Läheisyysantureiden perusteet: Niiden valinta ja käyttö teollisuusautomaatiossa

Monet teollisuusautomaatiosovellukset (IA) edellyttävät kykyä havaita esineen tai henkilön läsnäolo ja/tai sijainti ilman fyysistä kosketusta, jotta vältyttäisiin rajoittamasta havaittavan kohteen liikettä. Läheisyysanturi soveltuu ihanteellisesti tähän tehtävään. Läheisyysantureita on kuitenkin monenlaisia, kuten magneettisia, kapasitiivisia, induktiivisia ja optisia, ja havaittavan kohteen materiaalikoostumus voi vaikuttaa anturin kykyyn havaita sen läsnäolo.

Jotkin läheisyysanturit soveltuvat rautametallien havaitsemiseen, toiset havaitsevat minkä tahansa metallin, ja toiset havaitsevat minkä tahansa esineen ja jopa ihmisiä. Läheisyysanturien potentiaalisten käyttäjien on tunnettava erilaiset läheisyysanturiteknologiatyypit ja niiden soveltuvuus haluttuun anturitilanteeseen.

Tässä artikkelissa käsitellään erilaisia anturityyppejä ja kerrotaan tarkemmin, millaisia kohteita ne voivat havaita ja mikä on kunkin laitetyypin alueellinen herkkyys. Esimerkkilaitteina käytetään yritysten Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse Inc., Omron Electronics Inc., MaxBotix Inc. sekä Carlo Gavazzi Inc. mallilaitteita.

Induktiiviset läheisyysanturit

Induktiiviset läheisyysanturit havaitsevat johtavien (eli metallisten) esineiden läsnäolon, ja niiden havaitsemisalue riippuu havaittavan metallin tyypistä. Nämä anturit käyttävät korkeataajuista magneettikenttää, joka generoidaan oskillointipiirin kelalla. Magneettikenttää lähestyvään johtavaan kohteeseen indusoituu induktio- tai pyörrevirtoja, jotka luovat vastakkaisen magneettikentän. Tämä puolestaan laskee induktiivisen anturin induktanssia.

Induktiiviset läheisyysanturit toimivat kahdella tavalla. Ensimmäisessä toimintatavassa kohteen lähestyessä anturia induktiovirta kasvaa, mikä lisää värähtelypiirin kuormitusta ja aiheuttaa sen värähtelyn vaimenemisen tai pysähtymisen. Anturi havaitsee tämän värähtelytilan muutoksen amplitudin havaintopiirillä ja antaa havaintosignaalin.

Toisessa toimintamallissa käytetään johtavan kohteen läsnäolosta johtuvaa värähtelytaajuuden muutosta eikä amplitudin muutosta. Anturia lähestyvä ei-metallinen kohde kuten alumiini tai kupari saa värähtelytaajuuden kasvamaan, kun taas rautaa sisältävä kohde kuten rauta tai teräs saa värähtelytaajuuden laskemaan. Värähtelytaajuuden muutos suhteessa vertailutaajuuteen aiheuttaa muutoksen anturin lähtötilassa.

Texas Instruments LDC0851HDSGT on esimerkki lyhyen etäisyyden induktiivisesta läheisyyskytkinanturista, joka käyttää taajuuden vaihtelua havaitakseen johtavan kohteen läsnäolon sähkömagneettisen kentän sisällä (kuva 1).

Kuva 1: LDC0851HDSGT on induktiivinen läheisyysanturi, joka käyttää kahta induktiivista kelaa - tunnistuskelaa ja vertailukelaa - mitatakseen induktanssissa eron, joka johtuu tunnistuskelan lähellä olevasta kohteesta. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Induktiivinen LDC0851-läheisyyskytkin sopii erinomaisesti kosketuksettomiin läheisyyskytkentäsovelluksiin, kuten läsnäolotunnistukseen, tapahtumien laskentaan ja yksinkertaisiin painikkeisiin, joissa tunnistusetäisyys on alle 10 millimetriä (mm). Laite muuttaa lähtötilaansa, kun johtava esine liikkuu anturikelan läheisyydessä. Differentiaalista toteutusta (tunnistus- ja referenssikelan käyttö järjestelmän suhteellisen induktanssin määrittämiseksi) ja hystereesiä käytetään takaamaan luotettava kytkentä, joka on immuuni mekaaniselle tärinälle, lämpötilan vaihtelulle tai kosteusvaikutuksille.

