Czujniki zbliżeniowe ? zastosowanie oraz kryteria doboru

Ostatnio obserwowany trend w budowie czujników zbliżeniowych (indukcyjnych, fotoelektrycznych oraz laserowych) coraz bardziej zachęca do wprowadzania ich w układach automatyki. Ułatwione wkomponowanie w istniejący system, niższe koszty, większa żywotność i mniej utrudnień w obsłudze stanowią dla użytkownika istotne, zachęcające cechy.
Właściwie dobrany do określonego celu czujnik daje oszczędności. Jest wygodny w użyciu dzięki łatwej instalacji i konfiguracji, poprawnemu działaniu i większej żywotności.  Te cechy eliminują stres użytkownika. Osiągnięty ostatnio postęp w budowie czujników indukcyjnych, fotoelektrycznych oraz laserowych nie tylko poszerza obszar wyboru, lecz także ułatwia podjęcie decyzji.
W dobie globalnego produkcyjnego i ekonomicznego spowolnienia producenci czujników nieustannie kontynuowali działania innowacyjne, postępując według pozytywnych przewidywań dla kształtowania się ekonomiki. Zgodnie z sugestiami firmy konsultingowej ARC Advisory Group, sprzedawcy czujników zbliżeniowych oczekiwali silnej poprawy koniunktury w 2010 r.
Przykładowo firma ta w roku 2012 przewiduje sprzedaż czujników na poziomie wyższym od notowanego w roku 2008.
W strategii postępowania producentów czujników główne kierunki to: markowe rodzaje wyrobów, silniejsza współpraca oraz modułowość konstrukcji z jednoczesnym zastosowaniem metod działania obniżających koszty produkcji. Jest to opinia Floriana Güldnera, specjalisty analityka oraz głównego autora wydawanego przez ARC przeglądu pod tytułem ?Proximity Sensors Worldwide Outlook?. Modułowa konstrukcja połączona ze standardowym zestawem elementów, w tym też przyłączy czujników, tworzy według F. Güldnera gamę uniwersalnych podzespołów wielorakiego zastosowania, które mogą być wytwarzane w dużych seriach. Ich uniwersalność pozwala na wykorzystanie ich w licznych,  rozbudowanych rodzinach wyrobów. Taka sytuacja pozwala dostawcom na kupowanie modułów składowych produkowanych przez kolejne grupy wytwórców i utrzymywanie stabilności kosztów dla finalnego odbiorcy podczas innowacyjnego modernizowania jego układów sterowania i automatyzacji.
Decyzja wyboru rodzaju czujnika (indukcyjnego, fotoelektrycznego lub laserowego) wymaga wiedzy o możliwościach tych czujników oraz o potrzebach i wymaganiach dotyczących miejsca ich zastosowania. Marcel Ulrich, specjalista z firmy Pepperl i Fuchs, wyjaśnia zalety i wady każdego z wymienionych rodzajów czujników.
Czujniki indukcyjne wykrywają zmiany w generowanym przez siebie polu magnetycznym. Z tego wynika, że wykrywanym przedmiotem, który spowodował zmianę, musi być ferromagnetyk. Zakres wykrywania jest stosunkowo mały i zależnie od wielkości czujnika zazwyczaj sięga od kilku milimetrów do kilku centymetrów. M. Ulrich przyznaje, że czujniki indukcyjne są tanie i trwałe, szczególnie w porównaniu z fotoelektrycznymi. Ponadto nie tracą zdolności wyczuwania w przypadkach zakłóceń w rodzaju mechanicznych uderzeń, obecności cieczy, kurzu i zanieczyszczeń w obszarze pola magnetycznego. Wytwarzane są w różnych kształtach, od sześcianu lub walca do płytki, a nawet płaskiego elastycznego ?naleśnika?.
Czujniki fotoelektryczne, jak to wynika z ich nazwy, wysyłają promień świetlny i dostrzegają odbicie tego promienia od wykrywanego przedmiotu. W związku z tym przedmiot ten może być wykonany praktycznie z dowolnego materiału. Do tego wykrywane mogą być obiekty w odległości od setnych części milimetra w przypadku światłowodu do kilkuset metrów, w zależności od mocy źródła światła. Niestety, funkcjonowanie tych czujników może być mocno ograniczane przez ciecze, osady, dym czy kurz, a także w rezultacie mechanicznych uderzeń. Na skuteczność wyczuwania ma także wpływ kolor wykrywanego przedmiotu. Ostatnio pojawiły się bardzo liczne wykonania specjalizowane:

