유도형 근접 센서는 산업 제어 시스템에서 금속의 존재 여부를 감지하는 데 널리 사용됩니다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 센서는 장치 헤드에 위치한 인덕터에 교류(AC) 신호를 인가합니다. 센서 근처에 금속이 있으면 인덕터의 자기 특성을 변화시킵니다. 센서 내부 회로는 이러한 변화를 감지하여 출력을 트리거합니다. 그림 1에 대표적인 근접 센서가 나와 있습니다. 전면의 검은색 헤드 내부에 인덕터가 위치해 있으며, 발진기와 감지 회로는 센서 본체 내부에 있습니다.
이 게시글에서는 OMRON의 E2B-M12LN08-M1-B1과 E2B-M30LN30-M1-B1의 주요 기능을 소개합니다. 이 센서를 사용하여 회로 구성 방식을 탐구하고, 다양한 금속에 대한 센서의 반응을 관찰할 수 있습니다.
그림 1: 3D 프린트된 베이스에 장착된 두 개의 OMRON E2B 근접 센서. 이 실험 구성은 데이터시트에 명시된 센서 간 최소 거리를 준수하지 않았지만, 별다른 문제는 관찰되지 않았습니다.
기술 팁: OMRON의 E2B와 같은 센서는 직선형 및 직각형 M12 커넥터 연결 또는 다양한 길이의 리드선 연결과 같은 여러 다양한 연결 방식을 사용할 수 있습니다. 그림 1에 표시된 장치는 4핀 M12 커넥터를 사용합니다. 적절한 케이블의 구매도 잊지 마십시오. 본 예제에서는 규격서에서 권장하는 XS2F-M12PVC4S2M 케이블을 사용하였습니다.
근접 센서 설명
E2B-M12LN08-M1-B1과 E2B-M30LN30-M1-B1은 OMRON의 E2B 제품군에 속합니다. 규격서에서는 해당 부품을 다음과 같이 설명하고 있습니다:
- E2B: OMRON 제품군 명칭
- M: 원통형, 미터 나사형, 황동 재질
- 12 또는 30: 본체 크기(mm)
- L: 롱 바디
- N: 비실드형
- 08 또는 30: 감지 거리(mm)
- M1: M12 커넥터 사용
- B: PNP
- 1: NO(상시 열림)
OMRON E2B 제품군에는 다양한 물리적 구성을 가진 여러 모델이 있습니다. 작성 시점 기준으로 DigiKey에서는 372개의 E2B 시리즈 모델을 제공하고 있습니다. 근접 센서는 매우 인기 있는 제품군으로, DigiKey의 근접 센서 - 산업용 카테고리에는 14,500개 이상의 품목이 등록되어 있습니다.
전기적 연결
그림 2는 이번 실험에서 사용된 전체 시스템을 보여주며, 모든 부품은 주) Phase Dock의 1007 베이스 에 장착되어 있습니다. 해당 시스템의 배선도는 그림 3에 나와 있습니다.
주) 이 게시글 작성 당시 Phase Dock Inc.는 한국으로 배송하지 않는 마켓플레이스 공급 업체로 한국에서는 해당 제품들을 구입할 수 없습니다.
그림 2의 왼쪽에는 두 개의 OMRON 근접 센서가 있으며, 오른쪽에는 DIN 레일, 터미널 블록, 그리고 센서의 부하 역할을 하는 Phoenix Contact의 릴레이가 있습니다.
그림 2: Phase Dock의 1007 베이스에 장착된 OMRON의 EB2 근접 센서와 Phoenix Contact의 RIFLINE 릴레이 한 쌍.
그림 3: 근접 센서 연결을 나타낸 회로도. 부하 대신 릴레이 코일이 사용됨.
기술 팁: 그림 3에 표시된 OMRON 센서는 PNP 출력 트랜지스터를 사용합니다. '소싱(sourcing)'이라는 용어는 PNP와 동의어로, PNP 트랜지스터가 부하에 전류를 소싱하고 있음을 알 수 있습니다(전자의 흐름이 아닌 일반적인 전류 흐름 관점에서 생각하십시오). 이 PNP(소싱) 및 NPN(싱킹)이라는 용어는 혼동을 일으킬 수 있으므로, 추가 정보는 이 문서를 참고해 주시기 바랍니다.
전류 제한
센서의 PNP 출력 트랜지스터는 최대 200mA의 전류를 공급할 수 있습니다. 이는 릴레이 코일의 18mA보다 훨씬 높은 용량이므로, 충분한 안전 마진을 확보할 수 있습니다.
