Lineáris helyzetérzékelő kiválasztása és használata ipari járművek kezelőszerveihez

Mivel a gyári automatizálásban a dolgok internetének (IoT) alkalmazása egyre elterjedtebbé válik, valamint az elektronikai berendezéseknek a járművekben való egyre szélesebb körű használatának eredményeként a tervezőknek fokozottan foglalkozniuk kell azzal, hogy érzékelők tekintetében milyen választási lehetőségekkel rendelkeznek. A traktorok, targoncák és más hasonló járművek kezelőszervei a lineáris érzékelőket illetően sajátos megoldandó tervezési problémát jelentenek. A kezelőszerveknek pontosnak, érzékenynek, megbízhatónak és tartósnak kell lenniük, hogy hosszú évekig minimális karbantartás mellett is jól tűrjék a szélsőséges hőmérsékleteket, az ütéseket, a rezgéseket, a port és a nedvességet.

Az ilyen alkalmazási követelményeknek megfelelő egyik lehetséges megoldás a lineáris Hall-érzékelők használata. Működésük érintkezésmentes, így strapabírókká tehetők, hogy ellenálljanak a zord munkakörülményeknek.

Ez a cikk a járművekre vonatkozó érzékelési követelményekkel foglalkozik, továbbá azzal, hogy a lineáris Hall-érzékelők miért jó választás ezek kielégítésére. Ezután bemutat néhány Vishay gyártmányú lineáris Hall-érzékelőt, hogy illusztrálja műszaki jellemzőiket, valamint helyes kiválasztásuk és alkalmazásuk módját.

Nagy pontosságú speciális kezelőszervek használatának fontossága ipari járműveknél

Az ipari igénybevételnek kitett járművek gyakran veszélyes környezetben működnek, ahol viszont a precíz működés ettől függetlenül elengedhetetlen. E járművek kezelőszerveinek ezért rendkívül pontosnak és érzékenynek kell lenniük, és ráadásul gyakran több fedélzeti IoT-érzékelőhöz és automatizált vezérlőrendszerhez kell kapcsolódniuk. Példa felhasználási területek a következők:

• Raklapemelők vezérlőkarjai: a vezérlőkar (azaz a fő kezelőszerv) szögének pontos érzékelése biztonságos és hatékony manőverezést tesz lehetővé, ami különösen fontos szűk helyeken.
• Traktorok sebességváltói: az egyenletes sebességváltások minimalizálják a sebességváltó kopását és hatékonyabb üzemanyagfelhasználást biztosítanak.
• Pedálelmozdulás-érzékelő rendszerek: pontos mérésekkel a jármű optimálisan irányítható, valamint javítható a biztonsági funkciók működése, például az automatikus sebességcsökkentés és a vészleállás.

A megbízhatóság egy másik konstrukciós követelmény. Raktárakban, gyártóüzemekben és más hasonló környezetekben a kezelőszerveket szennyeződések, szélsőséges hőmérsékletek és erős fizikai hatások érhetik.

Utolsóként megemlítendő, hogy az ipari járművek alapvetően helyszűkös kialakításúak. A targoncákat például rendkívül kompaktra tervezik, hogy optimalizálják a raktári folyosókon való manőverezhetőséget, ezért az ipari járművekben használt kezelőszervek érzékelőinek is jellemzően a lehető legkisebbeknek kell lenniük.

Lineáris Hall-érzékelők egyedülálló alkalmassága ipari járművek kezelőszerveihez

Megfelelő érzékelőt találni ipari járművek kezelőszerveihez nem mindig egyszerű feladat, a tartóssági igény, a nagy lökethosszok és a kis méretek miatt. Lineáris Hall-érzékelők mellett dönteni jó választás, mivel érintésmentes technológiáról van szó, amely nem igényel időszakosan elvégzendő beállításokat, de mégis több millió ciklus kiszolgálására képes. Ezenkívül kompakt, könnyen felszerelhető tokozásokban kaphatók, és kiváló pontosságot biztosítanak rövid távú pozícióérzékeléshez.

