Bezdotykové spínače a oblasti jejich použití

 

 

Bezdotykové spínače se používají jako generátor signálu k řízení průběhu výroby. Zajišťují nebezpečné oblasti nebo vykonávají jiné důležité kontrolní funkce. Pracují většinou na indukčním, fotoelektrickém, ultrazvukovém nebo kapacitním principu. Přes různé funkce a různé oblasti použití mají však všechny tyto spínače jednu společnou vlastnost – jsou bezkontaktní. To znamená, že pracují téměř bez opotřebení a jsou do velké míry nezávislé na vlivu prostředí. Díky jejich různým funkčním principům lze pro každou úlohu nalézt vhodné řešení.

 

Indukční bezdotykové spínače jsou vhodné k detekci vodivých kovových objektů. Mají robustní konstrukci, lze s nimi snadno pracovat, nejsou choulostivé na působení nečistot a cenově jsou relativně výhodné. Indukční bezdotykové spínače se objevily na trhu počátkem šedesátých let dvacátého století a od té doby byly použity již v mnoha aplikacích (obr. 1). Jsou vhodné pro použití v automobilovém a potravinářském průmyslu, na lodích, u obráběcích strojů apod. Nicméně přes veškerá technická vylepšení u nich přetrvala jedna významná nevýhoda, a to relativně malá spínací vzdálenost v poměru k rozměrům konstrukce. Tuto nevýhodu však lze změnit využitím speciálních oscilačních principů. Například švýcarská firma Contrinex nabízí široký sortiment indukčních bezdotykových spínačů Condet, jejichž spínací vzdálenost při detekci oceli nebo barevných kovů je tři- až čtyřikrát větší, než udává norma. Zatímco běžné indukční bezdotykové spínače vyhodnocují tlumení kmitavého obvodu, podobá se konstrukce bezdotykových přístrojů Condet svým principem spíše netočivému indukčnímu stroji – transformátoru. Za aktivní plochou senzoru se nachází jednoduchá cívka. Ta funguje nejprve při krátkém impulzu vysílacího proudu (obr. 2) jako primární vinutí. Impulz vysílacího proudu vytvoří před touto cívkou magnetické pole. Ve vodivém měřeném objektu se, stejně jako v sekundárním vinutí transformátoru, indukuje napětí, které protlačí objektem proud. Po strmém přerušení impulzu vysílacího proudu se z měřeného objektu stane primární vinutí. Proud, který předtím tekl objektem, zaniká a přitom indukuje napětí do cívky bezdotykového spínače, která v tomto okamžiku tvoří sekundární vinutí. Toto zpětně indukované napětí je přístrojem vyhodnoceno. Doba celého cyklu, který se skládá z vysílací, čekací a přijímací doby, činí 100 až 200 μs. Realizovatelné spínací vzdálenosti jsou v rozsahu 3 mm (M8, zalícovaná montáž^*)) až 40 mm (M30, nezalícovaná montáž).

 

Větší spínací vzdálenosti poskytují další dvě výhody:

Spínací vzdálenost nejmenších v současné době sériově vyráběných indukčních bezdotykových spínačů s integrovanou vyhodnocovací elektronikou je 0,6 mm, popř. 1,0 mm při průměru pouzdra 3 mm, resp. při délce pouzdra 22 mm s použitím jemného závitu M4. U konstrukční velikosti s průměrem pouzdra 4 mm, resp. závitem M5, lze při plném zalícování realizovat spínací vzdálenost až 2,5 mm. Senzory, kompletně uzavřené do korozivzdorného ocelového pouzdra, jsou odolné proti horké vodě, čisticím prostředkům i ostrohranným horkým šponám.

 

Všestranné fotoelektrické senzory, jako např. jednocestná optická závora, odrazový světelný snímač a odrazová fotobuňka, jsou vhodné ke snímání nekovových objektů. Tyto senzory narážejí na hranice svých možností jen u velmi transparentních nebo zrcadlících materiálů. Jsou však považovány za alternativu k indukčním bezdotykovým spínačům při nedostatečné spínací vzdálenosti nebo nekovových snímaných objektů. Také zde se projevuje trend malých, válcovitých konstrukčních tvarů (obr. 3). Nové principy optiky umožňují konstruovat spínače průměrů 4 mm, resp. závity M5. Odrazové světelné snímače mohou detekovat na vzdálenost 50 mm, fotobuňky až 250 mm.