릴레이의 플라이백 전압(flyback voltage)으로부터 보호하는 것을 항상 잊지 마십시오. 릴레이 코일의 자기장에 저장된 유도성 에너지는 장치가 꺼질 때 전압 스파이크를 유발할 수 있습니다. 이번 예제에서 사용한 Phoenix Contact 릴레이는 인디케이터 라이트, 역극성 보호, 그리고 플라이백 보호 다이오드의 세 가지 기능을 갖춘 플러그인 모듈이 장착되어 있습니다.
OMRON의 EB2 센서는 그림 3에서 볼 수 있듯이 내부적으로 제너 다이오드를 통해 일부 보호 기능을 제공하는 것으로 보입니다. 구체적인 데이터는 없지만, OMRON 센서는 아마도 200mA 릴레이 코일에서 발생하는 역기전력(flyback energy)을 견딜 수 있도록 설계되었을 가능성이 큽니다. 하지만 이 설계를 무리하게 사용하지 않는 것이 좋습니다. 대신, 내장 다이오드가 포함된 릴레이를 사용하는 것이 바람직하며, OMRON 센서의 보호 기능은 보조적인 역할로 생각하는 것이 좋습니다. 참고로, 이 점은 문제 해결과도 관련이 있습니다. 센서 고장이 전적으로 릴레이의 플라이백 다이오드 고장에 따른 증상일 수도 있습니다. 이 문제 해결을 위한 가이드를 참고하여 고장 분석 부분을 검토해 보시기 바랍니다. 원인을 고려하지 않고 센서만 교체하면, 향후 서비스를 받기 위해 한 밤에 전화를 해야 할 수도 있습니다.
센서 동작
각 센서의 동작이 그림 4에 나타나 있습니다. 이 편집된 사진은 센서가 해머 헤드의 존재를 감지하기 시작하는 지점을 보여줍니다. 센서가 활성화되었음을 알 수 있는 이유는 센서의 노란색 LED가 켜져 있기 때문입니다.
이 이미지를 통해 센서의 감지 거리는 센서 헤드의 직경과 대략적으로 동일하다는 경험적 법칙을 도출할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 4의 왼쪽 이미지에서 30mm 직경의 센서는 해머 헤드와 약 30mm 떨어져 있습니다.
그림 5에 있는 규격서의 그래프는 일반적인 센서 응답을 보여줍니다. 그래프에 따르면, 40mm 헤드를 가진 해머는 약 26mm 거리에서 감지할 수 있어야 합니다.
그림 4: 센서가 해머 헤드에 반응하는 모습을 보여주는 편집된 사진. 노란색 동그라미는 센서가 활성화되면 켜지는 센서 LED의 위치를 보여줍니다.
그림 5: E2B 규격서는 철, 황동, 알루미늄과 같은 다양한 물질에 대한 각 센서의 일반적인 감지 거리를 곡선으로 보여줍니다.
다양한 물질에 대한 반응
그림 5에서 볼 수 있듯이, 유도형 근접 센서는 금속의 종류에 따라 다르게 반응합니다. 센서는 철에 가장 민감하게 반응하며, 알루미늄에 대한 감도는 절반 이하로 떨어집니다. 이 관찰 결과는 그림 6에서도 확인할 수 있습니다. 이 예제에서는 폭 50mm의 긴 알루미늄 판을 사용했습니다. 이를 통해 감지 임계값이 약 30mm에서 약 14mm로 감소하는 것을 확인할 수 있습니다.
그림 6: 근접 센서는 알루미늄에 대한 감도가 낮습니다. 이 이미지에서 폭이 50mm인 알루미늄 판에 대한 감지 거리는 약 14mm입니다.
결론
유도형 근접 센서는 산업 제어 시스템에서 널리 사용되는 부품입니다. 본 게시글에서 살펴본 바와 같이, 센서가 소형 릴레이를 직접 구동할 수 있어서 전기적 연결이 비교적 간단합니다. 아마도 가장 큰 과제는 원하는 응용 분야에 적합한 특정 제품을 찾기 위해 부품 번호를 해석하는 것일 것입니다.
이 글의 마지막에 있는 11개의 질문과 4개의 비판적 사고 질문을 풀어서 여러분의 이해를 시험해 보십시오.
이 글이 도움이 되었다면 '좋아요’를 눌러 주세요!
감사합니다,
APDahlen
산업 제어 및 자동화 색인으로 돌아가기.
저자 정보
미합중국 해안경비대(USCG) 소령(LCDR)으로 전역한 Aaron Dahlen은 DigiKey에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있습니다. 27년간의 군 복무 동안 기술자 및 엔지니어로서 쌓아온 그 만의 전자 및 자동화에 대한 지식은 12년간의 교단을 통해 (상호 연계되어) 더욱 향상되었습니다. 미네소타 주립대학, Mankato에서 전기공학 석사(MSEE) 학위를 받은 Dahlen은 ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology, 미국 공학 기술 인증 위원회) 공인 전기공학 과정을 가르치고, EET(Electrical Engineering Technology, 전기공학 기술) 과정의 프로그램 조정관으로 일했으며, 군 전자 기술자에게 부품 수준의 수리에 대해 가르쳤습니다. 미네소타 주 북부의 집으로 돌아와 전자 공학과 자동화에 대한 연구와 교육용 기사 쓰기를 즐기고 있습니다.
