Sensorskolen (1:5)

Slik fungerer induktive givere

Første utgave av Automatiserings ”Sensorskole” setter induktive givere under lupen.

Det er flusst med varianter innen induktive sensorer.
Det er flusst med varianter innen induktive sensorer.

Første utgave av Automatiserings ”Sensorskole” setter induktive givere under lupen.

Sensor ”steg-for-steg”

Følgende momenter må vektlegges ved valg av induktive givere:

  • Rekkevidde: avstand fra selve giveren til objektet? (se avsnittet "Rekkevidde").
  • Flush/ikke-flush monterbar: er det mye metall rundt tuppen av sensoren? (se avsnittet "Montering").
  • Sylindrisk/rektangulær: hva passer best i min applikasjon? (se avsnittet "Kapslinger").
  • Sensormateriale: trengs rustfritt stål, eller er kunststoff eller forniklet messing OK?
  • Elektrisk utførelse: de fleste induktive givere produseres i DC utførelse (10-30/60 V), men også AC og NAMUR utførelse kan leveres.
  • Ex sone? Givere med Ex godkjenning må benyttes. NAMUR utgaver med Exi godkjenning er et alternativ, da i kombinasjon med zener-barriere eller galvanisk skilleforsterker.

Sensorskolen

Automatiserings artikkelserie Sensorskolen dekker induktive-, kapasitive-, ultralyd- og roterende givere samt fotoceller. Typiske oppgaver, for slike sensorer, er identifikasjons- og posisjoneringsoppgaver, start og stopp av transportband, indikering av åpen/stengt på ventiler, telling av produkter på transportband, samt måling av hastighet/turtall.

Serien er utviklet i tett samarbeid med Agnar Sæland hos Pepperl+Fuchs AS. Han hadde mange års automatiseringserfaring fra metallurgibransjen før han på midten av 1990-tallet meldte overgang til leverandørsiden. Sæland har over 10 års erfaring med Pepperl+Fuchs produkter for ”Factory Automation”, eller stykkproduksjon.

Det er viktig å balansere rekkevidde med koplingsfrekvens, samt velge riktig materiale og montasjetype, dvs. ”Flush” eller ei .

Ordtaket ”kjært barn har mange navn” kan fullt ut benyttes. Prox, nærhetsbryter, føler, giver eller initiator er alle begreper som benyttes i ulike miljøer i industrien for induktive sensorer. Direkte oversatt fra tysk eller engelsk er navnet ”Induktiv nærhetsbryter”.

Grensebryter

Induktive givere benyttes i alle typer industri. De første ble utviklet av tyske Pepperl+Fuchs i slutten av 1950-årene som erstatning for mekaniske grensebrytere i BASF’s fabrikker i Mannheim.

Også i dag er funksjonen som grensebryter en typisk applikasjon for induktive givere. Nå produseres induktive givere av mange produsenter både i Europa og i andre verdensdeler. All produksjon i Europa er basert på følgende normer: EN 60947-5-2 og EN 60947-5-6.

Denne artikkelen dekker ”standard”, induktive givere. Vær klar over at det også finnes en mengde spesialutgaver, for høye temperaturer og/eller trykk, samt kraftige elektriske og/eller magnetiske felt osv.

Hovedkomponentene

En induktiv giver består av følgende hovedkomponenter:

  • Oscillator
  • Triggekrets
  • Utgangstrinn
  • Kapsling

Oscillatoren setter opp et elektromagnetisk felt foran sensoren. En stor oscillatorspole gir et omfattende felt, dvs. lang rekkevidde og lav koblingsfrekvens. Omvendt gir liten spole et begrenset felt, dvs. kort rekkevidde og høy koblingsfrekvens.

Når det kommer et objekt, bestående av et elektrisk ledende materiale, inn i dette feltet, induseres det virvelstrømmer i objektet, og oscillatoramplituden (nivået) dempes. Dette detekteres av triggerkretsen, som aktiverer utgangskretsen ved en viss verdi.

Rekkevidde

Rekkevidde er ofte en nøkkelparameter ved valg av induktive givere. Giverne tilbys i mange ulike størrelser og byggeformer. Felles for disse, er at rekkevidden avhenger av diameteren på oscillatorspolen. Som nevnt ovenfor gir stor spole lang rekkevidde og liten spole kort. Typisk rekkevidde er fra 0,8 til 100 mm, men hovedvolumet er sensorer med rekkevidde i området 2-15 mm.

Den europeiske standarden EN 60947-5-2 beskriver hvordan rekkevidden skal beregnes og oppgis for induktive givere. Rekkevidden varierer avhengig av om objektet nærmer seg giveren rett forfra ellet fra siden. I datablader beskrives rekkevidden for bevegelse rett forfra. Vi skal ikke gå inn på standarden i detalj, men beskrive noen viktige parametere:

