Qual è il principio di funzionamento di un sensore di prossimità induttivo?

Come funziona un sensore di prossimità induttivo?

Se sei stato in una fabbrica o hai visto una linea di produzione in azione, potresti aver notato piccoli dispositivi rettangolari posizionati vicino ai nastri trasportatori o ai bracci robotici. Questi sono sensori di prossimità: il sensore di prossimità induttivo è uno dei tipi più comuni. Ma sai cos'è effettivamente un sensore di prossimità induttivo? È più semplice di quanto tu possa pensare! Analizziamo il sensore passo dopo passo, in modo da capire perché è uno strumento eccellente per rilevare oggetti metallici.

I sensori di prossimità induttivi funzionano senza necessità di luce, suono o contatto attivo. Automatizzano semplicemente il rilevamento attraverso l'induzione elettromagnetica, un principio che ha dimostrato la propria validità nel tempo. Questi sensori determinano in modo affidabile la presenza di metalli durante l'esecuzione di svariate operazioni di automazione industriale. Evitano collisioni nei robot quando i bracci vengono manovrati vicino a parti metalliche e consentono il conteggio e la selezione di prodotti metallici sui nastri trasportatori. Per comprendere appieno il valore di questi sensori nell'automazione industriale, è fondamentale conoscere i principi di base dei sensori, la progettazione ingegneristica e la fisica coinvolta, nonché il modo in cui trasformano le variazioni di un campo magnetico in segnali utilizzabili.

Componenti principali che ne permettono il funzionamento

Il principio di funzionamento si basa sulle diverse parti di un sensore di prossimità induttivo. Si tratta di un sistema composto da vari elementi che devono funzionare in modo sincronizzato. Per comprendere appieno il sistema, si consideri il fatto che ogni sensore possiede quattro elementi fondamentali. Queste parti fondamentali devono collaborare affinché il sensore possa funzionare.

Il primo componente è l'oscillatore. Si può considerare questa la "fonte di alimentazione" del campo magnetico del sensore. Esso genera una corrente alternata ad alta frequenza —tipicamente nell'ordine dei kilohertz —e la corrente cambia direzione rapidamente. A seguire vi è la bobina di rilevamento, normalmente costituita da un avvolgimento di filo sottile e di alta qualità (ad esempio, rame) arrotolato attorno a un nucleo in ferrite. Quando l'oscillatore invia la corrente alternata attraverso la bobina, quest'ultima svolge una funzione importante: genera un campo magnetico alternato attorno a sé. È come una piccola "bolla" invisibile di magnetismo che circonda la faccia anteriore del sensore.

La fase successiva consiste nella progettazione del circuito amplificatore. Il compito di questo componente è "ascoltare" le variazioni nel campo magnetico. Quando qualcosa perturba tale campo, argomento che affronteremo presto, anche le proprietà elettriche della bobina cambiano —e tali cambiamenti sono piccoli. L'amplificatore potenzia queste piccole variazioni per renderle più forti, in modo che la fase successiva possa elaborarle. L'ultima parte è il circuito di uscita. Quando il segnale amplificato raggiunge questa sezione, il circuito determina la presenza di un oggetto metallico e invia un segnale, normalmente digitale (on/off), alla macchina con cui è interfacciato, per istruire un convogliatore a fermarsi, un braccio robotico a muoversi o un contatore ad aumentare il proprio valore di uno.

Chenwei Automation ha progettato i componenti principali con cui sono realizzati i sensori di prossimità induttivi, ottimizzandoli. Ad esempio, la bobina di rilevamento è realizzata con fili di rame di qualità per garantire un rilevamento costante e preciso. Il sensore non funzionerebbe se anche uno solo di questi componenti mancasse, ed è vero per tutti quanti. Essi sono allineati con il resto dei sistemi.

Induzione elettromagnetica: le basi

Dopo aver esaminato i componenti, analizziamo il componente fondamentale che ne permette il funzionamento: l'induzione elettromagnetica. Questo concetto è stato introdotto da uno scienziato inglese, Michael Faraday, nel XIX secolo, ed è il principio alla base del funzionamento di generatori e trasformatori. Ne esamineremo il principio di funzionamento nel contesto dei sensori di prossimità induttivi.

