Выбор и применение бесконтактных выключателей

В данной статье представлен обзор типов бесконтактных датчиков и область их применения. Также рассмотрены достоинства и недостатки каждого типа датчиков.

Постоянный контроль и определения показателей технологических объектов, например давления, уровня, температуры, расхода и других, является одной из главных задач систем автоматизированного и автоматического управления. Одним из вариантов решения этой задачи является применение бесконтактных датчиков.

Главное достоинство бесконтактных датчиков – это отсутствие механического контакта между воздействующей средой и чувствительным элементом и способность работать с различными средами, в то время как контактные датчики, зачастую, не могут быть применены для взрывоопасных жидкостей и не всегда способны справиться с агрессивными средами.

На сегодняшний день на рынке представлено множество бесконтактных датчиков различных типов, которые подробнее будут описаны чуть ниже.

Ни одна система автоматизации не может функционировать без датчиков, которые собирают информацию об объекте автоматизации.

Выбирая бесконтактный датчик, прежде всего, необходимо правильно определить критерии: назначение датчика, применяемость того или иного принципа действия, тип выходного сигнала, диапазон измерения и точность; линейность; скорость измеряемого процесса; условия применения и класс защиты; надежность; габаритные размеры; стоимость.

Сначала перечислим основные требования, предъявляемые к современным датчикам.

Это прежде всего высокие качественные характеристики: чувствительность, точность, линейность, воспроизводимость или повторяемость показаний, скорость реагирования, взаимозаменяемость, отсутствие гистерезиса и большое отношение сигнал-шум. А также высокая надежность и длительный срок службы, устойчивость к внешней среде, малые габариты и масса, простота конструкции, низкая себестоимость.

Конечно, не всегда удается подобрать датчик, удовлетворяющих всем перечисленным требованиям. Тем не менее, при работе датчиков вместе с компьютером, так как это происходит в автоматизированных системах управления, часть недостатков датчиков можно скомпенсировать с помощью вычислительных и логических возможностей машины.

Рассмотри принципы действия бесконтактных датчиков, а также их достоинства, недостатки и сферу применения.

1. Емкостной. Измеряют ёмкость электрического конденсатора, в воздушный диэлектрик которого попадает регистрируемый объект.

Достоинства: Большое расстояние срабатывания, широкий диапазон рабочих температур, возможность работы в сложных условиях эксплуатации.

Недостатки: Относительно небольшой коэффициент передачи, требования к экранировке деталей, необходимость работы на повышенной (более 50 Гц) частоте.

Сфера применения.Применяются для измерения абсолютного и избыточного давления, толщины диэлектрических материалов, влажности воздуха, деформации, угловых и линейных ускорений и др.

2. Индуктивный. Измеряют параметры катушки индуктивности, в поле которой попадает регистрируемый металлический объект.

Достоинства:Отсутствует механический износ и отказы, связанные с состоянием контактов; высокая частота переключений до 3000 Hz; стойкость к механическим воздействиям.

Недостатки:Малая чувствительность; значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

Сфера применения.Применяются в машиностроении, пищевой промышленности, металлургии, и т.д. Активно используется в качестве конечных выключателей в станках с ЧПУ, автоматических линиях, при взаимодействии с смазочно-охлаждающими жидкостями и маслами.

3. Оптический. Действует на принципе перекрытия луча света непрозрачным объектом.

Достоинства: Большая дальность действия (до 150 м), помехозащищенность, возможно использование на открытом пространстве, в условиях загрязнения и других внешних факторов окружающей среды.

Недостатки: Не подходит для работы с диэлектриками и клейкими веществами, при измерении уровня липких и масляных веществ происходит образование непреходящих солей.

Сфера применения.Используется на конвейерных линиях как датчик наличия объекта, для контроля пространственных характеристик объекта (высота, длина, ширина и т.д.) и подачи сигнала на управляемый механизм при достижении указанного порога.

4. Ультразвуковой. Работают на принципе эхолокации ультразвуком. Сравнительно дешевое решение, которая позволяет измерять расстояние до объекта.

Достоинства: Высокая точность измерения расстояния; наибольшая степень защиты от загрязнения и других внешних факторов; отсутствие необходимости в техническом обслуживании.

Недостатки:Изделие не должна иметь пену на поверхности, не подходит для высоких давлений и температур, непригоден для вакуума.

Сфера применения.В автомобилях применяется в различных парковочных системах: парктронике, системе автоматической парковки. С увеличенной дальностью действия применяются в ряде конструкций системы помощи при перестроении для контроля за «слепыми» зонами.

