INDUKTIVNI SENZORJI Leopold Knez Iskra Feriti, Ljubljana, Slovenija Ključne besede: Induktivni senzorji, približevalna stikala, izgubni faktor, temperaturni koeficient permeabilnosti, Curiejeva temperatura, induktivnost tuljave, faktor kakovosti tuljave Izvleček: Induktivni senzorji so gradniki nekontaktnih stikal. Uporabljamo jih v avtomatiki in profesionalni elektroniki za merjenje razdalj, razpoznavanje kovin in krmiljenje aktuatorjev. Za zanesljivo delovanje je treba izbrati primeren feritni material, ki ima majhne normalizirane izgube tan 5 / p., in čim manjši temperaturni koeficient permeabilnosti a^. V članku opisujemo princip delovanja induktivnega senzorja in induktivnega stikala, pojasnjujemo nekatere parametre in sklenemo s praktičnim izračunom senzorske tuljavice. Izračunu dodajamo še meritve induktivnega senzorja za primerjavo. Inductive Sensors Key words; inductive sensor, proximity switch, loss factor, temperature coefficient of permeabiliy. Curie temperature, inductance of coil, quality factor Abstract: Inductive sensors form parts of proximity switches. They are used in automotive and professional electronics for measuring distance, recognising different alloys and control actuators. For reliable operation it is necessary to choose a suitable ferrite material that has a very low loss factor tan 5 / |i., and temperature coefficient of permeability Up. In the article we describe the working principle of an inductive sensor and a proximity switch. Some important ferrite material parameters are explained and a calculation of the inductivity of an open magnetic coil is added as an example. We conclude with practical measurements of an inductive sensor L14 which are added for comparison. 1 Princip delovanja induktivnih senzorjev induktivni senzorji spadajo med robustnejše elemente. Up-orabijajo se v industrijski avtomatizaciji, avtomobilski industriji in široki porabi. Delujejo nekontaktno. Če so primerno zaščiteni proti udarcem, prahu in vlagi, imajo zelo dolgo trajnostno dobo. Nepogrešljivi so povsod tam, kjer želimo nedotično ugotavljati pozicijo kovinskega predmeta ali izdelka. Z njimi lahko ugotavljamo premike, leguro materiala, štejemo izdelke ali vrtljaje. Prerez induktivnega senzorja je podan na sliki 1. Tuljavica je navita na plastični tuljavnik tako, da je njena ravnina natančno poravnana z robom feritnega jedra. To jedro je navadno izdelano v obliki navadnega ali podolgovatega lončka, ki ima odprt magnetni krog. Tako dobimo stresano elektromagnetno polje. Tuljava tvori z vzporedno vezanim kondenzatorjem nihajni krog. Tega napajamo z oscilatorjem. Frekvence osciliranja so navadno med 10 kHz in 1 MHz. kovino .(h 1 ( / ___ u fOioiüiüi^ -kontokt tuljove Slika 1. Prerez induktivnega dela senzorja 96 Smer magnetnega polja se spreminja s smerjo toka. Na sliki 1 je narisana smer polja le v eni pol periodi. V naslednji pol periodi se magnetno polje obrne. Obrne se tudi smer vrtinčnih tokov. Stresano magnetno polje inducira v kovini vrtinčne tokove, ki segrevajo kovino. Velikost vrtinčnih tokov je odvisna od razdalje med kovino in induktivnim senzorjem. Razmere so podobne tistim pri transformatorju, ki ima sekundarno navitje v kratkem stiku. Električne izgube v kovini krije magnetno polje, ki črpa električno energijo iz vezja. Ker je vir elektromagnetne energije šibak, pri približevanju kovine hitro upade amplituda osciliranja elektromagnetnega polja senzorja. Ob približevanju kovine senzorju prične upadati tudi Q nihajnega kroga. To lastnost izkoriščamo pri prepoznavanju kovancev in njihovih legur. Če so kovanci pristni, so izdelani iz enake legu-re, na katero je možno umeriti induktivni senzor. Tako ugotavljamo pri novčičnih avtomatih vrsto in pristnost kovanca. Ker je v kovancu več različnih kovin, uporabimo več induktivnih senzorjev, ki so umerjeni na posamezne kovine. Navadno uporabljamo tri do štiri induktivne senzorje, ki so z mikroprocesorjem in programom povezani v sistem štetja in ugotavljanja pristnosti kovancev. Pri sodobnih avtomatih na kovinske žetone uporabljamo podoben princip delovanja. 