Czujniki indukcyjne w motoryzacji i nie tylko – Jak działają? Jakie są ich typy?

28 lipca 2023, 8:00

Czujniki są obecnie widoczną częścią dzisiejszych pojazdów – można nawet powiedzieć, że urządzenia te są w jakimś stopniu odpowiedzialne za wzrost masy samochodów. Ma to jednak minimalne znaczenie w porównaniu z tym, jak bardzo przyczyniają się one do działania samochodu osobowego. Bez wątpienia można powiedzieć, że bez czujników, w tym indukcyjnych dzisiejszy samochód nigdzie nie pojedzie. Poniższy artykuł przedstawia historię, budowę, zasadę działania i zastosowania czujników indukcyjnych

fot. pexels.com

Należy zauważyć, że chociaż przedstawiamy różne wynalazki z perspektywy przemysłu motoryzacyjnego, znaczenie różnych czujników znacznie wykracza poza technologie stosowane pojazdach. Pierwszy czujnik zbliżeniowy został wprowadzony w 1958 roku przez laboratorium w Mannheim, które było wówczas własnością firmy Pepperl+Fuchs. To wówczas możliwa stała się elektroniczna automatyzacja, która obecnie stanowi podstawę niemal wszystkich gałęzi przemysłu. W latach 60. i 70. pojawiło się wiele podobnych do siebie patentów, które szybko zaczęły rozprzestrzeniać się w różnych sektorach przemysłu. W 1968 roku opatentowano czujnik indukcyjny, który również zawdzięczamy firmie Pepperl+Fuchs. Pierwotnie miał on zastąpić zadania, które wcześniej wymagały połączenia mechanicznego – lub były w ogóle niewykonalne.

Jak działa czujnik indukcyjny?

Działanie czujników indukcyjnych i pojemnościowych opiera się na zasadzie obwodu rezonasowego. Obwód ma określoną amplitudę drgań, która zmienia się, gdy obiekt wchodzi w aktywną strefę czujnika. Ogólną cechą oscylatorów jest to, że składają się ze wzmacniacza, dodatniego sprzężenia zwrotnego i elementów mierzących częstotliwość – te ostatnie, w przypadku czujnika indukcyjnego, tworzą równoległy obwód rezonansowy LC.

Obwód rezonansowy LC

Aby zrozumieć, jak działają, należy wpierw zdefiniować, co określa częstotliwość obwodu. Przedstawia to poniższy wzór:

Widać z tego, że częstotliwość obwodu rezonansowego jest funkcją indukcyjności (L) i pojemności (C).
W przypadku czujnika indukcyjnego cewka obwodu rezonansowego znajduje się na magnetycznie otwartym żelaznym rdzeniu, częstotliwość obwodu wynosi zwykle od 100 do 1000 kHz. Drgania te wytwarzają zmienne pole magnetyczne, które tworzy aktywną strefę czujnika – emitowaną z powierzchni czujnika do otoczenia.
Gdy w tej aktywnej strefie zostanie umieszczony metalowy obiekt, wspomniana wcześniej amplituda drgań zmniejsza się, właśnie o wielkość strat energii spowodowanych przez prądy wirowe indukowane w metalowym obiekcie. Dzięki temu zjawisku czujnik określa czy coś znajduje się w jego aktywnej strefie.
Chociaż czujnik indukcyjny zużywa energię, należy ją ograniczyć do minimum. Dzisiejsze czujniki zużywają kilka mikrowatów mocy, co ma dodatkowe zalety oprócz oszczędności:

  • Brak zauważalnego wpływu magnetyzującego na metalowy obiekt w strefie aktywnej
  • Brak zakłóceń odbioru
  • Brak wzrostu temperatury
Zasada podłączenia czujnika indukcyjnego: 1 – Czujnik zbliżeniowy, 2 – Oscylator, 3 – Demodulator, 4 – Wyzwalacz, 5 – Sygnał wyjściowy (źródło: www.wikipedia.org)