5. Микроволновой. Работают на принципе локации СВЧ излучением «на просвет» или «на отражение»

Достоинства:Микроволновой датчик стабильно работает даже в условиях постоянно и быстро изменяющегося уровня;невосприимчив к покрытию стенок емкости, что обеспечивает дополнительную надежность работы датчика.

Недостатки: Продукт должен содержать относительную диэлектрическую проницаемость не ниже требуемой.

Сфера применения. Применение в разных отраслях промышленности (карьеры, сточные воды, технологические процессы, производства, химическая промышленность, горнодобывающая промышленность).

6. Магниточувствительный. Простая пара магнит - геркон или датчик Холла.

Достоинства:

А) Герконы: Простота конструкции; возможность работы при переменном и постоянном напряжении от 0,05 до 250 В, низкое сопротивление контактов (не более 0,15 Ом).

Б)Датчик Холла:Практически неисчерпаемый ресурс по причине отсутствия механических контактов; большая частота коммутации (до 20 кГц и более).

Недостатки:

А) Герконы: Относительно небольшое число рабочих циклов (до 10⁷) и невысокая частота коммутации (до 400 Гц).

Б) Датчик Холла: Относительно сложная технология; зависимость сопротивления и коэффициента Холла от температуры;  зависимость сопротивления и коэффициента Холла от магнитного поля.

Сфера применения. Магниточувствительные датчики могут быть применены: (в условиях крайнего севера, на металлургическом и химическом производствах, в холодильных установках, на подвижном составе, в снегоуборочных машинах,бульдозерах, автокранах и т.д.).Использованиеданного типа датчиков - это выгодное и практичное устранение таких проблем, как фиксация положения быстро перемещающихся объектов и механизмов, определение количества оборотов вала и т.д.

7. Пирометрический. Регистрируют изменения фонового инфракрасного излучения

Достоинства: Этот датчик дает возможность измерить температуру движущегося объекта и элемента оборудования, который находиться под высоковольтным потенциалом;отсутствует искажение температурного поля объекта контроля, что особенно актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью.

Недостатки:Трудность расчета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией, поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля, геометрических параметров поля зрения пирометра и его оптической системы, температуры окружающей среды и корпуса прибора.

Сфера применения. Работы по профилактике оборудования в любой отрасли промышленности, контроль и проверка систем кондиционирования, вентиляции и отопления, поддержание противопожарной безопасности, распознавание температуры движущихся объектов, диагностические работы с электро- и теплооборудованием.

В особенности, с помощью ЭВМ: 1) линеаризуется нелинейная характеристика датчика; 2) подавляются шумы датчика; 3) регулируется чувствительность и точка нуля, которые обычно изменяются при продолжительной эксплуатации; 4) компенсируется влияние температуры окружающей среды; 5) осуществляется автоматический поиск неисправностей  датчиков.

Тенденции развития техники датчиков, в том числе бесконтактных, показывают, что датчики будут формироваться на основе принципов:

- «Интегрального исполнения» - распространение интегральной технологии, а также рост уровня интеграции, безусловно, затронет и датчики. На сегодняшний день, на базе этой технологии в датчики устанавливают схемы усилителей, аналого-цифровых преобразователей и другие схемы интерфейса. Нынешние датчики изображения целиком и полностью изготавливаются по технологии БИС;

- «Комбинирования» -соединивнесколько датчиков в одном корпусе, можно с помощью одного универсального датчика выявить несколько физических параметров одновременно. Например, датчик, который измеряет одновременно температуру и влажность, был бы очень удобен для кондиционеров. Другое направление - комбинирование датчиков с исполнительными устройствами. Например, в последнее годы рассматриваются создание сплавов с запоминанием формы, сочетающих функции датчиков и исполнительных устройств,

- «Интеллектуализации» - датчики и микропроцессор производятся в одном корпусе. В этом случае сигналы, которые регистрируют датчики, не будут выдаваться на выход непосредственно такими, какие они есть, а их будет обрабатывать и контролировать микропроцессор. Он же будет принимать решения относительно полученных данных и условий окружающей среды. В частности это необходимо и важно в системах обеспечения безопасности, где недопустимо ложная информация.

Таким образом,рассмотренные в данной статье семь видов бесконтактных датчиков показал, что все виды датчиков пригодны для использования в современных системах автоматического управления. При выборе датчика необходимо учитывать принцип действия, его достоинства и недостатки, и особенности измеряемой среды. Необходимо также отталкиваться от технических требований и функций системе автоматизации, условий эксплуатации.