crui prezen trebuie sesizat.

Observaie: Datorit nivelului energetic redus al semnalelor vehiculate n sistemele fluidice, sesizarea proximitii unui obiect se face fr a perturba starea i/sau structura obiectului respectiv.

Elementele sensibile, frecvent ntlnite n costrucia traductoarelor fluidice de proximitate, sunt:

a) Dispozitiv duz - palet - ntlnit n construcia tuturor adaptoarelor pneumatice unde are rol de preamplificator naintea etajului final de putere.n acelai timp dispozitivul duz palet este utilizat ca element sensibil al traductorului de proximitate.

Principiul de funcionare i caracteristica static a dispozitivului duz palet sunt date n figura 5.8. Obiectul detectat joac rolul paletei (P), iar rezistena pneumatic R2 reprezint duza (D).

Fig. 5.8 Dispozitiv duz palet: a) principiul de funcionare;

b) caracteristica static

Dac presiunea de alimentare () este constant, variaia presiunii P2 (identic cu presiunea de ieire ) n funcie de valoarea distanei (x) dintre palet i duz este prezentat n figura 5.8 b. Caracteristica static este liniar numai n zona AB. Se observ c pentru x = 0, presiunea P2 are valoare maxim, adic valoarea presiunii de alimentare (), iar dac x este suficient de mare, presiunea P2 scade la valoare presiunii atmosferice (). n figura 5.9 sunt date modalitile de apropiere ale obiectului fa de duz. Aproprierea obiectului, fie printr-o deplasare axial (frontal), fie printr-o deplasare lateral produce variaia presiunii de ieire (), astfel c depirea unui prag impus pentru variaia presiunii de ieire - arat faptul c obiectul este "sesizat ".

Fig. 5.9 - Modaliti de apropiere a obiectului fa de duz: a) deplasare axial;

b)- deplasare lateral

O calibrare corespunztoare a curbelor sau va indica cu o precizie de maximum 1 [mm] ct de aproape este obiectul sesizat.

b) Senzorul de proximitate cu " jet liber " (cu turbulen)

Acesta este format din dou duze coaxiale : duza emitoare 1, alimentat de la o surs de presiune constant i duza receptoare 2, figura 5.10.

Dac obiectul ce trebuie detectat, nu se afl n spaiul dintre cele dou duze, jetul emis de duza 1 este captat de duza 2 i ca urmare n duza receptoare (2) se obine un nivel de presiune mare ce corespunde semnalului logic S=1(obiectul nu este detectat). Prezena obiectului ntre cele dou duze poate ntrerupe parial sau total jetul emis de duza 1.

Fig. 5.10 Senzor de proximitate cu jet liber

O scdere a presiunii n duza receptor 2, sub o anumit limit, determin semnalul logic S =0 , deci obiectul este detectat.

Principalul dezavantaj al acestui tip de detector const n sensibilitatea mare la impuritile din mediu, care sunt antrenate prin jetul de aer i obtureaz duza receptor 2.

Acest tip de traductor se utilizeaz pentru interstiii care nu depesc 20 mm.c) Senzorul de proximitate cu impact de jeturi - elimin dezavantajul anterior (referitor la obturarea duzei - receptor cu impuriti).

La acest senzor duza receptoare, din exemplu anterior, este ea nsi emitoarea unui jet care se obine prin devierea circuitului de alimentare, unde presiunea Pa este micoart datorit rezistenei R. Deci, ambele duze, 1 i 2, sunt emitoare, figura 5.11.

Fig. 5.11 Senzor de proximitate cu impact de jeturi:

a) Seciune prin circuitul pneumatic;b) Schema de principiu

La funcionare se disting dou situaii:

a) n absena obiectului ce trebuie detectat, are loc un impact ntre cele dou jeturi, astfel c n duza 2 va exista o presiune Pe relativ mare (ce echivaleaz cu semnalul S=1 logic) datorit jetului puternic din duza 1.

b) Aproprierea obiectului ntre duze ntrerupe jetul 1 astfel c jetul din duza 2 devine liber, iar presiunea Pe scade obinnu-se S=0 logic.

Traductorul cu impact de jeturi este folosit n detectarea obiectelor situate la distane relativ mari (circa 200 mm).