Czynniki wpływające na wyzwolenie

To, kiedy czujnik wykryje określony obiekt, w określonej odległości, zależy nie tylko od czujnika, ale także od obiektu – przede wszystkim od jego przewodności, ponieważ im niższa rezystancja, tym mniejsze straty wiroprądowe. Nominalna odległość wyzwolenia jest ustalana przy użyciu standardowej płytki stalowej o grubości 1 milimetra (St37).
Płytka jest kwadratowym arkuszem, którego boki są równe średnicy aktywnej powierzchni czujnika – lub trzykrotności nominalnej odległości wyzwolenia. Zawsze należy brać pod uwagę większą z tych dwóch wartości.
W przypadku innych metali stosuje się współczynnik redukcji, który jest określany przez podzielenie odległości połączenia dla danego rodzaju materiału przez odległość połączenia płyty stalowej St37. Kilka przykładów można zobaczyć w poniższej tabeli.

Nawet średnica cewki wpływa na odległość wyzwolenia. Im większa cewka, tym większa odległość wyzwolenia. Oprócz tych czynników, występuje tak zwany efekt naskórkowości, którego efekt jest tym silniejszy, im większy jest zakres częstotliwości i przewodność elektryczna materiału.

Czujniki indukcyjne w motoryzacji

Nieprzypadkowo wspominamy tylko o metalach w sensie wykrywania, ponieważ czujniki indukcyjne mogą wykrywać zbliżanie się/obecność właśnie dla nich. Zazwyczaj działają one w zakresie od 10 do 30 woltów, a odległość wyzwalania wynosi zwykle 0,8-10 milimetrów. Nie są bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia, dzięki czemu mogą być używane w ekstremalnych warunkach i mają bardzo dobrą żywotność. Ogólny zakres temperatur wynosi od -25 do 70 °C, ale oczywiście istnieją przykłady, które przekraczają te wartości.
Ponieważ liczba metalowych części w samochodzie osobowym jest znaczna i nie brakuje elementów obrotowych i ruchomych, mamy dobry powód, aby założyć, że można je znaleźć w wielu miejscach.
Należą do nich na przykład czujniki położenia wału korbowego lub wałka rozrządu, czujniki prędkości kół (ABS) lub czujnik prędkościomierza w skrzyni biegów. Z dużym przybliżeniem możemy powiedzieć, że enkodery inkrementalne, które mają sygnalizować obrót i położenie kątowe części metalowych w samochodach, są prawie bez wyjątku czujnikami indukcyjnymi lub istnieje ich wariant indukcyjny.
Położenia krańcowe pneumatycznych i hydraulicznych siłowników wysypu ładowarek i wielu innych urządzeń są wyposażone w czujnik indukcyjny, który pozycjonuje tłok.
Jak wspomniano wcześniej, rozwiązanie można znaleźć również poza przemysłem motoryzacyjnym. Wiele przenośników taśmowych wyposażonych jest w czujniki indukcyjne wykrywające produkt lub tace nośne produktu poruszające się po taśmie. Czujniki indukcyjne są na tyle niezawodne, że w celu wyposażenia systemu taśmowego w taki czujnik, w tacę nośną produktu, która wykonana jest z materiału niemetalicznego, często wbudowywany jest pewien rodzaj metalu.
Jeśli sam produkt jest metalowy, oprócz określania pozycji i wyzwalania w pozycji końcowej, czujnik może być używany do zliczania produktów.
Ze względu na swoją solidność, opłacalność i możliwość zastosowania w ekstremalnych warunkach, czujnik indukcyjny jest nadal jednym z najczęściej używanych typów czujników, a w najbliżej przyszłości nie zanosi się na zmiany w tym zakresie.

Opublikowane przez: Redakcja

Komentarze

Komentarz musi być dłuższy niż 5 znaków!

Proszę zaakceptuj regulamin!

Brak komentarzy!