Bezkontaktní sníma e polohy induk nostní sníma e

VYSOKÉ UƒENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAƒNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ICÍ TECHNIKY Bezkontaktní sníma e polohy induk nostní sníma e Senzory neelektrických veli in Vypracovali: Ladislav Podivín Daniel Pi²i

1 Fyzikální princip Podle [A04, 196-7] bezkontaktní indukčnostní snímače vytváří ve svém okolí za pomoci budicí cívky střídavé magnetické pole. Pokud se v tomto poli objeví elektricky vodivý snímaný předmět, vybudí v něm toto pole vířivé proudy. Ty jsou však rovněž zdrojem magnetického pole, které působí proti poli, které je příčinou jejich vzniku. V důsledku oslabení magnetického pole snímače dojde k měřitelnému poklesu indukčnosti a tím pádem i impedance jeho budící cívky. Čím je snímaný objekt blíže ke snímači, tím je pokles větší. Dle [C13, 245] je však závislost impedance na vzdálenosti objektu od snímače nelineární a teplotně závislá. Tato nelineární charakteristika se podle [A07, 226] dá aproximovat exponenciálou, přičemž změna polohy snímaného objektu, který je blíže snímači, má za následek větší změnu impedance cívky. Zdroj [A07, 226] uvádí, že v případě, kdy je snímaný objekt z materiálu s vysokou permeabilitou, může jeho přibližováním ke snímači impedance cívky vzrůst z důvodu zesílení magnetického pole cívky. Jsou-li vířivé proudy vyvolané ve snímaném objektu dostatečně silné, nemusí se tento efekt projevit. To by mělo teoreticky platit ve většině případů, bude-li objekt dostatečně rozměrný (viz 1.1). 1.1 Požadavky na snímaný objekt Jak plyne z fyzikálního principu snímače, hlavním požadavkem na snímaný objekt je, aby byl z elektricky vodivého materiálu. Toto omezení lze obejít tak, že se na nevodivý snímaný předmět připevnění fólie z vodivého materiálu o dostatečné tloušt ce - viz dále. Při snímání záleží rovněž na rozměrech objektu. Délka kratší strany objektu (zde se předpokládá objekt, jehož průřez lze aproximovat obdélníkem) by neměla být menší než trojnásobek průměru čela snímače - viz [A04, 197]. Podle [C13, 245] by tloušt ka objektu měla být větší než hodnota průniku magnetického pole pro daný materiál a danou frekvenci magnetického pole snímače. Výpočet hloubky průniku δ se dle stejného zdroje provádí na základě následující rovnice: kde: δ = δ...... hloubka průniku magnetického pole [m] f...... frekvence magnetického pole [Hz] σ...... měrná vodivost snímaného objektu [S m 1 ] µ...... absolutní permeabilita objektu [H m 1 ] 1 πfµ σ (1) 1

Jiný zdroj [A09, 252] uvádí stejný vzorec ovšem ve formě, která je vhodnější pro praktické aplikace: kde: δ...... hloubka průniku magnetického pole [mm] f...... frekvence magnetického pole [Hz] ρ...... měrná rezistivita snímaného objektu [µω cm] µ r...... relativní permeabilita objektu [ ] ρ δ = 50, 3 (2) fµ r Pro ilustraci je v tabulce 1 uvedena hloubka průniku pro ocel v závislosti na frekvenci (tato tabulka je převzata z [C05, 303]). f [MHz] δ [mm] 0,01 0,5 0,1 0,15 1,0 0,05 Tabulka 1: Závislost hloubky průniku na frekvenci pro materiál ocel 2 Provedení snímačů Tato kapitola popisuje, jak využít výše popsaný fyzikální princip k vlastní realizaci snímačů. Jak je již patrno, každý snímač tohoto typu musí bezpodmínečně obsahovat cívku, která generuje střídavé magnetické pole. Podle [C05, 301-2] může být cívka teoreticky vzduchová, v takovém případě by však byl snímač citlivý ve všech směrech, což je nežádoucí. Proto bývá snímací cívka nejčastěji navinuta na hrníčkovém feritovém jádře, které směruje magnetické pole před snímač, tím zvyšuje jeho dosah a zároveň činí snímač citlivějším v podélné ose. Zdroj [C13, 245] dále uvádí, že je vhodné, aby plášt snímače obsahoval stínění, které jednak opět směruje magnetické pole do směru podélné osy a také umožňuje zamontovat snímač do kovového úchytu, aniž by tím byla práce snímače ovlivněna. Konkrétní konstrukční uspořádání závisí na typu snímače. Nejběžnější jsou dvě základní uspořádání - snímače se dvěma cívkami a snímače s LC oscilátorem - dle [A07, 227] se též používá označení ECKO (Eddy Current Killed Oscilator). Popisu těchto dvou kategorií se věnují následující dvě podkapitoly. 2

