Czujniki zbliżeniowe w przemyśle

Wykrywanie obecności przedmiotów, sprawdzanie poziomu cieczy w przezroczystych zbiornikach czy zliczanie puszek przemieszczających się po przenośniku to powszechnie spotykane zadania realizowane przez czujniki dyskretne w zakładach przemysłowych. Jedną z grup czujników dyskretnych stanowią bezdotykowe czujniki zbliżeniowe, wśród których powszechnie stosowane są czujniki pojemnościowe, indukcyjne, fotoelektryczne i ultradźwiękowe. Czujniki wymienionych typów różnią się zasadą działania.

Rys. Czujniki E2S produkcji Omron Electronics, www.omron.com

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe pracują na zasadzie emulacji kondensatora o równoległych okładkach. Powierzchnia czołowa czujnika działa jako jedna z okładek, a powierzchnia wykrywanego obiektu jako druga. Ponieważ pojemność kondensatora zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do odległości między jego okładkami, układ elektroniczny czujnika można tak dostroić, aby generował sygnał o wykryciu obiektu, gdy ten znajdzie się w określonej odległości od czujnika. Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe mogą wykrywać niemal wszystkie obiekty metalowe i niemetalowe, włącznie z materiałami przewodzącymi i dielektrykami.

Indukcyjne czujniki zbliżeniowe wykrywają praktycznie wszystkie metale. W czujnikach tych za pomocą cewki indukcyjnej wytwarzane jest zmienne pole magnetyczne o wysokiej częstotliwości, które generuje zmienny prąd w metalowych obiektach znajdujących się w pobliżu. Odbiornik wykrywa sygnał prądowy i uruchamia przełącznik lub wysyła sygnał do innego elementu w układzie regulacji. Wzmocniona konstrukcja obudowy (często o cylindrycznym kształcie) umożliwia powszechne stosowanie tych czujników w procesach produkcyjnych, szczególnie odkąd wytrzymują wysokie temperatury i ciśnienia, są odporne na wstrząsy i drgania, działanie strumienia wody, a nawet na odpryski spawalnicze.

Fotoelektryczne czujniki zbliżeniowe wykorzystują wiązkę świetlną wysyłaną przez nadajnik do odbiornika reagującego na zmianę natężenia światła. Sygnały takie po wzmocnieniu służą do wykrywania różnych elementów z materiałów niemetalicznych i niektórych metali znajdujących się blisko lub w większej odległości. Dostępne są czujniki wykorzystujące wiązki światła widzialnego lub podczerwieni. Jako nadajniki stosowane są diody LED lub diody laserowe. Światło widzialne ułatwia odpowiednie ustawienie czujnika, natomiast impulsy podczerwieni, modulowane do małej częstotliwości mierzonej w kHz, są preferowane ze względu na dokładność, możliwość wykrywania przy większych odległościach i mały pobór mocy.

Czujniki fotoelektryczne „zauważają” również trudne do wykrycia materiały przezroczyste i muszą uwzględniać charakterystykę odbijania światła przez wykrywany obiekt. Kolejnym utrudnieniem w środowisku przemysłowym jest pył, olej, brud oraz inne środki, które mogą się znależć na powierzchniach śledzonych przedmiotów i któremogą wpływać na dokładność wykrywania obiektów. W najnowszych czujnikach fotoelektrycznych układy sterujące i przetwarzające sygnał radzą sobie z takimi ograniczeniami poprzez dostrajanie czułości, eliminację szumów i zakłóceń w otoczeniu oraz funkcję „samouczenia się” czujnika.

Czujniki fotoelektryczne dzielą się na trzy grupy. W grupie czujników działających na zasadzie rozpraszania światło odbite od śledzonego obiektu musi dotrzeć bezpośrednio do odbiornika, aby uaktywniony został sygnał wykrycia. W trybie refleksyjnym śledzony obiekt przecina wiązkę światła, która zostaje odbita od obiektu, wraca do odbiornika i uaktywnia sygnał wykrycia obiektu. W obu grupach nadajnik i odbiornik są umieszczone w tym samym module. Trzecią grupę stanowią czujniki o działaniu przelotowym, w których wiązka świetlna wysyłana jest bezpośrednio z nadajnika do odbiornika, umieszczonego w oddzielnej współosiowej obudowie. Obiekt śledzony przerywa bieg promieni świetlnych i uaktywnia sygnał wyjściowy z odbiornika.

 

Wykorzystanie fal dźwiękowych

Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe wykrywają obiekty znajdujące się blisko lub w dalszej odległości. Czujniki takie emitują impulsy ultradźwiękowe, zwykle od 40 do 250 kHz, które odbijają się od powierzchni obiektu i wracają do odbiornika. Zwykle ten sam moduł przetwornika realizuje funkcję nadajnika i odbiornika sygnału. Poprzez pomiar czasu potrzebnego na powrót echa do odbiornika oraz znając prędkość dźwięku, układ elektroniczny czujnika oblicza odległość od śledzonego obiektu. Czujniki ultradźwiękowe wykazują również odporność na trudne warunki eksploatacji. Wykrywają podobne materiały co czujniki fotoelektryczne.

Mikroprocesory poszerzają możliwości dyskretnych czujników zbliżeniowych sprawiając, że stają się one coraz mniejsze (patrz fotografia). Są one wytwarzane przez wielu producentów, w różnych odmianach dostosowanych do wymagań użytkownika, np. czujniki z dwuprzewodowym lub trójprzewodowym wejściem (na prąd stały lub przemienny), czujniki z różnymi wyjściami (tranzystorowymi, przekaźnikowymi itp.), o różnych regulowanych zakresach działania i w różnych obudowach.

fbartos@reedbusiness.com