Czujniki do pomiaru prędkości

Wybór odpowiedniego czujnika prędkości do danego zastosowania ma kluczowe znaczenie dla dokładnego i niezawodnego pomiaru. W końcu sygnał z czujnika jest sygnałem wejściowym dla systemu ochrony przed nadmierną prędkością. Wadliwy czujnik prowadzi do niewiarygodnego sygnału wejściowego i ma negatywny wpływ na dokładność i niezawodność systemu zabezpieczającego.

Istnieje kilka czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze odpowiedniego czujnika, które można podzielić na czynniki środowiskowe i maszynowe.

Uwagi dotyczące maszyny:

1. Jaki jest oczekiwany zasięg RPM?
2. Jaki cel jest mierzony i jakie są jego specyfikacje?
3. Czy są jakieś ograniczenia dotyczące wagi i rozmiaru w miejscu montażu?
4. Jaka jest wymagana długość kabla?

Względy środowiskowe:

1. Jaka jest oczekiwana temperatura otoczenia?
2. Czy pomiar odbywa się w strefach zagrożonych wybuchem (ATEX)?
3. Czy obecne są silne pola elektromagnetyczne?
4. Czy pomiar odbywa się w środowisku korozyjnym?

W przypadku przemysłowych pomiarów prędkości istnieją trzy główne rodzaje zasad pomiaru:

• Czujniki elektromagnetyczne - znane również jako: czujniki pasywne, czujniki o zmiennej reluktancji (VR) lub przetworniki magnetyczne.
• Czujniki zbliżeniowe - znane również jako: czujniki eddy current lub czujniki przemieszczenia
• Czujniki Halla - znane również jako: czujniki aktywne

Czujniki elektromagnetyczne

Czujnik elektromagnetyczny wykorzystuje pole magnetyczne do pomiaru zmian odległości między końcówką czujnika a obiektem docelowym. Czujnik zawiera cewkę owiniętą wokół magnesu, który powoduje zmianę prądu magnetycznego (strumienia) i cewki, gdy zęby koła zębatego mijają czujnik. Poruszające się koło zębate wytwarza zmienny strumień, który indukuje proporcjonalne napięcie w cewce, którego częstotliwość jest związana z prędkością obrotową. Sygnał jest falą sinusoidalną, której amplituda zależy od rozmiaru, prędkości i odległości celu.

Zalety

Zaletą czujników elektromagnetycznych jest możliwość ich zastosowania w aplikacjach wysokotemperaturowych. Istnieją specjalne typy czujników, które nadają się do pracy w temperaturach przekraczających 300°C. Ponadto czujniki elektromagnetyczne są łatwe w użyciu i wysoce niezawodne. Kolejną dużą zaletą jest to, że czujnik ma połączenie dwuprzewodowe i dlatego często pasuje do istniejącej infrastruktury.

Wady

Główną wadą czujników elektromagnetycznych jest to, że amplituda sygnału zależy od wielkości, prędkości i odległości celu. Jeśli prędkość jest zbyt niska, ząb przekładni zbyt mały lub odległość od materiału docelowego zbyt duża, sygnał będzie zbyt płaski. Z drugiej strony, jeśli prędkość jest wysoka, ząb koła zębatego duży lub odległość jest niewielka, sygnał będzie wykazywał ogromne impulsy (do 80 V). Zastosowanie i pozycjonowanie czujników elektromagnetycznych wymaga dużej uwagi i wiedzy specjalistycznej dla prawidłowego funkcjonowania czujników. Ponieważ czujniki tego typu nie działają dobrze przy niskich prędkościach, nie nadają się do wykrywania prędkości zerowej.

 

Czujniki zbliżeniowe

Czujnik zbliżeniowy wykorzystuje pole elektromagnetyczne do pomiaru zmian odległości od obiektu. Gdy koło zębate przesuwa się obok czujnika, mierzy on zmianę odległości; blisko (ząb) i daleko (wycięcie). Prędkość obrotową można określić na podstawie czasu między tymi zdarzeniami.

