Индуктивный датчик: революция в мире сенсоров

Никакая автоматизация не может обойтись без датчиков – органов чувств живого электромеханического организма. На них лежит основополагающая задача – собирать все числовые показатели, важные для функционирования и настройки системы: температуру, время, положение, наличие объекта в определённой области и множество других.

Первые индуктивные датчики

История промышленных датчиков началась ещё в XVIII-XIX вв, но настоящие прорывы в этой области были совершены в ХХ веке с развитием полупроводниковых технологий. Одним из таких революционных изобретений является создание в 1958 году бесконтактного индуктивного датчика. Первооткрывателями устройства являются Вальтер Пепперль и Вильфрид Гель из немецкой компании Pepperl+Fuchs, изначально разрабатывавшие специализированное взрывобезопасное решение для индустриального гиганта BASF.

Pepperl+Fuchs была основана радиотехником Пепперлем и его другом Людвигом Фуксом в 1945 году в Мангейме как мастерская по ремонту радиоприёмников. Дела шли настолько хорошо, что вскоре они переехали в собственный магазин, где кроме радио продавали электролампочки и вафельницы.

Мемориальная табличка Pepperl+Fuchs в Мангейме. Фото: Immanuel Giel / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0. Кадрирование и цветокоррекция выполнены редакцией

Однако останавливаться на этом амбициозные и предприимчивые компаньоны не собирались. У всех радиоприёмников послевоенного времени имелся значительный недостаток – трансформатор с бумажной прослойкой, восприимчивый к влаге. Достать запасные трансформаторы было непросто, поэтому Вальтер Пепперль придумал собственный намоточный станок из кривошипного механизма от старого телефона, счётчика оборотов от велосипедного спидометра и рычажной передачи. К 1950 году торговля самодельными устройствами позволила заказать настоящие станки и начать производство промышленных вариантов трансформаторов и дросселей для локальных электросетей.

Но вернёмся к заказу от BASF. Дело в том, что до индуктивных датчиков подсчёт и обнаружение металлических предметов в промышленности осуществлялись механическими контактными переключателями. Поставленная концерном задача состояла в поиске альтернативы этой ненадёжной системе – при замыкании и размыкании контактов возникали искры, что было категорически неприемлемо для химической отрасли из-за взрывоопасности: любая искра потенциально могла воспламенить находящиеся в воздухе газы и горючие соединения. Кроме того, существовала проблема работы со слабыми токами – поверхность контактов при искрении со временем окислялась, и сами контакты начинали работать некорректно. В идеале, клиенту был необходим компонент, который бы выдерживал многие тысячи циклов включения-выключения без риска возникновения пожара и потери точности в агрессивной среде химического предприятия.

Эффект вихревых индукционных токов (токов Фуко) при приближении металла к активной части датчика

Будучи опытными радиотехниками, инженеры Pepperl+Fuchs отлично понимали принцип электромагнитной индукции и эффект возникновения вихревых токов при приближении металлического объекта к катушке. На основе этих знаний Вильфрид Гель предложил бесконтактный метод определения наличия металлических элементов без физического касания. Кроме того, сделать схему совершенной помог плоскостной биполярный транзистор, теоретические основы и конструкцию которого разработал Уильям Б. Шокли в 1949-50 годах. Транзистор преобразовывал изменения поля в чёткий сигнал включения/выключения и обеспечивал компактность устройства. В соответствии с жизненным кредо Геля «Нет такого слова “невозможно”» компания менее чем за год создала и протестировала образец, полностью соответствовавший запросам BASF.

Первый индуктивный датчик приближения от Pepperl+Fuchs

Инновацию окрестили системой KONTEX для бесконтактного переключения во взрывоопасных и агрессивных средах. Так и началась история развития практичной технологии, которая сегодня является неотъемлемой частью промышленных применений.

Параллельно с Pepperl+Fuchs свои независимые разработки вели специалисты японской корпорации OMRON. На волне потребности японской промышленности в совершенных и надёжных средствах автоматизации в 1958 году президент и основатель компании Кадзума Татеиси поставил перед командой из семи молодых инженеров задачу создать прецизионный твердотельный переключатель, способный выдерживать до 100 миллионов циклов срабатывания. Тогда же был обозначен срок – пять лет.

«Семь самураев», как позже внутри компании начали называть рабочую группу, достигли поставленной цели за два года. Работая в условиях, когда в Японии практически не было технической литературы о транзисторах и их использовании в промышленной автоматизации, исследователи своими силами сконструировали первый коммерчески успешный бесконтактный датчик, официально представленный зимой 1960 года.

В основе переключателя лежали транзисторы, которые и обеспечили бесконтактную, а значит, износостойкую и быстродействующую работу. Для работы в суровых промышленных условиях датчик помещался в прочный корпус, заполненный компаундом. Сердцем датчика была и до сих пор остаётся катушка индуктивности с ферритовым сердечником, которая генерирует магнитное поле и реагирует на появление металла.