LDC0851HDSGT:n induktiiviset poimintakelat viritetään yhdellä anturikondensaattorilla, joka asettaa värähtelytaajuuden alueelle 3-19 megahertsiä (MHz). Push-pull-lähtö on alhaalla, kun tunnistusinduktanssi on alle referenssi-induktanssin, ja palaa korkeaan tilaan, kun tilanne on päinvastainen.

Magneettiset läheisyysanturit

Liikkuvien metallikomponenttien asennon ja nopeuden mittaamiseen käytettävät magneettiset läheisyysanturit voivat olla aktiivisia laitteita, kuten Hall-anturi, tai passiivisia laitteita, kuten muuttuvan reluktanssin (VR) anturi, esimerkkinä Red Lion Controlsin MP62TA00 kierteellä varustettu magneettianturi (kuva 2, vasemmalla). VR-läheisyysanturi mittaa muutoksia magneettisessa reluktanssissa - joka on analoginen sähköisen piirin sähkövastuksen kanssa - ja se koostuu kestomagneetista, napakappaleesta ja sylinterimäiseen koteloon suljetusta anturikelasta.

Kuva 2: VR-magneettianturi (vasemmalla) on passiivinen anturi, joka havaitsee napakappaleen ja anturikotelon (kuvassa oikealla) välisen magneettikentän muutoksen. (Kuvan lähde: Art Pini, MP62TA00-kuva Red Lion Controlsilta)

Jos ferromagneettinen esine kulkee napakappaleen ohi, magneettikenttä muuttuu. Tämä vaihtelu puolestaan synnyttää signaalikelassa signaalijännitteen. Signaalijännitteen suuruus riippuu kohdekappaleen koosta, sen nopeudesta sekä napakappaleen ja kohteen välisestä raosta. Kohteen on oltava liikkeessä, jotta VRS havaitsee sen. Kierteellinen MP62TA00-magneettianturi on epoksikapseloitu VR-läheisyysanturi, jonka käyttölämpötila-alue on -40 ... +107 °C. Sen pituus on yksi tuuma (25,4 millimetriä (mm)) ja sen rungossa on ¼ - 40 UNS -kierre.

VR-anturit ovat passiivisia laitteita, joten ne eivät tarvitse virtalähdettä. Tämän vuoksi niitä käytetään tyypillisesti pyörivien koneiden mittaamiseen. MP62TA00:n kaltaisia VR-antureita käytetään yleisesti esimerkiksi tunnistamaan rautaisen hammaspyörän, ketjupyörän tai jakohihnapyörän ohimeneviä hampaita. Niitä voidaan käyttää myös pultinpäiden, ohjausurien tai muiden nopeasti liikkuvien metallisten kohteiden tunnistamiseen (kuva 3).

Kuva 3: VR-antureita käytetään yleisesti pyörivien koneiden hammaspyörien hampaiden, nokkien ja ohjausurien tunnistamiseen. (Kuvan lähde: Red Lion Controls)

Niitä käytetään kierroslukumittareina pyörimisnopeuden mittaamiseen, ja niitä käytetään myös pareittain pyörivän akselin epäkeskisyyden mittaamiseen.

Toisenlainen magneettianturi käyttää Hall-ilmiötä havaitsemaan magneettikentän läsnäolon. Hall-ilmiö kuvaa virtaa johtavan johtimen ja johtimen tasoon nähden kohtisuorassa olevan magneettikentän vuorovaikutusta. Kun virtaa johtava johdin asetetaan magneettikenttään, syntyy jännite (Hall-jännite), joka on kohtisuorassa sekä virtaa että kenttää vastaan. Hall-jännite on verrannollinen magneettikentän vuontiheyteen ja edellyttää magnetoitua kohdetta.

