Interruttori di prossimità magnetici

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1 Interruttori di prossimità magnetici Pubblicato il: 01/08/2005 Aggiornato al: 01/08/2005 di Massimo Barezzi Gli interruttori di posizione meccanici sono apparecchiature che permettono il rilevamento di una posizione mediante il contatto fisico. Le principali funzioni ottenibili con gli interruttori di posizione magnetici sono la funzione NA e NC. 1. Generalità Vediamo alcuni interruttori detti di prossimità, che consentono di effettuare la stessa operazione senza contatto diretto. Il primo interruttore che incontriamo è del tipo magnetico. È costituito da due parti: in una trova posto il contatto (unità di contatto) nell altra è situato un magnete permanente (unità magnetica). Il contatto viene azionato avvicinando il magnete permanente all unità di contatto; allontanando il magnete, il contatto riassume la posizione di riposo. Per la realizzazione dell unità di contatto vengono usate le ampolle reed, costituite da due o tre lamine piatte ed elastiche di materiale magnetico (ferro-nichel) contenute in un bulbo di vetro riempito con un gas inerte. Nelle lamine che vengono sottoposte ad un campo magnetico si generano polarità opposte, provocando una forza di attrazione che le fa flettere l una contro l altra; in tal modo si realizza un contatto elettrico. Sigillatura ermetica Bassa e stabile resistenza di contatto Lunga vita Velocità di funzionamento Compatte e leggere Tabella 1 - Caratteristiche principali delle ampolle Reed La sigillatura ermetica dei contatti in atmosfera di gas inerte le protegge dalla polvere, dalla corrosione e dall ossidazione Le ampolle hanno una resistenza di contatto nell ordine dei milliohm e non è soggetta alla temperatura; sono quindi ideali per applicazioni di misura a basso livello di segnale Le ampolle reed non hanno parti in movimento o striscianti come i normali interruttori; pertanto hanno una vita meccanica senza limiti La velocità di intervento è più elevata di quella dei relè convenzionali, permettendone l uso in applicazioni con alte velocità di commutazione Le ampolle reed possono essere montate in spazi estremamente ridotti, risultando ideali per applicazioni in apparecchiature miniaturizzate 1

2 2. La tecnologia Un ampolla reed (figura 1a) consiste in due lamelle flessibili di materiale magnetico, piatte e di bassa riluttanza, ermeticamente sigillate in un tubo di vetro riempito di gas inerte. Tali lamelle sono posizionate in modo che le parti terminali si contrappongano l una all altra senza toccarsi. Le lamelle si prolungano oltre l involucro e sono placcate con un metallo altamente conduttivo, come il rodio o l oro. Le ampolle reed entrano in funzione con il manifestarsi di un campo magnetico generato da un magnete permanente o da una bobina montata vicino o attorno all ampolla reed (figura 1b). Quando l ampolla reed è influenzata da un campo magnetico, le estremità delle lamelle assumono una polarità magnetica di segno opposto. Al raggiungimento di una sufficiente intensità del campo magnetico, la forza di attrazione degli opposti poli vince la rigidità delle lamelle flettendole l una verso l altra e causando il contatto. Fig.1a:Caratteristiche costruttive delle ampolle reed Fig.1b:Principio di funzionamento delle ampolle reed Alla cessazione dell influsso del campo magnetico esterno, per effetto dell elasticità del materiale delle lamelle, si ha la separazione del contatto e il ripristino della situazione iniziale (di riposo). L operazione può essere ripetuta milioni di volte anche ad altissime frequenze. Le principali funzioni ottenibili con gli interruttori di posizione magnetici sono la funzione NA e NC. Nella funzione NA il contatto è normalmente aperto quando il magnete di azionamento è ad una distanza tale da non riuscire ad influenzarlo; si chiude quando il magnete si avvicina al punto da polarizzarlo. Nella funzione NC il contatto risulta già chiuso; l avvicinarsi del magnete determina l annullamento del campo magnetico che tiene chiuse le lamine, provocando l apertura del contatto. Fig.2a:Interruttori di posizione magnetici con contatto reed e relativo magnete di comando Esistono infine la funzione di scambio e la funzione bistabile: la prima contiene sia la funzione NA sia quella NC per cui, all avvicinarsi o all allontanarsi del magnete di azionamento, il contatto commuta dalla condizione di riposo a quella di lavoro e viceversa; la seconda apre o chiude un contatto premagnetizzato all avvicinarsi del magnete. In particolare, se le polarità sono concordi, il contatto si chiude e 2