Omron E2A конструктивно очень похож на тот самый Dream Switch

Устройство окрестили «Переключателем мечты» (Dream Switch), и именно оно позволило OMRON стать одним из пионеров в создании систем автоматического управления на основе транзисторных логических схем.

Повышение спроса и специализированные решения

Поначалу индуктивные датчики применялись в основном в химической индустрии, где наиболее остро стояли проблемы, связанные с особенностями применения механических переключателей. Но уже в начале 1960-х годов благодаря почти неограниченному сроку службы и низкой стоимости новинка начала завоёвывать и другие направления автоматизации. В 1968 году Pepperl+Fuchs вывела на рынок индуктивную версию концевого выключателя с роликом. Это устройство имело ту же стандартизированную систему крепления, что и его механический аналог, и поддерживало пять различных положений активной поверхности для имитации всех возможных положений механического выключателя.

В 1970-е годы европейская индустрия испытывала серьёзное давление, спровоцированное стремительным ростом доли японских производителей в традиционных европейских секторах промышленности. В условиях мировой конкуренции идеи внедрения комплексной автоматизации для многих компаний стали важным фактором выживания, и это десятилетие ознаменовалось стремительным ростом спроса на индуктивные датчики.

К концу 1980-х только в Германии было продано около четырёх миллионов единиц. Различные производители создавали собственные модели под запросы различных отраслей, хотя изначальный принцип Пепперля-Геля оставался неизменным.

Примерно с 1985 года толстоплёночная технология, а позднее и переход на SMD-компоненты принесли значительное улучшение характеристик надёжности, а применение интегральных схем помогло дальнейшей миниатюризации устройств.

Ещё одно интересное применение, которое поставило перед инженерами новые задачи, – это определение положения поршня в гидроцилиндре. Для этого датчик должен был быть встроен в стенку корпуса, работающего под давлением, и герметично уплотнён. От активной сенсорной поверхности, выступающей внутрь резервуара, требовалось выдерживать высокое давление и его значительные перепады. Так появились фланцевые или встраиваемые варианты со специальной резьбой, герметичным утолщённым корпусом и компонентами для компенсации влияния окружающих металлов. Тем не менее, в данном применении индуктивные датчики так и не закрепились – в реальных условиях чаще использовали механические концевики и магнитные герконы, поскольку они были проще и надёжнее в реальных условиях.

Новейшие технологии и тенденции

1990-е и 2000-е годы стали для индуктивных бесконтактных датчиков периодом ещё более глубокой трансформации. Если в предыдущие десятилетия технология утверждалась в промышленности, доказывая свою надёжность и преимущества перед механическими контактами, то на рубеже веков началась эпоха её зрелости. Фокус сместился с базовых принципов работы на адаптацию к усложняющимся условиям эксплуатации, интеграцию с цифровыми системами управления и максимально возможное уменьшение габаритов.

Ключевым вызовом для классических индуктивных датчиков был коэффициент редукции – поправочный коэффициент, который показывает, во сколько раз уменьшается фактическое расстояние срабатывания для конкретного материала по сравнению с эталонным.

Для цветных металлов, таких как медь или латунь, он был значительно меньше, чем для ферромагнитных сплавов, что создавало серьёзные проблемы в производствах, где обрабатывались разные материалы. В таких случаях систему приходилось либо перенастраивать, либо использовать узкоспециализированные датчики.

Революционным решением этой проблемы стало появление в 1994 году первых бинарных бесконтактных выключателей серии Uprox® от немецкой компании Hans Turck GmBH с коэффициентом редукции 1 (Factor 1 или r1). В отличие от традиционных датчиков с одной катушкой в ферритовом сердечнике, в новых устройствах использовался генератор с двумя катушками без сердечника. Эта инновационная конструкция позволила гарантировать одинаковое расстояние срабатывания для всех металлов, что кардинально упростило их применение, снизило потребность в поддержании широкой номенклатуры датчиков на складе и повысило гибкость производственных линий.

Инновационный Turck Uprox® с коэффициентом редукции 1 срабатывает на разные металлы на одинаковом расстоянии

Параллельно с решением задач, связанных с объектом обнаружения, велась интенсивная работа по повышению устойчивости самих датчиков к внешним воздействиям. В 1996 году вступила в силу Директива по электромагнитной совместимости (Council Directive 89/336/EEC, утверждённая в 1989 году), которая установила единые стандарты как для уровня собственного электромагнитного излучения датчиков, так и для их помехоустойчивости. Директива стала реакцией на повсеместное распространение мощного силового оборудования, частотных преобразователей и сварочных аппаратов, создающих сильные электромагнитные поля. Датчики, не соответствующие новым требованиям ЭМС, могли давать ложные срабатывания, что ставило под угрозу надёжность всей системы автоматизации. В ответ на это производители разработали специальные помехоустойчивые модели, например, для применения в кузовной сварке автомобильной промышленности. Одновременно с этим возросли требования и к механической защите. Классификация IP67, долгое время считавшаяся высшей степенью защиты, была признана недостаточной для многих агрессивных сред. Появился новый датчик, соответствовавший более строгому стандарту IP69K, который помимо пыленепроницаемости гарантировал защиту от воздействия горячей воды и пара под высоким давлением. Это событие стало очень важной вехой для пищевой, фармацевтической и автомобильной промышленности, где оборудование регулярно подвергается интенсивной мойке.

