Induktív és kapacitív érzékelők

Induktív közelítéskapcsolók

Az induktív és kapacitív érzékelők működése egy rezgőkör használatán alapul, amelynek rezgési amplitúdóját a közelítéskapcsoló érzékelési mezőjében lévő tárgy befolyásolja. Az oszcillátorok erősítővel, pozitív visszacsatolással és frekvenciameghatározóval rendelkeznek. A frekvenciameghatározó elem induktív érzékelők esetében egy párhuzamos LC rezonáns áramkör, míg kapacitív érzékelők esetében a Wien-híd RC oszcillátor használatos.

Az induktív közelségkapcsolóban az LC rezonáns áramkör (kb. 100-1000 kHz) tekercse egy mágnesesen nyitott vasmagon helyezkedik el. Az LC rezonáns áramkör nagyfrekvenciás változó mágneses mezőt hoz létre, amely az érzékelő aktív felületén lép ki. A fémtárgyban indukált örvényáramok okozta energiafelvétel miatt a rezgés amplitúdója csökken, ha egy fémtárgyat helyeznek a mágneses tér közelébe
Működése energiahatékonynak tekinthető, mert az induktív érzékelő teljesítményfelvétele minimális (<1W). Ezért jól kihasználható előnyökkel bír: nem okoz melegedés a mezőjébe kerülő fémtárgyakon; nincs rádióhullámú interferencia, rádiós zavarkeltés; nincs mégnesező hatása a fémtárgyakra.

Felépítése:

• Oszcillátor,
• Demodulátor,
• Trigger modul (jel kiértékelés)
• LED visszajelző,
• Tápfeszültség bemenet
• Belső feszültségszabályozó,
• Tekercs (aktív mező),
• Kapcsolási kimenet

Működését az oszcillátor szinuszos rezgése jellemzi, amelyet a demodulátor egyenirányít, majd a triggermodul kiértékel. Ha a bemeneti jel a határértéket eléri vagy meghaladja kiadja a bináris (0-1) kiementi jelet.

Az induktív közelítéskapcsolók egyik legfontosabb jellemzője az érzékelési távolság, amelyet az alkalmazási igények szerint választhatunk meg. Azonban fontos megjegyezni hogy a valós érzékelési (kapcsolási) távolság nem egy univerzálisan megállapított és fix tényező, hanem egy a körülményektől és az alkalmazási jellemzők alapján változó jellemző. Pl. egy névlegesen megállapított érzékelési távolságú kapcsoló más távolságon fog kapcsolni egy vörösréz tárgyra, horganyzott acéltárgyra, vagy egy alumínium tárgyra. Az érzékelési távolságot szabványosan egy állapított 1 mm vastag, DIN-St37-2 anyagú acéllemez tárggyal határozzák meg. 2

Emiatt, a szabványos meghatározásban használt tárgymérettől és tárgyanyagtól eltérő anyagok esetén redukciós tényezőt alkalmaznak a következő képlet szerint:

Alkalmazásuk, beépítésük, jellemzők

Léteznek síkba süllyesztett és nem süllyesztett kivitelű érzékelők. Az előbbiek érzékelési távolsága kisebb, mivel a kialakítás biztosítja, hogy a mágneses erővonalak a beépített árnyékolás miatt csak előre, a felületre merőlegesen lépnek ki. Ezáltal mind a kapcsolási távolsága, mind az érzékelési tartomány mérete kisebb, más "alakú", mint a nem süllyesztett kivitelnél.

Kapacitív közelítéskapcsolók

A kapacitív érzékelők aktív eleme egy kondenzátor, amely egy korong alakú elektródából és egy, az érzékelőkben található egy félig nyitott, az aktív felületet határoló csésze alakú fegyverzetből áll. Vagy fém vagy vagy elektromosan szigetelő anyag kerül az aktív zónába, ami a kapacitás változását okozza. Folyadék, részecskés és por alakú anyagok kimutatására is alkalmas. A kondenzátor egy RC-oszcillátor amelynek egy része úgy van méretezve, hogy rezegjen, amikor ez a kapacitásváltozás bekövetkezik.
Az induktív érzékelők esetében az amplitúdómoduláció jellemző, azon itt a frekvencia változik.

Kapacitív érzékelő felépítése:

• Oszcillátor
• Demodulátor
• Trigger modul (jel kiértékelés)
• LED visszajelző
• Tápfeszültség bemenet
• Belső feszültségszabályzó
• Kondenzátor aktív zóna
• Kapcsolási kimenet

A kapacitásváltozás a következő paraméterektől függ:

• A tárgy (anyag) helyzete és az érzékelőtől való távolsága.
• Az érzékelendő anyag dielektromos állandója
• A tárgy méretei

Ha egy nem vezető anyagból készült tárgy belép az aktív zónába, a kapacitás egy dielektromos állandóval (εr) a távolsággal fordítottan arányosan változik. A legnagyobb kapcsolási távolságot vízfelület vagy földelt, elektromosan vezető anyag esetén kapjuk.
Minél kisebb egy nem vezető anyag dielektromos állandója, annál kisebb a kapcsolási távolság. A legtöbb kapacitív érzékelő potenciométerrel rendelkezik az érzékelő érzékenységének beállításához. Ez lehetővé teszi bizonyos anyagok érzékelésének tompítását.
Így pl. vizes oldatok esetén a folyadékszint változását egy műanyag tartály falán keresztül lehet érzékelni, anélkül hogy magát a tartály anyagát érzékelné az érzékelő.

Alkalmazásuk, beépítésük, jellemzők

A kapacitív érzékelők érzékenyek a szennyeződésre és a nedvességre (víz). Párás környezetben a kondenzáció zavarokat okozhat. Vékony (nem fémből készült) falon (s <4 mm) keresztül is érzékeli, ha az anyag dielektromos állandója legalább 4- szerese a fal anyagának. Fémek érzékeléséhez általában induktív érzékelőket használnak a kedvezőbb áruk és a szennyeződések ellen érzéketlenségük miatt. Nem fémek esetében az optikai érzékelők használata gyakoribb.
A kapacitív közelségkapcsolók síkbeli és nem síkbeli kivitelben is kaphatók, hasonlóan az induktív érzékelőkhöz. Ipari automatizálási megoldásoknál, Pl. egy takarmánykeverő üzem automatizálása során leginkább a silókban használatosak, vagy a különböző konvejorok és felhordók telítettségének megállapításához, nemfémes anyagok, mint a különféle takarmányok és premixek érzékelésére.

Hasznos forrás: http://zeus.nyf.hu/~elat/Szenzorika_Festo.pdf