55100-3H-02-A yritykseltä Littelfuse Inc. on laippaan asennettava Hallin ilmiötä käyttävä anturi, joka on saatavana digitaalisella lähdöllä tai ohjelmoitavalla analogisella jännitelähdöllä (kuva 4).

Kuva 4: Lohkokaavio ja kuva laippaan asennettavasta Hallin ilmiötä käyttävästä läheisyysanturista 55100-3H-02-A jännitelähdöllä. (Kuvan lähde: Littelfuse Inc.)

55100-3H-02-A-piirin mitat ovat 25,5 x 11 x 3 mm, ja se on saatavana joko kolmijohtimisella jännitelähdöllä tai kaksijohtimisella virtalähdöllä. Kumpikin versio tarjoaa keskitason (130 gaussia), korkean (59 gaussia) tai ohjelmoitavan herkkyyden. Laitteen herkkyys on korkea ja sen aktivointialue on 18 mm määritettyä magneettia käytettäessä. Alasvetolähtö kestää jopa 24 volttia DC ja 20 milliampeeria (mA).

Tämä anturi voi toimia jopa 10 kilohertsin (kHz) kytkentänopeudella ja havaita sekä dynaamisia että staattisia magneettikenttiä. Kyky havaita staattisia magneettikenttiä on Hallin ilmiötä käyttävän anturin merkittävä etu, sillä sen avulla voidaan havaita oven sulkeutuminen ja kiinteässä asennossa oleva esine.

Optinen läheisyysanturi

Optiset läheisyysanturit käyttävät kohteiden havaitsemiseen infrapuna- tai näkyvää valoa. Niiden etuna on, että kohteen ei tarvitse olla magneettinen tai metallinen - sen on vain estettävä tai heijastettava valoa. Periaatteessa optiset anturit lähettävät valoa ja tarkkailevat kohdekohteesta heijastuvaa valoa (kuva 5, vasemmalla).

Kuva 5: Optinen läheisyysanturi paikallistaa kohteen lähettämällä valonsäteen ja mittaamalla sen heijastumisen kohteesta. (Kuvan lähde: Art Pini)

EE-SY1200 yritykseltä Omron Electronics Inc. on hyvä esimerkki optisesta läheisyysanturista (kuva 5, oikealla). Se on erittäin kompakti valoanturi, joka on asennettu pienelle piirilevylle ja joka toimii 850 nanometrin (nm) infrapuna-aallonpituudella. Se muodostuu led-emitteri- ja valotransistoriparista pintaliitoskotelossa, jonka mitat ovat 1,9 x 3,2 x 1,1 mm, ja jonka käyttölämpötila-alue on -25 ... +85 °C. Sen suositeltu tunnistusetäisyys on 1,0 – 4,0 mm.

Sen pienen koon ansiosta se soveltuu erinomaisesti esimerkiksi metalloidun mylar-materiaalin kohdistamiseen automaattisessa käärintäkoneessa.

Ultraääni-läheisyysanturit

Pidempää tunnistusetäisyyttä koskevat vaatimukset, kuten autojen havaitseminen drive-in-ikkunassa, voidaan ratkaista ultraäänipohjaisilla läheisyysantureilla. Nämä anturit havaitsevat kaiken tyyppisiä kohteita jopa useiden metrien (m) etäisyydeltä. Mittauksen perustana on anturilähettimen lähettämän ultraäänipulssin kulkuaika. Pulssi heijastuu kohdekappaleesta ja anturivastaanotin vastaanottaa sen (kuva 6).

Kuva 6: Etäisyyden määritys ultraäänen avulla mittaa aikaa lähettimen ultraäänipulssista (vasemmalla) heijastuneen pulssin saapumisaikaan (oikealla). Tämä aika on kaksi kertaa niin pitkä kuin alkuperäisen signaalipulssin kulkuaika anturista kohdeobjektiin. (Kuvan lähde: Art Pini)

Aika lähetetystä pulssista vastaanotettuun heijastukseen edustaa kulkuaikaa anturista kohteeseen ja takaisin. Kun tunnetaan etenemisnopeus ja kulkuaika, etäisyys voidaan laskea. Näytetyssä esimerkissä kulkuaika on 3,1 millisekuntia (ms). Äänen nopeus on ilmassa ja 70 °F:n lämpötilassa 1128 jalkaa sekunnissa, joten kokonaismatka kohteeseen ja takaisin on 3,96 jalkaa. Anturin ja kohteen välinen etäisyys on puolet kulkuajasta tai 1,98 jalkaa.