주요 경력
공병(military engineering) 경험을 바탕으로, Dahlen은 극한 환경에 적합한 견고하고 신뢰할 수 있는 전자 솔루션에 대해 특유의 통찰력을 제공합니다. 그의 글에는 미합중국 해안경비대에서 쌓은 실용적이고 현장 중심적인 지식이 반영되어 있습니다. 현재까지 150편 이상의 독창적인 게시글을 작성하였으며, 추가로 500건 이상의 포럼 게시글도 제공하였습니다.
Dahlen의 산업 제어 및 자동화 관련 글 모음은 여기에서 확인할 수 있습니다.
질문
다음 질문은 본 게시글의 내용을 보강하는 데 도움이 될 것입니다.
-
유도형 근접 센서가 감지할 수 있는 물질은 무엇인가요?
-
유도형 근접 센서의 작동 원리를 설명하십시오. 최대 점수를 얻으려면, 다양한 금속에 대한 감도를 보여주는 그림 5의 그래프와 연관지어 설명하십시오.
-
PNP와 NPN 출력 구성의 차이점은 무엇인가요? 최대 점수를 얻으려면, '싱킹(sinking)'과 '소싱(sourcing)'이라는 용어를 포함하여 설명하십시오. 힌트: 일반적인 전류 흐름 개념을 활용해 용어를 정의하십시오. xkcd: 567 Urgent Mission도 참고해 보십시오.
-
E2B 센서의 각 연결선의 기능과 색상을 설명하십시오.
-
근접 센서의 측정 가능 거리를 설명하는 경험적 법칙은 무엇인가요?
-
OMRON 규격서와 디지키의 검색 도구를 사용하여 다음 항목을 찾아 가격을 확인하십시오.
A) 전선으로 종단된 비쉴드형 E2B NPN 센서
B) 출력 구성은 PNP이며 M12 커넥터로 종단된 감지 거리가 두 배인 쉴드형 E2B 센서
C) 위 센서에 맞는 직각 M12로 종단된 4선 5m 케이블 조립품 -
그림 5의 데이터를 사용하여, E2B-M30LN30이 직경 20mm인 황동 막대의 원형 끝을 감지할 수 있는 임계값을 추정하십시오.
-
규격서에 따르면, 쉴드형과 비쉴드형 E2B 센서의 성능 차이는 무엇인가요?
-
그림 1의 설명에 병렬로 놓인 센서가 서로 너무 가깝게 붙어 있다고 언급되어 있습니다. 규격서에 따르면, M30 센서 한 쌍 사이의 최소 권장 거리는 얼마인가요?
-
PNP 및 NPN 센서를 래더 로직(ladder logic) 형태로 자세히 설명하십시오. 패널 램프를 부하로 사용하시고, 최대 점수를 얻으려면, 선의 색깔을 포함시키십시오.
-
유도성 킥백(inductive kickback)이란 무엇이며, 반도체 출력을 가진 근접 센서와 어떤 관련이 있나요?
비판적 사고 질문
아래 비판적 사고 질문들은 게시글의 내용을 확장시켜, 주제를 전반적으로 이해하고 관련된 다른 주제와의 연관성으로 발전할 수 있습니다. 답변은 정해져있지 않고, 조사가 필요할 수도 있으며, 서술형으로 작성하는 것이 가장 좋습니다.
-
여러분의 응용 분야에서 근접 센서의 범위를 초과하는 거리 감지가 필요합니다. 대안으로 사용할 수 있는 센서 3가지를 제시하십시오. 각 옵션에 대해 최소 한 가지의 장점과 한 가지의 단점을 설명하십시오.
-
Weidmüller의 1992240000 또는 1992220000과 같은 센서/액추에이터 단자대가 어떻게 제어반 설계를 간소화시킬 수 있나요?
-
PNP와 소싱(sourcing) 같은 용어가 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)의 입력 및 출력에 어떻게 적용될 수 있는지 설명하십시오. 최대 점수를 얻으려면, PLC 출력에서 센서 출력으로 초점을 이동할 때 발생하는 혼동을 설명하십시오.
-
전선 종단에 비해 M12 커넥터의 장단점은 무엇인가요? 최대 점수를 얻으려면, M12 허브를 사용하는 AS-I 또는 MODBUS 인터페이스와 같은 네트워크의 물리 계층에 대해 논평해 주십시오.