Zalety

Główną zaletą sond zbliżeniowych jest to, że zasada pomiaru pokazuje zarówno impulsy, jak i położenie względem zębów. Zapewnia to wgląd w ustawioną odległość do zębów celu.

Czujniki zbliżeniowe są również dostępne z dynamicznym wyjściem prądowym, co pozwala na stosowanie bardzo długich kabli (1000 m+). Na czujniki z dynamicznym wyjściem prądowym nie ma wpływu impedancja kabla, jak ma to miejsce w przypadku czujników zbliżeniowych opartych na sygnałach napięciowych, efekcie Halla i czujnikach elektromagnetycznych.

Wady

Wykorzystanie czujników zbliżeniowych do pomiaru prędkości ma pewną wadę. Przy wysokiej prędkości (RPM) może wystąpić nasycenie, w wyniku czego linia sinusoidalna jest coraz bardziej spłaszczona. Gdy ząb przekładni przesuwa się obok czujnika przy dużych prędkościach, czujnik zbliżeniowy ledwo wykrywa różnicę odległości. Im wyższa prędkość, tym czujnik zbliżeniowy będzie mniej skuteczny w pomiarach prędkości.

Inną wadą jest to, że czujnik zbliżeniowy nie radzi sobie dobrze z mimośrodowością celu. Mimośrodowość celu (wahadłowe koło zębate) generuje sinus w sinusie. Prowadzi to do problemów, zwłaszcza w przypadku nasycenia odpowiedniego sygnału. Czujnik może generować sinus mimośrodowości koła zębatego zamiast sinusa zęba i nacięć.

Czujniki hallotronowe

Czujnik hallotronowy mierzy zmiany strumienia magnetycznego między magnesem a materiałem docelowym. Czujniki mają wbudowane kondycjonery sygnału, które generują czysty sygnał fali prostokątnej. W przeciwieństwie do czujników elektromagnetycznych, czujniki efektu Halla są wrażliwe na wielkość strumienia magnetycznego, a nie na prędkość, z jaką się zmienia. Czujniki prędkości z efektem Halla mają szeroki zakres pomiarowy i mogą być używane zarówno do pomiaru części o niskiej prędkości lub stacjonarnych, jak i części o dużej prędkości.

Zalety

Zaletą czujnika hallotronowego jest to, że bezpośrednio dostarcza on cyfrowy sygnał wyjściowy, który można łatwo przesyłać i przetwarzać. Kolejną zaletą jest to, że czujniki hallotronowe zazwyczaj posiadają wewnętrzne przetwarzanie sygnału. Sygnał jest digitalizowany i wzmacniany bardzo szybko, dzięki czemu jest mniej podatny na zakłócenia, takie jak EMI (zakłócenia elektromagnetyczne).

Wady

Ze względu na wbudowaną elektronikę, czujniki Halla są ograniczone do zastosowań, które działają w temperaturach od -40 °C do + 150 °C. Ponadto czujniki Halla wymagają połączenia 3-przewodowego.

Dlaczego preferowane są czujniki Halla?

• Niezawodna rejestracja prędkości od momentu zatrzymania. Umożliwia pomiar od częstotliwości tak niskich jak 0,1 Hz.
• Sygnały cyfrowe są odpowiednie dla dużych odległości (do 300 m).
• Sygnały prostokątne są łatwe do przetwarzania przez systemy prędkości.
• Możliwość wbudowania dwóch elementów czujnika w jednej obudowie czujnika, umożliwiając pomiary kierunku.
• Konstrukcja czujnika jest mniejsza i lżejsza (waga) niż w przypadku innych czujników prędkości.
• Czujnik Halla jest mniej trudny do prawidłowego pozycjonowania niż czujnik elektroniczny i mniej wrażliwy na mimośrodowość celu niż czujniki zbliżeniowe.
• Ten typ czujnika jest najmniej wrażliwy na wibracje i wahania temperatury.