Еще одним значимым направлением развития стала интеграция датчиков в цифровые сети управления. В первой половине 1990-х годов на рынке появились датчики с интерфейсом AS-Interface (AS-i), позволяющие подключать их напрямую к полевой шине. Этот стандарт, разработанный группой немецких и швейцарских компаний-производителей датчиков, был призван упростить и удешевить кабельные соединения на нижнем полевом уровне автоматизации. В основе AS-i лежит принцип Ведущий-Ведомый (Master-Slave). Один мастер циклически опрашивает все подчинённые датчики и затем передаёт данные на контроллер.

В 1999 году стандарт стал международным (IEC 62026-2). В 2018 году была представлена высокоскоростная версия ASi-5.

Также стала доминирующей идея «интеллектуального» устройства, способного не только передавать дискретный сигнал, но и обмениваться данными с контроллером. Эту нишу занял протокол IO-Link, позволивший реализовать двунаправленную передачу данных и расширенные диагностические функции.

IO-Link был разработан одноимённой рабочей группой в составе организации PROFIBUS & PROFINET International и представляет собой универсальный, независимый от полевых шин интерфейс для подключения одного датчика по принципу «точка-точка» с возможностью передавать не только сигнал включения, но и диагностические и измерительные данные.

Одним из серьёзных преимуществ IO-Link является обратная совместимость. Если мастер не поддерживает IO-Link, датчик автоматически работает как обычный дискретный датчик в режиме Standard I/O.

Таким образом, в парадигме Индустрии 4.0 IO-Link и AS-i являются взаимодополняющими технологиями. В современных проектах нередко используется тандем: сложные датчики с диагностикой подключаются через IO-Link к мастеру, который, в свою очередь, может быть частью сети AS-Interface для связи с контроллером.

Пожалуй, самым впечатляющим достижением двухтысячных годов стала миниатюризация индуктивных датчиков. Если раньше уменьшение размеров неизбежно вело к резкому сокращению дальности срабатывания, то новые подходы к проектированию и производству позволили преодолеть это ограничение. Обзорная статья в IEEE Sensors Journal (2006) суммирует десятилетний прогресс, отмечая, что развитие инструментов компьютерного моделирования, технологии интегральных схем (ASIC) и методов сборки, в частности технологии перевернутого кристалла (flip chip), позволило добиться беспрецедентных успехов в уменьшении размеров без потери функциональности. Результатом этих усилий стало создание полностью интегрированного индуктивного датчика с катушкой на кристалле и встроенной считывающей схемой по CMOS-технологии. Это стало возможным благодаря использованию новых конструкций, например, катушек с воздушным сердечником и плоских катушек, изготавливаемых методом фотолитографии. Такая интеграция открыла путь для использования индуктивных датчиков в микроэлектромеханических системах (MEMS), робототехнике и других высокотехнологичных областях, где ранее их применение было немыслимо.

Итак, 1990-е и 2000-е годы стали для индуктивных бесконтактных датчиков периодом качественного скачка. По оценкам аналитического агентства Research and Markets, объём мирового рынка индуктивных датчиков приближения в 2024 году составил около 1,2 млрд. долларов США. От простого, но надежного переключателя, они эволюционировали в высокотехнологичный компонент, способный работать в самых суровых условиях, взаимодействовать с цифровыми системами управления и иметь при этом миниатюрный форм-фактор. Эти инновации заложили прочный фундамент для той роли, которую индуктивные датчики играют в современной Индустрии 4.0, оставаясь её неотъемлемой и жизненно важной частью.

Ассортимент индуктивных датчиков Optimus Drive

Схема подключения современных датчиков с универсальным выходом (PNP+NPN), имеющихся в ассортименте Optimus Drive

В номенклатуре Optimus Drive индуктивные датчики представлены устройствами компании Fotek. Тайваньский производитель Fotek зарекомендовал себя как надёжный поставщик промышленной электроники и эффективных решений для автоматизации. Все устройства в ассортименте отличаются высоким качеством сборки, стойкостью к внешним воздействиям и длительным сроком службы.

Ознакомиться с ключевыми характеристиками индуктивных и других типов датчиков можно в соответствующем разделе.