TRADUCTOARE DE PROXIMITATE

TRADUCTOARE DE PROXIMITATE

In general (in sens larg) proximitatea exprima gradul de apropiere dintre doua obiecte, dintre care unul reprezinta sistemul de referinta.

Se poate realiza controlul pozitiei unui obiect care se deplaseaza, fara contact intre acesta si referinta.

In categoria masurarilor de proximitate intra :

sesizarea capetelor de cursa ;

sesizarea interstitiului dintre suprafete ;

sesizarea prezentei unui obiect in campul de lucru etc.

Traductoarele de proximitate au de regula o caracteristica de tip releu, marimea de iesire avand variatii discrete (' tot sau nimic ') discerne intre doua valori care reprezinta (conventional) prezenta sau absenta corpului controlat.

Aceasta particularitate conduce la realizarea compacta a traductorului, elementul sensibil si adaptorul (ES + AD) fiind plasate in aceeasi unitate constructiva.

Traductoare inductive de proximitate

Schema de principiu a acestui traductor este data in figura 1. Detectorul are rolul de a converti informatia asupra pozitiei unui obiect metalic (in raport cu fata sensibila) in semnal electric. Blocul adaptor prelucreaza semnalul electric de la iesirea detectorului si comanda un etaj final cu iesire pe sarcina de tip releu. Blocul de alimentare furnizeaza tensiunea necesara circuitelor electronice.

Fig. 1 - Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate.

Oscilatorul din blocul-detector intretine, prin campul magnetic alternativ, oscilatiile in jurul bobinei ce formeaza (impreuna cu miezul de ferita) fata sensibila a detectorului.

Cand un obiect metalic (cu proprietati feromagnetice) intra in campul magnetic al detectorului, in masa metalului apar curenti Foucault care genereaza, la randul lor, un camp magnetic de sens opus campului principal pe care il atenueaza puternic si ca urmare blocheaza oscilatiile.

Caracteristicile de functionare ale traductorului pot fi apreciate in functie de valorile cotelor utile, notate in figura 2 prin: e - grosimea ecranului metalic (grosimea obiectului detectat); l - latimea ecranului; L - lungimea ecranului; x - distanta de la marginea ecranului la centrului fetei sensibile; y - acoperirea fetei sensibile de catre ecranul metalic; z - distanta de la ecran la fata sensibila; z_N - distanta nominala de detectie (sesizare).

Fig.2 - Dimensiunile de gabarit ale traductorului inductiv de proximitate.

Principalele caracteristici functionale

a) Zona de actiune,[2] delimitata de valorile [ 3 . 40 ] mm, este cuprinsa intre curba de anclansare (oprirea oscilatiilor) si curba de declansare (pornirea oscilatiilor);

b) Distanta utila de detectie - , influentata puternic de natura si dimensiunile obiectului (ecranului), cat si de variatia temperaturii, a tensiunii de alimentare si de dispersiile campului magnetic (din fabricatie).

c) Fidelitatea reprezinta toleranta preciziei de reperare a punctelor de oprire si pornire a oscilatiilor, cand se mentin constanti urmatorii parametri : distanta, sensul si viteza de deplasare, temperatura si tensiunea de alimentare.

d) Histerezisul reprezinta cursa (distanta dintre punctele de oprire si de pornire a oscilatiilor in aceleasi conditii (figura 3).

e) Durata impulsului de iesire, determinata de viteza deplasarii ecranului (obiectului) si dimensiunile acestuia.

Constructiv traductoarele inductive de proximitate se realizeaza in doua variante:

cu fata sensibil inclusa frontal sau lateral in corpul propriu-zis al traductorului ;

cu fata sensibil separata si legata prin cablu flexibil de corpul traductorului.

Traductoare magnetice de proximitate

Aceste traductoare au o constructie simpla si sunt formate dintr-un contact intrerupator (releu de tip Reed) plasat pe un brat al unei carcase sub forma de ' U ' si un magnet permanent fixat pe celalalt brat.Trecerea unui obiect metalic printre bratele detectorului (carcasei) modifica liniile de forta ale magnetului (le ecraneaza) si ca urmare contactul releului isi schimba starea - figura 4. Exista variante constructive la care obiectele magnetice pot actiona direct asupra releului.

