Czujniki magnetyczne – jak działają i gdzie sprawdzają się te urządzenia?

0

Czujniki magnetyczne, należące do typowych elementów automatyki przemysłowej, to rozwiązania mające wiele zalet. Są one chętnie wykorzystywane przede wszystkim ze względu na hermetyczną budowę, zróżnicowane kształty obudowy, szeroki zakres napięć i prądów przełączania oraz duże odległości działania, przy zachowaniu niewielkich wymiarów.

Czujniki magnetyczne reagują na pole magnetyczne, czyli – mówiąc ogólnie – na przestrzeń, w której działają siły magnetyczne. Mówiąc o polu magnetycznym, warto wspomnieć o wielkościach, które je charakteryzują. Są nimi: natężenie i indukcja pola magnetycznego oraz względna przenikalność magnetyczna.

Czujniki magnetyczne – zasada działania

Pole magnetyczne wytwarzane jest wokół magnesów, przewodników z prądem, a także wokół poruszającego się ładunku elektrycznego. W przypadku tytułowych produktów mamy do czynienia z reakcją na pole magnetyczne wytwarzane przede wszystkim przez magnesy stałe połączone z wykrywanym przedmiotem. Co istotne, przedmioty mogą być wykonane z różnego rodzaju materiałów, przy czym najwięcej korzyści wiąże się z zastosowaniem przedmiotów nieferromagnetycznych, które zapewniają większy zakres działania czujnika. Z uwagi na to, że pole magnetyczne przenika przez większość materiałów niemagnetycznych, możliwe jest wykrywanie przedmiotów również w przypadku, gdy między przedmiotem a czujnikiem obecne są diamagnetyczne przeszkody, takie jak np. plastikowe ścianki rur lub pojemników.

Własności magnetyczne materiałów

Czujniki magnetyczne – jak działają i gdzie sprawdzają się te urządzenia?

Na uwagę zasługuje fakt, że wszystkie substancje wykazują własności magnetyczne. Różnica przejawia się jedynie w sile oddziaływania z polem magnetycznym. Ze względu na zachowanie materiałów w polu magnetycznym, wyrażone przez względną przenikalność magnetyczną, materiały można podzielić na: diamagnetyczne, paramagnetyczne i ferromagnetyczne.

  • Diamagnetyki są to substancje, które ustawiają się w stałym polu magnetycznym prostopadle do kierunku linii sił pola. Materiałami diamagnetycznymi są: bizmut, cynk oraz miedź.
  • Paramagnetyki, ustawiają się one w polu magnetycznym równolegle do kierunku linii sił pola. Własnościami paramagnetycznymi cechują się m.in.: aluminium, chrom oraz mangan.
  • Z polem magnetycznym bardzo silnie oddziałują ferromagnetyki, które odznaczają się obecnością bardzo małych obszarów jednakowego namagnesowania (domeny magnetyczne). W przypadku umieszczonych w polu magnetycznym ferromagnetyków wraz ze wzrostem natężenia tego pola ulegają one namagnesowaniu i po usunięciu pola magnetycznego wykazują samoistne własności magnetyczne. Materiałami ferromagnetycznymi są: żelazo w temperaturze otoczenia, nikiel, kobalt oraz niektóre ich tlenki i węgliki.

Powyższe własności magnetyczne materiałów oraz ich zachowanie się w zewnętrznym polu magnetycznym umożliwiają budowę różnych odmian czujników magnetycznych.

Czujniki magnetyczne z kontaktronem lub hallotronem

Jeśli chodzi o czujniki magnetyczne, elementem reagującym na pole magnetyczne może być np. hermetyczny łącznik elektryczny (kontaktron) lub element półprzewodnikowy (hallotron).

