Часть 2. Конструкция индуктивного датчика и его чувствительного элемента.

Переменное электромагнитное поле индуктивной катушки способно наводить вихревые токи во всех металлах, ферритах, магнитах, а так же в особых металлических материалах, не имеющих кристаллической решётки, так называемых, аморфных металлах. Все эти материалы могут быть объектами, которые способен дистанционно почувствовать индуктивный датчик. Способность к наведению вихревых токов у разных материалов, разных металлов разная. Поэтому у одного и того же индуктивного датчика будут разными дистанции, на которых датчик почувствует объекты, изготовленные из различных вихретоковых материалов. Кроме того, эта рабочая дистанция зависит от электронной схемы, применённой в датчике, а так же от наличия поблизости с датчиком прочих объектов, способных влиять на индуктивную катушку датчика.

В принципе, вполне можно изготовить индуктивный датчик с чувствительным элементом в виде одной индуктивной обмотки, без каких-либо ферромагнитных сердечников. Однако, у такого датчика зона чувствительности будет похожа на шар. Это означает, что индуктивный датчик будет чувствовать приближение объекта с любой стороны от катушки, что не вполне удобно, если индуктивный датчик используется в промышленной автоматике. Кроме того, распределённое во все стороны, рассеянное электромагнитное поле такого датчика будет иметь совсем небольшую шаровидную чувствительную зону. Датчик способен будет почувствовать объект только на очень малом расстоянии.

Для увеличения зоны чувствительности в нужном направлении, для концентрации в нужном направлении почти всего электромагнитного поля катушки и для одновременного ослабления электромагнитного поля во второстепенных направлениях применяют в датчиках сердечники из ферромагнитных материалов. Индуктивная катушка укладывается, например, в ферритовый сердечник, имеющий форму чашки. При такой конструкции чувствительного элемента электромагнитное поле катушки почти полностью концентрируется с открытой стороны чашки. Это приводит к тому, что датчик станет чувствовать приближение объекта только со стороны открытой чашки. На практике это удобно. Второстепенные направления для такого датчика – зона сбоку от чашки, зона с тыльной, закрытой стороны чашки. В этих второстепенных зонах почти отсутствует поле, создаваемое катушкой. Поэтому объекты, приближающиеся из этих двух зон, не будут чувствоваться датчиком.

Но, всё же, небольшая часть поля катушки, даже в случае применения чашкообразного концентратора, рассеивается в боковую зону от чашки. Если в боковой зоне, очень близко от чашки, (например, касаясь чашки) будет находится какой-то дополнительный вихретоковый объект, то он снизит чувствительность датчика к основному объекту. По этой причине различают две большие группы индуктивных датчиков:

1).не заподлицо (выступающий, неутопленный, non-flush, non-embedded, non-embeddable, unshielded) - при монтаже датчика в металл чувствительный элемент датчика должен выступать, то есть поблизости с чувствительным элементом не допускается располагать вихретоковых предметов;

2.1). заподлицо (встроенный, утопленный, flush, embedded, embeddable, shielded) - при монтаже датчика в металл чувствительная поверхность датчика может не выступать из металла; в непосредственной близости с чувствительной поверхностью могут быть вихретоковые предметы;

2.2). почти заподлицо (semi - flush, quasi - flush, virtually flush, quasi-embeddable) - при монтаже датчика в металл чувствительная поверхность датчика должна несколько выступать; в этом случае будет увеличение рабочей дистанции по сравнению с конструкцией заподлицо.

                    Рис. 1.  Конструкция «не заподлицо» цилиндрического индуктивного датчика приближения.

                Рис. 2.  Конструкция «заподлицо» и «почти заподлицо» цилиндрического индуктивного датчика приближения.

Картины электромагнитных полей в чувствительных зонах трёх типах конструкций индуктивных датчиков приближения [32] :

       Рис. 3.  Картины магнитных полей и соответствующих зон чувствительности в цилиндрических индуктивных
                   датчиках приближения типов: «заподлицо», «не заподлицо» и «почти заподлицо».

