Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Magnetostrikční snímače vzdálenosti

Magnetostrikční snímače vzdálenosti

V automatizační technice je velmi často třeba spojitě zjišťovat polohu různých objektů přesným měřením jejich vzdálenosti od zvoleného vztažného bodu. Jedna z nejstarších metod je založena na použití přesných potenciometrů. Jejím hlavním nedostatkem je kontaktní způsob snímání, při němž mechanické opotřebení a dynamický přechodový odpor sběrače potenciometru vedou již po krátké době provozu k výraznému nárůstu nejistoty naměřené hodnoty. Proto se v průmyslové praxi dává přednost bezdotykovým (bezkontaktním) metodám měření polohy a vzdálenosti, reprezentovaným např. optoelektronickými snímači, s jejichž použitím však mohou být potíže v prašném a znečištěném prostředí. V poslední době se stále častěji používají magnetostrikční senzory, využívající k určení polohy a změření vzdálenosti kombinaci magnetomechanických jevů ve feromagnetickém materiálu a přesného měření doby šíření mechanického torzního impulsu (ultrazvukové vlny). Vyznačují se tím, že měří vzdálenost bezdotykově, přesně a s velkým rozlišením, spolehlivě a bez opotřebovávání i ve ztížených provozních podmínkách v průmyslu a v oblastech, které mohou být pro jiné typy senzorů již kritické.

Princip činnosti

Magnetostrikce je fyzikální vlastnost feromagnetických materiálů, jako jsou železo, nikl, kobalt a jejich slitiny, měnit své rozměry v magnetickém poli, která je již dlouho známa (Jouleův jev), ale teprve v poslední době se ve spojení s moderní mikroelektronikou využívá k přesnému a bezdotykovému měření vzdálenosti [1]. Princip magnetostrikčních snímačů polohy vychází ze dvou dalších magnetomechanických jevů, magnetostrikčního Wiedemannova a magnetoelastického (Villariho jev). Wiedemannův jev spočívá v tom, že prochází-li dlouhou a tenkou tyčí z feromagnetického materiálu umístěnou v podélném magnetickém poli proud, namáhá se tyč krutem. Za Villariho jev se označuje změna magnetických vlastností, např. permeability, materiálu feromagnetické tyče, která je vyvolána její deformací v podélném směru.

Obr. 1.

Obr. 1. Princip magnetostrikčního měření vzdálenosti (zdroj: MTS Sensors)

Základními částmi magnetostrikčního senzoru vzdálenosti jsou feromagnetický měřicí prvek tvaru tyče označovaný jako vlnovod (vede torzní ultrazvukovou vlnu k měniči impulsu) a posuvný permanentní magnet spjatý se sledovaným objektem, který vytváří ve vlnovodu podélné magnetické pole (obr. 1). Mezi posuvným permanentním magnetem (pracovní magnet ve funkci indikátoru polohy sledovaného objektu) a měřicím prvkem (vlnovodem) přitom neexistuje žádné přímé mechanické spojení. Při měření vysílá elektronika senzoru do vlnovodu krátké proudové impulsy, které vytvářejí proměnné magnetické pole radiálně působící okolo vlnovodu a šířící se s proudovými impulsy podél vlnovodu rychlostí světla. V místě, kde se radiální magnetické pole setká s podélným magnetickým polem pracovního magnetu, dojde podle Wiedemannova jevu k mechanické torzní deformaci feromagnetického vlnovodu. Tím vznikne mechanický torzní impuls, který se šíří jako ultrazvuková vlna vlnovodem od místa vzniku k oběma jeho koncům. Na volném konci vlnovodu je pohlcen tlumicím obvodem, čímž se vyloučí případné rušivé vlivy na snímání signálu.

Na druhém konci vlnovodu (v hlavici snímače) zjišťuje příchod torzní vlny speciální měnič torzních impulsů, který se skládá z magnetostrikčního kovového pásku spojeného s vlnovodem, z indukční snímací cívky a z pevného permanentního magnetu. Torzní vlna způsobí podle Villariho jevu změnu permeability kovového pásku. Ta se projeví časovou změnou magnetického pole pevného magnetu, která ve snímací cívce indukuje elektrický impuls. Protože se torzní vlna šíří vlnovodem konstantní ultrazvukovou rychlostí, lze vzdálenost mezi snímací cívkou a polohou pracovního magnetu snímače určit z doby, která uplyne mezi vysláním budicího proudového impulsu a vznikem elektrického impulsu ve snímací cívce měniče torzních impulsů (princip měření doby průletu – time-of-flight). Zjištěný časový rozdíl je možné přeměnit známými metodami na analogový nebo digitální výstupní signál ze snímače úměrný okamžité vzdálenosti pracovního magnetu od jeho výchozího (nulového) bodu, popř. rychlosti pohybu magnetu.

Základní vlastnosti

U magnetostrikčních snímačů polohy v odolném průmyslovém provedení využívajících princip podle obr. 1 je feromagnetický měřicí prvek umístěn ve vhodně tvarovaném ochranném pouzdru, vně kterého se pohybuje posuvný pracovní magnet, jehož magnetické pole působí přes stěnu pouzdra. Bezdotykový způsob snímání polohy vylučuje problémy s opotřebením a šumem, zaručuje velkou přesnost a dlouhodobou stabilitu bez nutnosti rekalibrace během celé doby provozního života snímače.