2.1 Snímače se dvěma cívkami Dle [A05, 264-5] obsahuje sonda tohoto snímače kromě snímací cívky (označována též jako aktivní) ještě jednu stejnou cívku (referenční). Tyto dvě cívky jsou zapojeny do protilehlých ramen měřicího můstku a tím je značně kompenzován vliv teploty na snímač. To však nic nemění na tom, že okolní teplota má vliv na rezistivitu materiálu měřeného objektu, čímž ovlivňuje citlivost snímače pro daný materiál. Zdroj [A09, 251] uvádí, že měřicí impedanční můstek je napájen střídavým proudem obvykle o frekvenci řádově jednotek megahertzů. Při pohledu na výše uvedenou tabulku 1 je smysl použití těchto frekvencí zřejmý. Použití relativně vysokých frekvencí je rovněž výhodné z hlediska šířky pásma senzoru. Změnou impedance snímací cívky výše popsaným mechanismem dojde ke změně napětí výstupu můstku. Výstupní signál je následně demodulován a filtrován. Podle [A04, 198] se tato sorta snímačů dělí ještě na dva podtypy podle toho, zda výstupní signál linearizují. Výstupem senzorů bez linearizace je tedy přímo analogový signál, který je nelineární funkcí vzdálenosti snímaného objektu od čela snímače. Tyto senzory mají vysokou opakovatelnost měření a jsou tedy vhodné pro aplikace, kde se upřednostňuje opakovatelnost nad znalostí konkrétního údaje o vzdálenosti s příslušným fyzikálním rozměrem. Dále jsou vhodné v aplikacích, kde se předpokládá, že bude snímač často rekalibrován. Senzory s linearizovaným výstupem bývají většinou s velkou přesností kalibrovány přímo výrobcem. Jsou vhodné pro aplikace, kde je důležitá znalost přesné hodnoty vzdálenosti s příslušným fyzikálním rozměrem. Blokové schéma tohoto typu snímače je na obrázku 1, který je převzat z [A09, 252]. Aktivní cívka Referenční cívka Demodulátor a filtr Snímaný objekt Obrázek 1: Uspořádání snímače se dvěma cívkami 3

2.2 Snímače s LC oscilátorem Princip této sorty snímačů je dle [C05, 300] následující. Snímací cívka je v tomto případě přímo součásti LC oscilátoru, který za normálních okolností kmitá na své rezonanční frekvenci se stálou amplitudou. Pokud dojde k přiblížení snímaného objektu, je vlivem změny indukčnosti cívky oscilátor rozladěn a jeho výstupní napětí klesá - tzn. oscilace se utlumují. Tyto změny jsou detekovány demodulátorem, který je k oscilátoru připojen. Klesne-li amplituda pod určitou nastavenou mez, spouštěcí obvod změní stav výstupu snímače. Blokové schéma tohoto typu snímače je zobrazeno na obrázku 2, který je nakreslen na základě obrázků z [A04, 346 - obr. 15.1.40] a [C05, 301 - obr. 7-50]. Výstupní signál Oscilátor Demodulátor Spouštěcí obvod Výstupní zesilovač Obrázek 2: Uspořádání snímače s oscilátorem 3 Typické vlastnosti 3.1 Citlivost Citlivost snímače závisí na snímaném materiálu, především pak na jeho vodivosti. Čím je vodivost větší, tím je vyšší citlivost snímače pro daný materiál. Toto je patrné z fyzikálního principu. Z výše uvedeného vyplývá, že je nutné snímač kalibrovat pro použitý materiál snímaného předmětu a pro okolní podmínky, ve kterých bude provozován. 3.2 Linearita a rozlišení Linearita bývá typicky lepší než ±0,5% a rozlišení lepší než 0,05% z plného rozsahu, což je uvedeno v [A11, 139]. 3.3 Šířka pásma Znalost tohoto údaje je důležitá hlavně pro měření rychle se měnících vzdáleností např. pro měření amplitudy mechanických kmitů. Dle [A04, 196] bývá mezní frekvence obvykle 4