3 rimane chiuso anche se il magnete viene allontanato; sarà possibile riaprirlo avvicinando il magnete con polarità contraria. Data la semplicità del contatto, la vita meccanica è molto elevata e può arrivare a circa 3 miliardi di manovre. Di particolare importanza per il funzionamento di questi interruttori è il valore del campo magnetico dell unità magnetica che può essere influenzato dalla temperatura. Infatti, l intensità del campo risulta inversamente proporzionale, anche se in modo non lineare, al valore della temperatura ambiente. Sulle unità magnetiche viene riportato il valore massimo della temperatura ambiente (per esempio di 150 C). Fig.2b:Interruttori di posizione magnetici di sicurezza con contatto reed e relativi magneti di comando 3

4 3. Le caratteristiche Normalmente, per una variazione di temperatura dell ordine ±20 C, il punto di comando si sposta di circa ±0,05 mm, assicurando comunque all interruttore caratteristiche di ripetibilità sempre molto elevate. Fig.3a:Interruttore di posizione magnetico con contatto reed con diodo Led di segnalazione Questo tipo di interruttore di posizione, rispetto agli interruttori meccanici, offre i seguenti vantaggi: protezione del contatto dalla polvere o dall umidità (normalmente il grado di protezione è IP65), semplicità di azionamento, elevata frequenza di commutazione (fino a 1000 interruzioni al secondo), lunga vita operativa del contatto, assenza di manutenzione e ridotto ingombro. Fig.3b:Interruttore non azionato Questi interruttori sono particolarmente sensibili ai sovraccarichi e ai cortocircuiti e vanno soggetti al fenomeno della saldatura dei contatti. Inoltre, quando la velocità di apertura del contatto è bassa con alcuni tipi di carico (induttivi), si possono generare alti valori di tensione sul contatto (sovratensioni) con conseguenti archi elettrici. Fig.3c:Interruttore azionato (Pneumax) 4

5 Tutto questo determina una riduzione della vita utile di questi interruttori di posizione; è opportuno perciò prevedere adeguate protezioni come resistenze limitatrici di corrente (sovraccarico o cortocircuito), oppure un gruppo RC, un diodo o un Vdr (sovratensioni). Fig.4a:Cilindro a doppio effetto con tiranti in acciaio con finecorsa magnetici In alcuni casi queste protezioni sono contenute all interno dell unità di contatto insieme ad una spia Led che indica quando il contatto è azionato, particolarmente utile in fase di messa a punto dell impianto. È opportuno utilizzare le unità magnetiche previste per un determinato interruttore, in modo da consentire un sicuro azionamento ed evitare che un eccessivo campo magnetico possa determinare delle deformazioni alle lamine. Fig.4b:Cilindro a doppio effetto per finecorsa magnetici.sui cilindri è possibile montare uno o più interruttori di posizione.la freccia indica direzione flusso di aria compressa nella camera negativa Questi interruttori possono lavorare in qualsiasi posizione. Occorre solo prendere qualche precauzione fissando gli interruttori su gomma elastica per proteggerli dalle vibrazioni e montandoli in modo sporgente, facendo attenzione a staccarli di almeno mm dai materiali ferromagnetici per evitare la dispersione magnetica. 5

6 4. L offerta commerciale Sul mercato sono presenti cilindri, magnetici e non, esteticamente identici; i costruttori perciò identificano i due tipi mediante appositi codici o targhette identificatrici. L uso di questi interruttori facilita il controllo della posizione del pistone, in quanto evita il montaggio esterno di interruttori di posizione meccanici. Il campo magnetico, che segue il movimento del pistone, viene utilizzato per attuare i controlli delle posizioni terminali o intermedie del pistone stesso e per dare il consenso all inversione del suo movimento o al proseguimento delle fasi successive del ciclo. Il cilindro deve essere costruito con materiale amagnetico affinché il campo magnetico non abbia interferenze; normalmente vengono impiegati per la camicia l ottone, l alluminio, l acciaio inossidabile; per il pistone l alluminio; per lo stelo l acciaio inossidabile; per le testate l alluminio. Il campo magnetico si sviluppa all esterno della camicia del cilindro che è realizzata in materiale diamagnetico. All esterno vengono poi montati gli interruttori di posizione magnetici in modo che, quando il magnete è lontano, il contatto è aperto e, quando il pistone è in corrispondenza dell interruttore, questo si chiude. Fig.5a:Esempi di interruttori di posizione magnetici con contatti reed per il montaggio su cilindri pneumatici Esistono anche interruttori che eseguono la funzione complementare, che sono cioè normalmente chiusi, ed aprono il circuito elettrico quando sono azionati dal campo magnetico. Per facilitare l esame dello stato del contatto, questi interruttori vengono normalmente forniti di un diodo luminoso Led. Fig.5b:Schema di collegamento.da notare il varistore VDR del circuito di protezione contro le sovracorrenti in presenza di carichi induttivi,di un diodo LED Questi interruttori vengono commercializzati sia nella versione con i dispositivi antidisturbo incorporati (figura 5b) sia nella versione che non li prevede; in quest ultimo caso, i costruttori consigliano di utilizzare i circuiti soppressori di picchi di tensione facenti uso di diodi in DC, oppure, se il carico è un elettrovalvola o un relè, con gruppi RC o Vdr in DC o AC. Quando si collegano lampade ad incandescenza, al momento dell accensione la corrente (e, quindi, la potenza) può assumere anche 10 volte il valore nominale; in questi casi è bene utilizzare dei diodi Led. Nel collegare questi interruttori, è necessario assicurarsi che il carico (elettrovalvola, lampadina, relè, Plc, ecc.) sia collegato in serie. Non si devono mai superare i valori della corrente, della tensione e della potenza massima commutabile e, a questo proposito, è bene controllare le apposite tabelle (figura 5c) o grafici riportati sui cataloghi. Questi accorgimenti, se non osservati, possono portare alla messa fuori uso dell interruttore. Occorre mantenere un margine di sicurezza del 30% rispetto ai dati di targa per la corrente e la potenza massima commutabile. Quando si monta un interruttore, di qualunque tipo esso sia, in una posizione molto distante dal carico (per esempio, a m) e con tensioni oltre i 100 V, la sua vita elettrica si accorcia sensibilmente. 6

7 Infatti, il cavo stesso si comporta come un carico capacitivo: più è lungo e più il valore della capacità è grande. In questo caso si deve aggiungere una resistenza in serie, il più vicino possibile all interruttore, per ridurre gli effetti capacitivi delle linea (orientativamente 1000 Ω per V e 2000 Ω per V). Gli interruttori con Led devono essere collegati con le polarità secondo quanto indicato dai costruttori, altrimenti il Led non si accende. Questi interruttori Fig.5c:Caratteristiche generali (Camozzi) vengono fissati ai cilindri in vari modi a seconda della forma costruttiva del cilindro stesso; come viene mostrato nella figura 6, è possibile il montaggio mediante una fascetta, oppure mediante l uso di una apposita staffa su guida, su tirante o, infine, direttamente sul corpo del cilindro. Fig.6:Sistemi di montaggio degli interruttori di posizione magnetici sui cilindri pneumatici Per evitare dannose interferenze, è opportuno mantenere una distanza di sicurezza di almeno 50 mm tra l interruttore e un altra fonte di campo magnetico (motori elettrici, altri cilindri pneumatici, magneti permanenti, ecc.). 7