 

Vývoj v optoelektronice ovlivnil také techniku optických kabelů. Díky tomu dosáhly velmi rozšířené vlnovodné řídicí přístroje určené pro montáž na lištu DIN vysoké technické úrovně. Například přístroje vyvinuté firmou Contrinex (šířka 10 mm) jsou vhodné pro spínací vzdálenosti 0 až 200 mm (pro transparentní objekty s majáčkem se spínacími vzdálenostmi do 100 mm). Frekvence spínání 1,5 až 5 kHz dovolují rovněž snímat časově velmi krátké děje. Kromě toho existují i plastové světlovody s paralelním světelným výstupem, které dávají spolehlivé výsledky i při kritických montážních polohách, např. při vestavbě do pouzder.

 

Ultrazvukové senzory vyhodnocují odraz ultrazvukového signálu od překážky. Mohou detekovat téměř všechny myslitelné objekty nezávisle na tom, zda jde o pevné, práškovité, kapalné nebo zrnité materiály. Tyto objekty mohou být transparentní, zabarvené, libovolně tvarované, leštěné nebo matové. Ultrazvukové bezdotykové spínače jsou robustní a pracují velmi spolehli vě, jsou však o něco dražší než indukční nebo fotoelektrické přístroje.

 

Vzájemné ovlivňování více ultrazvukových přístrojů lze vyloučit i při menších montážních vzdálenostech synchronizací nebo multiplexním režimem.

 

Ultrazvukové senzory jsou vhodné také pro měření na dlouhé vzdálenosti, což poskytuje mnoho možností použití v moderní automatizační technice. Limitující jsou pro tyto senzory jen extrémně vysoké teploty a bezpečnostní řešení, kde jejich použití není dovoleno.

 

Firma Contrinex nabízí např. odrazové světelné senzory nebo odrazové fotobuňky pro provedení M18 a M30, která jsou velmi rozšířena v oblasti stavby strojů a zařízení, a to s různými konstrukčními délkami a také s rozvinutou senzorovou hlavou. Přístroje se zatemněním pozadí pokrývají vzdálenosti do 6 000 mm (obr. 4). Lze je pro optimální uzpůsobení existujícího řešení programovat prostřednictvím počítačového rozhraní. Nastavitelné jsou tak např. začátek a konec rozsahu spínání, frekvence spínání, funkce spínacího a rozpínacího kontaktu, tvorba střední hodnoty, kompenzace teploty a citlivost. Hodnoty lze ukládat do paměti nebo tisknout, což usnadňuje dokumentování i údržbu zařízení.

 

Velmi robustní a mnohostranně použitelné kapacitní bezdotykové spínače (obr. 5) jsou vhodné jak pro kovové, tak i nekovové objekty. Jejich aktivní plocha obsahuje elektrody pro snímání dielektrických poměrů v jejich okolí. Kapacita v měřicí oblasti se mění v závislosti na vzdálenosti a druhu materiálu měřeného objektu. Protože lze takto měřit také přes nekovové dělicí stěny, jsou tyto bezdotykové spínače zvlášť vhodné ke sledování stavu náplní kapalin, past nebo sypkých materiálů. Je možné je použít nejen v oblasti stavby strojů a zařízení, ale také jako bezdotykové koncové nebo limitní spínače nebo generátory impulzů pro čítačové aplikace.

 

Na trhu jsou k dostání kapacitní bezdotykové spínače ve válcovitých plastových nebo kovových pouzdrech M12, M18 nebo M30. Díky kompletně zalité elektronice otřesy nenarušují funkci těchto přístrojů.

 

Maximální spínací vzdálenosti se pohybují podle typu v rozsahu 4 až 30 mm. V nabídce jsou také čtyř- nebo dvoudrátové varianty, jakož i varianty pro lícovanou a nelícovanou montáž. Senzory pro lícovanou montáž, které lze uspořádat těsně za sebou, jsou obzvláště vhodné pro bezdotykové snímání tuhých látek nebo stavu hladin kapalin přes nekovové dělicí stěny (maximální tloušťka stěny 4 mm). Pro měření média přicházejícího přímo do styku se senzorovou hlavou (např. při měření stavu náplní sypkých hmot, past nebo kapalin) jsou vhodnější varianty pro nelícovanou montáž.

 

 

^*) Čelní plocha hlavy senzoru je zapuštěna v jedné rovině s kovovým uložením senzoru.