Observatie: Cand viteza de deplasare a magnetului mobil depaseste 10[ m/s ] - distanta nominala de actionare se reduce cu un coeficient (0,7 0,9) in functie de viteza de lucru.

3. Elemente sensibile capacitive pentru traductoare de proximitate

In cazul traductoarelor capacitive de proximitate elementul sensibil este format dintr-un condensator care face parte dintr-un circuit oscilant. Prezenta unui material conductor sau dielectric cu permitivitatea >1, la o distanta in raport cu fata sensibila a detectorului, modifica capacitatea de cuplaj si amorseaza oscilatiile, figura

Functionarea este diferita in raport cu natura obiectului controlat.

a)      La detectia materialelor conductoare, obiectul a carui pozitie este controlata formeaza cu fata sensibila un condensator a carui capacitate creste odata cu micsorarea distantei Δx dintre obiect si fata sensibila.

b)      La detectia materialelor izolante, fata sensibila este un condensator a carui capacitate creste, cu atat mai mult, cu cat premitivitatea dielectrica () a obiectului controlat este mai mare.

Principalele surse de erori le reprezinta variatiile de temperatura.

Observatie: Pentru evitarea perturbatiilor, in cazul detectarii obiectelor metalice, acestea se leaga la pamant.

Fig. 5 - Element sensibil capacitiv pentru traducoare de proximitate

Elemente sensibile fotoelectrice pentru traductoare de proximitate

Functionarea acestora se bazeaza pe modificarea fluxului de radiatii care se stabileste intre o sursa (emitator) si un receptor, datorita prezentei obiectului controlat. Se disting doua variante constructive :

a) Element sensibil de tip bariera, la care emitatorul si receptorul sunt de o parte si de alta a obiectului controlat, figura 6.

Fig. 6 - Element sensibil de tip bariera

b) Element sensibil de tip reflector la care fasciculul de radiatii emis de sursa (E) este transmis spre receptor, situat de aceeasi parte cu emitatorul, in raport cu obiectul controlat, prin intermediul unui paravan reflectorizant (reflector).

Prezenta obiectului controlat modifica intensitatea fluxului luminos receptat dupa reflexie.

Daca obiectul controlat are proprietati reflectorizante, atunci el poate juca si rolul de paravan reflectorizant, (figura 7).

Sursele emitatoare (E) pot fi realizate cu diode electroluminiscente (LED) cu fascicul vizibil sau infrarosu (cel mai utilizat) dar si cu lampi speciale care au lentila de focalizare. Receptoarele (R) utilizeaza fotodiode sau fototranzistoare in domeniul vizibil sau infrarosu, dar pot utiliza si celule fotovoltaice in domeniul vizibil. Variatia de semnal electric furnizata de elementul sensibil, datorita modificarii pozitiei obiectului detectat - este prelucrata de adaptorul traductorului (care contine un formator de impulsuri si un amplificator) apoi transmisa elementului de iesire de tip releu sau contactor static (tiristor sau triac).

Fig. 7 - Element sensibil fotoelectric de tip reflector.

Observatie: Se evita mediile umede care pot aburi lentilele cat si obiectele stralucitoare (oglinzi) din apropierea zonei de lucru traductorului spre a evita erorile in functionarea acestor traductoare.

5 Elemente sensibile fluidice pentru traductoarele de proximitate

Traductoarele fluidice se caracterizeaza prin simplitate constructiva si functionala. De aceea, aceste traductoare se afla in nomenclatorul majoritatii producatorilor mondiali de aparatura fluidica.

Principiile functionale ale elementelor sensibile fluidice deriva din sesizarea modificarii unuia sau a mai multor parametri de stare ai fluidului: presiune, viteza, sens de curgere - sub influenta corpului a carui prezenta trebuie sesizata.

Observatie: Datorita nivelului energetic redus al semnalelor vehiculate in sistemele fluidice, sesizarea proximitatii unui obiect se face fara a perturba starea si/sau structura obiectului respectiv.

Elementele sensibile, frecvent intalnite in costructia traductoarelor fluidice de proximitate, sunt:

a)    Dispozitiv duza - paleta - intalnit in constructia tuturor adaptoarelor pneumatice unde are rol de preamplificator inaintea etajului final de putere.In acelasi timp dispozitivul duza - paleta este utilizat ca element sensibil al traductorului de proximitate.