  • dla podczerwieni,
  • dla czerwieni z widzialnego pasma światła,
  • z wiązką skupioną,
  • z rozróżnieniem tła,
  • z wykorzystaniem światłowodu.

Mają one dokładność działania czujników laserowych przy znacznie niższym koszcie.
Czujniki laserowe. Te czujniki bazują na pomiarze czasu przebiegu promienia, zapewniają wysoką dokładność wykrywania przedmiotu nawet przy dużych odległościach. Chociaż na przestrzeni ostatnich kilku lat cena tych przyrządów mocno się obniżyła, w dalszym ciągu ta metoda jest najkosztowniejsza z trzech tutaj opisywanych. Zdaniem Marcela Ulricha poza wysokimi kosztami innymi niedociągnięciami czujników laserowych są: niska żywotność, niestabilność temperaturowa oraz zagrożenie dla wzroku obsługującego personelu. Firma Pepperl & Fuchs wytwarza czujniki z laserem na podczerwień mającym pierwszą klasę bezpieczeństwa dla oczu pracowników oraz z drugim tak zwanym laserem wyrównującym dla widzialnej czerwieni, mającym drugą klasę takiego bezpieczeństwa.
Pomoc przy wyborze
Skuteczna pomoc w wybieraniu rodzaju czujnika polega na dostarczeniu takich informacji, które pozwolą wybrać rozwiązanie najbardziej odpowiadające potrzebom w miejscu jego zastosowania. W tym celu wytwórcy czujników oferują użytkownikom bogatą w informacje specjalistyczną literaturę. Eric Simmons, przedstawiciel firmy Sick, producenta czujników zbliżeniowych, mówi, że specjaliści z ich firmy zadają użytkownikom szczegółowe pytania o cechy wykrywanego przedmiotu, warunkiotoczenia, miejsce i sposób montażu oraz inne. W oparciu o uzyskane odpowiedzi na te pytania mogą zaproponować wstępne rozwiązanie lub poprosić o docelową próbkę przedmiotu i rysunki prezentujące konkretne zastosowanie. Po otrzymaniu próbki i szczegółowych informacji na postawione pytania, specjaliści od rozwiązań będą w stanie odtworzyć warunki pracy w firmie Sick i poprawnie dobrać rodzaj czujnika. Przy tym firma Sick, podobnie jak inni producenci czujników, wydaje również przewodniki i instrukcje dotyczące doboru rozwiązania.
Powołane przez firmę Schneider Electric (w 2005 r.) Centrum Kompetencyjne Czujników (SCC ? Sensor Competency Center) łączy w swoim zakresie działania dane dotyczące techniki oraz ekspertów z firm Hyde Park i Telemechanique. SCC mówi, że w ten sposób zgromadzono w jednym miejscu cały zasób wiedzy i umiejętności związanych z zagadnieniem czujników, służący wszystkim nabywcom. Strona internetowa SCC, pośród innych rodzajów wsparcia i usług, udostępnia katalogi wyrobów, wykazy producentów i dystrybutorów,  odsyłacze do innych producentów czujników, procedury doboru, literaturę, biuletyny oraz przeglądy, w tym także wideo. Oferowane przez SCC narzędzia ułatwiające dokonanie doboru czujników przez Internet pozwalają przeszukiwać zgromadzone zasoby obejmujące dane czujników ultradźwiękowych, fotoelektrycznych, indukcyjnych i pojemnościowych oraz ich oznaczenia serii, typu itp. Jest to bardzo przydatne w przypadku nieczytelnego oznaczenia lub niedostępności dokumentacji. Wyróżnione, najbardziej popularne wykonania pozwalają na dokonanie porównań między nimi a pozostałymi, w tym też nowymi modelami.
Czujniki indukcyjne
Techniczną przewagą czujników indukcyjnych jest łatwość w instalowaniu oraz podwyższona trwałość. Taką opinię wyraża Cory Nichols, specjalista z firmy Eaton Corporation. Ostatnio wprowadzone ulepszenia czujników cylindrycznych i elastycznych płaskich produkowanych przez firmę Eaton dotyczą:

