Герконовый датчик: устройство, принцип работы и применение

Герконовый датчик – устройство для бесконтактного контроля положения объекта с помощью магнитоуправляемых герметизированных контактов. При воздействии магнитного поля контактная группа изменяет состояние электрической цепи. Такие датчики применяют для контроля положения поршней пневмоцилиндров, дверей, люков и подвижных механизмов промышленного оборудования.

Герконовые датчики относятся к магнитным датчикам положения. В отличие от электронных датчиков Холла, они используют механические контакты, которые переключаются под действием магнитного поля. Различия между этими устройствами подробнее рассматриваются в статье «Магнитные датчики положения: принцип работы, виды и отличия геркона от датчика Холла».

Что такое герконовый датчик

Герконовый датчик определяет наличие магнитного поля или положение объекта, на котором установлен постоянный магнит. При изменении магнитного поля контактная группа замыкается, размыкается или переключается в зависимости от конструкции.

Следует различать два понятия:

• Геркон – отдельный магнитоуправляемый контактный элемент, размещенный в герметичной оболочке.
• Герконовый датчик – готовое устройство на основе геркона, включающее защитный корпус, кабель или разъем, элементы крепления и, при необходимости, дополнительные компоненты.

Герконовые датчики позволяют контролировать положение объектов без механического контакта между датчиком и движущейся частью оборудования. При этом внутри самого геркона происходит механическое перемещение контактных элементов.

Устройство герконового датчика

Основной чувствительный элемент герконового датчика – герметизированный магнитоуправляемый контакт. Классический геркон состоит из нескольких частей:

• Стеклянная колба. Герметично закрывает контактную группу и защищает ее от воздействия внешней среды.
• Ферромагнитные контактные элементы. Реагируют на магнитное поле и изменяют свое положение.
• Контактная зона. Участок соприкосновения элементов, через который замыкается электрическая цепь.
• Электрические выводы. Обеспечивают соединение геркона с внешней цепью.
• Внутренняя среда. В зависимости от исполнения внутри колбы находится защитный газ или поддерживается пониженное давление.

Ферромагнитные элементы одновременно выполняют функции магнитопровода, упругих элементов и электрических контактов. При воздействии магнитного поля они намагничиваются, а возникающие силы изменяют положение контактной группы.

В готовом датчике геркон размещается внутри защитного корпуса. Конструкция корпуса зависит от условий установки: это может быть цилиндрическое, прямоугольное или компактное исполнение для монтажа в паз оборудования.

Датчик оснащается кабелем либо разъемом. В отдельных моделях предусмотрены светодиодная индикация и дополнительные электронные компоненты, однако для классического пассивного герконового датчика они не обязательны.

Геркон содержит герметичную колбу и магнитоуправляемые контактные элементы, изменяющие состояние электрической цепи под воздействием магнитного поля.

Принцип работы герконового датчика

Принцип работы герконового датчика основан на изменении положения ферромагнитных контактов под воздействием магнитного поля. Датчик преобразует изменение магнитного поля в изменение состояния электрической цепи.

Для распространенного нормально открытого геркона процесс происходит следующим образом:

1. При отсутствии достаточного магнитного поля упругие контактные элементы находятся в разомкнутом состоянии.
2. При приближении постоянного магнита ферромагнитные элементы намагничиваются.
3. Между контактными элементами возникают силы магнитного притяжения.
4. При достижении порога срабатывания контакты сближаются и замыкают электрическую цепь.
5. После удаления магнита магнитные силы уменьшаются, и упругие элементы возвращаются в исходное положение.

Для нормально закрытых и переключающих исполнений изменение состояния контактов происходит иначе. Чувствительному элементу классического геркона не требуется отдельное питание: перемещение контактов обеспечивается магнитным полем. Однако электрическая цепь, в которой контролируется состояние датчика, может нуждаться в источнике питания.

Срабатывание при приближении и удалении магнита

Работу нормально открытого герконового датчика можно представить в двух состояниях.

Магнит находится вне зоны срабатывания. Магнитное поле недостаточно для замыкания контактной группы, поэтому электрическая цепь остается разомкнутой.

Магнит находится в зоне срабатывания. Магнитное поле воздействует на ферромагнитные элементы, и при достижении порогового значения контакты замыкаются.

Расстояние срабатывания зависит от характеристик магнита, ориентации магнитного поля относительно геркона, конструкции датчика и условий установки. Расстояния срабатывания и отпускания могут различаться: для удержания замкнутых контактов может требоваться меньшее магнитное воздействие, чем для их первоначального замыкания.

При перемещении магнита возможны несколько зон переключения из-за пространственного распределения магнитного поля. Поэтому положение датчика и направление движения магнита необходимо проверять в реальных условиях монтажа. Универсального расстояния срабатывания для всех герконовых датчиков не существует.

При воздействии магнитного поля ферромагнитные элементы нормально открытого геркона притягиваются и замыкают электрическую цепь.

Нормально открытые, нормально закрытые и переключающие контакты

По исходному состоянию и конфигурации контактной группы герконы разделяют на три основных типа.

Переключающий геркон имеет общий вывод и две контактные цепи. При воздействии магнитного поля общий контакт переключается между ними. Нормально закрытое исполнение может иметь конструктивные особенности, поэтому его нельзя считать обычным NO-герконом с измененной маркировкой. Исходное состояние определяется при отсутствии воздействующего магнитного поля и должно соответствовать документации конкретного устройства.

Герконы различаются исходным состоянием и конфигурацией контактов: нормально открытые, нормально закрытые и переключающие.

Виды герконовых датчиков

Герконовые датчики различаются по конструкции, способу установки и назначению.

По типу контактов выделяют нормально открытые, нормально закрытые и переключающие исполнения. Тип контактной группы определяет, какое состояние электрической цепи соответствует наличию магнитного поля.