vyšší než 80 khz. Naproti tomu [A11, 139] uvádí hodnoty 20-50 khz. Průnikem těchto výroků je tvrzení, že mezní frekvence se obvykle pohybuje v řádu desítek khz. 3.4 Vliv vnějších podmínek Pole [C05, 304] jsou komerčně vyráběné snímače schopny běžně pracovat v teplotních rozsazích od -40 C do 125 C a při tlacích řádově až do desítek megapascalů. Dále jsou schopny odolat rušivým magnetickým polím s magnetickou indukcí až do 40 mt. 3.5 Pracovní rozsah Maximální vzdálenost, kterou je senzor schopen detekovat je určena průměrem snímací cívky, protože velikost cívky má vliv na velikost oblasti, ve které se její pole rozprostře. Podle [A11, 139] bývá poměr dosahu snímače ku průměru cívky roven zhruba hodnotě 0,25. V [A04, 201] je uvedeno, že snímací rozsah bývá výrobcem udáván jedním ze dvou způsobů. Prvním je popis pomocí číselného intervalu např. 2 mm - 3 mm. Druhou možností je udat šířku takovéhoto intervalu (v tomto případě 1 mm) a minimální vzdálenost od čela snímače (2 mm). Většinou se ke stanovení rozsahu snímaných vzdáleností používá normovaná čtvercová destička z měkké oceli třídy 37. Podle [A04, 351] je velikost její strany rovna přůměru čela sondy snímače a její tloušt ka je 1 mm. 3.6 Výstupní signál Výstupní signál je bud napět ový typicky v rozsazích 0-10 V, ±10 V, nebo se na výstupu používá proudová smyčka typicky 0-20 ma nebo 4-20 ma. To neplatí pro snímače s LC oscilátorem, kde se používá dvouhodnotový výstup - např. za použití tranzistoru s otevřeným kolektorem. 4 Srovnání indukčnostních a kapacitních snímačů Vlastnosti snímačů vychází z použitých fyzikálních principů. Zatímco indukčnostní snímače pracují s polem elektromagnetickým, kapacitní snímače pracují s polem elektrostatickým. Základní představu o chování indukčnostních a kapacitních snímačů dává tabulka č. 2, sestavená na základě knihy [A04, 204]. 5

Vlastnost Kapacitní snímače Indukčnostní snímače Typický měřicí rozsah 0.01 mm 10 mm 0.1 mm 15 mm Rozlišovací schopnost 2 nm 2 nm Snímaná plocha 130 % průměru čidla 300 % průměru čidla Typická velikost snímače 800 % měřicího rozsahu 300 % měřicího rozsahu Snímání rotujících objektů Neovlivňuje měření Malé chyby při snímání feromagnetických materiálů Snímaný materiál El. vodivé i nevodivé cíle Pouze elektricky vodivé cíle Materiál v prostoru mezery Citlivý na změny v nevodivém Nezávislý na nevodivém prostoru mezery materiálu v mezeře Cena $$ $ Tabulka 2: Srovnání indukčnostních a kapacitních snímačů 5 Použití indukčnostních snímačů Indukčnostní snímače nacházejí uplatnění v širokém spektru průmyslových aplikací. Jednotlivé aplikace jsou podrobně popsány v knize [A04, 206-210, 216-221], z níž jsou převzaty obrázky použité v této kapitole. V některých případech lze indukčnostní snímač nahradit snímačem kapacitním nebo optickým, v jiných jsou vlastnosti indukčnostních snímačů prakticky nenahraditelné. Příkladem může být měření ve znečištěném průmyslovém prostředí. Indukčnostní snímače nejsou, na rozdíl od kapacitních, závislé na přítomnost nevodivých nečistot v prostoru mezi snímačem a sledovaným objektem. 5.1 Typické použití Dle [C05, 304] je typickým užitím indukčnostních snímačů bezkontaktní měření polohy. Zdroj [A04, 204] upřesňuje, že ve většině případů nejsou indukčnostní snímače používány pro měření absolutních hodnot vzdálenosti. Typickou úlohou je indikace změny výchozí polohy měřeného objektu. 5.2 Linearita výstupu O tom, zda bude v dané aplikaci zapotřebí užít snímač s lineární závislostí výstupní hodnoty na měřené vzdálenosti rozhoduje požadovaná přesnost měření a specifické požadavky úlohy. V případě měření absolutní hodnoty vzdálenosti je vhodné užít snímač s linearizovaným výstupem. V aplikacích, kde postačuje rozlišení mezi několika stavy 6

měřeného objektu, lze díky dobré opakovatelnosti měření užít snímač s nelineárním analogovým výstupem. 5.3 Interpretace výstupní hodnoty snímače Kniha [A04, 204-205] uvádí, jakým způsobem lze interpretovat výstup snímače. V případě užití snímače s linearizovaným výstupem je řešení přímočaré. Měřená vzdálenost je rovna součinu výstupní hodnoty snímače a jeho citlivosti. U snímačů s nelineární závislostí výstupní hodnoty na měřené vzdálenosti lze provést linearizaci v okolí pracovního bodu, případně průběh linearizovat po částech. 5.4 Měření posunu Obrázek 3: Měření posunu Toto je typické použití indukčnostních snímačů [A04, 206]. V případě snímačů s linearizovaným výstupem je výstupní hodnota přímo úměrná vzdálenosti od sledovaného objektu. Řádově lze měřit vzdálenosti od nanometrů po milimetry. Zvláštním případem je kontrola, zda se sledovaný předmět nachází v žádaných mezích. Tato aplikace nevyžaduje lineární závislost výstupní hodnoty snímače na vzdálenosti od měřeného objektu. Alternativou je užití dvou snímačů s binárním výstupem. 5.5 Nerovnost povrchu Obrázek 4: Měření nerovnosti povrchu 7

