Az induktív szenzorok általános bemutatása

A jelenkor járműveinek tömegének ma már szemmel látható részét teszik ki a szenzorika, melyet magukkal hordoznak – úgy is fogalmazhatnánk, hogy egy kis részben ezek az eszközök felelősek az autók tömegnövekedéséért. Ez azonban minimális jelentőséggel bír ahhoz képest, hogy mennyit adnak hozzá a személygépkocsi működéséhez. Kétség nélkül kijelenthető, hogy érzékelők, de akár csak az induktív szenzorok nélkül is mozgásképtelen egy mai autó. Hogy ez utóbbi csoport mivel járul hozzá ahhoz, hogy mégis közlekedni tudjunk, az a lenti cikkből kiderül.

Történeti áttekintés

Fontos megjegyeznünk, hogy bár mi autóipari szempontból mutatjuk be a különböző találmányokat, a különböző szenzorok jelentősége messze meghaladja a járműtechnika határait.

Az első közelítéskapcsolót 1958-ban mutatta be a Mannheim laboratórium, mely akkor a Pepperl+Fuchs nevű vállalat birtokában volt. Tulajdonképpen innentől vált lehetővé az elektronikai úton történő automatizálás, mely ma már szinte az összes iparág alapvetése.

A 60-as és 70-es években egymásra épülő szabadalmak sokasága jelent meg, melyek hamar elkezdtek terjedni a különböző ipari szektorokban. 1968-ban szabadalmaztatták az induktív szenzort is, melyet szintén a Pepperl+Fuchsnak köszönhetünk. Eredetileg kifejezetten arra szánták, hogy azokat a feladatokat váltsa ki, melyhez korábban mechanikai kapcsolat volt szükséges – vagy pont emiatt nem volt megvalósítható.

Működési elv

Mind az induktív, mind a kapacitív érzékelők (ez utóbbiról külön cikkben írunk később) működése egy rezgőkör elvén alapul. A kör rendelkezik egy adott rezgésamplitúdóval, mely megváltozik, ha az érzékelő aktív zónájába egy tárgy kerül.

Az oszcillátorok általános jellemzője, hogy erősítőből, pozitív visszacsatolásból és frekvenciameghatározó elemekből állnak – ez utóbbi az induktív érzékelő esetén egy párhuzamos LC-rezgőkör.

Hogy megértsük a működését, fontos megállapítanunk, hogy mi határozza meg a kör frekvenciáját. Ezt a következő képlet mutatja be:

Ebből belátható, hogy a rezgőkör frekvenciája az induktivitás (L) és a kapacitás (C) függvénye.

A rezgőkör tekercse egy mágneses értelemben nyitott vasmagon található induktív szenzor esetén, a kör frekvenciája általában 100 és 1000 kHz között van. Ez a rezgés hozza létre a változó mágneses mezőt, mely a szenzor aktív zónáját alkotja – tehát kilép az érzékelő felületéről a környezetbe.

Amikor ebbe az aktív zónába egy fémtárgy kerül, a korábban említett rezgésamplitúdó lecsökken, mégpedig pont annyival, amennyit a fémtárgyban indukált örvényáramok energiaveszteség okoz. Ennek köszönhetően tudja eldönteni a szenzor, hogy van-e valami az aktív zónájában.

Noha van energiafelvétele az induktív érzékelőnek, ezt muszáj minimális szinten tartani. A mostani szenzorok néhány mikrowattnyi teljesítményt vesznek fel, és ez a takarékosság mellett további előnyökkel is jár:

• Nincs érdemi mágnesező hatása az aktív zónában lévő fémtárgyra
• Nincsenek vételi zavarok
• Nincs melegedés

A kapcsolást befolyásoló tényezők

Az, hogy a szenzor mikor, azaz milyen távolságból érzékel egy adott tárgyat, nem csak az érzékelőtől, hanem a tárgytól is függ – elsősorban annak vezetőképességétől, mivel ha kisebb az ellenállás, kisebb lesz az örvényáram-veszteség is. A nominális kapcsolási távolságot egy szabványos, 1 milliméter vastag acéllemezzel állapítják meg (St37).

A lemez egy négyzetlap, oldalai az érzékelő aktív felületének átmérőjével egyenlő hosszúságúak – vagy a névleges kapcsolási távolság háromszorosával. A kettő közül mindig a nagyobbik értéket kell figyelembe venni.

Más fémek esetén redukciós tényező alkalmazandó, melyet úgy határozunk meg, hogy a kapcsolási távolságot az adott anyagfajtánál elosztjuk az St37-es acéllap kapcsolási távolságával. Az alábbi táblázatban láthatunk erre néhány példát.

A kapcsolási távolságra hatással van még a tekercs átmérője is. Minél nagyobb a tekercs, annál nagyobb a kapcsolási távolság. Ezek kívül tényező még az ún. skin-effektus is, melynek hatása annál erősebb, minél nagyobb a frekvenciatartomány és az anyag elektromos vezetőképessége.

Beépítési jellemzők, felhasználás az autóiparban

Nem véletlenül csak fémeket említünk az érzékelésnél, ugyanis az induktív szenzor csak ezeknek a közeledését/jelenlétét képes megállapítani. Tipikusan 10 és 30 Volt között üzemelnek, a kapcsolási távolságunk általában 0,8-10 milliméter. Szennyeződésekre nem túl érzékenyek, ennélfogva extrém körülmények között is bevethetők, és egészen jó élettartammal rendelkeznek. Az általános hőmérsékleti tartomány -25 és 70 °C közé tehető, de természetesen ezeket meghaladó példákkal is találkozhatunk.

Mivel egy személygépkocsiban jelentős a fémalkatrészek száma, és nincs hiány a forgó-mozgó változatokból sem, jó okkal feltételezzük, hogy számos helyen találkozhatunk vele.

Ilyenek például a forgattyús- vagy a vezérműtengely jeladói, a kerékfordulatszám-visszajelzők, vagy a sebességmérő órák szenzora a sebességváltóházban. Jó közelítéssel azt mondhatjuk, hogy az inkrementális jeladók, melyek a fém alkatrészek forgását, szöghelyzetét hivatottak visszajelezni, szinte kivétel nélkül induktív szenzorok az autóban, vagy létezik induktív variánsa.

Induktív érzékelővel látják el a billenthető rakfelületű teherautók, és sok más eszköz pneumatikus és hidraulikus munkahengereinek végállásait, ezzel pozícionálják a dugattyút.

Ahogy korábban említettük, az autóiparon túl is találkozhatunk a megoldással. Rengeteg szállítószalag rendelkezik induktív szenzorral a szalagon futó termék vagy termékhordozó érzékelésére. Az induktív szenzorok olyan szinten megbízhatók, hogy gyakran csak azért építenek be az egyébként nem fémes anyagból készülő termékhordozó tálcába valamilyen fémet, hogy ilyen érzékelővel láthassák el a szalagrendszert.

Amennyiben a termék maga is fém, a helyzet- és végállás kapcsoláson kívül akár még számlálásra is felhasználható a szenzor.

Robosztussága, költséghatékonysága és szélsőséges körülmények közötti bevethetősége révén az induktív szenzor ma is az egyik leggyakrabban alkalmazott típus, és ez belátható időn belül nem is fog változni.