CAPITOLUL 5 TRADUCTOARE DE PROXIMITATE În general (în sens larg) proximitatea exprimă gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre care unul reprezintă sistemul de referinţă. Se poate realiza controlul poziţiei unui obiect care se deplasează, fără contact între acesta şi referinţă. În categoria măsurărilor de proximitate intră : - sesizarea capetelor de cursă ; - sesizarea interstiţiului dintre suprafeţe ; - sesizarea prezenţei unui obiect în câmpul de lucru etc. Traductoarele de proximitate au de regulă o caracteristică de tip releu, mărimea de ieşire având variaţii discrete (" tot sau nimic ") discerne între două valori care reprezintă (convenţional) prezenţa sau absenţa corpului controlat. Această particularitate conduce la realizarea compactă a traductorului, elementul sensibil şi adaptorul (ES + AD) fiind plasate în aceeaşi unitate constructivă. 5.1 Traductoare inductive de proximitate Schema de principiu a acestui traductor este dată în figura 5.1. Detectorul are rolul de a converti informaţia asupra poziţiei unui obiect metalic (în raport cu faţa sensibilă) în semnal electric. Blocul adaptor prelucrează semnalul electric de la ieşirea detectorului şi comandă un etaj final cu ieşire pe sarcină de tip releu. Blocul de alimentare furnizează tensiunea necesară circuitelor electronice.
Fig. 5.1 - Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate.
124
Capitolul 5
Oscilatorul din blocul-detector întreţine, prin câmpul magnetic alternativ, oscilaţiile în jurul bobinei ce formează (împreună cu miezul de ferită) faţa sensibilă a detectorului. Când un obiect metalic (cu proprietăţi feromagnetice) intră în câmpul magnetic al detectorului, în masa metalului apar curenţi Foucault care generează, la rândul lor, un câmp magnetic de sens opus câmpului principal pe care îl atenuează puternic şi ca urmare blochează oscilaţiile. Caracteristicile de funcţionare ale traductorului pot fi apreciate în funcţie de valorile cotelor utile, notate în figura 5.2 prin: e – grosimea ecranului metalic (grosimea obiectului detectat); - lăţimea ecranului; L – lungimea ecranului; x – distanţa de la marginea ecranului la centrului feţei sensibile; y – acoperirea feţei sensibile de către ecranul metalic; z – distanţa de la ecran la faţa sensibilă; z N – distanţa nominală de detecţie (sesizare).
Fig.5.2 - Dimensiunile de gabarit ale traductorului inductiv de proximitate.
Principalele caracteristici funcţionale: a) Zona de acţiune,[2] delimitată de valorile [ 3 … 40 ] mm, este cuprinsă între curba de anclanşare (oprirea oscilaţiilor) şi curba de declanşare (pornirea oscilaţiilor); b) Distanţa utilă de detecţie – Z u , influenţată puternic de natura şi dimensiunile obiectului (ecranului), cât şi de variaţia temperaturii, a tensiunii de alimentare şi de dispersiile câmpului magnetic (din fabricaţie). c) Fidelitatea reprezintă toleranţa preciziei de reperare a punctelor de oprire şi pornire a oscilaţiilor, când se menţin constanţi următorii parametri : distanţa, sensul şi viteza de deplasare, temperatura şi tensiunea de alimentare. d) Histerezisul reprezintă cursa (distanţa) dintre punctele de oprire şi de pornire a oscilaţiilor în aceleaşi condiţii (figura 5.3). e) Durata impulsului de ieşire, determinată de viteza deplasării ecranului (obiectului) şi dimensiunile acestuia. Constructiv traductoarele inductive de proximitate se realizează în două variante: 1) cu faţa sensibil inclusă frontal sau lateral în corpul propriu-zis al traductorului ;
Traductoare de proximitate
125
2) cu faţa sensibil separată şi legată prin cablu flexibil de corpul traductorului.
