Znaczenie czujników magnetycznych w przemyśle

Analogowe i cyfrowe sensory, wykorzystujące zjawiska elektromagnetyczne, są powszechnie stosowane do układów sterowania i automatyki w profesjonalnych rozwiązaniach przemysłowych.

Rozwój współczesnego przemysłu, podążającego za trendami Industry 4.0, determinuje konieczność stosowania specjalnych komponentów detekcyjnych. Szczególnym wyzwaniem dla inżynierów i projektantów w branży przemysłowej są zadania związane z wykrywaniem obecności oraz pomiarami w trudnodostępnych miejscach. Zasada działania czujników magnetycznych sprawia, że sensory doskonale sprawdzają się w aplikacjach z tego zakresu.

Duży zasięg działania, możliwość wykrywania pola przez przeszkody dielektryczne czy wysoka dokładność pomiarowa to jedne z wielu zalet, jakimi cechują się analogowe oraz cyfrowe sensory magnetyczne. Czujniki znajdują zastosowanie w detekcji przedmiotów poruszających się ruchem obrotowym lub postępowym. Służą ponadto do wykrywania obiektów w środowisku niebezpiecznym.

W naszym artykule szerzej przyjrzymy się ich rodzajom i właściwościom.

Z tego artykułu dowiesz się:

• Czujnik magnetyczny zasada działania
• Rodzaje i budowa czujników magnetycznych
• Zastosowanie czujników w przemyśle
• Gdzie możemy zamocować czujniki?

Czujnik magnetyczny zasada działania

Zasada działania czujnika magnetycznego opiera się o wykorzystywanie obecności pola magnetycznego oraz zjawisk z nim związanych. Przede wszystkim sensor umożliwia wykrywanie istnienia bądź zaniku pola w danym otoczeniu. Samo pole magnetyczne jest wytwarzane wokół poruszających się ładunków elektrycznych, magnesów stałych oraz przewodników, do których zostało przyłożone napięcie elektryczne.

W przypadku czujnika magnetycznego zazwyczaj mamy do czynienia z konstrukcją, która reaguje na pole magnetyczne wytwarzane przez magnes połączony z obiektem pomiarowym. Istotną informacją dla projektantów i inżynierów cyfrowych sensorów jest fakt, iż pole przenika przez materiały ferromagnetyczne. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie układu pomiarowego w odizolowanym środowisku, np. wewnątrz rury lub plastikowego pojemnika.

Opisując zasadę działania czujników magnetycznych, należy również wspomnieć o efekcie Halla. Zjawisko polega na występowaniu różnicy potencjałów w przewodniku (płytce metalowej czy półprzewodnikowej), przez który płynie prąd elektryczny, gdy oddziałuje na niego pole magnetyczne. Ważne, by strumień fal magnetycznych miał kierunek prostopadły do przepływu prądu we wspomnianym przewodniku.

Czujniki pola magnetycznego

Rodzaje i budowa czujników magnetycznych

Na rynku możemy spotkać wiele rodzajów czujników magnetycznych, różniących się budową, a w konsekwencji również obszarem zastosowań. Poniżej prezentujemy najważniejsze z nich.

Magnetyczne czujniki kąta

Jednymi z podstawowych rodzajów sensorów, wykorzystujących zjawisko magnetyzmu, są magnetyczne czujniki kąta. Wykorzystują one efekt Halla lub specjalnie zaprojektowane obwody magneto-rezystywne. Umożliwiają detekcję kąta obrotu w pełnym zakresie z dużą częstotliwością. Ze względu na brak ruchomych komponentów zastosowanych do ich budowy nie wymagają konserwacji, są odporne na zanieczyszczenia oraz zużycie eksploatacyjne.

Sensory magnetyczne Halla

Kolejnymi często spotykanymi urządzeniami detekcyjnymi są wyspecjalizowane sensory magnetyczne Halla. Umożliwiają bezpośredni pomiar natężenia pola magnetycznego i są stosowane w motoryzacji oraz przemyśle.

Hallotrony umożliwiają bezdotykowe pomiary pola w miejscach narażonych na zaburzenia optyczne i pojemnościowe oraz zanieczyszczenia opiłkami metalicznymi. Służą do pomiaru pozycji wałów korbowych czy pływaków.

Magnetyczne czujniki zbliżeniowe

Zastosowanie w układach automatyki znajdują magnetyczne czujniki zbliżeniowe. Umożliwiają detekcję położenia tłoczyska w siłownikach hydraulicznych i pneumatycznych. Służą ponadto do wykrywania położenia krańcówek zamknięcia osłon na liniach technologicznych. Nie wymagają dodatkowego zasilania, a budowa czujników magnetycznych w wersji zbliżeniowej sprawia, że zwykle wymagają doprowadzenia tylko dwóch przewodów.

Specjalne czujniki magnetyczne

Szczególnym rodzajem czujników magnetycznych są magnetorezystory AMR. W istocie budowa czujników magnetycznych wykorzystuje anizotropowe półprzewodniki. Ich szczególną cechą jest silna zależność natężenia pola od rezystancji. Zmiana ich oporności materiału zachodzi w wyniku działania pola magnetycznego. Zazwyczaj występują one w formie czterech magnetorezystorów połączonych ze sobą w układzie mostka Wheatstone’a.

Zastosowanie czujników w przemyśle

Właściwości magnetyczne sensorów sprawiają, że zastosowanie czujników w przemyśle jest bardzo szerokie. Produkty należące do tej kategorii umożliwiają detekcję przedmiotów oraz ich parametrów pracy – ruchu, prędkości, kąta czy pozycji. W połączeniu z elektronicznymi układami automatyki przemysłowej są wykorzystywane do sterowania pracą maszyn przemysłowych oraz urządzeń w zakładach produkcyjnych.

Wśród aplikacji magnetycznych czujników Halla warto wymienić wykrywanie ruchu poślizgowego pomiędzy magnesem a sensorem. Komponenty mogą także służyć do monitorowania poziomu cieczy, a to dzięki odczytywaniu pozycji pływaka w zbiorniku. Szerokie możliwości, jakie oferują sensory magnetyczne, sprawiają, że czujniki znajdują zastosowanie w automatyce systemów okiennych i drzwiowych oraz w instalacjach alarmowych.

Interesującym obszarem zastosowania opisywanych rozwiązań przemysłowych jest także pomiar prędkości bezszczotkowych silników prądu stałego. Zastosowanie znajdują układy trzech czujników na stojanie oraz trzech magnesów trwałych na wale wirnika napędu.

Gdzie możemy zamocować czujniki?

Często pojawia się pytanie, gdzie możemy zamocować czujniki. Okazuje się, że właściwości sensorów magnetycznych umożliwiają ich bezproblemowy montaż na dowolnego rodzaju materiale nieferromagnetycznym, np. powierzchni z tworzywa sztucznego czy szkła.

Jeżeli poszukujesz sposobu na skuteczny pomiar parametrów maszyn i urządzeń w środowisku przemysłowym, powinieneś rozważyć zastosowanie czujników magnetycznych. Sensory umożliwią efektywny pomiar w niekorzystnych warunkach środowiskowych.