De grondbeginselen van nabijheidssensors: Selectie en gebruik in industriële automatisering

Vele toepassingen van de industriële automatisering (IA) vereisen de mogelijkheid om de aanwezigheid en/of de positie van een voorwerp of persoon waar te nemen zonder fysiek contact te maken om te voorkomen dat de beweging van het waargenomen voorwerp wordt belemmerd of beperkt. De nabijheidssensor is bij uitstek geschikt voor deze rol. Nabijheidssensors zijn er in vele soorten, waaronder magnetische, capacitieve, inductieve en optische, en de materiaalsamenstelling van het te detecteren voorwerp kan van invloed zijn op het vermogen van een sensor om zijn aanwezigheid te detecteren.

Sommige nabijheidssensors zijn geschikt voor het detecteren van ferrometalen, terwijl andere elk soort metaal kunnen detecteren, en weer andere elk soort voorwerp en zelfs mensen. Potentiële gebruikers van nabijheidssensors in een IA-toepassing moeten zich bewust zijn van de verschillende soorten naderingssensortechnologie en hun toepasbaarheid in specifieke detectiesituaties.

In dit artikel worden verschillende soorten sensors besproken en wordt nader ingegaan op de soorten voorwerpen die zij kunnen waarnemen en de ruimtelijke gevoeligheid van elk type toestel. Voorbeeldapparaten van Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse Inc., Omron Electronics Inc., MaxBotix Inc. en Carlo Gavazzi Inc. worden bij wijze van voorbeeld gebruikt.

Inductieve nabijheidssensors

Inductieve nabijheidssensors detecteren de aanwezigheid van geleidende (d.w.z. metalen) voorwerpen en hebben een detectiebereik dat afhankelijk is van het soort metaal dat wordt gedetecteerd. Deze sensors werken met een hoogfrequent magnetisch veld dat wordt opgewekt door een spoel in een oscillatiecircuit. Een geleidend doelwit dat het magnetische veld nadert, ondergaat daarin een inductie of wervelstroom, waardoor een tegengesteld magnetisch veld ontstaat dat de inductantie van de inductieve sensor effectief vermindert.

Inductieve nabijheidssensors werken op twee manieren. Bij de eerste operationele methode neemt, naarmate het doel de sensor nadert, de inductiestroom toe, waardoor de belasting op het oscillatiecircuit toeneemt, zodat het oscilleren wordt gedempt of gestopt. De sensor detecteert deze verandering in de oscillatiestatus met een amplitudedetectiecircuit en geeft een detectiesignaal af.

Een alternatief werkingsschema maakt gebruik van een verandering in de frequentie - in plaats van de amplitude - van de oscillatie ten gevolge van de aanwezigheid van een geleidend doelwit. Een non-ferrometaal doelwit zoals aluminium of koper dat de sensor nadert, doet de oscillatiefrequentie toenemen, terwijl een ferrometaal doelwit zoals ijzer of staal resulteert in een afname van de oscillatiefrequentie. De verandering van de oscillatiefrequentie ten opzichte van een referentiefrequentie veroorzaakt een verandering van de uitgangstoestand van de sensor.

De LDC0851HDSGT van Texas Instruments is een voorbeeld van een inductieve nabijheidssensor die gebruik maakt van de variatie van de frequentie om de aanwezigheid van een geleidend voorwerp binnen zijn elektromagnetische veld te detecteren (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De inductieve nabijheidssensor LDC0851HDSGT maakt gebruik van twee inductieve spoelen - een detectiespoel en een referentiespoel - om het verschil in inductie te meten dat wordt veroorzaakt door een doelobject in de buurt van de detectiespoel. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De LDC0851 inductieve nabijheidssensors is ideaal voor contactloze naderingsdetectietoepassingen zoals aanwezigheidsdetectie, het tellen van gebeurtenissen en eenvoudige drukknoppen waarbij het detectiebereik minder dan 10 millimeter (mm) (0,39 inch) bedraagt. Het apparaat verandert van uitgangstoestand wanneer een geleidend voorwerp zich in de nabijheid van de meetspoel beweegt. De differentiële uitvoering (het gebruik van een sense- en referentiespoel om de relatieve inductantie van het systeem te bepalen) en de hysterese, worden gebruikt om een betrouwbare schakeling te garanderen die ongevoelig is voor mechanische trillingen, temperatuurschommelingen of vochtigheidseffecten.

De inductieve pickup-spoelen van de LDC0851HDSGT worden afgestemd met een enkele sensorcondensator, die de oscillatiefrequentie instelt in het bereik van 3 tot 19 megahertz (MHz). De push-pull uitgang is in de lage toestand wanneer de sensorinductie lager is dan de referentie-inductie en keert terug naar de hoge toestand wanneer het omgekeerde het geval is.

Magnetische nabijheidssensors

Magnetische nabijheidsdetectors, die worden gebruikt om de positie en snelheid van bewegende metalen onderdelen te meten, kunnen actieve apparaten zijn zoals een Hall-effectsensor, of passieve apparaten zoals een variabele reluctantiesensor (VR) zoals de MP62TA00 magnetische pick-up met schroefdraad van Red Lion Controls (figuur 2, links). De VR-nabijheidssensors meet veranderingen in de magnetische reluctantie - die analoog is aan de elektrische weerstand in een elektrisch circuit - en bestaat uit een permanente magneet, een poolstuk en een detectiespoel, gevat in een cilindervormige behuizing.