Principiul de functionare si caracteristica statica a dispozitivului duza - paleta sunt date in figura 8. Obiectul detectat joaca rolul paletei (P), iar rezistenta pneumatica R₂ reprezinta duza (D).

Fig. 8 - Dispozitiv duza - paleta: a) - principiul de functionare;

b) caracteristica statica

Daca presiunea de alimentare () este constanta, variatia presiunii P₂ (identica cu presiunea de iesire ) in functie de valoarea distantei (x) dintre paleta si duza este prezentata in figura 8 - b. Caracteristica statica este liniara numai in zona AB. Se observa ca pentru x = 0, presiunea P₂ are valoare maxima, adica valoarea presiunii de alimentare (), iar daca x este suficient de mare, presiunea P₂ scade la valoare presiunii atmosferice (). In figura 9 sunt date modalitatile de apropiere ale obiectului fata de duza. Aproprierea obiectului, fie printr-o deplasare axiala (frontala), fie printr-o deplasare laterala produce variatia presiunii de iesire (), astfel ca depasirea unui prag impus pentru variatia presiunii de iesire - arata faptul ca obiectul este 'sesizat '.

Fig. 9 - Modalitati de apropiere a obiectului fata de duza: a) - deplasare axiala;

b)- deplasare laterala

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

b) Senzorul de proximitate cu ' jet liber ' (cu turbulenta)

Acesta este format din doua duze coaxiale : duza emitatoare 1, alimentata de la o sursa de presiune constanta si duza receptoare 2, figura 10.

Daca obiectul ce trebuie detectat, nu se afla in spatiul dintre cele doua duze, jetul emis de duza 1 este captat de duza 2 si ca urmare in duza receptoare (2) se obtine un nivel de presiune mare ce corespunde semnalului logic S="1"(obiectul nu este detectat). Prezenta obiectului intre cele doua duze poate intrerupe partial sau total jetul emis de duza 1.

Fig. 10 - Senzor de proximitate cu "jet liber"

O scadere a presiunii in duza receptor 2, sub o anumita limita, determina semnalul logic S ="0 ", deci obiectul este "detectat".

Principalul dezavantaj al acestui tip de detector consta in sensibilitatea mare la impuritatile din mediu, care sunt antrenate prin jetul de aer si obtureaza duza receptor 2.

Acest tip de traductor se utilizeaza pentru interstitii care nu depasesc 20 mm.

c) Senzorul de proximitate cu impact de jeturi - elimina dezavantajul anterior (referitor la obturarea duzei - receptor cu impuritati).

La acest senzor duza receptoare, din exemplu anterior, este ea insasi emitatoarea unui jet care se obtine prin devierea circuitului de alimentare, unde presiunea P_a este micsoarta datorita rezistentei R. Deci, ambele duze, 1 si 2, sunt emitatoare, figura 11.

Fig. 11 Senzor de proximitate cu impact de jeturi:

a)      - Sectiune prin circuitul pneumatic;b) - Schema de principiu

La functionare se disting doua situatii:

a) In absenta obiectului ce trebuie detectat, are loc un impact intre cele doua jeturi, astfel ca in duza 2 va exista o presiune P_e relativ mare (ce echivaleaza cu semnalul S="1" logic) datorita jetului puternic din duza 1.

b) Aproprierea obiectului intre duze intrerupe jetul 1 astfel ca jetul din duza 2 devine liber, iar presiunea P_e scade obtinanu-se S="0" logic.

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

Observatie:

Pentru cresterea sensibilitatii (si implicit a distantei de detectie) se utilizeaza senzori fluidici cu impact de jeturi si 3 (trei) duze, descrise in [2].

Cu un astfel de senzor pot fi detectate obiecte situate la distante de pana la 500 mm.

d) Senzorul de tip 'focar'

Acest tip de senzor utilizeaza o duza de forma unui canal circular, alimentata cu o presiune corespunzatoare pe circumferinta exterioara, figura 12.

Fig. 12 - Senzor de proximitate de tip "focar".