По форме корпуса датчики бывают цилиндрическими, прямоугольными и компактными. Форма корпуса влияет на возможности монтажа и размещение в ограниченном пространстве.

По способу установки применяют накладные, встраиваемые и пазовые датчики. Последние используются, в частности, для контроля положения поршня пневмоцилиндра.

По назначению выделяют датчики положения, концевого контроля механизмов и контроля положения поршней пневматических приводов.

Эти признаки могут сочетаться в одной модели. Например, пазовый датчик для пневмоцилиндра может иметь нормально открытый контакт и прямоугольный корпус.

Где применяются герконовые датчики

Герконовые датчики используют в системах промышленной автоматизации, где необходимо определить положение объекта по магнитному полю.

Контроль положения дверей и люков. Датчик устанавливают на неподвижной части конструкции, а магнит – на подвижной. При открытии или закрытии изменяется взаимное положение элементов, что вызывает переключение контактов.

Пневматические цилиндры. Герконовый датчик закрепляют на корпусе цилиндра. Он реагирует на магнит, встроенный в поршень, и фиксирует достижение заданного положения без непосредственного контакта с движущимися деталями.

Концевой контроль механизмов. Магнит устанавливают на подвижном элементе оборудования, а датчик – в контрольной точке. При приближении магнита изменяется состояние контактной группы.

Локальная автоматизация. Сигнал герконового датчика может использоваться контроллером или релейной схемой для контроля положения, формирования команды или подтверждения выполнения операции.

Применение герконовых датчиков в функциях безопасности допускается только при выполнении требований к соответствующей системе и использовании компонентов, предназначенных для таких задач. Обычный датчик положения нельзя автоматически считать устройством безопасности.

Преимущества и ограничения герконовых датчиков

Герконовые датчики обеспечивают бесконтактный контроль положения объекта, но имеют механическую контактную группу. Поэтому при выборе необходимо учитывать не только особенности магнитного срабатывания, но и электрические характеристики.

Герметичная колба защищает контактную группу от непосредственного воздействия внешней среды, однако степень защиты всего датчика определяется конструкцией корпуса.

При коммутации электрической нагрузки контакты подвергаются износу. Особенно важно учитывать характер нагрузки и возможные пусковые токи: превышение допустимых параметров сокращает ресурс контактной группы и может привести к свариванию контактов.

Дребезг контактов при переключении может вызывать несколько кратковременных изменений сигнала. Если состояние геркона считывается контроллером, это учитывают при обработке входного сигнала. Для индуктивной нагрузки необходимо предусмотреть защиту от перенапряжений в соответствии с документацией оборудования.

Если датчик перестал срабатывать, переключается нестабильно или не возвращается в исходное состояние, причины могут быть связаны с магнитом, установкой или контактной группой. Порядок проверки рассматривается в материале «Неисправности магнитных датчиков: причины отсутствия срабатывания и способы проверки».

Основные характеристики герконового датчика

При выборе герконового датчика учитывают следующие параметры:

• Тип контактов. Определяет исходное состояние и логику переключения электрической цепи.
• Расстояние срабатывания и отпускания. Характеризует положение магнита, при котором контакты изменяют состояние.
• Допустимое коммутируемое напряжение. Максимальное напряжение при заданных условиях.
• Допустимый ток. Определяет ток, который могут коммутировать контакты.
• Коммутационная мощность. Ограничивает допустимую электрическую нагрузку.
• Время срабатывания. Характеризует скорость изменения состояния контактов при воздействии магнитного поля.
• Электрический ресурс. Число переключений при установленных условиях испытаний.
• Степень защиты корпуса. Защищенность от проникновения пыли и воды.
• Рабочая температура. Допустимые температурные условия эксплуатации.
• Способ монтажа. Совместимость датчика с конструкцией оборудования.

Параметры коммутации необходимо оценивать совместно. Допустимые значения напряжения и тока нельзя автоматически использовать одновременно, если их произведение превышает разрешенную коммутационную мощность. Для переменных, постоянных, индуктивных и емкостных нагрузок условия допустимой коммутации могут различаться.

Для датчиков положения также важно учитывать характеристики используемого магнита. Указанное производителем расстояние срабатывания может относиться к определенному магниту и конкретным условиям испытаний.

После выбора датчика необходимо согласовать его контактную группу с электрической цепью. Особенности соединения с дискретными входами контроллеров рассмотрены в статье «Подключение магнитных и герконовых датчиков: схемы и соединение с ПЛК».

Что учитывать при выборе герконового датчика

Выбор герконового датчика начинают с определения контролируемого положения и условий установки.

1. Определить задачу контроля. Установить, какое положение объекта необходимо фиксировать и где можно разместить датчик.
2. Выбрать тип контактов. Определить требуемое исходное состояние электрической цепи: NO, NC или переключающее исполнение.
3. Проверить магнитную совместимость. Убедиться, что магнит и его ориентация обеспечивают надежное срабатывание в требуемом положении.
4. Оценить электрическую цепь. Проверить допустимые напряжение, ток, коммутационную мощность и характер нагрузки.
5. Выбрать конструкцию корпуса. Учесть размеры, способ крепления и возможность точной установки датчика.
6. Проверить условия эксплуатации. Сопоставить степень защиты, температурный диапазон и ресурс с требованиями оборудования.

После установки необходимо проверить срабатывание и отпускание датчика при реальном перемещении объекта. Это позволяет убедиться, что выбранное положение датчика соответствует фактической зоне действия магнитного поля.

Для подбора подходящего исполнения можно перейти в каталог герконовых датчиков. Перед выбором следует проверить, что конкретное изделие использует герконовый принцип действия, а не другой тип чувствительного элемента.

Часто задаваемые вопросы