Előnyösségüknek megértéséhez érdemes először magával a Hall-effektussal foglalkozni. Hall-érzékelőknél fix előfeszítő egyenáramot kapcsolnak egy fém- vagy félvezető csíkra, az úgynevezett Hall-elemre. Ha a vezetőt az áram irányára merőleges mágneses térbe helyezik, a töltéshordozókat a Lorentz-erő eltéríti, felhalmozódnak a Hall-elem ellentétes oldalain, ami egy keresztirányú elektromos teret (Hall-teret) és potenciálkülönbséget (Hall-feszültséget) hoz létre az elemen. A Hall-feszültség az áram, a mágneses tér és egy anyagfüggő állandó, a Hall-együttható szorzatával arányos.

Lineáris érzékelőknél a Hall-effektus felhasználható a Hall-elem és egy mágnes közötti távolsággal arányos kimeneti feszültség létrehozására. Ez rendkívül pontos, gyors válaszidejű, rövid távolságú pozícióérzékelést tesz lehetővé.

Ipari járművekhez tervezett lineáris Hall-érzékelő

A Vishay 20LHE sorozatú pozícióérzékelői (1. ábra) jól példázzák a lineáris Hall-érzékelők előnyeit. Rövid, 10 mm-es lökethosszuk van, 60 mm/s követési sebességgel. Akár ±1%-os pontosságú linearitásuknak köszönhetően jól alkalmazhatók járművek nagy pontosságú kezelőszerveihez.

1. ábra: A Hall-effektusra épülő 20LHE sorozatú lineáris helyzetérzékelők ±1%-os linearitással rendelkeznek (kép: Vishay)

A 20LHE sorozatú érzékelőket úgy tervezték, hogy zord környezetben is működjenek, 10 millió cikluson felüli karbantartásmentes élettartammal. A tápellátás bekapcsolását követően az érzékelők pontos méréseket biztosítanak kalibrálás vagy inicializálás szükségessége nélkül. Ezenkívül ezek az érzékelők kiváló stabilitásúak, a linearitás ingadozása (drift) nélkül. A statikus hiszterézis nem több a tápfeszültség 0,1%-ánál, míg a dinamikus hiszterézis csak 0,25%.

Az érzékelők a 2. ábrán látható módon karimával rendelkeznek, aminek köszönhetően könnyen rögzíthetők, tengelyük pedig 30 mm-re nyúlhat ki a szerelési felülettől, lehetővé téve a vezérlőmechanizmushoz való csatlakozást. Ugyanakkor a 20LHE sorozatú érzékelők mérete mindössze 46 x 20,8 x 37 mm, így az eszköz a szűkös járműkabinokban is könnyen elhelyezhető.

2. ábra: A 20LHE sorozatú érzékelők kompaktak és karimás kialakításúak az egyszerű szereléshez (kép: Vishay)

Mechanikai tervezési megfontolások lineáris Hall-érzékelők használatakor

Az ipari járművek kezelőszerveinek ellenőrizetlen körülmények között is nagy megbízhatóságúaknak kell lenniük. Ezért alapvető fontosságú, hogy a kezelőszerv érzékelője ellenálljon a durva bánásmódnak. Nehéz ipari körülmények között valószínűsíthető, hogy fizikai ütések érik, valamint a jármű motorjából és felfüggesztéséből származó rezgéseknek lesz kitéve. A 20LHE sorozatú érzékelők 20 g-ig terjedő rezgésnek és 50 g-ig terjedő ütésnek is ellenálló, robusztus fizikai kialakításúak.

A 20LHE sorozatú érzékelőket gyárilag tartós hőre lágyuló műanyag házba helyezik, hogy ellenálljanak a pornak, a folyadékoknak és jól tűrjék a -40 °C és +85 °C közötti szélsőséges hőmérsékleteket. A rugós visszatérítésű típusok IP51-es besorolásúak, de magasabb IP-osztályúak is kaphatók.

