Датчики положения для промышленного оборудования

27 января 2025

Датчики положения – один из основных продуктов ООО «ИДМ-ПЛЮС». Потребность в них на российском рынке чрезвычайно высока. Как развивается линейка датчиков положения, какие в ней появляются новинки и кто является главным заказчиком этой продукции, рассказано в статье.

От микросхем к готовым изделиям

Компания «ИДМ-ПЛЮС» начала разработку и производство энкодеров с магнитных энкодеров торцевого ти­па серии ИДМ, которые разрабатывались как замена ли­бо широко используемых резистивных датчиков ти­па СП4‑8, СП5‑21 (соответственно ИДМ20, ИДМ30), ли­бо импортных приборов. Так, модель ИДМ2015 заменила изделие ENC1J-777419 Bourns, а ИДМ58 – датчик ECN 1313 Heidenhain. Постепенно компания «ИДМ-ПЛЮС» повысила свои компетенции в сфере магнитных датчиков и стала развивать альтернативные технологии – индуктивные, оптические, БИМС, а также вести сложные ­НИОКР по разработке нестандартных датчиков для важных российских проектов.

Сегодня основная стратегия компании включает три направления:
• Разработка специализированных сложных решений под конкретные требования заказчика;
• Разработка функциональных аналогов ушедших с рынка импортных датчиков;
• Разработка собственных продуктовых решений.

Причем во втором пункте речь идет не о полном копировании зарубежных изделий, а о создании функциональных и конструктивных (в части соответствия габаритно-присоединительных размеров) аналогов, но с использованием собственных технических решений. В текущих условиях это очень перспективное направление деятельности, так как в России использовалась широкая номенклатура датчиков положения, для которых отсутствует замена среди российского и китайского оборудования.

Продуктовая стратегия состоит в разработке решений для наиболее значимых отраслей отечественной промышленности, например, нефтегазового сектора, где требуются датчики не общепромышленного класса, а прецизионные, взрывозащищенные, стойкие к воздействию внешних факторов, с расширенным температурным диапазоном.

Срок разработки и производства датчика зависит от новизны и сложности технического решения. Если датчик имеет схожие характеристики с более ранними модификациями, только, например, он другого габаритного размера, с другим валом, интерфейсом, то изготовление первых образцов занимает порядка 2–4 месяцев. Если более сложная система, то срок реализации может быть увеличен до го­да. Нестандартные датчики «ИДМ-ПЛЮС» разрабатывает в тесном взаимодействии с заказчиком. Например, сейчас создается вариант разъемного исполнения датчика, который состоит из двух частей, соединяемых на ва­лу объекта (в некоторых случаях его проще монтировать).

Энкодеры «ИДМ-ПЛЮС» сегодня

«ИДМ-ПЛЮС» выпускает несколько серий энкодеров, которые различаются как по используемым технологиям определения положения, так и по габаритным размерам. Диапазон габаритных размеров весьма широк. Например, миниатюрные магнитные датчики серий ИДМ20, ИДМ20.2, ИДМ2015, ВМДП имеют порядка 20 мм в диаметре и предназначены для установки в миниатюрные приводы и пульты управления оборудованием (авиация, беспилотники и другое оборудование, где важна компактность). Наряду с этим компания выпускает датчики, предназначенные для установки на крупногабаритных поворотных механизмах, диаметр которых достигает 1800 мм. В таких габаритах выпускаются датчики серии БИМС – безредукторные измерительные масштабируемые системы.

Основные линейки датчиков ИДМ-ПЛЮС:
• Магнитные серии ИДМ;
• Индуктивные серии ИДП;
• Оптические серий ОДП и ВОДП;
• БИМС;
• Датчики спецназначения, включая взрывобезопасные;
• Датчики перемещения (скорости) на магнитном принципе.

Магнитные датчики построены на принципе определения положения ротора по изменению магнитного по­ля закрепленного на роторе магнита (однополюсного или многополюсного). Изменение магнитного по­ля при изменении углового положения фиксируется сенсорной системой на основе элементов Холла и обрабатывается специализированным преобразователем «угол – код», преобразующим аналоговые сигналы в цифровой код положения. Магнитный принцип позволяет создавать датчики положения с разрешением до 14 бит для однополюсных систем и до 18 бит для многополюсных. Дальнейшее увеличение разрешения ограничивается точностью изготовления магнитов. В линейке «ИДМ-ПЛЮС» магнитные датчики представлены сериями ИДМ и ВМДП. Кроме то­го, на магнитном принципе построены датчики перемещения и скорости, а также БИМС.

Наименьшие по габаритным размерам из магнитных датчиков положения – уже упомянутые ИДМ20, ИДМ20.2 и ВМДП. Датчики ИДМ30 (а также 45, 50, 58) являются приборами широкого применения, для самых разных условий эксплуатации. Например, в рамках одного из проектов «ИДМ-ПЛЮС» поставила датчики ИДМ45 на речной катер в рулевое управление.

Индуктивные датчики построены на основе поглощения электромагнитного по­ля в металлической мишени благодаря токам Фуко и, соответственно, на уменьшении коэффициента передачи с передающей обмотки на приемные. Такие датчики еще называют вихревыми. В отличие от широко применяемых СКВТ (синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы) вихревые индуктивные датчики выполнены печатным способом, а потому не требуют сложных намоточных систем и имеют малые габариты по высоте. Са­ма технология позволяет создавать датчики под разные диаметры: от 40 до 500 мм и больше. В линейке «ИДМ-ПЛЮС» представлена серия индуктивных датчиков ИДП с разрешением от 13 до 20 бит.

Например, ИДП‑510 (Рисунок 1) – самый габаритный датчик, построенный на индуктивном принципе. Он имеет внешний диаметр 510 мм и внутренний – 400 мм при высоте менее 50 мм. Это уникальный по размерам прибор. Для сравнения: в линейке ведущего зарубежного производителя индуктивных датчиков Celera Motion максимальный внешний диаметр датчика 300 мм. Датчик ИДП‑510 предназначен для работы в составе поворотной системы с вентильным двигателем и обеспечивает превосходные характеристики по точности и надежности.

Рисунок 1. Индуктивный энкодер ИДП‑510

Оптические датчики. Наиболее прецизионная на сегодняшний день технология – оптическая, которая обеспечивает лучшие показатели разрешения и точности определения положения. В линейке «ИДМ-ПЛЮС» представлены три серии оптических датчиков – ОДП, ВОДП и ­ВОДП-ВТ, которые имеют разрешение измерения положения до 23 бит и точность до 10 угловых секунд.

Датчики специального назначения используются в поворотных и измерительных устройствах тяжелой промышленности, в нефтепереработке, химической и пищевой отраслях, где важна защита оболочки энкодера, взрывобезопасность и стойкость к механическим воздействиям. В этой категории представлены датчики с конструкцией, адаптированной под указанные условия.

Новые модели

В 2024 году продуктовый портфель «ИДМ-ПЛЮС» пополнился рядом датчиков для широкого применения в промышленности. Для удобства заказчиков бы­ла введена сегментация по конструкционным и точностным параметрам, а также по сферам применения. В частности, серии ОДП, ВОДП обозначены как датчики общепромышленного назначения, ИДМ, ИДП, ИСС – как датчики для тяжелых условий эксплуатации, ­ИДП16EX, ИДП30EX, ИСС-13-4096-EX – датчики для применения в нефтегазовой и химической промышленности.

В 2024 году в продуктовую линейку ИДМ-ПЛЮС бы­ли добавлены три серии оптических энкодеров (Рисунок 2): ОДП (оптические датчики положения), ВОДП (встраиваемые оптические датчики положения) и ВОДП-ВТ (высокоточные встраиваемые оптические датчики положения), ключевой особенностью которых является сочетание высокого разрешения и компактных размеров. Благодаря использованию оптического принципа и дифференциального интерфейса датчики способны работать в условиях сильных электромагнитных помех, а также могут применяться в станках, поворотных столах и механизмах, промышленной автоматизации и робототехнике.

Рисунок 2. Оптические датчики положения: а – ОДП‑38; б – ВОДП‑60; в – ВОДП-ВТ‑58

В линейку индуктивных датчиков положения серии ИДП бы­ло добавлено более 10 моделей абсолютных датчиков. Эти бесконтактные приборы могут работать в жестких условиях. Датчики обеспечивают измерение абсолютного углового положения ротора с выдачей данных по цифровому последовательному интерфейсу. Особенность датчика – раздельные статор и ротор, что обеспечивает гибкость интеграции в изделия заказчика. Теперь доступны датчики с внешним диаметром от 80 до 510 мм и внутренним от 20 до 450 мм.