Czujniki magnetyczne z kontaktronem działają w oparciu o pracę kontaktronu, który składa się z hermetycznej bańki szklanej, w której w atmosferze gazu obojętnego lub w próżni zatopione są dwie cienkie blaszki z materiału ferromagnetycznego. Pod wpływem odpowiednio ukierunkowanego zewnętrznego pola magnetycznego w stykach indukuje się własne pole magnetyczne, styki zaczynają się przyciągać i następuje ich zwarcie. Po usunięciu pola magnetycznego obie blaszki rozdzielają się na skutek ich sprężystości. Kontaktrony mogą więc zamykać i przerywać obwód elektryczny. Aby polepszyć pracę styków, ich styków pokrywa się – w zależności od przeznaczenia i warunków pracy – warstwą metalu szlachetnego takiego jak: ruten, rod, złoto czy wolfram. Podczas przesuwania magnesu wokół kontaktronu można zwierać lub rozwierać jego styki. Za każdym razem, gdy styki kontaktronu rozwierają lub zwierają obwód, przez który płynie prąd, może dojść do przebicia elektrycznego między stykami, co może przyczynić się do pogorszenia jakości kontaktronu, a nawet jego uszkodzenia. Dzięki zastosowaniu dodatkowych zabezpieczeń udaje się uniknąć degradacji powierzchni styku i zmniejszenia trwałości kontaktronu. Jeśli chodzi o maksymalną częstotliwość przełączeń kontaktronów, zależy ona od ich konstrukcji i własności materiałowych – mówi ekspertka firmy Newtech.com.pl.

Należy zauważyć, że magnetyczne czujniki kontaktronowe mogą mieć bardzo różne kształty obudowy – począwszy od prostych cylindrycznych i prostopadłościennych a skończywszy na bardzo złożonych formach geometrycznych. Od kształtu czujnika zależy, w jakim obszarze będzie mógł poruszać się magnes. W przypadku niektórych czujników przemieszczanie magnesu może być możliwie jedynie względem czoła czujnika. Oczywiście są też i takie czujniki, które pozwalają na przemieszczanie magnesu także względem bocznych powierzchni czujnika.

Z kolei czujniki magnetyczne hallotronowe wykorzystują występujący w półprzewodnikach efekt Halla – zjawisko fizyczne polegające na wystąpieniu różnicy potencjałów w przewodniku, w którym płynie prąd elektryczny, w sytuacji gdy przewodnik znajduje się w poprzecznym do płynącego prądu polu magnetycznym.

Do najważniejszych zalet hallotronów należy zaliczyć: niewielkie wymiary, w zasadzie nieinwazyjny charakter pomiaru, względną prostotę konstrukcji, a także łatwość ich integracji z innymi elementami elektronicznymi w jednym obwodzie scalonym.

Czujniki magnetyczne hallotronowe mogą występować w wersji omnipolarnej (reagują na dowolną polaryzację pola magnetycznego), unipolarnej (reagują tylko na określoną polaryzację pola magnetycznego) oraz bipolarnej (wyłączenie następuje przeciwnym biegunem pola magnetycznego niż włączenie).

Czujniki magnetyczne specjalne

Czujniki magnetyczne – jak działają i gdzie sprawdzają się te urządzenia?

Oprócz kontaktronów i hallotronów innymi elementami reagującymi na pole magnetyczne mogą być magnetorezystory AMR (anizotropowe elementy półprzewodnikowe cechujące się silną zależnością rezystancji od natężenia pola magnetycznego) lub też materiały o specjalnych własnościach magnetycznych.

Czujniki magnetorezystancyjne wykorzystują zjawisko polegające na zmianie oporności materiału, z którego wykonany jest czujnik, w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Struktura czujników magnetorezystancyjnych jest podobna do struktury czujników hallotronowych. To, co różni jeden typ czujników od drugich, to wyłącznie rodzaj elementu wrażliwego na zmiany pola magnetycznego. W przypadku czujników magnetorezystancyjnych elementem tym przeważnie są cztery magnetorezystory połączone w układ mostka Wheatstone’a . Zbliżanie magnesu do czujnika powoduje zmianę rezystancji czujnika i zrównoważenie mostka pomiarowego.

Innym rozwiązaniem są czujniki magnetyczne Wieganda, stosowane do rejestrowania przypadków zmiany kierunku namagnesowania (polaryzacji) rdzenia „przewodu impulsowego”. W sytuacji, gdy zewnętrzne pole magnetyczne (wytwarzane przez ruchome lub nieruchome małe magnesy) zmieni swój kierunek, polaryzacja namagnesowania rdzenia może zmienić się na odwrotną. Zaletami czujników Wieganda jest m.in. brak konieczności zasilania oraz możliwość zastosowania w trudnych warunkach środowiskowych.  Czujniki te odznaczają się wysoką częstotliwością generowanych impulsów oraz wysokim i powtarzalnym impulsem napięcia wyjściowego.