In timpul functionarii se disting doua situatii:

a) In absenta obiectului din zona de lucru a traductorului (cand obiectul de sesizat se afla la o distanta mare) jetul creat de presiunea de alimentare (P_a), avand viteza mare la iesirea din duza, antreneaza masa de aer din zona interioara si face ca la iesire sa apara o depresiune.

b) In prezenta obiectului se intrerupe expansiunea jetului, astfel ca va apare o componenta dinamica a presiunii orientata spre interior, incat la iesire presiunea creste (rezultand o suprapresiune). Distanta de detectie este cuprinsa intre 2.6 [mm]. Avantajul esential al senzorului de tip "focar" consta in imunitatea la impuritatile din mediu, deci nu este necesara utilizarea aerului instrumental (preparat in instalatii speciale).

6. Traductoare integrate de proximitate.

Traductoarele de proximitate realizate cu circuite integrate reprezinta o tendinta actuala si de viitor, datorita avantajelor pe care le ofera: gabarit redus, performante ridicate, pret de cost mai mic si fiabilitate mare. Notiunea de traductor integrat este justificata numai daca semnalul de la iesirea acestuia este un semnal unificat, in acceptiunea definitiei din automatizarile industriale. Cand aceasta conditie nu este indeplinita se poate utiliza denumirea de senzor integrat. In cele ce urmeaza se vor prezenta doua exemple de senzori integrati de proximitate realizati in Romania (la IPRS Baneasa).

6.1 Senzorul inductiv integrat de proximitate

Acesta este realizat cu circuitul integrat TCA - 105N a carui schema de principiu (bloc) este data in figura 13. Acesta este capsulat intr-o carcasa tip MP 48 - cu 8 terminale.

Fig. 14 Schema bloc a senzorului integrat TCA 105 - N

Bornele 2, 3 si 4 reprezinta baza, emitorul , respectiv colectorul unui tranzistor care premite realizarea unui oscilator ce lucreaza pe frecventa de 15MHz, daca in exterior se monteaza un circuit adecvat de tip L, C. Schema mai contine un stabilizator de tensiune care alimenteaza oscilatorul OSC, blocul comparator cu histerezis, cat si etajul de amplificare (iesire).

Etajul de iesire ofera doua tensiuni in antifaza compatibile TTL (de tip tranzistor avand colectorul in gol). In functie de amplitudinea oscilatiilor, unul din tranzistoare este saturat, iar celalalt blocat.

Schema tipica de cuplare a senzorului TCA 105-N la circuitul oscilant L, C si la o rezistenta de sarcina () este data in figura 14. In functionarea senzorului, din aceasta figura, se disting doua situatii:

a)       Cand se aproprie un obiect feromagnetic de bobina oscilatorului (simbolizata cu L), ocilatiile se amortizeaza, iar rezistenta de sarcina () este conectata la masa.

b)       Dupa indepartarea obiectului feromagnetic, circuitul de intrare incepe sa oscileze din nou, iar iesirea decupleaza sarcina in gol.

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

Tensiunea de alimentare = +20V ; curent absorbit la iesire = 75mA ; curent de alimentare = 5mA ; frecventa maxima la oscilator = 5MHz.

Schema senzorului inductiv de proximitate cu fanta (realizat cu TCA 105-N) este prezentata in figura 1 Circuitul de intrare are configuratie de oscilator. Oscilatiile sunt intretinute de cuplajul inductiv dintre cele doua bobine L₁ si L₂ plasate pe miezuri de ferita si pozitionate astfel incat bobinele (avand axa de simetrie comuna) sa aiba intre ele o distanta (fanta) de 3.7 [mm].

In functionarea senzorului se distingdoua situatii:

a) In lipsa obiectului (feromagnetic) oscilatiile, cu frecventa de aproximativ 1 MHz, din etajul de intrare mentin iesirile circuitului in starea ' actionata '.

b) La aparitia obiectului metalic in fanta cuplajul magnetic dintre bobine se intrerupe, oscilatiile se amortizeaza iar iesirile trec in starea 'blocat '.

Observatii:

a)      Valorile parametrilor constructivi ai circuitului oscilant (dimensiunea miezurilor de ferita, numarul de spire al bobinelor, valoarea capacitatii C etc) sunt date in [17] si depind de marimea fantei dintre bobine.

