Безусловное первое место по применению в технике автоматизации занимают дискретные датчики положения или концевые выключатели. Практически каждое исполнительное устройство имеет два таких датчика, а если оно занимает промежуточные позиции, то соответственно больше.
Концевые выключатели
Контактные концевые выключатели монтируются отдельно от исполнительного устройства и переключаются за счет воздействия его подвижного элемента (штока, каретки, кулачка и т.п.) на их толкатель или рычаг с роликом. Рычаг может быть и ломающимся, чтобы выключатель срабатывал при воздействии на него только с одного направления.
Контактные электрические концевые выключатели: внешний вид, типовая конструкция, обозначение
Такие выключатели используются только в системах с жесткой логикой. Сам контакт внутри выключателя может быть нормально открытым (НО), нормально замкнутым (НЗ) или переключающимся, который в зависимости от ситуации может использоваться как НО или как НЗ.
Кроме не очень удобного расположения, часто требующего дополнительных конструкторских, производственных и монтажных работ, недостатками механических концевых выключателей являются большие габариты и низкий ресурс работы – каких-нибудь пару миллионов циклов. К тому же, расположенные часто открыто и не имея из- за подвижных элементов высокого класса защиты IP, они могут выйти из строя и раньше положенного срока – из-за неблагоприятной окружающей среды или случайного механического повреждения.
Пневматические концевые выключатели
Существуют и пневматические концевые выключатели, реализованные на базе нормально закрытого 3/2-распределителя (иногда используются 4/2 и 5/2-распределители).
Бесконтактные датчики положения
В настоящее время гораздо чаще применяются монтируемые на корпусе цилиндра и реагирующие на поле постоянного магнита бесконтактные датчики положения, по-другому называемые магнитные датчики положения. В зависимости от принципа действия конструктивно они могут иметь внутри подвижные контакты или обходиться без них.
Внешний вид типичного бесконтактного датчика положения
Герконы
К первым относят так называемые «герконы» (от «герметичный контакт»). Конструктивно они состоят из пары контактов, размещенных в герметичной стеклянной колбе, заполненной инертным газом. Эта колба, облитая смолой для большей прочности, обычно видна со стороны внутренней поверхности датчика, которой они прижимаются к корпусу цилиндра.
При приближении поршня с магнитом магнитное поле заставляет нормально открытые контакты геркона замыкаться, давая возможность току протекать через датчик. В нормально замкнутых герконах контакты удерживаются в исходном положении с помощью небольших встроенных магнитов. Внешнее магнитное поле преодолевает слабое внутреннее, и контакты размыкаются.
Конструкция и электрические схемы герконовых датчиков
Рабочее напряжение герконов может быть 5…30 В постоянного тока или до 250 В переменного. Они могут снабжаться светодиодом состояния, который горит при наличии сигнала, иметь два или три провода для подключения.
Многие герконы получают защиту от смены полярности, от короткого замыкания и подгорания контактов при размыкании. Герконы могут выпускаться в термостойком (до +120°С, обычный диапазон от –20 до +60…70°С), коррозионностойком и взрывозащищенном исполнении. Класс защиты IP65 или IP67.
Основное достоинство герконов – невысокая цена и относительно большой пропускаемый ток (до 500 мА), а главным недостатком является низкий ресурс. В среднем они нарабатывают 10…20 млн. циклов, а самые совершенные из них – до 100 млн. циклов. Длина кабеля ограничена 10 метрами, иначе из-за большой емкостной нагрузки ресурс контактов резко снижается.
Электронные (твердотельные) датчики положения
В отличие от герконов электронные датчики положения являются полностью бесконтактными – у них нет подвижных частей. Внешне они практически не отличимы от своих герконовых аналогов, и только поверхность, которой они прижимаются к приводу, является гладкой и непрозрачной.
В зависимости от используемого физического эффекта они делятся на магниторезистивные, индуктивные и датчики Холла. Часто такие датчики называют твердотельными. Первые два типа применяются как дискретные концевые выключатели, а датчики Холла чаще используются для измерения перемещения, т.е. имеют аналоговый выход.