  • osadzonej inteligencji: umieszczony w czujniku mikroprocesor z odpowiednim oprogramowaniem umożliwia realizację funkcji logicznych, pozwala na dopasowanie zakresu i czułości wykrywania, rozszerza obszar zastosowania łącznie z problematyką elektrycznych zakłóceń;
  • samokonfigurowania: niektóre czujniki są w stanie wykryć ustawienie swojego wyjścia: do współpracy ze zwiernym lub rozwiernym zestykiem oraz dokonać jego zmiany na pożądane dla jednoznacznego odbioru;
  • wzmocnionej budowy: czujnik jest wyposażony we wkładkę absorbującą wibracje i udary, zwiększa to trwałość i odporność na uciążliwe otoczenie. Może też być dostosowany do pracy w podwyższonej temperaturze otoczenia, na przykład zastosowany w pojazdach, maszynach pakujących, narzędziach obróbczych lub zautomatyzowanych liniach technologicznych;
  • elastyczności zastosowań: działanie zwierne (normalnie otwarty) lub rozwierne (normalnie zwarty).

C. Nichols wyjaśnia, że funkcja samokonfigurowania oraz dopasowania tworzą nową płaszczyznę konkurencji. Ułatwiają życie zarówno użytkownikom, jak też producentom i dostawcom. Wyroby z takimi cechami pozwalają na zakup jednego rodzaju czujnika z dwiema funkcjami zamiast dwóch o pojedynczych funkcjach, tak samo jak utrzymywanie w zapasie jednego zamiast dwóch.
Karen Keller, specjalistka z firmy Turck, uważa, że nowa budowa czujnika indukcyjnego może też poprawić zgodność elektromagnetyczną (EMC) i uniknąć elektromagnetycznej interferencji (EMI). Przy współczynniku interferencji o wartości 1 funkcje czujnika są stabilne niezależnie od uzwojeń nadajnika i odbiornika sygnału. To oznacza, że wykrywany przedmiot przy zmianie odległości jednakowo oddziałuje na proces wykrywania bez względu na to, czy jest ferromagnetykiem, czy też nie. ? Wyeliminowanie ferromagnetycznego rdzenia ? mówi K. Keller ? sprawia, że czujniki ze współczynnikiem EMI równym 1 pracują poprawnie również przy wysokiej częstotliwości przełączania oraz są odporne na oddziaływanie elektrycznych urządzeń w rodzaju: spawarek, pieców, dźwigów czy wind, generujących silne pola magnetyczne. Czujniki indukcyjne firmy Turck z rodziny ?Uprox+? zawierające zespół Q10S należą właśnie do takich przodujących przyrządów ze współczynnikiem 1 dla odporności na interferencyjne oddziaływanie.
Inteligentny czujnik fotoelektryczny
Osadzona w fotoelektrycznym czujniku mikroprocesorowa logika pomoże wygrać w pogoni za skutecznym wykrywaniem celu w warunkach zewnętrznego oświetlenia obszaru dozorowania czujnika. ? Fotoelektryczny czujnik model W 12-3 produkcji firmy Sick ? relacjonuje Eric Simmons ? jest wyposażony w specjalizowany obwód drukowany trzeciej generacji o symbolu OES3. Ma to na celu rozwiązanie problemu czterech kluczowych wyzwań dotyczących wytłumienia oddziaływań pochodzących z pierwszego planu oraz z tła.
Czarno-białe przesunięcie (zmiana jasności obiektu). Czarny obiekt pochłania światło, biały go rozprasza. W przypadku gdy zachodzi zmiana jasności lub barwy obiektu (wynikająca z jego własnych cech lub w rezultacie zmiany współczynnika rozpraszania), czujnik może błędnie zinterpretować ten fakt i dokonać zmiany swojego wyjścia (np. rozwarcia styków), a następnie przywrócenia poprzedniego stanu. Aby nie zaszła taka pomyłka, konieczne jest wsparcie czujnika odpowiednio oprogramowanym mikroprocesorem.
Błądzące odbicia z obszaru poza zakresem pola działania czujnika mogą docierać do czujnika i zniekształcać otrzymywany sygnał odbicia od obiektu. Może to być spowodowane przez:

