Czujniki Halla w przemyśle

Hallotrony w dużej mierze dublują możliwości tańszych i prostszych w budowie czujników zbliżeniowych innego typu, dlatego w praktyce nie są tak często stosowane jak np. czujniki indukcyjne, optyczne czy pojemnościowe. Używa się ich przede wszystkim tam, gdzie inne sposoby wykrywania obiektów stają się zawodne.

Dotyczy to szczególnie sytuacji, w których możliwe jest powstawanie silnych zabrudzeń, które utrudniają pracę czujników optycznych lub pojemnościowych oraz gdzie zabrudzenia mogą być metaliczne - np. w postaci opiłków metalu, które uniemożliwiają praktyczne działanie czujników indukcyjnych. W takich sytuacjach dopiero wykrywanie pola magnetycznego, którego wytworzenie przez zabrudzenia unoszące się w otoczeniu jest praktycznie nierealne, pozwala na całkiem niezawodne badanie obecności interesującego obiektu.

Rysunek 1. Czujnik Halla wykorzystywany do pomiaru prędkości obrotowej koła zębatego

Rysunek 2. Czujnik Halla wykorzystywany do pomiaru obecności pól magnetycznych poprzez osłony wykonane z nieferromagnetycznych materiałów.

Czujniki Halla działają bardzo szybko - mogą być przełączane nawet kilkadziesiąt tysięcy razy na sekundę, a ze względu na bezdotykowy pomiar, nie zawierają elementów mechanicznych, które ruszałyby się i zużywały. Z tego względu praktycznie nie wymagają serwisowania. Są proste w użyciu i instalacji oraz niemalże całkowicie odporne na jakiekolwiek zabrudzenia. Gwarantują długą i niezawodną pracę.

Obszary zastosowań

Opisane powyżej środowisko, w jakim czujniki Halla stają się praktycznie niezastąpione jest podstawowym obszarem ich zastosowań i w praktyce obejmuje przede wszystkim motoryzację. To właśnie tam trudne warunki, takie jak różnorodne zabrudzenia, a także skrajne temperatury, wilgoć oraz wstrząsy sprawiają, że konieczne jest używanie hallotronów.

Czujniki te stosuje się w systemach ABS, do oceny szybkości obrotu kół lub np. w silnikach do monitorowania pozycji wału korbowego oraz do pomiaru pozycji cylindrów, a także do pomiaru pozycji pedałów, manipulatorów, reflektorów, kąta obrotu kierownicy, a nawet kąta otwarcia przepustnicy. Są chętnie stosowane w kolejnictwie. Bywają też używane do pośredniego pomiaru poziomu - z użyciem np. pływaków wyposażonych e elementy magnetyczne.

Rysunek 3. Czujnik Halla wykorzystywany do pomiaru pozycji tłoka w cylindrze

Fotografia 4. Scalone czujniki Halla firmy Infineon

Czujniki Halla bywają też spotykane w robotyce, choć często używa się ich bezpośrednio w postaci układów scalonych, a nie w zamkniętych obudowach, przystosowanych do trudnych warunków przemysłowych.

Rodzaje budowy czujników Halla

Niewiele firm wytwarza czujniki Halla na potrzeby automatyki, ale mimo to powstaje kilka różnych form tych sensorów. Podstawowa obejmuje czujniki zbliżeniowe, które kształtem przypominają np. klasyczne sensory indukcyjne. Służą one do bezpośredniego pomiaru obecności obiektów magnetycznych lub odległości od nich. W przypadku użycia do pomiaru prędkości obrotowej kół zębatych, możliwe jest nawet monitorowanie kierunku obrotu.

Zupełnie oddzielną grupę produktową, ale wciąż opartą o efekt Halla, stanowią czujniki przeznaczone do pomiaru pozycji tłoków w cylindrach. Mają one kształt długich prostopadłościanów, które po przyłączeniu do cylindra, pozwalają bezkontaktowo monitorować pozycję tłoka przez ścianki. W praktyce czujniki te są konstruowane w taki sposób, by można je było umieszczać w standardowych wycięciach na obudowach różnego rodzaju cylindrów.

Fotografia 5. Płytki drukowane ze scalonymi czujnikami Halla

Fotografia 6. Czujniki Halla firmy Baumer

W końcu produkowane są też sensory magnetyczne do pomiaru kątów obrotu, w sytuacjach gdzie czujnik zastępuje klasyczny enkoder i umieszczany jest w osi obrotu obiektu. Czujniki tego typu pozwalają uzyskać dokładność lepszą niż na poziomie dziesiątych części stopnia oraz milisekundowe czasy odpowiedzi, w zakresie 360 stopni.

Podsumowanie

Dobór czujnika Halla do aplikacji w automatyce zazwyczaj nie nastręcza wielu trudności. O ile zapadnie tylko decyzja o użyciu takiego elementu, należy określić który rodzaj (kształt) sensora będzie potrzebny, a następnie dobrać jego parametry - zasięg detekcji, wymiary i stopień ochronności, który najczęściej wynosi IP67 lub IP68 oraz ew. rodzaj wyjścia (NPN lub PNP), a gdy to możliwe, także zakres temperatur pracy. To wszystko.

Marcin Karbowniczek, EP