Магниторезистивные датчики
В магниторезистивных датчиках поле постоянного магнита вызывает изменение омического сопротивления за счет искривления (т.е. удлинения) пути движения электрических зарядов. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах.
Типовой магниторезистор представляет собой полупроводниковую полоску с выводами, расположенную на подложке. Поскольку сопротивление такой полоски очень мало, несколько полосок соединяют, например, по мостовой схеме или последовательно.
Конструкция магниторезистивного датчика
Индуктивные датчики
Индуктивные датчики относятся к генераторному типу. Встроенный осциллятор (катушка индуктивности) генерирует магнитное поле, которое изменяется под действием постоянного магнита. Необходимую длительность сигнала и гистерезис при переключении обеспечивает триггер, а усилитель позволяет увеличить до необходимого значения амплитуду сигнала.
Обычный индуктивный датчик реагирует на токопроводящие материалы, поэтому в датчиках для цилиндров приняты меры, чтобы они переключались только под действием магнитного поля и не реагировали на корпус цилиндра.
В том случае, когда исполнительное устройство не имеет магнита, но имеет пазы в корпусе, можно использовать традиционные индуктивные датчики. Чувствительная поверхность такого датчика ориентирована наружу и срабатывает на внешний металлический флажок, связанный, например, с кареткой бесштокового цилиндра.
Поскольку флажок перекрывает часть датчика, используются два светодиода, один из которых будет виден, с какой бы стороны не приближался флажок. Чувствительная зона располагается между этими светодиодами.
Но датчики этого типа нельзя использовать для контроля промежуточного положения привода, поскольку при подходе флажка с разного направления они включаются разными его кромками. Т.е. сигнал с датчика будет поступать при разном положении подвижного элемента привода, и разница составит как раз ширину флажка.
Поэтому чаще всего такие датчики, имеющие НЗ контакт, применяются на быстродействующих приводах в качестве аварийных ограничителей. В этом случае их ставят на некотором безопасном расстоянии от упоров привода, и при срабатывании датчика система или ее часть обесточивается. В электромеханических приводах такие индуктивные датчики используются не только как аварийные ограничители, но и в качестве датчика ссылки, от которого начинается отчет системы координат.
Датчики Холла
Датчики Холла используют явление взаимодействия перемещающихся электрических зарядов с магнитным полем. Если пластину, через которую протекает постоянный ток, поместить в магнитное поле перпендикулярно его линиям, на ее краях возникает разность потенциалов (напряжение Холла). Это напряжение пропорционально току и индукции магнитного поля. При постоянном значении тока, протекающего через пластину, оно определяется только значением индукции магнитного поля, в данном случае – расстоянием до магнита.
Чувствительные элементы таких датчиков изготовляются из тонких полупроводниковых пластинок или пленок, которые наклеиваются или напыляются на подложки и снабжаются выводами для внешних подключений.
Одним из типовых мест применения датчиков Холла являются захваты, где нужно получать информацию о 3…4 позициях подвижных губок, а габариты ограничены. Такой датчик выдает аналоговый сигнал, который с помощью блока оценки (аналого-цифрового преобразователя) превращается в нужное количество дискретных: захват открыт, захват закрыт, захват с зажатой деталью и т.п.
Аналоговый датчик перемещения, устанавливаемый в захват
Но главная область применения датчиков Холла это измерение перемещения поршня цилиндра на некотором расстоянии, равном длине корпуса датчика. Такие датчики устанавливаются в Т-образном пазу, как и дискретные.
Выходной сигнал может меняться в диапазоне 0…10 В или 4…20 мА, а длина корпуса (диапазон измерения) может превышать 250 мм. По остальным параметрам они практически не отличаются от рассмотренных выше датчиков положения.
Отличия PNP от NPN выхода
Твердотельные датчики отличаются по полярности выходного напряжения. В датчиках с положительным переключением (реализованы на PNP-транзисторах) выходное напряжение равно нулю, если поблизости нет магнитного поля. А когда датчик под действием магнита на поршне переключается, на его выходе появляется напряжение. Такой тип датчиков распространен в Европе.