  • Nominell koblingsdistanse, Sn, er den verdien som du som regel vil finne på toppen av databladet. Dette er en rekkevidde basert på statistikk og tar ikke hensyn til variasjoner i forsyningsspenning eller temperatur.
  • Sikker koblingsdistanse. For praktisk bruk i industrielle applikasjoner benyttes Sa, som står for ”Assured sensing range”, sikker koblingsdistanse. Dette er den rekkevidden sensoren vil koble under alle forhold. Variasjon med hensyn på faktorer som kan påvirke rekkevidden, dvs. tempertur, forsyningsspenning osv. er det tatt hensyn til. For å komme fram til Sikker koblingsdistanse må Nominell koblingsdistanse multipliseres med en faktor på 0,81. Sikker koblingsdistanse er alltid kortere enn nominell koblingsdistanse. Kort fortalt vi det si at en sensor, med nominell koblingsdistanse på 10 mm, vil ha en sikker koblingsdistanse på 8 mm.
  • Standard objekt. I standarden er alle mål basert på et såkalt standard objekt. Dette er definert som et kvadratisk objekt med side lik diameteren på den aktive flaten, bestående av ”svart stål ”, Fe 360. Hvis det benyttes et objekt som enten er mindre, eller består av en annet materiale, vil koblingsdistansen reduseres. Større objekt vil ikke øke rekkevidden.
  • Reduksjonsfaktor. Som regel vil reduksjon i koblingsdistanse, på grunn av endret materiale, være oppgitt som en reduksjonsfaktor i databladet. Typiske verdier for reduksjonsfaktor er 0,45 for aluminium (Al), 0,4 for kobber (CU) og 0,8 for rustfritt stål (V2A).

Hvis vi tar utgangspunkt i en sensor med Sn = 10 mm, vil sikker koblingsdistanse, med objekt av aluminium, bli 10mm x 0,81 x 0,45= 3,6 mm. (Sn x 0,81 x reduksjonsfaktor for Aluminium)

Koblingsfrekvens

Et annet parameter, som vektlegges av mange, er koblingsfrekvens. I mange applikasjoner, der turtall eller hastighet skal måles, benyttes ofte induktive givere som deteksjonselement. I slike tilfeller vil giverens maksimale koblingsfrekvens være av interesse

Vi har tidligere sett at størrelsen på spolen påvirker rekkevidden i positiv retning. Men, når det gjelder maksimal koblingsfrekvens, er situasjonen motsatt. Stor spole gir lang koblingsdistanse, men lav koblingsfrekvens. Omvendt gir liten spole kort rekkevidde og høy koblingsfrekvens.

Ved turtall/hastighetsmåling skal spolen komme opp i nominell svingefrekvens (amplitude) før den er klar til å ”se” et nytt objekt. Ved deteksjon av et objekt dempes amplituden. I en syklus med akselrasjon/retardasjon, av spolen, er det akselrasjonsfasen som tar lengst tid. Dette betyr at når vi nærmer oss sensorens maksimale koblingsfrekvens, er det viktig at puls/pause-forholdet blir så nær 1:2 som mulig. For å oppnå optimale driftsforhold, bør sensoren stilles inn i en avstand Sn/2 (halvparten av nominell koplingsdistanse). På denne avstanden er feltets bredde størst, og objektet er innenfor feltet lengst tid.

Selv om standard, induktive givere kan leveres med maksimal koblingsfrekvens opp til 5 KHz, er denne betydelig lavere for de fleste giverne. For en standard, induktive givere, med 18 mm diameter, er maksimal koblingsfrekvens rundt 1 KHz. Rektangulære givere med rekkevidde 50 mm har typisk koblingsfrekvens lavere enn 100 Hz.

Montering

Induktive givere monteres primært på to hovedmåter, Flush (skjermet) eller ikke Flush monterbar (ikke skjermet). Kort fortalt betyr Flush monterbar at giverne kan monteres med tuppen plant i metall. Ikke-flush monterbare givere må ha luft rundt tuppen.

På sylindriske sensorer sies ofte at ”det gjengefrie partiet” må være i luft, og at det ikke kan være metall innenfor en avstand på minst 1 x giverens diameter.

Ikke-flush monterbare sensorer kan påvirke hverandre (uønsket) dersom de monteres nær hverandre. Avstanden, mellom dem, må være 3 x diameteren for å hindre gjensidig påvirkning. Tilsvarende mål, for flush monterbare, er 1 x diameteren. Og i en verden full av kompromisser, vil Flush monterbare sensorer alltid ha kortere rekkevidde enn ikke-flush monterbare. Dersom mulig, anbefales skjermet/flush monterbar sensor.

Kapslinger

Utvalget kapslinger er meget stort. De fleste er kjent med sylindriske sensorer med 12, 18 eller 30 mm diameter, og her ligger hovedvolumet. Men, det finnes også et stort utvalg med andre diametre og rektangulær byggeform. Blant utgavene, med rektangulær byggeform, finner vi kapslinger med samme byggeform og montering som DIN normerte, mekaniske grensebrytere, og som mikrobrytere. På enkelte utgaver kan målehodet snus slik at giveren best mulig kan tilpasses den enkelte applikasjon.

Sylindriske sensorer ble tradisjonelt produsert i rustfritt stål eller kunststoff, men i dag er det største volumet i forniklet messing. De fleste rektangulære kapslinger er produsert i et eller annet kunststoff.

Mange applikasjoner, der induktive givere benyttes, er i røffe omgivelser med både mye fuktighet og støv. Derfor er kapslingens mekaniske egenskaper viktig, og dette er noe det jobbes mye med hos alle produsenter. Høy tetthet og stor mekanisk styrke er egenskaper som vektlegges.

På sylindriske sensorer er området rundt spolen, og i bakkant der kabel eller plugg er montert, spesielt utsatt for fuktighetsinntrengning. Ulike teknikker er tatt i bruk for å hindre dette, som for eksempel doble O-ringer, leppeformede pakninger samt helstøping av alle hulrom slik at sensoren framstår som en kompakt enhet. IP 67 er for de fleste en selvfølge, men også IP68 og 69K (høytykkspyling med varmt vann) kan realiseres.

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå