Capteurs de vérins pneumatiques - Leur fonctionnement

Capteurs de vérins pneumatiques - Leur fonctionnement

Différents capteurs de proximité pour vérins pneumatiques

Figure 1 : Différents capteurs de proximité pour vérins pneumatiques

Les capteurs sont utilisés pour fournir un retour d'information sur la position aux systèmes de contrôle des machines et des équipements automatisés. Lesvérins pneumatiques utilisent des capteurs pour détecter la position linéaire du piston pour les applications où le retour de position est crucial. Le type de capteur le plus communément utilisé pour les vérins pneumatiques sont les capteurs de proximité magnétiques, qui détectent le champ magnétique d'un aimant intégré dans le piston du vérin. Le capteur est monté sur le corps du vérin pneumatique et indique "ON" ou "OFF" en fonction de la proximité de l'aimant. En fonction de l'application, différentes technologies de capteurs de proximité magnétiques peuvent être utilisées pour optimiser les performances, l'espace et la fiabilité. La figure 1 montre des exemples de différents capteurs de proximité pour vérins pneumatiques.

Capteurs industriels

Les capteurs Reed sont le type le plus courant de capteur de vérin pneumatique. Ils sont utilisés depuis des années et constituent une technologie éprouvée. Les deux principales causes de préoccupation pour un capteur Reed par rapport aux autres capteurs présentés ci-dessous sont la durée de vie et les problèmes de chocs et de vibrations. Les capteurs Reed ont généralement un cycle de vie de plus de 10 millions d'unités et, en général, le capteur Reed n'est pas le premier à tomber en panne lorsqu'il se trouve dans une application soumise à des chocs ou des vibrations importants. Pour ces raisons, les capteurs reed ont été et sont toujours le capteur de vérin pneumatique le plus populaire.

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Table des matières

Pourquoi utiliser un capteur pour un vérin pneumatique ?

Les capteurs de position linéaire des vérins pneumatiques sont utilisés pour détecter la position linéaire du piston pendant le fonctionnement. Les vérins pneumatiques sont généralement fabriqués avec un aimant déjà fixé à l'intérieur du piston, de sorte que l'utilisation de capteurs de proximité magnétiques peut être utilisée si on le souhaite. Selon l'endroit où le capteur est monté, il peut détecter l'extension, la rétraction ou des positions individuelles le long du corps du cylindre. Il est également possible de fixer plusieurs capteurs sur un seul vérin pneumatique pour obtenir plusieurs emplacements de retour de position. Les vérins pneumatiques dotés de capteurs de position offrent une sécurité et un retour d'information supplémentaires pour garantir l'emplacement du piston dans les applications cruciales.

Montage du capteur du cylindre pneumatique

Les deux types de corps de vérin pneumatique les plus courants sont les corps profilés, comme la norme ISO 15552, ou les corps ronds, comme la norme ISO 6432. Selon le type de carrosserie, il existe différentes méthodes de montage. Les méthodes de montage peuvent également changer avec différents types de capteurs, il est donc important de comprendre le type de corps de cylindre que vous avez avec le type de capteur.

Cylindres profilés

Les cylindres profilés sont de forme rectangulaire et disposent de deux méthodes simples pour monter les capteurs sur le corps du cylindre. Pour les vérins pneumatiques qui adhèrent à la norme ISO 15552, des rainures sont prévues le long du corps pour y insérer un capteur, comme le montre la figure 2. Le capteur (1) est ensuite fixé en place avec une vis de réglage (2) à l'aide d'un tournevis (3). D'autres cylindres profilés sont équipés de tirants, qui courent sur toute la longueur du corps du cylindre aux quatre coins. Les capteurs peuvent être montés sur le tirant et glissés à la position appropriée sur la longueur du cylindre.

Vérin pneumatique ISO 15552 avec un capteur (C) monté via la vis de réglage (B) avec un tournevis (A)

Figure 2 : Vérin pneumatique ISO 15552 avec un capteur (C) monté via la vis de réglage (B) avec un tournevis (A)

Cylindres ronds

Les cylindres ronds sont généralement plus petits, comme l'ISO 6432, mais il est toujours possible d'y monter des capteurs en utilisant une bande circulaire qui entoure le boîtier du cylindre. La bande doit être spécifiée en fonction du diamètre du cylindre. Une fois montés, le capteur et la bande peuvent glisser sur la longueur du cylindre, puis être fixés en place. La figure 3 montre un cylindre pneumatique ISO 6432 avec un capteur monté dessus.

Vérin pneumatique ISO 6432 avec capteur monté

Figure 3 : Vérin pneumatique ISO 6432 avec capteur monté

Options de capteurs de proximité magnétiques

Tous les capteurs utilisés dans les vérins pneumatiques pour le retour d'information sur la position linéaire du piston utilisent un champ magnétique. Par conséquent, tous les vérins pneumatiques sont déjà équipés d'un aimant situé à l'intérieur du piston. Cependant, il est toujours important de vérifier cette spécification de conception pour votre vérin pneumatique si une rétroaction de position linéaire est requise.

Interrupteur à anche

Un capteur à commutateur reed est un capteur de proximité magnétique qui est activé lorsqu'un champ magnétique orienté axialement lui est appliqué. Les pôles magnétiques d'un aimant aligné axialement se trouvent l'un à côté de l'autre dans le plan axial. Lorsque l'aimant aligné axialement s'approche du capteur Reed, un champ magnétique parallèle à l'interrupteur Reed est généré. Un interrupteur à lames est composé d'une paire de lames métalliques ferromagnétiques, enfermées dans un tube de verre scellé. Sans la présence d'un champ magnétique (image du haut, figure 4), les anches métalliques se séparent et le capteur est mis hors tension. Lorsque le piston du vérin passe devant le commutateur et applique un champ magnétique suffisamment puissant pour attirer les anches ensemble (image du milieu, figure 4), le capteur est mis sous tension (image du bas, figure 4).

Fonctionnement de l'interrupteur Reed

Figure 4 : Fonctionnement de l'interrupteur Reed

Par rapport aux autres options de capteurs, les interrupteurs à lames sont rentables et peuvent fonctionner avec des tensions alternatives ou continues. En outre, les capteurs à commutateur reed ont une faible consommation d'énergie, ce qui les rend adaptés aux applications nécessitant une consommation d'énergie. En raison de la nature mécanique de la commutation des contacts Reed, les capteurs Reed ont des limites. Tout d'abord, les contacts de commutation ont un nombre limité de cycles de commutation et nécessiteront une maintenance pendant la durée de vie de la machine. Ensuite, les capteurs à commutateur à lames ne conviennent pas aux applications exposées à de fortes vibrations ou à des chocs. Des chocs et des vibrations importants peuvent provoquer le claquement des contacts de l'anche et entraîner une signalisation inexacte. Les caractéristiques de commutation d'un interrupteur Reed peuvent également provoquer une double commutation involontaire. On parle de double commutation lorsque la sortie du capteur commute deux fois sur "ON" et "OFF" alors que l'aimant du cylindre passe une fois devant le commutateur reed. La fausse double commutation de la sortie du capteur est due à la force non uniforme du champ de force d'un aimant. La force d'un champ magnétique est la plus forte à chaque pôle de l'aimant et la plus faible au centre entre chaque pôle. Si l'aimant du piston n'est pas assez puissant, il peut provoquer une double commutation de la sortie de l'interrupteur lorsqu'il traverse le capteur. Enfin, par rapport aux capteurs à semi-conducteurs, les interrupteurs à lames sont relativement lents à s'activer, ce qui les rend inadaptés aux applications nécessitant des temps de réponse rapides. Cependant, les capteurs à interrupteur à lames pour les vérins pneumatiques sont largement utilisés car ils sont relativement peu coûteux par rapport aux autres capteurs, ne nécessitent pas d'alimentation de secours, peuvent fonctionner avec des charges en courant continu ou alternatif et constituent une solution connue et éprouvée.

Capteur à effet Hall

Un capteur à effet Hall est un capteur de proximité magnétique qui est activé lorsqu'un champ magnétique orienté radialement lui est appliqué. Un aimant aligné radialement produira un champ magnétique perpendiculaire au champ magnétique du capteur à effet Hall, comme le montre la figure 5. Contrairement aux interrupteurs à lames, les capteurs à effet Hall sont des dispositifs à semi-conducteurs et sont conçus avec des composants différents. Les interrupteurs Reed dépendent de contacts mécaniques mobiles pour fournir une sortie de capteur. Les dispositifs à semi-conducteurs fournissent une sortie de capteur en utilisant des circuits électriques sans composants mobiles. Un capteur à effet Hall est constitué d'un semi-conducteur traversé par un courant continu, comme on peut le voir sur l'image du haut de la figure 5. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué radialement (2) au flux de courant (1), comme le montre l'image du bas de la figure 5, les électrons chargés se séparent vers les côtés opposés du semi-conducteur en fonction de leur polarité. La séparation des électrons chargés induit une tension dans le circuit à effet Hall (4). Lorsque la tension de sortie aux bornes du circuit est supérieure au seuil de commutation, la sortie du capteur est activée, comme le montre la figure 5.