В Азии, в первую очередь в Японии, используют NPN-датчики, у которых в исходном состоянии выходное напряжение равно напряжению питания, а при переключении падает до нуля. Достоинством последних датчиков является то, что обрыв провода в них диагностируется в исходном положении, а не при активации, и скорость переключения в NPN-устройствах выше.
Схемы датчиков с PNP и NPN выходом
Можно сказать и так: у PNP-датчика выходной сигнал является «+», а у NPN-датчика он является «–». Соответственно этому происходит подключение к нагрузке. В одной системе оба типа датчиков использовать нельзя, поскольку контроллер ориентирован только на какой-то один режим. В некоторых современных датчиках можно перейти с режима PNP на режим NPN за счет смены полярности на питании. В других вариантах смена полярности на питании позволяет изменить режим переключения с НО контакта на НЗ контакт и наоборот. Датчики со сменой режима переключения (PNP-NPN или НО-НЗ) получают двойное условное обозначение в каталоге, и на них используется два светодиода разного цвета – каждый на свой режим.
Условия эксплуатации твердотельных датчиков
Электронные датчики положения работают в диапазоне рабочего напряжения 5…30 В постоянного тока, температура окружающей среды может колебаться от –40 до +85°С, а длина кабеля достигает 30 м. Как и герконы, они выпускаются в коррозионностойком и взрывозащищенном исполнении. Еще одним вариантом исполнения являются датчики с защитой от высокочастотных магнитных полей, возникающих при контактной сварке.
Срок службы бесконтактных датчиков
Поскольку электронные датчики не имеют подвижных частей, их ресурс бессмысленно указывать в циклах. Вместо этого используется вероятностный параметр MTBF или MTTF (среднее время до поломки), который указывается в годах. У современных датчиков этот показатель может превышать 6.000 лет. Получают его по результатам испытаний большой серии датчиков, которые длятся до первого выхода из строя. Например, если из 1.000 датчиков за год один вышел из строя один, всей серии присваивается MTBF=1.000 лет. Обычно этот показатель используют для определения минимального числа запасных датчиков на складе и в расчетах, связанных с безопасностью и отказоустойчивостью.
Форма датчиков и пазов под них
Формой и размерами датчики положения для цилиндров могут сильно отличаться друг от друга, но наибольшую популярность завоевали датчики для установки в паз. При установке в паз датчикам не нужны монтажные принадлежности, и в пазу они хорошо защищены от внешнего воздействия.
Датчики положения разной формы: для установки в паз и блочной конструкции
T-образный паз
Самой распространённой формой паза является Т-образный паз, который встречается в большинстве профильных цилиндров по ISO 15552, ISO 21287 и других приводах.
К датчиком для T-паза можно отнести также датчики квадратного и овального профиля. Как правило, такие датчики также позволяют быть установленными в T-образный паз.
Квадратные датчики
Овальные датчики
V-образный паз
В компактных цилиндрах также встречается V-образный паз ("ласточкин хвост").
Круглый (C-образный) и полукруглый (D-образный) паз
Для самых маленьких приводов и захватов используются датчики под С-образный (круглый) или D-образный (полукруглый) паз.
Круглые датчики
Полукруглые датчики
Способы монтажа датчиков
Для фиксации датчиков в пазу чаще всего используются распорная пластина или винт с гайкой. Первый способ подходит для датчиков, форма корпуса которых повторяет форму паза и которые вставляются в паз сбоку через крышки цилиндра и затем протягиваются до места фиксации. Перед установкой датчика пластина разворачивается вдоль его корпуса, а после установки отверткой или 6-гранным ключом поворачивается на четверть оборота, упираясь в стенки паза. Такой способ установки занимает много времени, а фиксация не очень надежна, особенно при наличии ударов и/или вибрации. Также ненадежна фиксация винтом, упирающимся в дно паза.