Observaie:

Pentru creterea sensibilitii (i implicit a distanei de detecie) se utilizeaz senzori fluidici cu impact de jeturi i 3 (trei) duze, descrise n [2].

Cu un astfel de senzor pot fi detectate obiecte situate la distane de pn la 500 mm.

d) Senzorul de tip "focar"

Acest tip de senzor utilizeaz o duz de forma unui canal circular, alimentat cu o presiune corespunztoare pe circumferina exterioar, figura 5.12.

Fig. 5.12 Senzor de proximitate de tip focar.

n timpul funcionrii se disting dou situaii:

a) n absena obiectului din zona de lucru a traductorului (cnd obiectul de sesizat se afl la o distan mare) jetul creat de presiunea de alimentare (Pa), avnd vitez mare la ieirea din duz, antreneaz masa de aer din zona interioar i face ca la ieire s apar o depresiune.

b) n prezena obiectului se ntrerupe expansiunea jetului, astfel c va apare o component dinamic a presiunii orientat spre interior, nct la ieire presiunea crete (rezultnd o suprapresiune). Distana de detecie este cuprins ntre 26 [mm]. Avantajul esenial al senzorului de tip focar const n imunitatea la impuritile din mediu, deci nu este necesar utilizarea aerului instrumental (preparat n instalaii speciale).

5.6. 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. n cele ce urmeaz se vor prezenta dou exemple de senzori integrai de proximitate realizai n Romnia (la IPRS Bneasa).

5.6.1 Senzorul inductiv integrat de proximitate

Acesta este realizat cu circuitul integrat TCA - 105N a crui schem de principiu (bloc) este dat n figura 5.13. Acesta este capsulat ntr-o carcas tip MP 48 - cu 8 terminale.

Fig. 5.14 Schema bloc a senzorului integrat TCA 105 N

Bornele 2, 3 i 4 reprezint baza, emitorul , respectiv colectorul unui tranzistor care premite realizarea unui oscilator ce lucreaz pe frecvena de 1...5MHz, 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 105-N la circuitul oscilant L, C i la o rezisten de sarcina () este dat n figura 5.14. n funcionarea senzorului, din aceast figur, se disting dou situaii:

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

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

Fig. 5.14 - Conectarea senzorului

TCA 105 N la circuitul LCFig. 5.15 Senzorul de proximitate cu fant.

Caracteristicile principale ale circuitului integrat TCA 105-N, conform [17], sunt date prin urmtoarele valori limit :

Tensiunea de alimentare = +20V ; curent absorbit la ieire = 75mA ; curent de alimentare = 5mA ; frecvena maxim la oscilator = 5MHz.

Schema senzorului inductiv de proximitate cu fant (realizat cu TCA 105-N) este prezentat n figura 5.15. 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 distingdou situaii:

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

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

Observaii:

a) Valorile parametrilor constructivi ai circuitului oscilant (dimensiunea miezurilor de ferit, numrul de spire al bobinelor, valoarea capacitii C etc) sunt date n [17] i depind de mrimea fantei dintre bobine.

5.7. 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 50 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 figura 5.16. Parametri de catalog pentru cele dou serii de circuite integrate (SM 23X i SM 24X) sunt dai n [17]. Din punct de vedere calitativ circuitul SM 24X este superior circuitului SM 23X prin doi parametri electrici:

a) curentul de alimentare (la o inducie de 50 mT) este de 2 mA n cazul circuitului SM 24X, fa de 4,3 mA (7mA) n cazul circuitului SM 23X.

b) tensiunea de alimentare: 7V la SM 24X, fa de 10V (25V) la SM 23X.

Fig. 5.16 Schema bloc a senzorului magnetic comutator de tip SM 23X.

Observaie:

La 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:

a) 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).

b) Dac inducia B scade sub valoarea pragului de blocare, ieirea comutatorului revine n starea iniial, iar tranzistorul de ieire este blocat. ntre pragul de dechidere 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 asenzorului, 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.

Observaii:

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 (-50mT... +50mT).

_1101625263.unknown

_1101630151.unknown

_1101625739.unknown

_1101625776.unknown

_1101625348.unknown

_1101625684.unknown

_1101623504.unknown

_1101625183.unknown

_1101623009.unknown

_1100094141.unknown

_1100094620.unknown

_1100081649.unknown

_1099513998.unknown