  • osobę przechodzącą obok strefy wyczuwania w odblaskowej kamizelce,
  • przez okienko odbiornika ustawione poza zasięg wyczuwania,
  • przez lśniący przedmiot poruszający się poza ustawionym punktem wyczuwania,
  • przez podobne do opisanych zmiany w środowisku pracy.

Migotanie o wysokiej częstotliwości. Nowe fluorescencyjne źródła światła są energetycznie oszczędne, lecz ich światło impulsowe o wysokiej częstotliwości może wywoływać niezrozumiałe dla czujnika ?migotanie?. Odbierany obraz można także ustabilizować przy pomocy osadzonej w czujniku logiki.
Inne źródła światła. Nieporozumienie w wykrywaniu przedmiotu następuje, gdy dwa czujniki ustawione są jeden naprzeciw drugiego. Czujniki są modulowane na unikatową częstotliwość, ale może się zdarzyć przypadek, gdy są w tej samej fazie lub bardzo blisko niej. W takim przypadku może dochodzić do mylnego odczytu odległości wyczuwanego przedmiotu.
Wykrywanie jasnego przedmiotu
W celu poprawnego wyczuwania przez fotoelektryczne czujniki przedmiotu jasnego, a przez to silnie odbijającego światło, musi być spełnionych pięć podstawowych warunków. Dennis Smith, inżynier specjalista z firmy Banner Engineering wypowiada następującą tezę: ?W wielu praktycznych sytuacjach poprawne wykrycie jasnego przedmiotu jest trudnym wyzwaniem. Jako przykład daje produkowany przez firmę Banner Engineering specjalny czujnik QS30 do wykrywania jasnych obiektów, potrafiący strumień światła odbity od jasnego przedmiotu i docierający do obiektywu czujnika uchronić od ubocznych promieni pochodzących z innych źródeł. Osiąga to za pomocą umieszczonego w nim mikroprocesorowego regulatora o wysokiej czułości, zdolnego do wychwytywania małych zmian w intensywności świecenia w świetle docierającym do obiektywu czujnika.
Innym przykładem jest nowy czujnik Visi-Sight, wyrób firmy Allen Bradley (z grupy Rockwell Automation). Czujnik ogólnego przeznaczenia jest umieszczony w szczelnej, zwartej, gładkiej (bez zagłębień i otworów) obudowie zmniejszającej prawdopodobieństwo osadzania się pyłów i kurzu oraz łatwej do czyszczenia.
Są także rozwiązania dla różnorakich rodzajów wykrywanych przedmiotów oraz różnych zastosowań:

  • dające regulowaną czułość modele rozpraszające z zasięgiem do 800 mm,
  • spolaryzowane modele retro z zasięgiem do 3,5 m z regulowaną lub ustaloną czułością,
  • modele z ukierunkowaną wiązką o zasięgu do 10 m,
  • odporne na zakłócenia modele z diodą dla podczerwieni.

Czerwone światło pomaga przy ustawianiu i eksploatacji czujnika, wskaźnik stabilności migowym światłem sygnalizuje zbytnie zbliżenie się do granicy wykrywania. Dostosowanie parametrów technicznych do wymagań patentu ASIC zapewnia liniową zmianę czułości oraz odporność na zakłócenia o charakterze szumu.
Artykuł pod redakcją  Józefa Czarnula