Последние серии датчиков для Т-паза выпускаются с прямоугольными в поперечном сечении корпусами, чтобы их можно было ставить в паз сверху – сразу в нужном месте. Теперь использовать распорную пластину или винт для фиксации из-за резкого снижения площади контакта корпуса датчика с пазом рискованно. Вместо этого применяют прямоугольную гайку и винт. Перед установкой гайка также разворачивается вдоль корпуса, а для фиксации, когда инструментом крутится винт, она разворачивается и подтягивается к верхним выступам паза. Такое крепление намного надежнее распорной пластины, особенно когда оно располагается не на краю корпуса датчика, а посередине.
На небольших захватах и приводах с очень коротким пазом можно использовать датчики с угловым отводом кабеля.
Они вставляются в паз сбоку и фиксируются с помощью винта и гайки, которая не поворачивается в пазу, а просто подтягивается к выступам паза.
Принадлежности для монтажа датчиков
Если цилиндр не имеет паза, то используются различные монтажные принадлежности для установки датчиков (хомуты, скобы, присоски и т.п.), в которых есть короткий паз нужной формы.
Хомуты надеваются на круглые цилиндры малого диаметра, присоски используются на круглых больших цилиндрах, в том числе и со стяжными шпильками. Для более надежного крепления датчика на стяжную шпильку можно установить кронштейн. На моющихся цилиндрах, у которых для установки датчиков имеется не паз, а гребень, используют монтажную скобу.
Взаимозаменяемость датчиков
Стоит учитывать, что никаких стандартов, регламентирующих размеры и характеристики датчиков положения, не существует. Кроме того, не нормируются размеры паза в пневмоцилиндрах, а также параметры магнитов на поршне и прочие конструктивные особенности приводов, влияющие на работоспособность датчиков положения.
Следствием этого является то, что каждый производитель выпускает датчики, которые подходят к цилиндрам собственного производства, но нет никаких гарантий, что они установятся и тем более будут гарантированно срабатывать в цилиндрах другого производителя.
Поэтому рекомендуется устанавливать именно те датчики, которые указаны производителем в документации на конкретную серию пневмоприводов. Датчики и цилиндры разных производителей могут быть совместимы, но это проверяется экспериментально и не входит в зону ответственности производителей и поставщиков пневмооборудования.
Электрическое подключение датчиков
Для подключение датчиков предусмотрен кабель, который может быть встроен в датчик, а может подключаться к нему через круглый разъем – обычно М8 3-пиновый.
Вариант с разъёмом позволяет при выходе датчика из строя менять только его, оставляя на месте зачастую длинный и проложенный в труднодоступных местах кабель. Для подключения в систему кабель может заканчиваться таким же разъемом или свободными концами под клеммы.
Материал кабеля может выбираться в зависимости от применения, например, с повышенной стойкостью к механическим нагрузкам, для прокладки в цепных кабельных рукавах и т.п.
Датчики приводов запорной арматуры
Для поворотных приводов запорной арматуры используются блоки концевых выключателей (БКВ), которые крепятся на валу привода.
Внутри блока могут располагаться как механические, так и бесконтактные датчики (индуктивные или герконовые), с дискретным или аналоговым выходом. Количество датчиков может варьироваться от двух (стандарт) до четырёх.
Механические датчики: 2, 3 или 4 шт.
Индуктивные датчики: 2 или 3 шт.
Герконовые датчики (2 шт.)
В зависимости от требований окружающей среды корпусам таких блоков можно дать высокую степень защиты, включая взрывозащиту.
Часто сверху корпуса имеется оптический индикатор положения привода, который виден с большого расстояния.
Датчики перемещения
В системах позиционирования и электронного демпфирования требуются датчики перемещения на большие расстояния, поскольку о положении поршня цилиндра информацию нужно получать во всем диапазоне рабочего хода. Для этого используются магнитострикционные, ультразвуковые, потенциометрические датчики, которые могут быть встроены в цилиндр или располагаться снаружи, будучи механически связанными с кареткой или штоком.
Диапазон измерения может достигать 2 метров при разрешении 0,01 мм. При этом привод может работать на скорости до 10 м/с и ускоряться до 200 м/с2.
Диапазон окружающей температуры лежит в пределах –30…+100°С, а ресурс достигает 100 млн. полных ходов. Для бесконтактных датчиков MTBF срок службы достигает 500 лет.