MB1634-000 yritykseltä MatBotix Inc. on ultraääni-läheisyysanturi, jonka mittausetäisyys on 5 m. Se vaatii 2,5 – 5,5 voltin virtalähteen. Se toimii 42 kHz:n taajuudella ja antaa etäisyyden kohteeseen analogisena jännitteenä, pulssinleveytenä tai TTL (Transistor-Transistor Logic) -tasoisena sarjatietovirtana. Siinä on kohteen kokovaihtelun, käyttöjännitteen ja sisäisen lämpötilan kompensointi (valinnaisena ulkoisen lämpötilan kompensointi). Kaikki tämä alle yhden kuutiotuuman kokoisessa kotelossa mitoiltaan 22,23 x 38,05 x 14,73 mm (kuva 7).

Kuva 7: MB1634-000 on ultraääntä käyttävä etäisyysmittarikokoonpano lähetys- ja vastaanottoanturilla ja jonka kantama on 5 m. (Kuvan lähde: MaxBotix Inc.)

Kapasitiiviset läheisyysanturit

Kapasitiivisilla läheisyysantureilla voidaan havaita jauhemaiset, rakeiset, nestemäiset ja kiinteät metalliset ja ei-metalliset kohteet. Hyvä esimerkki on Carlo Gavazzin CD50CNF06NO (kuva 8). Laitteet ovat yleensä samankaltaisia kuin induktiiviset anturit, paitsi että induktiivisen anturin anturikelat on korvattu kapasitiivisella anturilevyllä. Niitä käytetään useimmiten varastosäiliöiden nestetasojen mittaamiseen.

Kuva 8: Yleisessä kapasitiivisessa läheisyysanturissa (vasemmalla) kondensaattorin anturilevy muodostaa kondensaattorin ulkoisen kohdekappaleen kanssa; kapasitanssin arvo määrittää oskillaattorin taajuuden. Carlo Gavazzin CD50CNF06NO (oikealla) on kapasitiivinen läheisyysanturi, joka on tarkoitettu nestetasojen valvontaan. (Kuvan lähde: Art Pini)

Anturin anturilevy muodostaa kohteen kanssa kondensaattorin jonka kapasitanssi vaihtelee kohteen etäisyyden mukaan. Tunnistuskohteen kapasitanssi määrittää oskillaattorin taajuuden, jota seurataan ulostulotilan vaihtamiseksi aina, kun kynnystaajuus ylittyy.

CD50CNF06N0 on tarkoitettu nestetasojen valvontaan. Se on kolmijohtiminen anturi, joka käyttää normaalisti avoimeen tilaan konfiguroitua NPN-transistoria. Se vaatii 10–30 voltin tasavirtalähteen. Se on kooltaan 50 x 30 x 7 mm ja sen mittausetäisyys on 6 mm. Normaalissa pinnankorkeuden mittaussovelluksessa se ruuvataan tai liimataan ei-metallisen säiliön ulkopuolelle.

Yhteenveto

Läheisyysantureissa käytetään useita eri tekniikoita, jotka soveltuvat erilaisiin sovelluksiin. Anturityypistä riippuen ne voivat havaita sekä metallisia että ei-metallisia kohteita, ja niiden tunnistusetäisyys vaihtelee millimetreistä viiteen tai useampaan metriin. Ne ovat niin kompakteja, että niitä voidaan käyttää ahtaissa tiloissa, ja monet niistä pystyvät toimimaan vaativissa ympäristöissä. Tämä tekniikkavalikoima tarjoaa käyttäjälle useita vaihtoehtoja, jotka täyttävät lukemattomat läheisyyden tunnistamiseen liittyvät vaatimukset.