Afbeelding 2: De magnetische opnemer VR (links) is een passieve sensor die de verandering van het magnetisch veld tussen het poolstuk en de sensorbehuizing (rechts afgebeeld) registreert. (Bronnen foto: Art Pini, met MP62TA00 foto van Red Lion Controls)

Een ferromagnetisch voorwerp dat vlak langs het poolstuk passeert, veroorzaakt een variatie in het magnetisch veld. Deze variatie wekt op zijn beurt een signaalspanning op in de signaalspoel. De grootte van de signaalspanning hangt af van de grootte van het doelobject, de snelheid ervan, en de grootte van de opening tussen het poolstuk en het object. Het doelobject moet in beweging zijn om door het VRS te worden waargenomen. De MP62TA00 magnetische pick-up met schroefdraad is een met epoxy ingegoten nabijheidsensor VR met een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +107 °C. Hij is 1 inch (25,4 millimeter (mm)) lang en heeft een ¼ - 40 UNS schroefdraad.

VR-sensors zijn passieve apparaten, die dus geen stroombron nodig hebben. Daarom worden zij meestal gebruikt voor het meten van roterende machines. Bijvoorbeeld, VR pickups zoals de MP62TA00 worden veel gebruikt om passerende tanden op een ferro tandwiel, tandriemschijf of tandriemschijf te detecteren. Zij kunnen ook worden gebruikt voor het detecteren van boutkoppen, spiebanen, of andere snel bewegende metalen voorwerpen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: VR-sensors worden veel gebruikt om tandwieltanden, nokken en spiebanen in roterende machines waar te nemen. (Bron foto: Red Lion Controls)

Zij worden gebruikt als tachometers om de rotatiesnelheid te meten en worden ook in paren toegepast om de excentriciteit van roterende assen te meten.

Het tweede type magnetische sensor maakt gebruik van het Hall-effect om de aanwezigheid van een magnetisch veld te detecteren. Het Hall-effect beschrijft de wisselwerking tussen een stroomvoerende geleider en een magnetisch veld loodrecht op het vlak van de geleider. Wanneer een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld wordt geplaatst, zal een spanning (Hall-spanning) worden opgewekt loodrecht op zowel de stroom als het veld. De Hall-spanning is evenredig met de fluxdichtheid van het magnetisch veld en vereist een doel dat gemagnetiseerd is.

De 55100-3H-02-A van Littelfuse Inc. is een Hall-effectsensor met flensmontage die verkrijgbaar is met een digitale uitgang of een programmeerbare analoge spanningsuitgang (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het blokschema en de foto van de 55100-3H-02-A Hall-effect-nabijheidssensor met spanningsuitgang voor flensmontage. (Bron afbeelding: Littelfuse Inc.)

De 55100-3H-02-A meet 25,5 x 11 x 3 mm en is verkrijgbaar met een driedraads spanningsuitgang of een tweedraads stroomuitgang. Beide versies bieden een gemiddelde (130 Gauss), hoge (59 Gauss), of programmeerbare gevoeligheid. Het toestel heeft een hoge gevoeligheid en een activeringsbereik van 18 mm (0,709 inch) met behulp van een gespecificeerde magneet. De pulldown-uitgang kan tot 24 volt gelijkstroom en 20 milliampère (mA) zinken.

Deze sensor kan werken met schakelsnelheden tot 10 kilohertz (kHz) en kan zowel dynamische als statische magnetische velden waarnemen. De mogelijkheid om statische magnetische velden te detecteren is een belangrijk voordeel van de Hall-effectsensor, omdat deze kan worden gebruikt om te detecteren of een deur wordt gesloten of een voorwerp zich in een vaste positie bevindt.

Optische nabijheidssensor

Optische nabijheidssensors maken gebruik van licht - infrarood of zichtbaar - om voorwerpen waar te nemen. Zij hebben het voordeel dat een doelwit niet magnetisch of metaal hoeft te zijn - het hoeft alleen maar het licht te belemmeren of te weerkaatsen. In principe zenden optische sensors licht uit en controleren zij of het licht door het doelobject wordt weerkaatst (Afbeelding 5, links).

Afbeelding 5: De optische nabijheidssensor lokaliseert het doelobject door een lichtstraal uit te zenden en de weerkaatsing van het doelobject te detecteren. (Bron afbeelding: Art Pini)

De EE-SY1200 van Omron Electronics Inc. is een goed voorbeeld van een optische nabijheidssensor (Afbeelding 5, rechts). Het is een ultracompacte fotosensor, gemonteerd op een klein printplaatje (pc-bord), die werkt bij een infrarode golflengte van 850 nanometer (nm). Hij bestaat uit een LED-emitter en een fototransistorpaar in een opbouwverpakking met afmetingen van 1,9 x 3,2 x 1,1 mm (0,0748 x 0,126 x 0,043 inch), en werkt bij een temperatuurbereik van -25 tot +85 °C. Het aanbevolen detectiebereik is 1,0 tot 4,0 mm (0,039 tot 0,157 inch).

