Бесконтактные путевые выключатели (преобразователи пути, работающие без механического воздействия со стороны движущегося упора) применяются в схемах управления электроприводами станков, механизмов и машин. Бесконтактные выключатели предназначены для коммутации цепей управления посредством электромагнитных реле или бесконтактных логических элементов, которая осуществляется под воздействием управляющего элемента.
Классификация бесконтактных путевых выключателей
Бесконтактные путевые выключатели могут быть классифицированы по: способу воздействия на чувствительный элемент, физическому принципу действия преобразователя, конструктивному исполнению, классу точности, степени защиты.
По способу воздействия на чувствительный элемент бесконтактные путевые выключатели могут быть разделены на выключатели механического и параметрического действия.
В выключателях первого вида управляющий элемент непосредственно механически воздействует на первичный привод бесконтактного путевого выключателя, который бесконтактно взаимодействует с чувствительным элементом. В выключателях второго вида в зависимости от положения управляющего элемента, механически не связанного с бесконтактным путевым выключателем, изменяется какой-либо физический параметр преобразователя. При определенном значении этого параметра изменяется состояние релейного элемента.
Классификация бесконтактных путевых выключателей по физическому принципу действия преобразователя включает в себя следующие виды:
Индуктивные выключатели, построенные на изменении индуктивности, взаимоиндуктивности, а также индукционные выключатели.
В настоящее время большинство серийно выпускающихся промышленностью бесконтактных путевых выключателей — это индуктивные аппараты.
В свою очередь преобразователи индуктивных бесконтактных путевых выключателей могут быть построены по следующим схемам: резонансной, автогенераторной, дифференциальной, мостовой, непосредственного преобразования.
Магнитоиндуктивные выключатели, которые построены на следующих принципах: эффекте Холла, магниторезисторном, магнитодиодном, магнитотиристорном, герконном.
Емкостные выключатели: с изменяющейся площадью пластин, с изменяющимся зазором между пластинами, с изменяющейся диэлектрической проницаемостью зазора между пластинами.
Фотоэлектронные выключатели с элементами: фотодиодными, фототранзисторными, фоторезисторными, фототиристорными.
Фотоэлектрические выключатели и примыкающие к ним лучевые выключатели, в которых наряду с лучами видимого света могут использоваться лучи другой физической природы, например радиоактивное излучение.
По конструктивному исполнению бесконтактные путевые выключатели подразделяются на: щелевые, кольцевые (полукольцевые), плоскостные, торцевые, выключатели с механическим приводом, многоэлементные выключатели.
Разделение бесконтактных путевых выключателей торцевого и плоскостного исполнений носит в какой-то мере условный характер, поскольку движение управляющего элемента относительно чувствительной поверхности может для некоторых видов бесконтактных путевых выключталелей осуществляться как в параллельной, так и в перпендикулярной плоскостях. В этом случае за основу может быть принято его преимущественное использование.
По классу точности (величине основной погрешности) бесконтактные путевые выключатели делятся на выключатели низкой (примерно ±0,5 мм и более), средней [примерно ±(0,05—0,5) мм], повышенной [примерно ±(0,005—0,05) мм] и высокой (примерно ±0,005 мм и менее) точности.
Бесконтактные путевые выключатели могут обладать различной степенью защиты от попадания посторонних твердых тел и проникновения воды внутрь аппарата. Характеристики степени защиты бесконтактных путевых выключателей и связанная со степенью защиты классификация соответствуют принятым в нашей стране и за рубежом характеристикам и классификации для электрического оборудования и электрических аппаратов напряжением до 1000 В.
Технические характеристики бесконтактных путевых выключателей
К техническим характеристикам бесконтактных путевых выключателей относятся точностные (метрологические) характеристики, быстродействие, электрические характеристики, габаритные и установочные размеры и масса, номинальные и допустимые условия работы, показатели надежности, стоимость и пр.
Одна из основных характеристик бесконтактных путевых выключателей, непосредственно влияющая на его конструкцию и ряд других технических характеристик, определяется геометрическим расположением управляющего элемента относительно чувствительной поверхности во время работы. Для плоскостных бесконтактных путевых выключателей в качестве основной характеристики принимается рабочий зазор — расстояние между чувствительной поверхностью выключателя и управляющим элементом, при котором происходит работа выключателя. Основная характеристика торцевого выключателя — максимальное расстояние воздействия, т. е. максимальное расстояние между чувствительной поверхностью выключателя и управляющим элементом, при котором возможно изменение его коммутационного состояния. Основной характеристикой щелевогои кольцевого выключателей является ширина щели и внутренний диаметр кольца этих выключателей соответственно.
К точностным характеристикам бесконтактных путевых выключателей относятся основная погрешность, дополнительные погрешности от изменения окружающей температуры и изменения напряжения питания, а также максимальная суммарная погрешность. К точностным характеристикам бесконтактных путевых выключателей относятся также дифференциал хода т. е. разность между координатой точки срабатывания бесконтактного путевого выключателя и координатой точки его отключения при перемещении управляющего элемента в обратном направлении.