Fig. 5.3 – Histerezisul unui traductor de proximitate
Fig. 5.4 – Traductor magnetic de proximitate
5.2. Traductoare magnetice de proximitate Aceste traductoare au o construcţie simplă şi sunt formate dintr-un contact întrerupător (releu de tip Reed) plasat pe un braţ al unei carcase sub formă de " U " şi un magnet permanent fixat pe celălalt braţ.Trecerea unui obiect metalic printre braţele detectorului (carcasei) modifică liniile de forţă ale magnetului (le ecranează) şi ca urmare contactul releului îşi schimbă starea – figura 5.4. Există variante constructive la care obiectele magnetice pot acţiona direct asupra releului. Observaţie: Când viteza de deplasare a magnetului mobil depăşeşte 10[ m/s ] distanţa nominală de acţionare se reduce cu un coeficient (0,7... 0,9) în funcţie de viteza de lucru. 5.3. Elemente sensibile capacitive pentru traductoare de proximitate În cazul traductoarelor capacitive de proximitate elementul sensibil este format dintr-un condensator care face parte dintr-un circuit oscilant. Prezenţa unui material conductor sau dielectric cu permitivitatea εr >1, la o distanţă z u în raport cu faţa sensibilă a detectorului, modifică capacitatea de cuplaj şi amorsează oscilaţiile, figura 5.5. Funcţionarea este diferită în raport cu natura obiectului controlat. a) La detecţia materialelor conductoare, obiectul a cărui poziţie este controlată formează cu faţa sensibilă un condensator a cărui capacitate creşte odată cu micşorarea distanţei Δx dintre obiect şi faţa sensibilă. b) La detecţia materialelor izolante, faţa sensibilă este un condensator a cărui capacitate creşte, cu atât mai mult, cu cât premitivitatea dielectrică ( εr ) a obiectului controlat este mai mare. Principalele surse de erori le reprezintă variaţiile de temperatură. Observaţie: Pentru evitarea perturbaţiilor, în cazul detectării obiectelor
126
Capitolul 5
metalice, acestea se leagă la pământ.
Fig. 5.5 – Element sensibil capacitiv pentru traducoare de proximitate
5.4 Elemente sensibile fotoelectrice pentru traductoare de proximitate Funcţionarea acestora se bazează pe modificarea fluxului de radiaţii care se stabileşte între o sursă (emiţător) şi un receptor, datorită prezenţei obiectului controlat. Se disting două variante constructive : a) Element sensibil de tip barieră, la care emiţătorul şi receptorul sunt de o parte şi de alta a obiectului controlat, figura 5.6.
Fig. 5.6 – Element sensibil de tip barieră
b) Element sensibil de tip reflector la care fasciculul de radiaţii emis de sursa (E) este transmis spre receptor, situat de aceeaşi parte cu emiţătorul, în raport cu obiectul controlat, prin intermediul unui paravan reflectorizant (reflector). Prezenţa obiectului controlat modifică intensitatea fluxului luminos receptat după reflexie. Dacă obiectul controlat are proprietăţi reflectorizante, atunci el poate juca şi rolul de paravan reflectorizant, (figura 5.7). Sursele emiţătoare (E) pot fi realizate cu diode electroluminiscente (LED) cu fascicul vizibil sau infraroşu (cel mai utilizat) dar şi cu lămpi speciale care au lentilă de focalizare. Receptoarele (R) utilizează fotodiode sau fototranzistoare în domeniul vizibil sau infraroşu, dar pot utiliza şi celule fotovoltaice în domeniul vizibil. Variaţia de semnal electric furnizată de elementul sensibil, datorită modificării poziţiei obiectului detectat – este prelucrată de adaptorul traductorului (care conţine un formator de impulsuri şi un amplificator) apoi
Traductoare de proximitate
127
transmisă elementului de ieşire de tip releu sau contactor static (tiristor sau triac).
Fig. 5.7 – Element sensibil fotoelectric de tip reflector.
Observaţie: Se evită mediile umede care pot aburi lentilele cât şi obiectele strălucitoare (oglinzi) din apropierea zonei de lucru traductorului spre a evita erorile în funcţionarea acestor traductoare. 5.5 Elemente sensibile fluidice pentru traductoarele de proximitate Traductoarele fluidice se caracterizează prin simplitate constructivă şi funcţională. De aceea, aceste traductoare se află în nomenclatorul majorităţii producătorilor mondiali de aparatură fluidică. Principiile funcţionale ale elementelor sensibile fluidice derivă din sesizarea modificării unuia sau a mai multor parametri de stare ai fluidului: presiune, viteză, sens de curgere - sub influenţa corpului a cărui prezenţă trebuie sesizată. Observaţie: Datorită nivelului energetic redus al semnalelor vehiculate în sistemele fluidice, sesizarea proximităţii unui obiect se face fără a perturba starea şi/sau structura obiectului respectiv. Elementele sensibile, frecvent întâlnite în costrucţia traductoarelor fluidice de proximitate, sunt: a) Dispozitiv duză - paletă - întâlnit în construcţia tuturor adaptoarelor pneumatice unde are rol de preamplificator înaintea etajului final de putere.În acelaşi timp dispozitivul duză – paletă este utilizat ca element sensibil al traductorului de proximitate. Principiul de funcţionare şi caracteristica statică a dispozitivului duză – paletă sunt date în figura 5.8. Obiectul detectat joacă rolul paletei (P), iar rezistenţa pneumatică R2 reprezintă duza (D).