Uspořádání a funkce průmyslových magnetostrikčních snímačů polohy jsou patrné z obr. 2, kde je naznačen jak standardní snímač s jedním pracovním magnetem, tak i jedna z variant snímače s několika magnety (v praxi až např. čtyřmi při současném měření polohy a rychlosti, popř. až patnáct při měření pouze polohy).

Obr. 1.

Obr. 2. Schéma uspořádání a funkce magnetostrikčního snímače polohy/rychosti (M0 až M4 – pracovní magnety)

Při magnetostrikčním měření vzdálenosti na základě vyhodnocení doby šíření ultrazvukové vlny (opakovaném až 10 000krát za sekundu) je rozlišení snímače nezávislé na délce jeho měřicího prvku (vlnovodu) senzoru a měřicí rozsah je v praxi v podstatě omezen jenom výrobními možnostmi. Existují např. snímače s profilovým pouzdrem pro měření vzdálenosti až 5 000 mm a snímače v tyčovém provedení pro měření vzdálenosti až 7 600 mm. U nejkvalitnějších verzí lze přitom dosáhnout nelinearity menší než 0,01 %, reprodukovatelnosti 0,001 % a rozlišení až 1 µm. Vzdálenost se měří absolutně a snímače nepotřebují žádné referenční značky ani speciální nastavení po zapnutí či po přerušení napájení.

V hlavici průmyslového magnetostrikčního snímače polohy je vestavěna úplná mikroprocesorová řídicí a vyhodnocovací elektronika, takže přístroj ke své činnosti nevyžaduje žádné přídavné zařízení. Vedle unifikovaných analogových výstupů (napětí, proud) a digitálních výstupů (SSI, BCD, binární) jsou tyto snímače vesměs vybaveny také rozhraními pro průmyslové sběrnice (CANopen, Profibus-DP, Interbus atd.).

V poslední době se v oboru magnetostrikčních snímačů polohy lze setkat s mnoha zajímavými a užitečnými novinkami. Jednou z nich je možnost naprogramovat řídicí jednotku snímače zvnějšku bez nutnosti otevírat těsně uzavřené pouzdro s elektronikou – analogový nebo digitální výstupní signál se upravuje a senzor se na začátku nebo na konci měřicího rozsahu seřizuje přes datové vedení. Některé senzory lze naprogramovat také přes infračervené rozhraní. Díky procesorovému ovládání jsou všechny důležité kontrolní a provozní údaje snímačů současně nejen přístupné prostřednictvím datového vedení či infračerveného rozhraní, ale také jsou indikovány svítivými diodami přímo na hlavici senzoru. Trvalé a přerušované světlo diod indikuje např. aktuální pracovní režim snímače, překročení měřicího rozsahu, odpojení vysílače polohy, chybějící nebo příliš vysoké napájecí napětí apod. Tyto informace zjednodušují uvádění zařízení do provozu a usnadňují vyhledávání jeho případných poruch. Velkou pozornost věnují výrobci ekonomickým modelům a také dosažení co nejvyššího stupně krytí, elektromagnetické kompatibility i mechanické odolnosti snímačů, jejichž vybrané modely lze poté používat i ve skutečně velmi nepříznivých provozních podmínkách.

Široké možnosti použití

Magnetostrikční senzory polohy mají velmi široké možnosti použití a uživatelům přinášejí zajímavé technické i ekonomické výhody. Uplatňují se všude, kde je v nepříznivých podmínkách třeba přesně měřit vzdálenost či určovat polohu objektu, ať již je to na válcovacích stolicích, na lisech, vstřikovacích strojích pro plasty, na strojích pro ražení tunelů, v plovákových snímačích polohy hladiny kapalin atd. Již mnoho let se také úspěšně používají na vozidlech a v mobilních hydraulických systémech, kde výrazně přispívají k vyšší produktivitě, bezpečnosti a spolehlivosti mobilních pracovních strojů. K dispozici jsou rovněž snímače určené speciálně pro použití na hydraulických válcích s omezeným montážním prostorem. Hermeticky zapouzdřený vlnovod, který vydrží tlak až 35 MPa, lze díky jeho nepatrným rozměrům např. vložit přímo do pístní tyče. Jediným pohyblivým dílem měřicího systému je pak polohový pracovní magnet, zamontovaný ve dnu pístu, který vlnovodu bezdotykově hlásí svou polohu.

Běžně je k magnetostrikčním snímačům polohy nejrůznějších typů k dispozici široká škála různě tvarovaných pracovních magnetů, elektrických konektorů, upevňovacích pomůcek a uživatelsky orientovaného softwaru.

Kvalitnější technické prostředky vždy také něco stojí. Při porovnávání nákladů však uživatelé často berou v úvahu pouze pořizovací cenu jednotlivých komponent. Mnohem důležitější je ovšem uvažovat celkové náklady vynaložené za dobu používání celého systému, protože opotřebení, zhoršená kvalita, častější rekalibrace nebo náročné úpravy komponent při změně výrobního zařízení mohou být příčinou výrazného nárůstu celkových provozních nákladů. Uživatele pak může velmi nepříjemně překvapit zjištění, že se domnělé úspory, zprvu dosažené při pořízení levnější techniky, v konečném souhrnu změnily v pravý opak.

Literatura:
[1] Magnetostriction – Basic Physical Elements. MTS Sensors Group, 2001.
[2] HANSERDMANN, B.: Nicht am falschen Ende sparen. MSR Magazin, 2006, č. 4, s. 14–15.

Ing. Karel Kabeš