Door zijn kleine afmetingen onboard is hij ideaal voor toepassingen zoals het uitlijnen van gemetalliseerd mylar materiaal in een automatische wikkelmachine.

Ultrasone nabijheidssensors

Voor grotere detectieafstanden, zoals het detecteren van auto's bij een drive-in loket, kan gebruik worden gemaakt van op ultrasoon geluid gebaseerde nabijheidssensors. Deze sensors detecteren voorwerpen van om het even welk type op afstanden tot enkele meters (m). De basis van de meting is de vluchttijd van een ultrasone puls die door de sensorzender wordt uitgezonden, door het doelobject wordt weerkaatst en door de sensorontvanger wordt opgepikt (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Bepaling van de afstand met behulp van ultrageluid meet de tijd tussen de ultrasone uitbarsting van de zender (links) en de aankomsttijd van de weerkaatste puls (rechts). Deze tijd is tweemaal de vluchttijd van de eerste uitbarsting van de sensor naar het doelobject. (Bron foto: Art Pini)

De tijd tussen de uitgezonden puls en de ontvangen reflectie vertegenwoordigt de vluchttijd van de sensor naar het doelobject en weer terug. Als men de voortplantingssnelheid en de vluchttijd kent, kan de afstand worden berekend. In het getoonde voorbeeld bedraagt de vluchttijd 3,1 milliseconden (ms). Voor lucht, bij 70 °F is de geluidssnelheid 1128 voet per seconde, dus de totale afstand naar het voorwerp en terug is 3,50 voet. Het bereik van de sensor tot het voorwerp is de helft van de vliegtijd of 1,75 voet.

De MB1634-000 van MatBotix Inc. is een ultrasone nabijheidssensor met een meetbereik van 5 m (16,4 feet). Hij vereist een stroombron van 2,5 tot 5,5 volt. Hij werkt met een frequentie van 42 kHz en voert het bereik naar het doel uit als een analoge spanning, pulsbreedte, of een transistor-transistor logische (TTL) seriële datastroom. Hij biedt compensatie voor variaties in doelafmetingen, bedrijfsspanning en interne temperatuur (optionele externe temperatuurcompensatie), en dat alles in een pakket van minder dan een kubieke inch - 22,23 x 38,05 x 14,73 mm (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De MB1634-000 is een ultrasone afstandsmeter met zend- en ontvangomzetters en een bereik van 5 m. (Afbeelding bron: MaxBotix Inc.)

Capacitieve nabijheidssensors

Capacitieve nabijheidssensors kunnen metalen en niet-metalen voorwerpen in poeder-, korrel-, vloeibare of vaste vorm detecteren. Een goed voorbeeld is Carlo Gavazzi's CD50CNF06NO (Afbeelding 8). De apparaten zijn in het algemeen vergelijkbaar met inductieve sensors, behalve dat de detectiepoelen van de inductieve sensor zijn vervangen door een capacitieve detectieplaat. Zij worden meestal gebruikt voor het meten van vloeistofniveaus in opslagtanks.

Afbeelding 8: In een generieke capacitieve nabijheidssensor (links) vormt de condensatordetectieplaat een condensator met het externe doelobject; de waarde van de capaciteit bepaalt de frequentie van de oscillator. De CD50CNF06NO van Carlo Gavazzi (rechts) is een capacitieve nabijheidssensor voor het bewaken van vloeistofniveaus. (Bron foto: Art Pini)

De detectieplaat in de sensor vormt een condensator met het doelobject en de capaciteit varieert met de afstand tot het object. De detectie-targetcapaciteit bepaalt de frequentie van de oscillator, die wordt bewaakt om de uitgangstoestand te schakelen wanneer een drempelfrequentie wordt overschreden.

De CD50CNF06N0 is bedoeld voor de bewaking van vloeistofniveaus. Het is een driedraads sensor met een open collector NPN-transistor geconfigureerd in een normaal open modus. Hij vereist een stroomvoorziening van 10 tot 30 volt gelijkstroom. Hij wordt geleverd in een behuizing van 50 x 30 x 7 mm (1,97 x 1,18 x 0,28 inch) en heeft een detectiebereik van 6 mm (0,24 inch). In zijn normale niveaumetingstoepassing wordt hij vastgeschroefd of gelijmd aan de buitenkant van een niet-metalen tank.

Conclusie

Nabijheidssensors maken gebruik van diverse technologieën die geschikt zijn voor diverse toepassingen. Afhankelijk van het sensortype kunnen zij zowel metalen als niet-metalen doelen detecteren met een detectieafstand die varieert van millimeters tot vijf of meer meter. Ze zijn compact genoeg om in kleine ruimten te worden gebruikt en vele zijn geschikt voor gebruik onder zware omstandigheden. Deze reeks technologieën biedt de gebruiker een verscheidenheid aan keuzemogelijkheden om te voldoen aan talloze vereisten op het gebied van nabijheidsdetectie.