Fonctionnement du capteur à effet Hall

Figure 5 : Fonctionnement du capteur à effet Hall : passage du courant (1), champ magnétique (2), tension = 0 (3 & 4)

Contrairement aux capteurs à lames, les capteurs à effet Hall ne comportent pas de composants mobiles et leur encombrement est moindre. La conception à semi-conducteurs augmente la durée de vie du capteur grâce à son fonctionnement sans usure et le rend résistant aux chocs et aux vibrations. Comme il n'est pas nécessaire de surmonter l'inertie des composants mécaniques, les capteurs à effet Hall conviennent également aux applications à temps critique qui nécessitent une commutation rapide. Comme pour les capteurs à commutateur reed, l'orientation de l'aimant est importante pour un bon fonctionnement. De plus, les capteurs à effet Hall ont une faible sensibilité. Selon le diamètre et l'épaisseur du corps du cylindre, la sortie de commutation peut ne pas s'activer correctement. Comme pour les interrupteurs à lames, les doubles points de commutation sont également possibles en raison de la faible sensibilité des capteurs.

Capteur magnétorésistif anisotrope

Un capteur magnétorésistif anisotrope (AMR) est un capteur de proximité magnétique à l'état solide qui est activé lorsqu'un champ magnétique radial ou axial lui est appliqué. Un circuit AMR se compose d'un circuit en pont de Wheatstone (figure 6) pour mesurer la résistance. La résistance d'un capteur AMR diminue avec l'intensité du champ magnétique, ce qui entraîne un gradient de tension plus important dans le circuit AMR. Lorsque la tension aux bornes du circuit est supérieure au seuil de commutation (figure 6 numéro 3), la sortie du capteur est activée (figure 6 numéro 4).

Fonctionnement du capteur AMR

Figure 6 : Fonctionnement du capteur AMR : champ magnétique (1), champ magnétique appliqué (2), tension de polarisation (3), et tension = 0 (4)

Comme les capteurs à effet Hall, les capteurs AMR agissent rapidement, ne s'usent pas et sont résistants aux chocs et aux vibrations. L'avantage des capteurs AMR est qu'ils sont moins sensibles que les capteurs à effet Hall et qu'ils réagissent bien aux variations de l'intensité du champ magnétique. Cela permet d'améliorer la détection du piston sur de plus grandes distances grâce à sa capacité à détecter les champs magnétiques plus faibles. La possibilité d'un double point de commutation est éliminée en raison de la sensibilité plus élevée. De plus, les capteurs détecteront les aimants magnétisés axialement et radialement. Les capteurs AMR sont plus compacts que les capteurs à commutateur reed et leur coût est compétitif. Un inconvénient des capteurs AMR est qu'ils consomment généralement du courant en continu. Pour les applications nécessitant une faible consommation d'énergie, un capteur à commutateur Reed peut être un choix plus approprié.

Capteur magnétorésistif géant

Un capteur magnétorésistif géant (GMR) est un capteur de proximité magnétique à l'état solide qui s'allume lorsqu'un champ magnétique radial ou axial lui est appliqué. Un capteur GMR est composé de différentes couches de conducteurs magnétiques et non magnétiques alternés, comme le montre la figure 7, numéros 2 et 3. Comme dans le cas d'un capteur AMR, lorsqu'un champ magnétique est appliqué au capteur, les propriétés de résistance du circuit changent, créant un gradient de tension plus élevé dans le circuit à mesure que le champ magnétique augmente. Par exemple, en présence d'un champ magnétique (figure 7 numéro 1), la résistance du circuit diminue, ce qui permet au courant de circuler (figure 7 numéro 4) et à la tension aux bornes du circuit d'augmenter. Lorsque la tension aux bornes du circuit est supérieure au seuil de commutation, la sortie du capteur est activée.

Fonctionnement du capteur GMR

Figure 7 : Fonctionnement du capteur GMR : champ magnétique externe appliqué (1), couche ferromagnétique (2), couche conductrice non magnétique (3), faible résistance avec champ magnétique appliqué (4), et résistance élevée sans champ magnétique externe (5)

Les capteurs GMR offrent des avantages similaires aux capteurs AMR, mais ils sont encore plus sensibles à la présence d'un champ magnétique. La haute sensibilité permet également d'obtenir un capteur très compact, qui convient aux cylindres plus petits et plus courts. Bien que la haute sensibilité soit un avantage pour les applications qui nécessitent un retour d'information immédiat du capteur, elle peut provoquer une signalisation de sortie non intentionnelle si elle est perturbée par les champs magnétiques environnants. Par exemple, les environnements où se trouve une forte puissance à proximité (moteurs à courant alternatif ou courant alternatif entrant) peuvent perturber le signal du capteur et provoquer des erreurs involontaires.