2 Zgradba induktivnih stikal Induktivno stikalo (slika 2) je sestavljeno iz kvalitetnega induktivnega senzorja L, ki skupaj z L in C sestavlja nihajni krog, oscilatorja, Schmitovega prožilnika in ojačevalnika. Induktivno stikalo napajamo z enosmernim tokom. Izhod induktivnega stikala je visok ali nizek napetostni nivo. Za krmiljenje močnejših aktuatorjev je treba dograditi ojačevalnik, ki zagotavlja ustrezne izhodne tokove za njihovo proženje. T lihojni Slika 2. Shema induktivnega stikaia Napetost na sponkah vzporednega nihajnega kroga je v resonanci najvišja. Najvišja pa je tudi kakovost kroga Q. Ob prisotnosti kovine pa Q, kot je bilo pokazano v predhodnem poglavju, močno upade. Zmanjša se tudi induktiv-nost tuljave ter posledično frekvenca nihajnega kroga. Induktivna stikala so zato lahko umerjena na padec Q -ja ali na spremembo frekvence nihajnega kroga. Pri približevanju kovinske plošče induktivnemu stikalu torej dosežemo točko, kjer se stikalo vklopi. Pri oddaljevanju plošče dosežemo novo točko, kjerse stikalo izklopi. Razlika razdalj med vklopom in izklopom stikala je histereza, ki pa je tudi potrebna za zanesljivo delovanje induktivnega senzorja. 3 Praktična izvedba induktivnega stikala Na sliki 3 je prikazana električna shema induktivnega stikala za industrijske aplikacije. Tranzistorska stopnja poveča občutljivost senzorja in zmanjšuje histerezo preklapljanja na 0,6 do 0,7mm pri odmiku 0,5mm. Tipični frekvenci nihajnih krogov sta med 2 in 3MHz. Frekvenci pa se glede na vrednosti induktivnosti lahko spreminjata med 1 in 10MHz. Ko se induktivnemu senzorju približa kovinska plošča, se zaradi izgub v njej, zniža frekvenca nihajnih krogov. Integrirano vezje TCA 105 pretvori spremembe resonanč-nih frekvenc nihajnih krogov v nizek izhodni nivo. Izhodna logična stanja prožita aktuatorje. Z nastavljivim trimerjem P1 nastavljamo širino histerezne zanke v območju 0,3 do 1mm medtem, ko s trimerjem P2 nastavljamo prag preklapljanja senzorja glede na oddaljenost senzorja od kovinske plošče v območju 3 do 10mm. Frekvenca nihajnih krogov se zmanjšuje ob horizontalnem ali vertikalnem približevanju tuljavic kovinski plošči. Za kakovostno in zanesljivo delovanje induktivnih senzorjev izberemo primeren feritni material, ki ima čim manjše izgube pri visokih frekvencah in majhen temperaturni koeficient permeabilnosti. Pomembnejše parametre in bistvene razlike med tremi materiali navajamo v tabeli 1. Podrobnejše karakteristike so dostopne na spletnih straneh http://wvw.iskra-feriti.si. {T.—t- UlOilH \\22 2.2n 2201 TCA 105 -w- 1 6 2 5 3 4 Ug=4...28V -k)0 j -oOl Slika 3. Praktična izvedba induktivnega stikala [11 Tabela 1. Pomembnejši parametri feritnih materialov za induktivne senzorje Piirameter Material lOG Material 16G Material 26G Začetna permeabilijost //, 750 + 20 % ; 2200 + 20 % 2200 ± 20 % Normalizirane izgtlbc tan<5//', <8 IO-<". jOOkllz i <1.5 lO-'-. lOkllz <20 10-® ; t MHz j < 3.5 i O*; ! 00 kHz <1.0 KH ; lOkHz <2,5 10-'; 100 kHz Temperatunu koeficient [jennealMlnostia^ ■. - 25 do + 55 °C 0-2 lO-'YK j 0.6-2.2 10-»/K 0,4-1.5 lO-VK Ciiriejeva temperatura > 200 °C j > 150 °C >150°C j 4.1 Definicije pomembnejših parametrov feritnih materialov Normalizirane izgube v feritnem materialu Magnetne izgube so vsota histereznih izgub, izgub zaradi vrtinčnih tokov in preostalih ali remanenčnih izgub. Histerezne izgube so pri majhnih magnetnih gostotah v feritnem materialu zanemarljive. Izgube zaradi vrtinčnih tokov naraščajo s hitrostjo spreminjanja smeri tokov. Pri nizkih frekvencah so zanemarljive. Induktivni senzorji uporabljajo majhne magnetne gostote in višje frekvence magnetnih polj. Normalizirane izgube tan5/|j,,. so neodvisne od velikosti jedra in zračne reže pri magnetno odprtih jedrih. Določajo ga le izgube zaradi vrtinčnih tokov in preostale izgube v feritnem materialu, zato ne vključuje histereznih izgub. Faktor narašča s frekvenco. Normalizirane izgube v feritnem materialu merimo z računalniško podprtim merilnim sistemom. Merilni vzorec je toroidnojedroT 22 14 07, na katerega navijemo 20 ovojev dvakrat lakirane bakrene žice premera 0,25 mm. Merilno frekvenco za