Рисунок 3. Взрывозащищенный инкрементальный энкодер ИДП16И‑ЕХ

Для применения в нефтегазовой промышленности разработаны и поставляются датчики взрывозащищенного исполнения. Например, недавно был разработан взрывозащищенный инкрементальный энкодер ­ИДП16И‑ЕХ (Рисунок 3), аналог энкодера Leine&Linde Ex 841. Кроме то­го, компания завершила разработку взрывозащищенного инкрементального энкодера ­ИДП30И‑EX (аналог Baumer-Hubner EExHOG 161 DN 1024 I), малогабаритного взрывобезопасного энкодера ИДМ20.2EX с абсолютным интерфейсом SSI RS‑485 и измерительной системы ИСС‑13-4096‑EX (аналог ASPAH 60 KK-13-FG-4096/4096G-90G-NG/50P).

ИСС-13-4096-EX (Рисунок 4), функциональный аналог Hubner ASSH 60 / ASPAH 60, представляет собой специализированную измерительную систему для нефтеперекачивающего оборудования. Ее особенность – наличие двух независимых измерительных каналов: инкрементального (A/B/Z) и абсолютного параллельного (ли­бо SSI). Разрешение каждого канала – до 13 бит. Присоединительная система обеспечивает надежное соединение в условиях высоких нагрузок, корпус изделия мощный, рассчитан на тяжелые условия эксплуатации. Область применения – транспортировка нефтепродуктов, крановые системы, определение положения прокатных станов, тяжелая промышленность.

Рисунок 4. Специализированная измерительная система ИСС‑13-4096‑EX

Рисунок 5. Инкрементальный индуктивный датчик углового положения ИДП30И‑EX

Энкодер ИДП30И-EX (рис. 5) представляет собой инкрементальный индуктивный датчик углового положения во взрывозащищенном исполнении. Обеспечивает преобразование углового положения ротора в инкрементальный квадратурный сигнал A/B/Z с разрешением до 16 384 импульсов на оборот. Датчик является конструктивным аналогом энкодера Baumer EExHOG 161 с диаметром ва­ла 30 мм. Область применения такого исполнения – химическая и нефтехимическая промышленность, транспортировка нефтепродуктов, энергетика. Датчик предназначен для использования в установках, к которым предъявляются требования взрывобезопасности класса «взрывобезопасная оболочка», категории II 2 G Ex db eb IIC T6 Gb по ATEX и Ex db eb IIC T6 Gb по IECEx.

Также в текущем году компания «ИДМ-ПЛЮС» завершила разработку индуктивных датчиков положения ИДП 100C, ИДП 100К, которые сейчас уже поставляются заказчикам. ИДП 100C и ИДП 100К предназначены для встраивания в малогабаритные приводы с жесткими ограничениями по высоте. Такие приводы бывают в робототехнических комплексах, технике специального назначения и другом подобном оборудовании. Цифра «100» в названии – это внешний диаметр, внутренний диаметр может быть 50 или 60 мм, а глубина (толщина) – всего 15 мм. Энкодеры построены по индуктивному бесконтактному принципу и рассчитаны на работу в тяжелых полевых условиях эксплуатации, где вероятны удары, высокие линейные ускорения и сильная вибрация. Датчики полностью залиты компаундом, монолитные. Их разработке способствовали заказчики, которым на­до бы­ло уменьшить собственное оборудование, в частности, за счет встроенного прибора. Аналогов на российском рынке нет, так что теперь «ИДМ-ПЛЮС» имеет новый уникальный продукт для российских заказчиков. На индуктивные датчики ИДП 100С и 100К разработана вся документация, они запущены в серию.

Планы по расширению линейки в 2025 году

Серия индуктивных взрывозащищенных датчиков, которые компания «ИДМ-ПЛЮС» вывела на рынок, предназначена главным образом для нефтяной промышленности как замена зарубежного оборудования, и предприятие планирует продолжать работать над импортозамещением. Эксплуатанты не могут и не будут модернизировать трубопроводную инфраструктуру или целые заводы под датчик, разработанный по оригинальному проекту, это невозможно. Если датчик вышел из строя, его на­до заменить на такое же изделие. И компания «ИДМ-ПЛЮС» готова предлагать оборудование для решения этой задачи. Также «ИДМ-ПЛЮС» планирует в ближайшие полгода завершить разработку инкрементальных датчиков углового перемещения в конструкции БИМС, предназначенных для установки в шпиндели станков и гребные винты судов.

Если же говорить о принципиально новых разработках, то за один год «ИДМ-ПЛЮС» разрабатывает порядка 30 различных типономиналов. Также важно отметить, что, помимо энкодеров, разрабатываются и серийно выпускаются датчики то­ка с измерительным диапазоном от 1 А до 4 кА и напряжения – с диапазоном от 50 до 4000 В, датчики виброускорения, температуры и другие ти­пы датчиков.

Журнал: ИСУП №5 (113) - 2024