Warto wspomnieć też o czujnikach magnetycznych z magnesem. Te najprostsze czujniki magnetyczne, złożone z magnesu stałego i nawiniętej dookoła niego cewki, charakteryzują się rozdzielczością znacznie wyższą niż przy wykorzystaniu efektu Halla, a przy tym nie wymagają zasilania. Czujniki magnetyczne z magnesem, wykrywające ruch przedmiotu ferromagnetycznego, nie nadają się do wykrywania nieruchomych przedmiotów, gdyż napięcie wyjściowe uzależnione jest od szybkości zbliżania się wykrywanego przedmiotu do czujnika.

Czujniki magnetyczne a indukcyjne

Czujniki magnetyczne, służące do bezdotykowej detekcji obiektów, z powodzeniem stosowane są w tych miejscach, gdzie użycie czujników indukcyjnych byłoby niemożliwe. Ponadto czujniki magnetyczne mają znacznie większy zasięg pomiarowy – zależy on od zainstalowanego magnesu, jednak można go rozszerzyć. Inną zaletą czujników magnetycznych jest możliwość rozpoznawania magnesów przez różne rodzaje ścian (np. aluminiowe, drewniane, plastikowe czy ze stali nierdzewnej).

Co do czujników indukcyjnych, na uwagę zasługuje fakt, że tak naprawdę to jedyne czujniki, które mogą zostać wykonane we własnym zakresie – w tym celu wystarczy po prostu nawinąć cewkę. Zaletami tego rodzaju czujników są: prostota działania i konstrukcji, dokładność, a także brak prądu wzbudzenia i elementów ferromagnetycznych, dzięki czemu można w zasadzie bezinwazyjnie badać pole magnetyczne. W porównaniu z innymi czujnikami czujniki indukcyjne mają niestety stosunkowo niewielką czułość. Innymi wadami tych czujników są możliwość pomiaru tylko sygnałów przemiennych oraz zależność sygnału wyjściowego od częstotliwości indukcji, co w sposób znaczący utrudnia analizę przebiegów odkształconych – zwraca uwagę ekspertka Newtech.com.pl.

Mocowanie czujnika magnetycznego

Czujniki magnetyczne można bez problemu zamocować lub osadzić w elementach, które są wykonane z jakiegokolwiek materiału nieferromagnetycznego. Warto podkreślić, że wielkość wysunięcia czujnika ponad powierzchnię, w której został on osadzony, nie ma żadnego wpływu na jego czułość.  Z kolei, gdy konieczne jest osadzenie czujnika w materiale ferromagnetycznym, wówczas należy zadbać o jego możliwie duże wysunięcie ponad powierzchnię materiału ferromagnetycznego. Dobrym rozwiązaniem jest też użycie dodatkowej warstwy izolacyjnej z materiału niemagnetycznego (dielektryka), która powinna zostać umieszczona między czujnikiem a ferromagnetykiem. W przypadku mocowania magnesu do powierzchni ferromagnetycznych pole magnetyczne magnesu może zostać wzmocnione (gdy magnes mocowany jest na zewnętrznej powierzchni elementu ferromagnetycznego) lub osłabione (gdy magnes wpuszczony jest w głąb materiału ferromagnetycznego), wpływając na zmianę zakresu pracy czujnika.

Jeśli między czujnik a magnes wprowadzimy przedmiot wykonany z materiału nieferromagnetycznego,  zachowanie czujnika magnetycznego nie ulegnie zmianie. Zupełnie inaczej będzie wtedy, gdy między magnesem a czujnikiem znajdzie się przedmiot ferromagnetyczny. Konsekwencją takiej sytuacji najczęściej będzie zmiana stanu wyjścia czujnika, czyli zakłócenie jego pracy.

Obszary zastosowań

Czujniki magnetyczne znajdują zastosowanie w wielu różnych aplikacjach, służąc m.in. do: detekcji obiektów w ruchu postępowym lub obrotowym, wykrywania obiektów znajdujących się za ściankami plastikowymi (np. wewnątrz rur lub pojemników), wykrywania obiektów w agresywnych środowiskach (poprzez ścianki ochronne) czy też detekcji obiektów w miejscach o podwyższonej temperaturze.