nizkoizgubne materiale spreminjamo med 10 kHz in 1 MHz. Merilni sistem pri sobni temperaturi 23 ± 2 °C zagotavlja stalno gostoto 0,1 mT v feritnem jedru, izmeri induktivnost tuljave ter njeno enosmerno in efektivno upornost. Na osnovi izmerjenih parametrov izračuna normalizirane izgube feritnega materiala po enačbi (4.1): Kf - Ro tan 5 2-% ■ f ■ L tan (4.1) pri čemer je flef efektivna upornost tuljave, navite na feritno jedro, pri frekvenci 100 kHz ali 1 MHz in vključuje enosmerne in celotne izgube izražene v Q,, Ro je čista enosmerna upornost tuljave v Q,,f je merilna frekvenca v Hz, L induktivnost tuljave v H, ni začetna permeabilnost toroida in lie efektivna permeabilnost jedra z režo. Efektivna permeabilnost je vedno nižja od začetne. Podajamo jo za jedra z zračno režo. Izgubni faktorje za obe permeabilnosti enak, ker se pri jedrih z režo zmanjša tudi kot 5e. 4.2 Curiejeva temperatura Curiejeva temperatura Tc je temperaturna meja, nad katero izgubi feritni material svoje magnetne lastnosti. Začetna permeabilnost feritnega materiala ji-, sedaj pade na vrednost 1. 4.3 Temperaturni koeficient permeabilnosti Temperaturni koeficient permeabilnosti materiala a^je določen kot sprememba začetne permeabilnosti materiala zaradi spremembe temperature in ga podaja enačba (4.2). To je materialna konstanta, ki je neodvisna od reže. Ta faktor posledično vpliva na spremembo induktivnosti tuljave, če se spremeni temperatura v feritnem materialu. V enačbi nastopa relativna permeabilnost jUi, ki je brezdimenzijska. Temperaturni koeficient permeabilnosti ar podaja enačba (4.2): Up = 1^/2 - K (4.2) pri čemer je jun permeabilnost pri temperaturi Ti in /Ji2 permeabilnost pri temperaturi T2 v stopinjah Kelvina. 5 Oblike in velikosti feritnih lončkov za induktivne senzorje Iz feritnih materialov 10G, 16G in 26G se izdeluje lončaste oblike feritnih jeder, ki so primerni za induktivne senzorje. Črka pri oznaki običajno pomeni lonček, številka pa njegov zunanji premer. 6 Izračun induktivnosti tuljave za senzor induktivnosti Izračunavanje induktivnosti tuljav z odprtimi magnetnimi krogi je težavno. Za praktične izračune pa enačba (6.1) določa dober rezultat /2/. Natančne vrednosti parametrov induktivnega senzorja ugotavljamo z meritvami. Induktivnost tuljave je določena s številom ovojev in njeno geometrijsko obliko. Vpliv feritnega materiala na induktivnost je izražena s koeficientom k. L = k' D D^ 1 + 0,45 • - - 0,003 • ™ / nH (6.1) D = notranji premer tuljave v cm I = dolžina tuljave v cm N = število ovojev tuljave k = koeficient {k = 1 za zračno tuljavo, k = 3 za tuljavo s feritnim jedrom) Induktivnost po enačbi (6.1) lahko računamo, kadar je raz- 'D' merje notranjega premera tuljave proti dolžini tuljave med O in 30. Kakovost tuljave Q podaja naslednja enačba: CO -L 2-n-f-L ß = R R (6.2) pri čemer je L induktivnost tuljave v H in R enosmerna upornost v ß in f frekvenca v Hz. Kakovost tuljave linearno raste s frekvenco dokler ne začne s frekvenco rasti še njena upornost. Kakovost nihajnega kroga pa se spreminja po značilni zvonasti krivulji. Iz znane induktivnosti in enosmerne upornosti lahko izračunamo kakovost tuljave pri različnih frekvencah. Recipročna vrednost kakovosti je izgubni faktor tuljave. 6.1 Zgled za izračun induktivnosti tipičnega induktivnega senzorja D = 0,72 cm / = 0,17 cm N = 300 ovojev /( = 1 za zrak oziroma 2 ali 3 za feritni material Uporabimo enačbo (6.1) in izračunamo induktivnost zračne tuljave: L = - l^Tt' -0,72' -300' 0,17- O 72 O 72^ 1 + 0,45.^-0,003 ' 0,17 : 949 725,87 nH - 949,7 \iH 0,17^ Z upoštevanjem koeficienta k in enačbe (6.1) izračunamo še induktivnost tuljave s feritnim lončkom: L{k = 3)=3- 949,7 iiH = 2.849,1 [lH 6.2 Praktične meritve induktivnega senzorja Tabela 2. Praktične meritve induktivnega senzorja Frekvenca Indukth nost, kakoi'o.st Brez feritnega lončka S feritnim lončkom log S feritnim lončkom 26g 10 kHz L = 930 nH Q=3 L = 2,88 niH Q=9,2 L = 2.87 mH Q= 9,2 100 kHz L = 931 tiH Q = 27.5 L = 2.89 mH Q = 73 L = 2.89 iiiH Q = 72 8 Literatura /1/ Dieter Nührmann, Professionelle Schaltungstechnik, 3. Auflage, Teil 3, Optoeiel