128
Capitolul 5
Fig. 5.8 – Dispozitiv duză – paletă: a) – principiul de funcţionare; b) caracteristica statică
Dacă presiunea de alimentare ( Pa ≡ P1 ) este constantă, variaţia presiunii P2 (identică cu presiunea de ieşire Pe ) în funcţie de valoarea distanţei (x) dintre paletă şi duză este prezentată în figura 5.8 – b. Caracteristica statică P2 = f ( x ) este liniară numai în zona AB. Se observă că pentru x = 0, presiunea P 2 are valoare maximă, adică valoarea presiunii de alimentare ( P2 = P1 ), iar dacă x este suficient de mare, presiunea P2 scade la valoare presiunii atmosferice ( P2 ≡ Patm ). În figura 5.9 sunt date modalităţile de apropiere ale obiectului faţă de duză. Aproprierea obiectului, fie printr-o deplasare axială (frontală), fie printr-o deplasare laterală produce variaţia presiunii de ieşire ( Pe ≡ P2 ), astfel că depăşirea unui prag impus pentru variaţia presiunii de ieşire - arată faptul că obiectul este "sesizat ".
Fig. 5.9 - Modalităţi de apropiere a obiectului faţă de duză: a) – deplasare axială; b)- deplasare laterală
O calibrare corespunzătoare a curbelor Pe = f ( x ) sau Pe = f ( y) | x =ct. va indica cu o precizie de maximum 1 [mm] “cât de aproape ” este obiectul sesizat. b) Senzorul de proximitate cu " jet liber " (cu turbulenţă) Acesta este format din două duze coaxiale : duza emiţătoare 1, alimentată de la o sursă de presiune constantă şi duza receptoare 2, figura 5.10. Dacă obiectul ce trebuie detectat, nu se află în spaţiul dintre cele două duze,
Traductoare de proximitate
129
jetul emis de duza 1 este captat de duza 2 şi ca urmare în duza receptoare (2) se obţine un nivel de presiune mare ce corespunde semnalului logic S=”1”(obiectul nu este detectat). Prezenţa obiectului între cele două duze poate întrerupe parţial sau total jetul emis de duza 1.
Fig. 5.10 – Senzor de proximitate cu “jet liber”
O scădere a presiunii în duza receptor 2, sub o anumită limită, determină semnalul logic S =”0 “, deci obiectul este ”detectat”. Principalul dezavantaj al acestui tip de detector constă în sensibilitatea mare la impurităţile din mediu, care sunt antrenate prin jetul de aer şi obturează duza receptor 2. Acest tip de traductor se utilizează pentru interstiţii care nu depăşesc 20 mm. c) Senzorul de proximitate cu impact de jeturi - elimină dezavantajul anterior (referitor la obturarea duzei - receptor cu impurităţi). La acest senzor duza receptoare, din exemplu anterior, este ea însăşi emiţătoarea unui jet care se obţine prin devierea circuitului de alimentare, unde presiunea Pa este micşoartă datorită rezistenţei R. Deci, ambele duze, 1 şi 2, sunt emiţătoare, figura 5.11.
Fig. 5.11 Senzor de proximitate cu impact de jeturi: a) – Secţiune prin circuitul pneumatic;b) – Schema de principiu
La funcţionare se disting două situaţii: a) În absenţa obiectului ce trebuie detectat, are loc un impact între cele două jeturi, astfel că în duza 2 va exista o presiune P e relativ mare (ce
130
Capitolul 5
echivalează cu semnalul S=”1” logic) datorită jetului puternic din duza 1. b) Aproprierea obiectului între duze întrerupe jetul 1 astfel că jetul din duza 2 devine liber, iar presiunea Pe scade obţinânu-se S=”0” logic. Traductorul cu impact de jeturi este folosit în detectarea obiectelor situate la distanţe relativ mari (circa 200 mm). Observaţie: Pentru creşterea sensibilităţii (şi implicit a distanţei de detecţie) se utilizează senzori fluidici cu impact de jeturi şi 3 (trei) duze, descrise în [2]. Cu un astfel de senzor pot fi detectate obiecte situate la distanţe de până la 500 mm. d) Senzorul de tip "focar" Acest tip de senzor utilizează o duză de forma unui canal circular, alimentată cu o presiune corespunzătoare pe circumferinţa exterioară, figura 5.12.
Fig. 5.12 – Senzor de proximitate de tip “focar”.