Быстродействие (время срабатывания) бесконтактного путевого выключателя — это время между моментом установления координаты срабатывания и моментом достижения установившегося значения напряжения на выходе бесконтактного путевого выключателя. Зная величину быстродействия бесконтактного путевого выключателя, можно определить динамические погрешности работы бесконтактных путевых выключателей при изменении скорости перемещения управляющего элемента.
Электрические характеристики бесконтактных путевых выключателей включают в себя требуемые параметры источника питания (питающей сети) и нагрузочные характеристики. К параметрам питающей сети относятся: род тока (постоянный, переменный), напряжение питания и его допустимые отклонения, уровень пульсаций, потребляемая бесконтактных путевым выключателем мощность или потребляемый ток, частота сети (для переменного тока). Нагрузочные характеристики бесконтактных путевых выключателей — это вид нагрузки (реле, микросхема или др.). выходное напряжение, мощность или ток, потребляемый нагрузкой.
К показателям надежности и долговечности бесконтактных путевых выключателей в первую очередь относятся: вероятность безотказной работы в течение определенного срока эксплуатации или на определенное число срабатываний и срок службы бесконтактного путевого выключателя.
К важнейшим параметрам следует отнести также габаритные и установочные размеры бесконтактных путевых выключателей.
Требования к бесконтактным путевым выключателям
Одним из важнейших требований, предъявляемых к путевым выключателям, является требование высокой надежности их работы. В сравнении с остальным электрооборудованием, в том числе и электронным, путевые выключатели работают в наиболее тяжелых условиях, поскольку располагаются непосредственно в рабочих зонах технологических машин, где возможен широкий диапазон температур, вибрации и удары, сильные электромагнитные поля, загрязнения стружкой и различными жидкостями.
К путевым выключателям могут быть предъявлены требования высокой частоты срабатывания при больших скоростях перемещения управляющих органов.
Технические данные контактных путевых выключателей не всегда позволяют удовлетворить предъявленным требованиям. Особенно это характерно для автоматизированного технологического оборудования со сложным электрооборудованием, содержащим большое число контактных путевых выключателей, например автоматические станочные линии, подвесные толкающие конвейеры и другие разветвленные транспортные системы, литейное и металлургическое оборудование и т. д. Это также характерно для оборудования, работающего в напряженном режиме, с большим числом срабатываний в единицу времени, например для кузнечно-прессового оборудования.
Во многих из приведенных случаев при использовании контактных путевых выключателей невозможно обеспечить приемлемую надежность работы автоматизированного технологического оборудования и, кроме того, эти выключатели необходимо периодически заменять на работающем оборудовании из-за их малого срока службы по полному числу срабатываний.
Как правило, бесконтактные путевые выключатели обладают высокой надежностью, способны работать с большой частотой срабатываний и имеют большой срок службы по полному числу срабатываний. Важным преимуществом бесконтакных путевых выключателей является то, что их надежность (вероятность безотказной работы за какой-либо определенный период) практически не зависит от частоты срабатываний.
Повышению надежности оборудования при использовании бесконтактных путевых выключателей способствует также и то, что бесконтактные путевые выключатели могут включаться только тогда, когда в этом есть необходимость. В случае же использования контактных путевых выключателей переключение контактов происходит при каждом нажатии кулачка вне зависимости от того, включены эти контакты в электрическую цепь или нет.
Определенные требования к бесконтактным путевым выключателям обусловлены также условиями эксплуатации.
Основными учитываемыми внешними условиями, как правило, являются изменяющиеся напряжение питания и температура окружающей среды. В заданных пределах изменения внешних условий бесконтактные путевые выключатели должны сохранять работоспособность и требуемую точность. На работу бесконтактных путевых выключателей не должна оказывать существенного влияния влажность окружающего воздуха, а также высота над уровнем моря в пределах, принятых для путевых выключателей.
Требования, предъявляемые обычно к бесконтактным путевым выключателям, — возможность занимать любое рабочее положение в пространстве и отсутствие влияния материала основания, на котором они устанавливаются, и соприкасающихся с корпусом бесконтактного путевого выключателя металлических тел. На работоспособности бесконтактных путевых выключателей не должны сказываться вибрации и ударные сотрясения, а также попадание масла, эмульсии, воды, пыли.
Наибольшая частота срабатываний бесконтактных путевых выключателей при использовании в качестве нагрузки электромагнитного реле может практически достигать 120 срабатываний в минуту. Если в качестве нагрузки бесконтактных путевых выключателей используются электронные устройства, то частота срабатываний системы может быть значительно выше.