Az IP-besorolás azt jelzi, hogy a burkolat milyen szintű védelmet nyújt szilárd tárgyak (első számjegy) és folyadékok (második számjegy) behatolása ellen. Az IP51 esetében az 5 azt jelenti, hogy a készülékház védett a por bejutása ellen olyan mértékben, hogy az nem befolyásolja a készülék normál működését, míg az 1 azt jelenti, hogy a készülékház védett a függőlegesen eső vízcseppek ellen.

Elektromos tervezési megfontolások lineáris Hall-érzékelők használatakor

Ipari környezetekben az elektromágneses szennyezettség veszélye is jelen van, ideértve az elektrosztatikus kisüléseket és a különböző kis- és nagyfeszültségű rendszerek közötti véletlen kölcsönhatásokat is. A 20LHE sorozat az ilyen veszélyek széles skálájának ellenáll. Legkiemelendőbb képessége, hogy akár +20 voltos túlfeszültséget és -10 voltos záróirányú feszültséget is elvisel. A további környezeti specifikációk az 1. táblázatban láthatók.

1. táblázat: A 20LHE sorozatot úgy tervezték, hogy ellenálljon a fizikai és elektromágneses környezeti hatásoknak (kép: Vishay)

A lineáris Hall-érzékelőket a helyes működéshez egy terhelő ellenállással kell párosítani. A 20LHE sorozathoz a Vishay legalább 1 kΩ-os terhelést javasol.

Lineáris Hall-érzékelők kiválasztása

A pontosság az első figyelembe veendő paraméter, mivel az érzékelőnek meg kell felelnie a vezérlési pontosságnak. A 20LHE sorozattal a Vishay a 20LHE1XWA1P30 esetében ±2% linearitást, a 20LHE1AWA1P30 esetében pedig ±1% linearitást kínál.

A kimenetnek meg kell felelnie a vezérlőrendszer többi része által követelt igényeknek is. Tipikus választási lehetőségek többek között az analóg aránymérős vagy impulzusszélesség-modulált (PWM) jelet adó működés. A 20LHE sorozat mindkét konfigurációban elérhető, a kimeneti jel amplitúdójának az érzékelő helyzetéhez viszonyítottan növekvő vagy csökkenő változatban. A 20LHE1AWB1P30 például analóg csökkenő kimenettel rendelkezik, ami azt jelenti, hogy a kimenet akkor a legalacsonyabb, amikor az érzékelő tengelye teljesen a benyomott állásban van (3. ábra).

3. ábra: A 20LHE1AWB1P30 analóg csökkenő kimeneti jelet ad, amely akkor éri el a minimumot, amikor az érzékelő tengelye teljesen a benyomott állásban van (kép: Vishay)

Maga a tengely is figyelmet érdemel. A 20LHE sorozat például 3,175 mm-es tengellyel rendelkezik, amely opcionálisan M3 x 6 mm-es menettel is ellátható. Egy ilyen konstrukció egyszerűbbé teheti a telepítést, és biztonságosabb kapcsolatot biztosít a kezelőmechanizmussal.

A legtöbb 20LHE sorozatú típus rugós visszatérítésű. A rugó egy önbeálló mechanizmust biztosít, amelynek köszönhetően az érzékelő visszatér eredeti helyzetébe az elmozdító erő megszűnése után. Ez a funkció az olyan járművezérlő rendszerekben lehet előnyös, mint amilyenek például a gázpedálok vagy gázkarok pozícióérzékelői, amelyekre a kezelő személyek gyakran gyakorolnak nyomást vagy engedik fel őket. Rugó nélküli típusok, mint például a 20LHE2AWA1P30, szintén kaphatók.

Összegzés

Érintésmentes opcióként a lineáris Hall-érzékelők kiválóan alkalmasak az ipari járművek kezelőszerveihez. A 20LHE sorozat kompakt, és a könnyű szereléshez karimás kialakítású. Az ide tartozó eszközök emellett elég tartósak ahhoz, hogy jól tűrjék a zord munkakörülményeket, stabilan, karbantartásmentesen és pontosan működjenek, és ellenálljanak a fizikai és elektromágneses behatásoknak.