8 5. Attenti ai disturbi Grossi corpi di materiali ferromagnetici (per esempio le viti di fissaggio in ferro) possono modificare considerevolmente la direzione e l intensità del campo magnetico. L accumulo di trucioli di ferro di grosse dimensioni può influire sul corretto funzionamento dell interruttore. Quando gli interruttori di posizione che sfruttano un ampolla reed vengono utilizzati alle estremità del cilindro, la velocità del pistone non costituisce un problema; se invece l interruttore deve segnalare il passaggio del pistone magnetico in una posizione qualsiasi della corsa e il pistone è veloce, è possibile che l interruttore non riesca ad attivarsi e, quindi, ad inviare il segnale all elettrovalvola o al Plc (infatti, il tempo di reazione dei componenti a valle varia normalmente da 10 a 20 ms). Fig.8:Principio di funzionamento di un sensore ad effetto Hall Mentre il tempo di chiusura di un interruttore magnetico con ampolla reed è di circa 2 ms, i tipi elettronici che sfruttano l effetto Hall impiegano solo 0,001 ms ad attivarsi. Inoltre, avendo un funzionamento meccanico, hanno una vita operativa inferiore ai tipi completamente elettronici (statici) che sfruttano l effetto Hall e che, tra l altro, riescono a catturare il segnale anche con passaggi del pistone molto veloci. Questi interruttori elettronici sono realizzati mediante l uso di una piastrina di materiale semiconduttore (silicio o arseniuro di gallio) che viene fatta percorrere da una corrente I. Fig.9a:Esempi di interruttori di posizione magnetici con contatti reed ed elettronici ad effetto Hall per il montaggio su cilindri pneumatici,tipo CST Quando la piastrina si trova immersa in un campo magnetico trasversale, gli elettroni della corrente che l attraversano subiscono una deviazione laterale, determinando ai bordi perpendicolari al flusso di corrente una differenza di potenziale U proporzionale al valore di induzione magnetica B (figura 8) e a quello della corrente longitudinale I. Fig.9b:Caratteristiche generali (Camozzi) Nelle applicazioni pratiche, come quando viene impiegato per rilevare la posizione di un pezzo di ferro all interno di una conduttura non magnetica, il sensore ad effetto Hall viene immerso in un campo magnetico creato da un magnete 8

9 permanente e rileva l approssimarsi del pezzo di ferro per via dell influsso che questo esercita sull andamento di detto campo magnetico. Fig.10a:Esempio di curve corrente-tensione degli interruttori con contatti reed tipo CST,in AC e DC Fig.10b:Esempio di codifica di interruttori magnetici per cilindri pneumatici,tipo CST (Camozzi) Fig.11a:Esempio dei collegamenti elettrici degli interruttori magnetici a scomparsa CST:tipo con ampolla reed Fig.11b:Esempio dei collegamenti elettrici degli interruttori magnetici a scomparsa CST:tipo ad effetto Hall Fig.11c:Collegamento con il connettore M8 9