Генераторные бесконтактные торцевые выключатели
Принцип действия генераторных бесконтактных путевых выключателей основан на изменении при внешнем воздействии параметров колебательного контура генератора. Таким изменяющимся параметром, преобразующим перемещение управляющего элемента в изменяющийся электрический сигнал, является обычно индуктивность или емкость колебательного контура или взаимоиндуктивность между катушками контура. В индуктивных генераторных бесконтактных путевых выключателей торцевого типа управляющий элемент, представляющий собою проводящую пластину, вносит при приближении возмущение в высокочастотное электромагнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности контура автогенератора.
При этом в управляющем элементе наводятся вихревые токи, создающие собственное электромагнитное поле. Электромагнитное поле вихревых токов оказывает обратное воздействие на катушку преобразователя, вызывая в ней изменения активного и реактивного сопротивлений и, следовательно, изменение сигнала на выходе автогенератора по частоте и по амплитуде от начальных значений, соответствующих значительному удалению управляющего элемента, до значений этих параметров, соответствующих такому положению управляющего элемента, при котором происходит скачкообразное изменение состояния , порогового устройства. Это изменение выходного сигнала автогенератора регистрируется, в конечном счете, исполнительным элементом.
Выходным сигналом автогенератора является колебание напряжения частотой в несколько сотен килогерц. На выход порогового устройства этот сигнал должен поступить однополярным. Поэтому между генератором и пороговым устройством включается выпрямитель.
Бесконтактные переключатели щелевого типа БВК-24
Широкое распространение получили бесконтактные переключатели щелевого типа с транзисторными усилителями, работающими в генераторном режиме. На рис. 1, а показан общий вид переключателя типа БВК-24. Его магнитопровод, размещенный в корпусе 4, состоит из двух ферритовых сердечников 1 и 2 с воздушным зазором шириной 5-6 мм между ними. В сердечнике 1 размещается первичная обмотка wк и обмотка положительной обратной связи wп.с, в сердечнике 2 – обмотка отрицательной обратной связи wо.с. Такой магнитопровод исключает влияние внешних магнитных полей. Катушки обратной связи включены последовательно – встречно. В качестве переключающего элемента используется алюминиевый лепесток (пластинка) 3 толщиной до 3 мм, который может перемещаться в щели (в воздушном зазоре) магнитной системы датчика.
Бесконтактный путевой переключатель БВК-24: а – общий вид; б – схема электрическая принципиальная
Если лепесток находится вне сердечника, то разность напряжений, индуктируемых в обмотках wп.с и wо.с, будет положительной, транзистор VT1 закрыт и генерация незатухающих колебаний в контуре wк – С3 (рис. 1, б) не возникает. При введении лепестка в щель датчика связь между катушками wк и wо.с ослабляется (поэтому лепесток еще называют экраном), на базу транзистора VT1 подается отрицательное напряжение и он открывается. В контуре wк – С3 возникает генерация и появляется переменный ток, который индуктирует ЭДС в катушке wп.с в цепи базы транзистора. В цепи базы транзистора VT1 происходит детектирование переменной составляющей тока базы. Транзистор открывается, вызывая срабатывание реле К.
Для стабилизации работы транзистора при колебаниях температуры и напряжения служит нелинейный делитель напряжения, состоящий из линейного элемента – R1, полупроводникового терморезистора R2 и диода VD2.
Погрешность срабатывания составляет 1-1,3 мм. Напряжение питания переключателя БВК–24 составляет 24 В.
Схема включения бесконтактного выключателя БВК
Схема последовательного включения двух бесконтактных выключателей БВК
Схема параллельного включения двух бесконтактных выключателей БВК
Бесконтакные выключатели КВД
Бесконтактные конечные выключатели типа КВД предназначены для коммутации электрических цепей управления и сигнализации при автоматизации различных систем. Электрическая принципиальная схема включает в себя генератор и триггер на транзисторах. При введении в рабочий зазор металлической пластины происходит уменьшение коэффициента обратной связи, вызывающее срыв генерации, триггер опрокидывается, и нормально закрытый выходной транзистор открывается, что вызывает срабатывание реле или логического элемента. Напряжение питания - 12 или 24 В
Переключатели бесконтактные торцевые БТБ
Переключатели БТБ предназначены для коммутации цепей управления посредством реле или через согласующие элементы бесконтактных логических элементов. Переключатели изменяют коммутационное состояние (срабатывают) при приближении к чувствительному элементу управляющего элемента из конструкционной стали. Переключатели работают по принципу управляемого генератора, коммутация происходит при приближении к чувствительному элементу контролируемой детали или управляющего элемента из конструкционной стали.
Все переключатели снабжены схемами защиты от неправильной полярности питающего напряжения и от перенапряжений при отключении индуктивной нагрузки. Переключатели БТП 103-24, БТП 211-24-01 и БТП 301-24 помимо указанных выше схем защиты снабжены схемой защиты от перегрузок и коротких замыканий в цепи нагрузки. Напряжение питания выключателей БТБ - 24 В.