Источник [35] приводит такие численные ориентиры распределения основного поля впереди чувствительных элементов индуктивного вихретокового датчика:
-в датчике заподлицо основное поле находится в зоне не далее 1,5 … 2-х диаметров датчика;
-в датчике не заподлицо основное поле находится в зоне не далее 2,5 … 3-х диаметров датчика.
Дальше поля, практически, отсутствуют.

Казалось бы, настроив точки переключения датчиков на дальних краях полей, можно легко получить индуктивные датчики с расстояниями переключения, равными  2 … 3-м диаметрам датчика, то есть получить  L  =  3D  или, хотя бы,   L  =  2D. Однако, на практике этого получить не удаётся по следующим причинам:
а).из-за технологических разбросов параметров датчиков и параметров измеряемых объектов;
б).из-за необходимости обеспечения термостабильности индуктивных датчиков в широком диапазоне температур. (Обычный диапазон рабочих температур для общепромышленных датчиков : -25/30 … + 75/80  °C. Встречаются задачи и с гораздо большими температурными диапазонами.)
Вот по этим причинам дистанцию переключения бинарного индуктивного датчика приходится настраивать гораздо ближе, чем края поля. Удаётся лишь серийно производить датчики, в которых L  ≈  D  (рис.1 и 4).

Для защиты от механических воздействий обычно чувствительный элемент индуктивного датчика закрывают каким-либо тонким слоем пластика. В пластике, естественно, не могут наводится вихревые токи, поэтому на чувствительность датчика пластик не влияет, однако пластик предохраняет от незапланированных касаний датчика и объекта, а так же пластик
герметизирует корпус датчика, изолирует электросхему датчика от внешних нежелательных факторов, как то: влага, пыль, разнообразные агрессивные вещества и т.д.

Герметизация датчика, надёжная изоляция всех внутренних элементов датчика существенным образом влияют на срок службы устройства, когда устройство работает в реальном производстве. Автор встречал индуктивные датчики, исправно проработавшие десять, двадцать и более лет, например, в автоматизированном производстве строительных материалов. Среда таких производств довольно пыльная, имеются значительные перепады температур, присутствует влага.

Таким образом, доказано многолетней практикой, что срок службы качественно произведённого индуктивного датчика приближения, работающего на реальном автоматизированном производстве, вполне может быть 10 … 20 лет, то есть, соизмерим со сроком службы всего технологического оборудования.

Если же корпус датчика будет подвергаться незапланированным, непредусмотренным воздействиям посторонних объектов, то неизбежны нарушения целостности корпуса. В среде реального производства внутрь нарушенного корпуса датчика проникнет влага, пыль и т.д., что неизбежно приведёт к коррозии внутренних элементов датчика. В таком случае о длительной и надёжной работе датчика не может быть и речи.

Степень герметичности корпуса датчика, а лучше сказать степень защиты корпуса от внешних воздействий (Ingress Protection; часто применяют английскую аббревиатуру IP) – очень важный эксплуатационный параметр датчика. В технике отечественного производства ранее чаще применялся аналогичный термин :  климатическое исполнение  или  климатические условия. Теперь чаще у отечественных инженеров стало применяться понятие и аббревиатура IP.

Степени защиты корпусов IP подробно описаны в соответствующих немецких и международных стандартах.   В современных датчиках чаще всего применяются следующие степени защиты корпусов датчиков от внешний воздействий : IP67, IP68, IP69K. Для простоты понимания можно обозначить следующее:

                                       Наиболее распространённые степени защиты корпусов датчиков.
                                                                                                                                                                     Таблица 1.

*¹ практика показывает, что производители разных стран могут понимать под одной и той же степенью защиты
IP несколько разную стойкость корпусов к внешним воздействиям. То есть, при выборе датчика, особенно для ответственных применений, не лишне детально уточнить у производителя, что производитель понимает под декларированным IP и какими реальными испытаниями производитель подтверждает декларированное в своём
каталоге IP.