10 6. Effetto Hall Nel caso degli interruttori di posizione magnetici ad effetto Hall, il funzionamento è completamente elettronico. Hanno una vita elettrica molto elevata, ma sopportano una tensione di lavoro fino a 30 V solo in DC, contrariamente ai tipi con ampolla reed che possono funzionare con tensioni di lavoro fino a 110 V sia in AC sia in DC. I modelli commerciali possono essere esternamente identici (figura 9) ed inseriti nello stesso involucro stagno (IP67) e isolante (corpo in plastica e resina epossidica). Questi sensori, che in genere sono di piccole dimensioni, hanno la peculiarità di venire integrati, in alcuni casi, in modo molto compatto nei profili dei cilindri; con pochi modelli (per esempio, due) ed i relativi accessori si può coprire un intera gamma di cilindri. I modelli più moderni sono caratterizzati da attacchi elettrici precablati con connettore M8 che riduce i tempi di collegamento e facilita il cablaggio. Fig.12:Esempi di adattatori per il montaggio degli interruttori magnetici a scomparsa tipo CST su cilindri di vario tipo (Camozzi) I costruttori tendono sempre più a miniaturizzare e standardizzare gli interruttori al fine di averne pochi tipi da utilizzare su tutti i cilindri della propria gamma mediante appositi adattatori. Per esempio è possibile fissare il sensore ad uno dei tiranti o al profilo, come mostrato nella figura 12a-b. In questo caso, inserire l interruttore nell apposita cava dell adattatore e fissarla con il grano; quindi trascinare l adattatore, mantenendo la sede dell interruttore a contatto con il tubo del cilindro, fino ad individuare la posizione corretta per la rilevazione (figura 13c). Fig.13a:Istruzioni operative per il montaggio:fase di fissaggio interruttore nella cava del cilindro e connessione elettrica,con connettore circolare M.Attenzione a non superare le coppie di serraggio Infine, fissarlo al tirante o al profilo tramite l apposita vite. Fig.13b:Istruzioni operative per il montaggio:evitare le spellature lungo il cavo,le pieghe a 180 e lo stiramento del cavetto Per il montaggio sui cilindri aventi una camicia circolare (figura 12c) si può utilizzare una fascetta metallica di diametro opportuno e chiusa mediante l apposita vite. Prima di stringerla completamente, inserire l adattatore. Fig.13c:Istruzioni operative per il montaggio: Messa in funzione. Alimentare l'interrttore e collocare il pistone nella posizione da rilevare. Spostare l'interruttore nella cava del cilindro. Quindi, inserire l interruttore nell adattatore; la fascetta metallica va serrata in modo che l interruttore sia già il più vicino possibile alla posizione corretta per la rilevazione. È possibile un aggiustamento più preciso spostando solo il sensore nell adattatore prima di fissarlo con il grano. Si consiglia di fissare l interruttore in battuta nell adattatore. Prestare attenzione a non chiudere con troppa forza la fascetta, altrimenti si potrebbero danneggiare la camicia e l interruttore (coppia massima di serraggio = 1 Nm). Nel caso di cilindri a corsa breve dotati di scanalatura, gli interruttori possono essere inseriti mediante l adattatore nella cava da uno dei due estremi del cilindro. Bisogna trascinare interruttore e adattatore lungo la cava fino alla posizione che si vuole rilevare, quindi avvitare il grano. 10

11 7. Campo di funzionamento Per un corretto impiego degli interruttori magnetici con i cilindri pneumatici occorre considerare il campo di funzionamento rispetto al pistone magnetico, come indicato nella figura 14a. La quota b indica l ampiezza del campo magnetico (o campo di commutazione) in cui si ha la chiusura del circuito (normalmente gli interruttori magnetici per cilindri pneumatici sono del tipo normalmente aperto, NA). La quota H è il valore di isteresi di funzionamento dell interruttore rispetto alla forma e all ampiezza del campo magnetico. Il campo di funzionamento, per effetto dell isteresi, è sfasato dalla quantità H nel senso opposto alla direzione di traslazione del cilindro. I valori di b e di H sono indicati nella tabella di figura 14b e divisi per alesaggio. La velocità massima consentita per ciascun cilindro non supera mai i 2 3 m/s ed è in funzione della quota b e del tempo di reazione dei vari componenti collegati a valle dell interruttore. Generalmente diminuisce all aumentare della massa del carico da muovere e varia in funzione del tipo di cilindro e del suo alesaggio. La velocità massima V max a cui può funzionare un cilindro con interruttori magnetici è data da: V max = b/t dove: b = corsa di contatto in mm (figura 14b); t = tempo totale di reazione in millisecondi dei componenti elettrici collegati a valle del sensore (per esempio, per una elettrovalvola o un relè è spesso di 10 ms, ma varia a seconda del tipo di solenoide e del tipo di applicazione e può arrivare anche a superare i 60 ms; nel caso dei Plc i tempi sono inferiori al ms); V max = velocità massima in m/s. Fig.14a:Diagramma per il calcolo della velocità massima di funzionamento degli interruttori magnetici tipo CST Fig.14b:Parametri b e t per il calcolo della velocità massima del pistone in funzione del tipo (serie) e dell'alesaggio del cilindro (Camozzi) 11