Comment choisir entre les capteurs ?

Pour la majorité des applications, on choisit généralement un capteur reed. Il s'agit d'une technologie éprouvée, dont le cycle de vie et la résistance aux vibrations sont suffisamment longs pour répondre aux applications courantes. Toutefois, d'autres critères sont à prendre en compte pour les demandes spéciales :

  • Environnement : Le cylindre sera-t-il exposé à de grandes quantités de vibrations ou de chocs ? Si c'est le cas, un capteur à semi-conducteurs fonctionnera de manière fiable sans bruit de sortie. Les capteurs à semi-conducteurs courants sont les capteurs à effet Hall, AMR et GMR. En outre, le capteur sera-t-il utilisé dans un environnement propre fermé ou nécessitera-t-il un boîtier de haute protection, tel que l'indice IP67 ? Les considérations relatives à la température doivent également être prises en compte.
  • Vitesse de commutation : Quelle est l'importance de la vitesse de commutation de sortie pour votre application ? Les capteurs à semi-conducteurs offrent un temps de commutation plus rapide. Les capteurs à semi-conducteurs courants sont les capteurs à effet Hall, AMR et GMR.
  • Type de sortie : Quel type de signal de sortie est requis pour le système de contrôle ? Des signaux de sortie PNP et NPN sont disponibles pour les dispositifs à semi-conducteurs.
    • PNP : Une sortie PNP fournit un chemin pour fournir une alimentation positive à la sortie. C'est aussi ce que l'on appelle communément le "sourcing des capteurs". La PNP est considérée comme plus courante en Amérique du Nord et en Europe.
    • NPN : Une sortie NPN fournit un chemin d'alimentation vers la masse. C'est ce que l'on appelle communément un "capteur qui coule". Le NPN est considéré comme plus populaire en Asie.
  • Caractéristiques du signal de commutation : Quelles sont les exigences en matière de puissance de commutation et de courant du système de contrôle ? Le capteur sélectionné doit être compatible pour un bon fonctionnement.
  • Montage : Quelles sont les options de montage disponibles pour chaque type de vérin ? Selon que vous avez un cylindre profilé avec des rainures ou des tirants ou que vous avez un cylindre rond, les types de montage changent.
  • Orientation de l'aimant : Les interrupteurs Reed et les capteurs à effet Hall nécessitent une orientation correcte du champ magnétique appliqué pour fonctionner correctement. Par conséquent, le capteur doit être monté dans la bonne orientation par rapport au piston.
  • Protection du circuit : Si nécessaire, les capteurs peuvent intégrer des protections de circuit, comme les courts-circuits, l'inversion de polarité et la protection contre les surtensions.
  • Câblage : Le câblage de l'alimentation électrique du capteur diffère selon qu'il s'agit d'un capteur à semi-conducteurs (c'est-à-dire AMR, GMR, effet Hall) ou d'un capteur Reed. Une LED indiquant un câblage correct est souvent disponible pour chaque capteur. Par exemple, si la polarité de l'alimentation d'un interrupteur à lames est inversée, la DEL du capteur ne s'allumera pas. Les capteurs à commutateur Reed ont généralement une configuration à 2 fils alors que les capteurs à semi-conducteurs ont 3 fils. En plus d'un fil positif et négatif, un troisième fil sera utilisé pour la connexion à la charge. Le câblage correct du fil de charge doit toujours être vérifié avant d'appliquer l'alimentation car un mauvais câblage peut endommager le capteur de façon permanente.

Comparaison des capteurs de vérins pneumatiques

Interrupteur à anche Effet Hall AMR GMR
Taille Large Petit Moyen Petit
Construction Mécanique État solide État solide État solide
Force magnétique requise Moyen Haut Faible Faible
Sensibilité Moyen Faible Haut Haut
Stabilité de la température Moyen Faible Moyen Haut
Consommation d'énergie Zero Faible Haut Faible
Immunité au bruit Haut Faible Haut Haut
Vitesse de commutation Faible Haut Haut Haut
Robustesse mécanique Faible Moyen Haut Haut
Robustesse électrique Faible Faible Haut Haut
Aiguillage double Oui Possible NON NON

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