La bobina di rilevamento riceve una corrente alternata ad alta frequenza. Quando la corrente viene applicata in una direzione e poi nell'opposta, la bobina genera campi magnetici alternati. Questa è la "bolla" magnetica "invisibile" che si estende dal sensore di prossimità fino a 30 mm nel punto più lontano quando il sensore è attivato. Quando il sensore non è attivato, il campo è inattivo e costante. L'assenza di un campo magnetico indica la presenza di un oggetto metallico vicino al sensore. In questo stato, l'oscillatore è attivo, l'impedenza della bobina è costante e non vi sono fluttuazioni.

È qui che la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica risulta utile. Quando un conduttore, che è un metallo, è esposto a un campo magnetico, al suo interno si genera una corrente dovuta al cambiamento del campo magnetico. Questa corrente è una corrente parassita, ovvero una corrente che scorre in un percorso a spirale richiudendosi su se stessa. Immaginate come l'acqua vortica in una pozzanghera formando dei mulinelli. Tali correnti genereranno il proprio campo magnetico, avente polarità opposta rispetto a quella prodotta dalla bobina del sensore. Questa è la legge di Lenz e parte dell'elettrodinamica. Ora, invece di un campo magnetico costante, la bobina sarà soggetta a un campo magnetico di "contrasto" generato dalla corrente parassita.

Le variazioni del campo magnetico opposto influenzano il funzionamento della bobina di rilevamento. Ricordi la definizione di impedenza della bobina? Quando il campo magnetico opposto interagisce con la bobina, l'impedenza aumenta. Diventa più difficile per la bobina accogliere la corrente alternata inviata dall'oscillatore, e l'oscillatore potrebbe indebolirsi o rallentare a causa della resistenza aggiuntiva. Questo fenomeno —un aumento dell'impedenza o una diminuzione dell'output dell'oscillatore —è probabilmente l'unica cosa che il circuito amplificatore del sensore registra. È ragionevole concludere che il sensore stia indicando: "È presente un oggetto metallico!"

Come Rileva gli Oggetti Metallici (Il Trucco Chiave)

Abbiamo stabilito che un oggetto metallico interagisce con la corrente del sensore e perturba il campo magnetico del sensore. In che modo il sensore traduce questa perturbazione e segnala al controller di indicare "oggetto presente" e "oggetto non presente"? Questa è la funzione del resto della circuitazione ed è il motivo per cui i sensori di prossimità induttivi sono considerati affidabili nell'industria. Analizziamo un esempio. Immaginiamo un dispositivo posizionato sopra un nastro trasportatore che trasporta dadi metallici. Se un dado non è vicino al sensore, il campo magnetico intorno al dado non si distorce. L'impedenza della bobina rimane bassa, l'intensità operativa dell'oscillatore rimane elevata e l'amplificatore non registra variazioni significative. Il circuito di uscita mantiene lo stato "normale", e il sistema invia un segnale "basso" al sistema del nastro trasportatore, indicandogli di continuare a muoversi.

Un dado metallico scivola sotto il sensore, entrando nel suo campo di rilevamento. Nel dado vengono indotte correnti parassite, generando un campo magnetico opposto. L'impedenza della bobina cambia e la corrente dell'oscillatore diminuisce. L'amplificatore rileva la variazione di corrente (o la riduzione dell'impedenza) e la amplifica. Questo segnale amplificato viene inviato al circuito d'uscita, configurato con una "soglia". Si tratta di un valore limite che, una volta superato, innesca un'azione. La soglia viene superata e lo stato del circuito d'uscita cambia: invia un segnale "alto" al sistema di controllo. Questo segnale potrebbe istruire il nastro trasportatore a fermarsi per un momento affinché un braccio robotico possa afferrare il dado, oppure potrebbe incrementare un contatore che tiene traccia dei dadi elaborati.

Ecco qualcosa che devi sapere: i sensori di prossimità induttivi rilevano solo determinati materiali —e si tratta principalmente di metalli come acciaio, alluminio e rame. Non rilevano affatto materiali non metallici come plastica, legno o vetro, poiché questi materiali sono debolmente conduttivi. In molte fabbriche, tuttavia, questo è un grande vantaggio. Ad esempio, se si confezionano componenti metallici in sacchetti di plastica (che sono non metallici), il sensore può ignorare il sacchetto e rilevare solo il metallo. I sensori di prossimità induttivi di Chenwei Automation sono particolarmente adatti a questa funzione. Sono in grado di distinguere anche oggetti metallici e non metallici posizionati molto vicini tra loro, evitando interruzioni nella produzione causate da segnali falsi.

