Czujnik indukcyjny – jak działa, jaki ma symbol i jak go podłączyć?

Co to jest czujnik indukcyjny?

Czujnik indukcyjny to bezkontaktowy czujnik zbliżeniowy przeznaczony do wykrywania przedmiotów metalowych. Stosuje się go w maszynach i instalacjach automatyki do kontrolowania położenia elementów, potwierdzania ich obecności, zliczania detali oraz sprawdzania pozycji krańcowych mechanizmów.

Sensor nie musi dotykać wykrywanego przedmiotu. Ogranicza to zużycie mechaniczne i umożliwia pracę przy dużej liczbie cykli. W odróżnieniu od mechanicznego wyłącznika krańcowego czujnik indukcyjny nie ma styku uruchamianego przez nacisk przedmiotu.

Podstawowym zadaniem takiego czujnika jest wykrywanie metali. Nie jest to uniwersalny detektor plastiku, drewna, szkła ani materiałów sypkich. Do ich wykrywania wykorzystuje się między innymi czujniki pojemnościowe lub fotoelektryczne.

Jak działa czujnik indukcyjny?

W przedniej części czujnika znajduje się cewka współpracująca z układem oscylatora. Elementy te wytwarzają zmienne pole elektromagnetyczne przed aktywnym czołem sensora.

Kiedy w zasięgu pola pojawi się metalowy przedmiot, powstają w nim prądy wirowe. Pobierają one część energii z pola i powodują zmianę parametrów drgań układu. Elektronika czujnika wykrywa tę zmianę, a po przekroczeniu określonego progu przełącza wyjście.

W typowym zastosowaniu sterownik otrzymuje informację dwustanową: metal został wykryty albo nie znajduje się w strefie działania. Dioda LED umieszczona na obudowie zazwyczaj sygnalizuje stan wyjścia, jednak jej znaczenie należy potwierdzić w dokumentacji danego modelu.

Czy czujnik indukcyjny wykrywa każdy metal?

Czujnik indukcyjny może reagować zarówno na metale ferromagnetyczne, jak i nieferromagnetyczne, ale zasięg detekcji nie musi być dla nich jednakowy. Wartość nominalna jest zwykle określana dla znormalizowanego celu wykonanego ze stali.

W przypadku aluminium, mosiądzu, miedzi lub stali nierdzewnej rzeczywista odległość przełączania może być mniejsza. Wielkość różnicy zależy od konstrukcji czujnika i podanego przez producenta współczynnika korekcji materiału.

Dlatego sensor należy dobierać do rzeczywistego detalu. Jeżeli czujnik ma wykrywać niewielki element aluminiowy, nie wystarczy sprawdzić zasięgu określonego dla dużej płytki stalowej. Najbezpieczniejszym rozwiązaniem jest uwzględnienie współczynnika materiałowego oraz przeprowadzenie próby na docelowym elemencie.

Jaki symbol ma czujnik indukcyjny?

Symbole czujników stosowane na schematach elektrycznych są określane między innymi w bazie IEC 60617. Symbol graficzny informuje, że urządzenie jest czujnikiem zbliżeniowym reagującym na materiał metalowy. Jego dokładna postać może jednak zależeć od używanego programu projektowego, przyjętego standardu dokumentacji oraz wersji urządzenia.

Inaczej może być przedstawiony:

• czujnik dwuprzewodowy,
• czujnik trójprzewodowy,
• wersja NO lub NC,
• czujnik z przewodem,
• czujnik wyposażony w konektor.

Nie istnieje więc jeden znak graficzny, z którego można odczytać wszystkie parametry urządzenia. Obok symbolu powinno znajdować się oznaczenie elementu, a informacje o PNP, NPN, NO, NC, napięciu i numerach zacisków należy odczytać ze schematu połączeń lub karty katalogowej.

Określenie „symbol czujnika” bywa też używane w sklepach jako synonim numeru katalogowego. Numer produktu nie jest jednak tym samym co symbol elektryczny stosowany w dokumentacji maszyny.

Co oznaczają PNP i NPN?

PNP oraz NPN określają sposób działania tranzystorowego wyjścia czujnika.

Czujnik PNP po przełączeniu podaje na wyjście potencjał dodatni. Obciążenie albo wejście sterownika znajduje się pomiędzy wyjściem sygnałowym a potencjałem ujemnym. Rozwiązanie PNP jest często stosowane w europejskiej automatyce przemysłowej.

Czujnik NPN po przełączeniu łączy wyjście w kierunku potencjału ujemnego. Obciążenie znajduje się wówczas pomiędzy dodatnim biegunem zasilania a wyjściem sensora.