În timpul funcţionării se disting două situaţii: a) În absenţa obiectului din zona de lucru a traductorului (când obiectul de sesizat se află la o distanţă mare) jetul creat de presiunea de alimentare (P a), având viteză mare la ieşirea din duză, antrenează masa de aer din zona interioară şi face ca la ieşire să apară o depresiune. b) În prezenţa obiectului se întrerupe expansiunea jetului, astfel că va apare o componentă dinamică a presiunii orientată spre interior, încât la ieşire presiunea creşte (rezultând o suprapresiune). Distanţa de detecţie este cuprinsă între 2…6 [mm]. Avantajul esenţial al senzorului de tip “focar” constă în imunitatea la impurităţile din mediu, deci nu este necesară utilizarea aerului instrumental (preparat în instalaţii speciale). 5.6. Traductoare integrate de proximitate. Traductoarele de proximitate realizate cu circuite integrate reprezintă o tendinţă actuală şi de viitor, datorită avantajelor pe care le oferă: gabarit redus, performanţe ridicate, preţ de cost mai mic şi fiabilitate mare. Noţiunea de
Traductoare de proximitate
131
traductor integrat este justificată numai dacă semnalul de la ieşirea acestuia este un semnal unificat, în accepţiunea definiţiei din automatizările industriale. Când această condiţie nu este îndeplinită se poate utiliza denumirea de senzor integrat. În cele ce urmează se vor prezenta două exemple de senzori integraţi de proximitate realizaţi în România (la IPRS Băneasa). 5.6.1 Senzorul inductiv integrat de proximitate Acesta este realizat cu circuitul integrat TCA - 105N a cărui schemă de principiu (bloc) este dată în figura 5.13. Acesta este capsulat într-o carcasă tip MP 48 - cu 8 terminale.
Fig. 5.14– Schema bloc a senzorului integrat TCA 105 – N
Bornele 2, 3 şi 4 reprezintă baza, emitorul , respectiv colectorul unui tranzistor care premite realizarea unui oscilator ce lucrează pe frecvenţa de 1...5MHz, dacă în exterior se montează un circuit adecvat de tip L, C. Schema mai conţine un stabilizator de tensiune care alimentează oscilatorul OSC, blocul comparator cu histerezis, cât şi etajul de amplificare (ieşire). Etajul de ieşire oferă două tensiuni în antifază compatibile TTL (de tip tranzistor având colectorul în gol). În funcţie de amplitudinea oscilaţiilor, unul din tranzistoare este saturat, iar celălalt blocat. Schema tipică de cuplare a senzorului TCA 105-N la circuitul oscilant L, C şi la o rezistenţă de sarcina ( R S ) este dată în figura 5.14. În funcţionarea senzorului, din această figură, se disting două situaţii: a) Când se aproprie un obiect feromagnetic de bobina oscilatorului (simbolizată cu L), ocilaţiile se amortizează, iar rezistenţa de sarcină ( R S ) este conectată la masă. b) După îndepărtarea obiectului feromagnetic, circuitul de intrare începe să oscileze din nou, iar ieşirea decuplează sarcina R S în gol.
Capitolul 5
132
Fig. 5.14 - Conectarea senzorului TCA – 105 N la circuitul LC
Fig. 5.15 – Senzorul de proximitate cu fantă.
Caracteristicile principale ale circuitului integrat TCA 105-N, conform [17], sunt date prin următoarele valori limită : - Tensiunea de alimentare = +20V ; curent absorbit la ieşire = 75mA ; curent de alimentare = 5mA ; frecvenţa maximă la oscilator = 5MHz. Schema senzorului inductiv de proximitate cu fantă (realizat cu TCA 105N) este prezentată în figura 5.15. Circuitul de intrare are configuraţie de oscilator. Oscilaţiile sunt întreţinute de cuplajul inductiv dintre cele două bobine L1 şi L2 plasate pe miezuri de ferită şi poziţionate astfel încât bobinele (având axa de simetrie comună) să aibă între ele o distanţă (fantă) de 3…7 [mm]. În funcţionarea senzorului se distingdouă situaţii: a) În lipsa obiectului (feromagnetic) oscilaţiile, cu frecvenţa de aproximativ 1 MHz, din etajul de intrare menţin ieşirile circuitului în starea " acţionată ". b) La apariţia obiectului metalic în fantă cuplajul magnetic dintre bobine se întrerupe, oscilaţiile se amortizează iar ieşirile trec în starea "blocat ". Observaţii: a) Valorile parametrilor constructivi ai circuitului oscilant (dimensiunea miezurilor de ferită, numărul de spire al bobinelor, valoarea capacităţii C etc) sunt date în [17] şi depind de mărimea fantei dintre bobine. 5.7. Senzorul magnetic integrat de proximitate Termenul "magnetic" derivă de la faptul că acest senzor utilizează un detector de tip element Hall, care sesizează prezenţa câmpurilor magnetice de intensităţi relativ mici (aproximativ 50 mT) şi produce semnale de tensiune de ordinul (1...10) mV. Acest senzor utilizează circuite integrate specializate de fabricaţie românească din seria βSM 23X (X = 1, 2, 3, 4) sau βSM 24X (X = 1, 2) . Aceste circuite integrate, conţin în acelaşi cristal de siliciu atât senzorul Hall, cât şi blocurile de prelucrare a semnalelor oferite de acesta. Denumirea comercială a acestor circuite este “senzori magnetici comutatori”. Schema bloc a unui senzor magnetic de tip βSM 23X; (24X) este prezentată în figura 5.16.