Un'altra cosa da comprendere è che il tipo e le dimensioni del metallo influiscono sulla distanza di rilevamento. Una grande piastra di acciaio, ad esempio, verrà rilevata a una distanza maggiore rispetto a una piccola vite di alluminio, poiché superfici metalliche più grandi generano correnti parassite più intense. Tuttavia, questo raramente rappresenta un problema. La maggior parte dei sensori industriali è progettata per funzionare con diversi tipi di metalli, quindi non sarà necessario sostituire i sensori ogni volta che si cambia il pezzo da rilevare.

Logica operativa pratica negli scenari industriali

È importante comprendere come i diversi componenti funzionano in un contesto scientifico al fine di avere una visione d'insieme della logica alla base delle varie applicazioni industriali in un impianto produttivo. Useremo alcune illustrazioni per spiegare il principio di funzionamento. Questo spiega la popolarità dei sensori di prossimità induttivi nel campo dell'automazione.

Prendiamo come esempio un produttore di parti automobilistiche. Potrebbe esserci un sensore di prossimità induttivo prodotto da Chenwei Automation utilizzato su una linea di montaggio per fissare bulloni metallici ai blocchi motore. Il sensore è montato sul braccio robotico che tiene il bullone. Prima che il braccio si sposti per avvitare il bullone al blocco motore, il sensore deve confermare che il braccio stia effettivamente trattenendo un bullone. Se il braccio è vuoto, sprecherebbe semplicemente tempo girando a vuoto o potrebbe danneggiare il blocco motore. Ecco cosa accade: quando il braccio prende un bullone, quest'ultimo entra nel campo di rilevamento del sensore. Si formano correnti parassite (correnti di Foucault) sul bullone, l'impedenza della bobina cambia e il sensore invia un segnale "bullone presente" al controllore del robot. Il controllore ordinerà quindi al braccio di muoversi verso il blocco motore e avviare il processo di avvitatura. Se non c'è alcun bullone, il sensore invia un segnale "nessun bullone", e il controllore ferma il braccio, evitando così un errore.

Un altro esempio è una linea di confezionamento per lattine in metallo. Le lattine vengono trasportate su un sistema di trasporto e devono essere riempite di bibita e sigillate. Un sensore di prossimità induttivo è fissato vicino all'ugello di riempimento. Quando una lattina si posiziona sotto l'ugello, il sensore rileva la struttura metallica della lattina e attiva il sistema di riempimento. Durante il riempimento, il sensore rileva l'assenza della lattina e segnala all'ugello di interrompere l'erogazione. Questo sistema è progettato per rilevare le lattine e riavviare il riempimento, garantendo che nessuna bibita venga sprecata, anche durante produzioni ad alta velocità.

Ancora una volta, il tempo di risposta richiesto del sistema sensoristico è nell'ordine dei millisecondi. Questo è fondamentale per mantenere i tassi di produzione desiderati. Se il sistema sensoristico impiegasse anche solo un secondo a rispondere, segnalerebbe un guasto nel processo produttivo. Per prevenire tali problemi, Chenwei Automation progetta i propri sensori in modo che rispondano in tempo reale ai movimenti di sistemi robotici ad alta velocità e nastri trasportatori. La maggior parte delle tecnologie sensoristiche può essere compromessa in ambienti polverosi, ma non i sensori di prossimità induttivi. Essi tollerano lo sporco e l'umidità e continuano a funzionare in condizioni difficili. I sensori smettono di funzionare soltanto quando i campi magnetici interagiscono all'interno del sensore disattivandolo.

Un'altra cosa degna di nota è che questi sensori sono "a contatto induttivo". Ciò significa che possono rilevare un oggetto metallico senza doverlo toccare fisicamente. Questo rappresenta un vantaggio rispetto agli interruttori meccanici, i cui componenti a contatto si usurano nel tempo. I sensori di prossimità induttivi non toccano nulla, motivo per cui possono durare molti più anni e richiedono una manutenzione minima. Questo aspetto è importante per le fabbriche che operano 24 ore su 24, 7 giorni su 7, poiché consente una maggiore disponibilità degli impianti e riduce i costi di sostituzione.