Tato aplikace zpravidla žádá užití několika indukčnostních snímačů. Jednotlivé snímače měří vzdálenosti od jednotlivých částí měřeného objektu. Výsledný obraz získaný složením hodnot naměřených všemi snímači je možno dále vyhodnotit počítačem nebo zobrazit přímo operátorům. 5.6 Teplotní roztažnost Díky vysoké rozlišovací schopnosti indukčnostních snímačů lze tyto použít ke sledování vlivu teploty na rozměry sledovaného předmětu. Toto měření nalezne uplatnění u přesných strojů generujících velké množství tepla, případně strojů vystavených velkým výkyvům okolní teploty. 5.7 Tloušt ka materiálu Obrázek 5: Měření tloušt ky materiálu První možností je měřit vzdálenost od sledovaného objektu položeného na referenční podložce. Nevýhodou je nižší přesnost měření. Je zapříčiněna nečistotami a dalšími faktory ovlivňujícími míru dosednutí měřeného materiálu na podložku. Vyšší přesnosti dosáhneme použitím dvou indukčnostních snímačů v diferenčním zapojení, jak je patrno z obrázku č. 5. Tato konfigurace potlačuje chyby způsobené pohybem měřeného objektu mezi snímači. Při výběru snímačů je třeba zohlednit hloubku vniku magnetického pole do měřeného objektu. 5.8 Kontrola sestavení výrobků Indukčnostní snímače lze využít ke kontrole přítomnosti kovové části ve výrobku i v případě, že je skryta pod elektricky nevodivým obalem. V této aplikaci lze využít snímače s binárním výstupem. Řešení s analogovým snímačem však přináší širší možnosti vyhodnocení. 8

Obrázek 6: Kontrola sestavení výrobků 5.9 Vibrace Vibrace lze chápat jako změnu polohy sledovaného objektu v závislosti na čase. Závislost výstupu snímače na čase lze sledovat osciloskopem nebo snímat data-akviziční kartou za účelem číslicového zpracování. Obrázek 7: Měření vibrací 5.10 Pohyb hřídele Tato aplikace žádá snímač fungující v prostředí s výskytem oleje a nečistot znemožňujících užití kapacitních snímačů. Chyby při měření rotujících feromagnetických objektů nejsou nulové, nicméně v mnoha případech zanedbatelné, většinou jsou menší než 1 mikrometr. 9

5.11 Válcový lis Obrázek 8: Měření vzdálenosti mezi válci rotačního lisu Přesnost a odolnost vůči nečistotám dovoluje nasazení indukčnostních snímačů v lisu s rotujícími válci. Snímače měří vzdálenost mezi válci lisu. Konfigurace je znázorněna na obrázku č. 8. 5.12 Tloušt ka nátěru elektricky vodivého materiálu Tato aplikace využívá ve svůj prospěch rozdílných vlastností indukčnostního a kapacitního snímače. Kapacitní snímač měří vzdálenost k povrchu natřeného materiálu, jeho výstupní hodnota je na tloušt ce nátěru závislá. Výstupní hodnota indukčnostního snímače není elektricky nevodivým nátěrem ovlivněna, snímač měří vzdálenost až k elektricky vodivému základnímu materiálu. Tloušt ka nátěru se určí z rozdílu hodnot naměřených jednotlivými snímači. Reference A01-03, A06, A08, A10, C01-04, C06-C17 - nezmiňují se A04 str. 196-197 princip, 197 požadavky na snímaný předmět, 198-199 typy snímačů, 200-203 terminologie/vlastnosti, 203-220 srovnání s kapacitními snímači a aplikace, 349-358 problematika on/off snímačů s LC oscilátorem A05 str. 264-266 princip, vlastnosti, použití A07 str. 225-229 princip, vlastnosti, použití A09 str. 251-253 princip, vlastnosti, použití A11 str. 136-139 princip, vlastnosti, použití C05 str. 297-299 princip, 299-304 aplikace, konstrukce, aplikace C13 str. 244-246 princip, vlastnosti, použití 10