Датчики для современных производств выпускаются именно этих трёх самых распространённых степеней защиты. Степени защиты IP66, IP65 и ниже применяются гораздо реже. За исключением, может быть, тех случаев, когда датчик заведомо будет находиться на значительном расстоянии от технологического оборудования, от техпроцесса. Например, лазерные дальномеры с рабочими дистанциями десятки или сотни метров. На таких дистанциях дальномер вполне может находиться от техпроцесса и одновременно надёжно контролировать техпроцесс. На значительных удалениях от техпроцесса можно ограничиться, как правило, степенью защиты корпуса датчика IP65.

Следует упомянуть ещё один («третий») вариант конструкции, стоящий особняком:
3). индуктивный датчик приближения в цельнометаллическом корпусе из нержавеющей стали.

         Рис. 4.Конструкция цельнометаллического цилиндрического индуктивного датчика приближения.

Цельнометаллический корпус – это полый стакан из нержавеющей стали. В таком датчике чувствительная поверхность закрыта тонким листом, мембраной толщиной 0,2 ... 0,4 мм  из нержавеющей стали. Мембрана приварена, например, лазером к тонкостенной трубке из нержавеющей стали. Возможен иной вариант: тонкостенный нержавеющий стакан изготавливается одной деталью без сварных швов.

Такой цельнометаллический корпус имеет наилучшую защиту IP69K от внешних воздействий. Кроме того, цельнометаллический нержавеющий корпус очень устойчив для многих агрессивных сред. (Но, конечно, не для всех.)  По оценкам  [31]  датчики в цельнометаллическом корпусе устойчивее к истирающим и ударным воздействиям датчиков в пластиковом корпусе в 20 раз и более. Однако наличие тонкой нержавеющей мембраны, являющейся вихретоковым материалом, в непосредственной близости перед чувствительным элементом датчика заставляет применять особую схемотехнику электронной части датчика для того, чтобы датчик оставался достаточно чувствительным к чёрным, цветным металлам.

В датчиках конструкции  не заподлицо индуктивная катушка и чашковый концентратор поля закрыты, как правило, пластиковым защитным колпаком, и металлический корпус датчика находится во второстепенной зоне позади концентратора. Здесь металлический вихретоковый корпус датчика, практически, никак не влияет на чувствительность катушки. Поэтому датчики конструкции  не заподлицо имеют самую большую зону чувствительности, что приводит к самому большому расстоянию переключения.

В датчиках конструкции  заподлицо индуктивная катушка и чашковый концентратор закрыты, как правило, пластиковой пластинкой, а металлический корпус датчика находится в непосредственной близости от зоны с максимальной концентрацией электромагнитного поля. Здесь металлический вихретоковый корпус датчика весьма влияет на чувствительность катушки, снижая её. Поэтому датчики конструкции  заподлицо имеют меньшую зону чувствительности, которая, примерно, в 1,5 ... 2 раза меньше, чем у датчиков  не заподлицо. Соответственно, расстояние переключения датчиков заподлицо будет в 1,5 ... 2 раза меньше, чем у датчиков  не заподлицо.

Конструкция чувствительного элемента датчика в виде индуктивной катушки, уложенной в ферриторую чашку – одна из самых распространённых в автоматике, но не единственная. Серийно выпускаются индуктивные датчики с иными конструкциями чувствительных элементов:
-щелевой датчик с “П”-образным чувствительным элементом; когда объект проходит через щель, датчик чувствует объект;
-кольцевой датчик с “O”-образным чувствительным элементом; когда объект проходит через кольцо, датчик чувствует объект;
-датчик с несколькими индуктивными катушками (возможно несколько десятков катушек), выстроенными вдоль прямой или по окружности; каждая катушка уложена в свою чашку; вихретоковый объект последовательно проходит через чувствительные зоны разных катушек; если сигналы от катушек обрабатываются единой электронной схемой, то появляется возможность непрерывно отслеживать движение объекта, перемещающегося вдоль любой катушки, то есть вдоль протяжённой, длинной, чувствительной поверхности  индуктивного датчика.