Senzorul magnetic integrat de proximitate

Termenul 'magnetic' deriva de la faptul ca acest senzor utilizeaza un detector de tip element Hall, care sesizeaza prezenta campurilor magnetice de intensitati relativ mici (aproximativ 50 mT) si produce semnale de tensiune de ordinul (110) mV. Acest senzor utilizeaza circuite integrate specializate de fabricatie romaneasca din seria βSM 23X (X = 1, 2, 3, 4) sau βSM 24X (X = 1, 2) .

Aceste circuite integrate, contin in acelasi cristal de siliciu atat senzorul Hall, cat si blocurile de prelucrare a semnalelor oferite de acesta. Denumirea comerciala a acestor circuite este "senzori magnetici comutatori". Schema bloc a unui senzor magnetic de tip βSM 23X; (24X) este prezentata in figura 16. Parametri de catalog pentru cele doua serii de circuite integrate (βSM 23X si βSM 24X) sunt dati in [17]. Din punct de vedere calitativ circuitul βSM 24X este superior circuitului βSM 23X prin doi parametri electrici:

a)      curentul de alimentare (la o inductie de 50 mT) este de 2 mA in cazul circuitului βSM 24X, fata de 4,3 mA (7mA) - in cazul circuitului βSM 23X.

b) tensiunea de alimentare: 7V - la βSM 24X, fata de 10V (25V) - la βSM 23X.

Fig. 16 - Schema bloc a senzorului magnetic comutator de tip βSM 23X.

Observatie

La circuitul βSM 24X nu mai exista stabilizatorul tensiunii de alimentare, in rest schema este aceeasi, ca si la βSM 23X.

In functionarea acestui senzor se disting doua situatii:

a) Daca este sesizat un camp magnetic de inductie B, senzorul Hall furnizeaza o tensiune diferentiala, proportionala cu B. Aceasta tensiune este preluata de amplificatorul diferential care o aplica unui comparator cu histerezis, ce lucreaza ca un comutator. Daca circuitul este plasat intr-un camp magnetic a carui inductie depaseste valoarea corespunzatoare pragului de deschidere, comparatorul comanda prin intermediul unui amplificator - injectia unui curent in baza tranzistorului de iesire, care este adus in saturatie, deci colectorul sau absoarbe un curent important (curentul prin sarcina conectata la borna 3).

b) Daca inductia B scade sub valoarea pragului de blocare, iesirea comutatorului revine in starea initiala, iar tranzistorul de iesire este blocat. Intre pragul de dechidere si cel de blocare (inchidere) exista un histerezis, necesar pentru a asigura imunizarea circuitului fata de zgomote. Principalele cai de basculare a senzorului magnetic comutator, legate direct de aplicatiile industriale, sunt:

Deplasarea magnetului permanent, care se poate face frontal sau transversal. Pentru functionarea corecta asenzorului, cursa magnetului trebuie sa depaseasca (datorita histerezisului) doua distante de prag: una la care are loc deschiderea, iar cealalta la care are loc blocarea.

Ecranarea campului unui magnet care se poate realiza printr-o folie feromagnetica plasata intre sursa de camp magnetic si senzor.

Concentrarea campului unui magnet ce se poate face prin apropierea unui material feromagnetic in spatele senzorului, care se afla intr-un camp magnetic insuficient de intens pentru a produce bascularea. Astfel inductia magnetica va creste la o valoare capabila sa basculeze senzorul.

Observatii:

In afara de solutiile mentionate, prin care circuitele βSM 23X sau βSM 24X - sunt utilizate ca senzori de proximitate (limitator de cursa la masini-unelte, roboti industriali, periferice de calculatoare etc), exista si aplicatii in constructia unor traductoare:

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

- traductor de nivel avand magnetul introdus intr-un flotor ce se poate deplasa ghidat prin dreptul senzorului magnetic comutator.

-traductor numeric rotativ incremental pentru viteza sau pozitie unghiulara;

- traductor de curent (releu de curent pentru protectie), cand senzorul magnetic sesizeaza depasirea valorii limita a curentului printr-o infasurare.

Firmele SPRAGUE, PHILIPS si MICROSWITCH produc traductoare de proximitate care dau la iesire o tensiune continua liniar variabila cu variatia inductiei magnetice B in intervalul (-50mT +50mT).