Czujniki PNP i NPN nie są bezpośrednimi zamiennikami. Typ wyjścia musi być zgodny z konfiguracją wejścia sterownika PLC, modułu wejść lub podłączonego przekaźnika.

Co oznaczają oznaczenia NO i NC?

NO oznacza funkcję normalnie otwartą. W typowym czujniku indukcyjnym wyjście pozostaje nieaktywne, gdy przed aktywnym czołem nie ma metalowego obiektu. Po wykryciu metalu wyjście zmienia stan.

NC oznacza funkcję normalnie zamkniętą. W takim wariancie wyjście jest aktywne przy braku obiektu i zmienia stan po jego wykryciu.

Określenia NO i NC opisują logikę działania, natomiast PNP i NPN sposób elektrycznego przełączania wyjścia. Przy wymianie sensora trzeba sprawdzić obydwa parametry. Czujnik PNP NO nie jest funkcjonalnym odpowiednikiem czujnika PNP NC.

Jak podłączyć 3-przewodowy czujnik indukcyjny?

Przed rozpoczęciem podłączania należy wyłączyć zasilanie oraz odczytać schemat konkretnego modelu. Kolory przewodów są często zgodne ze standardowym oznaczeniem, ale nie należy traktować ich jako jedynego źródła informacji.

W popularnym czujniku trójprzewodowym DC najczęściej występują:

• BN, przewód brązowy – dodatni biegun zasilania L+,
• BU, przewód niebieski – ujemny biegun zasilania L−,
• BK, przewód czarny – wyjście sygnałowe.

W czujniku PNP przewód brązowy podłącza się do dodatniego bieguna zasilania, niebieski do bieguna ujemnego, a czarny do wejścia sterownika skonfigurowanego do współpracy z wyjściem PNP.

W czujniku NPN zasilanie podłącza się analogicznie, ale wyjście czarne przełącza sygnał w stronę potencjału ujemnego. Wejście sterownika musi być przystosowane do współpracy z wyjściem NPN.

Nie wystarczy połączyć przewodów według ich kolorów. Trzeba również sprawdzić napięcie zasilania, dopuszczalny prąd wyjściowy, konfigurację wejścia PLC oraz funkcję NO lub NC.

Jak podłączyć czujnik indukcyjny ze złączem M12?

W typowym czujniku trójprzewodowym ze złączem M12 często stosuje się następujące przyporządkowanie:

• pin 1 – L+, najczęściej przewód brązowy,
• pin 3 – L−, najczęściej przewód niebieski,
• pin 4 – wyjście, najczęściej przewód czarny,
• pin 2 – dodatkowa funkcja lub drugie wyjście, jeśli przewidział je producent.

Nie jest to jednak uniwersalny schemat dla każdego urządzenia wyposażonego w złącze M12. Rozmieszczenie pinów trzeba zawsze potwierdzić w dokumentacji czujnika. Należy również sprawdzić kodowanie złącza, liczbę pinów i zgodność zastosowanego przewodu.

Czym różni się czujnik indukcyjny 2, 3 i 4-przewodowy?

Czujnik dwuprzewodowy jest podłączany szeregowo z obciążeniem. Nawet w stanie wyłączenia może przez niego przepływać niewielki prąd, a po załączeniu na czujniku może pozostać spadek napięcia. Parametry te trzeba porównać z wymaganiami wejścia sterownika lub przekaźnika.

Czujnik trójprzewodowy ma oddzielne przewody zasilania i wyjścia. Jest to popularna konfiguracja dla czujników PNP oraz NPN stosowanych w instalacjach 24 V DC.

Wersja czteroprzewodowa może oferować dwa wyjścia, na przykład NO i NC, albo dodatkową funkcję. Przewód biały oznaczany jako WH bywa wykorzystywany jako drugie wyjście, ale jego przeznaczenie należy potwierdzić na schemacie konkretnego modelu.

Czoło zabudowane czy niezabudowane w czujnikach indukcyjnych - jaki wybrać?

Czujnik z czołem zabudowanym może zostać zamontowany w metalowej powierzchni zgodnie z wymaganiami producenta. Aktywne czoło może znajdować się równo z otaczającym elementem, co ułatwia jego ochronę mechaniczną.

Czujnik z czołem niezabudowanym musi wystawać poza metalowy uchwyt. Wokół jego aktywnej części trzeba zachować odpowiednią wolną przestrzeń. Takie wykonanie często zapewnia większy zasięg, ale nieprawidłowa zabudowa może powodować ciągłe załączenie, niestabilność albo skrócenie odległości wykrywania.