Traductoare de proximitate
133
Parametri de catalog pentru cele două serii de circuite integrate (βSM 23X şi βSM 24X) sunt daţi în [17]. Din punct de vedere calitativ circuitul βSM 24X este superior circuitului βSM 23X prin doi parametri electrici: a) curentul de alimentare (la o inducţie de 50 mT) este de 2 mA în cazul circuitului βSM 24X, faţă de 4,3 mA (7mA) – în cazul circuitului βSM 23X. b) tensiunea de alimentare: 7V – la βSM 24X, faţă de 10V (25V) – la βSM 23X.
Fig. 5.16 – Schema bloc a senzorului magnetic comutator de tip βSM 23X.
Observaţie: La circuitul βSM 24X nu mai există stabilizatorul tensiunii de alimentare, în rest schema este aceeaşi, ca şi la βSM 23X. În funcţionarea acestui senzor se disting două situaţii: a) Dacă este sesizat un câmp magnetic de inducţie B, senzorul Hall furnizează o tensiune diferenţială, proporţională cu B. Această tensiune este preluată de amplificatorul diferenţial care o aplică unui comparator cu histerezis, ce lucrează ca un comutator. Dacă circuitul este plasat într-un câmp magnetic a cărui inducţie depăşeşte valoarea corespunzătoare pragului de deschidere, comparatorul comandă prin intermediul unui amplificator - injecţia unui curent în baza tranzistorului de ieşire, care este adus în saturaţie, deci colectorul său absoarbe un curent important (curentul prin sarcina conectată la borna 3). b) Dacă inducţia B scade sub valoarea pragului de blocare, ieşirea comutatorului revine în starea iniţială, iar tranzistorul de ieşire este blocat. Între pragul de dechidere şi cel de blocare (închidere) există un histerezis, necesar pentru a asigura imunizarea circuitului faţă de zgomote. Principalele căi de basculare a senzorului magnetic comutator, legate direct de aplicaţiile industriale, sunt: • Deplasarea magnetului permanent, care se poate face frontal sau transversal. Pentru funcţionarea corectă asenzorului, cursa magnetului trebuie să depăşească (datorită histerezisului) două distanţe de prag: una la care are loc deschiderea, iar cealaltă la care are loc blocarea. • Ecranarea câmpului unui magnet care se poate realiza printr-o folie
134
Capitolul 5
feromagnetică plasată între sursa de câmp magnetic şi senzor. • Concentrarea câmpului unui magnet ce se poate face prin apropierea unui material feromagnetic în spatele senzorului, care se află într-un câmp magnetic insuficient de intens pentru a produce bascularea. Astfel inducţia magnetică va creşte la o valoare capabilă să basculeze senzorul. Observaţii: În afară de soluţiile menţionate, prin care circuitele βSM 23X sau βSM 24X – sunt utilizate ca senzori de proximitate (limitator de cursă la maşiniunelte, roboţi industriali, periferice de calculatoare etc), există şi aplicaţii în construcţia unor traductoare: - traductor de orizontalitate (sau verticalitate), utilizând un pendul cu magnet; - traductor de nivel având magnetul introdus într-un flotor ce se poate deplasa ghidat prin dreptul senzorului magnetic comutator. -traductor numeric rotativ incremental pentru viteză sau poziţie unghiulară; - traductor de curent (releu de curent pentru protecţie), când senzorul magnetic sesizează depăşirea valorii limită a curentului printr-o înfăşurare. Firmele SPRAGUE, PHILIPS şi MICROSWITCH produc traductoare de proximitate care dau la ieşire o tensiune continuă liniar variabilă cu variaţia inducţiei magnetice B în intervalul (-50mT... +50mT).