Niektóre modele mają czoło quasi-zabudowane. W każdym przypadku należy przestrzegać minimalnych odstępów podanych w dokumentacji.

Jak dobrać odpowiedni czujnik indukcyjny?

Przy doborze należy uwzględnić, jaki metalowy element ma być wykrywany i z jakiej odległości. Następnie trzeba sprawdzić:

• nominalny i gwarantowany zasięg działania,
• materiał i wielkość wykrywanego elementu,
• czoło zabudowane, niezabudowane lub quasi-zabudowane,
• wyjście PNP albo NPN,
• funkcję NO albo NC,
• napięcie zasilania,
• maksymalny prąd wyjściowy,
• częstotliwość przełączania,
• rozmiar i długość obudowy,
• rodzaj przewodu lub konektora,
• stopień ochrony,
• temperaturę pracy,
• odporność na oleje, chłodziwa i środki myjące.

Rozmiary M8, M12, M18 lub M30 odnoszą się do gwintu obudowy czujnika. Nie należy mylić rozmiaru korpusu z rodzajem złącza. Czujnik w obudowie M18 może być na przykład zakończony konektorem M12.

Jak sprawdzić, czy czujnik indukcyjny działa poprawnie?

Najpierw należy potwierdzić prawidłowe napięcie zasilania oraz sposób podłączenia. Następnie można zbliżyć odpowiednio duży stalowy element do aktywnego czoła czujnika i obserwować diodę sygnalizacyjną oraz stan wejścia sterownika.

Jeżeli dioda zmienia stan, ale sterownik nie otrzymuje sygnału, przyczyną może być niezgodność PNP/NPN, nieprawidłowe wspólne połączenie wejść, przerwa w przewodzie albo błędne przyporządkowanie pinów.

Jeżeli czujnik nie reaguje, należy sprawdzić odległość i materiał detalu, sposób zabudowy, napięcie zasilania oraz stan przewodu. Test metalowym przedmiotem potwierdza podstawowe przełączanie, ale nie zastępuje kontroli zasięgu w rzeczywistych warunkach pracy.

Najczęstsze błędy przy montażu czujników indukcyjnych 

Do typowych błędów przy montażu czujników indukcyjnych należą min.:

• zamiana PNP na NPN,
• pomylenie funkcji NO i NC,
• podłączenie wyjścia do niewłaściwego typu wejścia PLC,
• przyjęcie kolorów przewodów bez sprawdzenia dokumentacji,
• montaż czujnika niezabudowanego wewnątrz metalowej konstrukcji,
• ustawienie detalu na granicy nominalnego zasięgu,
• pominięcie wpływu rodzaju metalu na odległość detekcji,
• pomylenie rozmiaru obudowy z rozmiarem konektora,
• przekroczenie dopuszczalnego prądu wyjściowego,
• zastosowanie czujnika o zbyt małej częstotliwości przełączania przy szybkim zliczaniu.

W aplikacji przemysłowej warto przeprowadzić test na rzeczywistym detalu, przy docelowej prędkości maszyny i w przewidywanym zakresie temperatur.

Gdzie stosuje się czujniki indukcyjne?

Czujniki indukcyjne wykorzystuje się między innymi do kontroli położenia części maszyn, potwierdzania wysunięcia mechanizmu, zliczania metalowych detali, wykrywania min. kół zębatych, kontroli obecności elementu w uchwycie oraz sprawdzania położenia krzywek.

Do takich zastosowań dobiera się czujniki indukcyjne w obudowach miniaturowych oraz gwintowanych M8, M12 i M18. Poszczególne modele różnią się zasięgiem detekcji, rodzajem czoła, typem wyjścia oraz sposobem przyłączenia. Przed wyborem należy porównać ich parametry z wymaganiami wejścia sterownika, właściwościami wykrywanego elementu i warunkami panującymi na maszynie.

Podsumowanie

Czujnik indukcyjny bezdotykowo wykrywa metal poprzez obserwowanie zmian pola elektromagnetycznego przed aktywnym czołem. Jego poprawne zastosowanie wymaga jednak czegoś więcej niż dobrania odpowiedniej średnicy obudowy.

Przed zakupem warto, a nawet trzeba sprawdzić zasięg dla konkretnego materiału, sposób zabudowy, PNP lub NPN, funkcję NO lub NC, napięcie, częstotliwość przełączania i rodzaj przyłącza. Podczas podłączania zawsze należy korzystać ze schematu konkretnego wybranego modelu, ponieważ sam kolor przewodu albo wygląd złącza nie gwarantuje jego zgodności.