Dostępne na rynku różnego rodzaju czujniki mogą być wykorzystane przez firmy produkcyjne i konstruktorów maszyn, jednak by okazały się pomocne, istotna jest znajomość aplikacji i warunków ich pracy.
Na początku mojej kariery inżynierskiej do naszej fabryki przyjechał inżynier sprzedaży z pewnej firmy produkującej czujniki. Postawił swoją znoszoną już walizkę z próbkami na stole w pokoju konferencyjnym, po czym otworzył ją, eksponując kilkadziesiąt ładnie zapakowanych czujników, i powiedział: ?Przetestujmy teraz państwa część?.
Dokładnie wiedział, o czym mówi. Inżynierowie muszą przetestować czujnik z częścią, która będzie z nim współpracować. Dobranie właściwego czujnika do aplikacji wymaga: zawężenia poszukiwań do krótkiej listy czujników, zamówienia próbek oraz przetestowania czujnika z częścią, elementem wykonawczym czy maszyną w warunkach podobnych do panujących w miejscu, w którym czujnik zostanie zainstalowany.
Podczas identyfikowania tej krótkiej listy czujników, której próbki mamy zamówić, należy się upewnić, że zestaw, oparty na danych technicznych producenta, spełnia podstawowe warunki pracy w danej aplikacji. Oto lista sześciu głównych wymagań dotyczących warunków pracy czujników:
- Zakres temperatury otoczenia
- Wymiary
- Stopień ochrony
- Zakres napięcia zasilającego
- Wyjście cyfrowe lub analogowe
- Odpowiedź na pytanie: czy możliwość zmiany parametrów będzie korzystna? Jeśli tak, to należy wziąć pod uwagę czujnik obsługujący standard IO Link
Poniżej podano sześć dodatkowych wymagań dla przeprowadzenia bardziej szczegółowej, zindywidualizowanej analizy.
- Czas reakcji
- Zakres wykrywania
- Powtarzalność wyników pomiarów
- Podłączenie elektryczne
- Typ montażu
- Odpowiedź na pytanie: czy wymagany jest czujnik z wyświetlaczem
W dalszej części artykułu opisano najbardziej rozpowszechnione typy czujników wykorzystywanych w przemyśle produkcyjnym oraz wskazówki i praktyczne informacje na temat każdego z nich.
Czujniki zbliżeniowe
Czujnik zbliżeniowy wykrywa obecność pobliskich obiektów bez kontaktu fizycznego. Czujniki zbliżeniowe są urządzeniami z wyjściem dyskretnym. Typowo magnetyczny czujnik zbliżeniowy jest wykorzystywany do wykrywania momentu osiągnięcia przez element wykonawczy (siłownik) określonego, specyficznego położenia poprzez wykrycie magnesu zlokalizowanego na tym elemencie (rys. 1).
Nie jest dobrym pomysłem nabywanie elementów wykonawczych od jednej firmy, a magnetycznych czujników zbliżeniowych od innej. Podczas gdy producent czujnika zapewnia, że jego wyrób jest kompatybilny z elementami wykonawczymi X, Y, Z, to rzeczywistość jest taka, że różne wersje magnesów i możliwości ich montażu mogą powodować problemy z ich wykrywaniem. Na przykład czujnik może się aktywować, gdy magnes nie jest w prawidłowym położeniu lub może się nie aktywować wcale. Jeśli producent elementu wykonawczego oferuje dopasowany do niego czujnik zbliżeniowy, to
taki czujnik należy wybrać w pierwszej kolejności.
Tranzystorowe czujniki zbliżeniowe nie mają części ruchomych, a ich czas eksploatacji jest długi. Kontaktronowe czujniki zbliżeniowe wykorzystują styki mechaniczne i mają krótszy czas eksploatacji oraz są tańsze od czujników tranzystorowych. Czujniki kontaktronowe najlepiej sprawdzają się w aplikacjach wysokotemperaturowych oraz takich, w których wymagane jest zasilanie napięciem zmiennym.
Czujniki położenia
Czujniki położenia mają wyjścia analogowe, z których sygnał informuje o położeniu elementu wykonawczego na podstawie położenia magnesu na tym elemencie. Czujniki położenia oferują dużą elastyczność z punktu widzenia sterowania. Inżynier automatyk może określić pewien zakres nastaw w celu dostosowania się do różnych typów komponentów. Ponieważ czujniki położenia, podobnie jak czujniki zbliżeniowe, wykorzystują magnesy, dobrym pomysłem jest nabycie czujnika i elementu wykonawczego od tego samego producenta, jeśli jest taka możliwość. Czujniki położenia mogą być nabywane w wersji obsługującej standard IO-Link, co także może uprościć sterowanie i parametryzację.
Czujniki indukcyjne
Indukcyjne czujniki położenia wykorzystują prawo indukcji Faradaya do sygnalizowania obecności obiektu lub położenia wyjścia analogowego (rys. 2). Najbardziej kluczowym aspektem doboru czujnika indukcyjnego jest określenie typu metalu, który czujnik ten ma wykrywać, ponieważ determinuje to zakres wykrywania. Metale nieferromagnetyczne mogą zmniejszyć zakres wykrywania o ponad 50% w porównaniu z ferromagnetycznymi. Dane techniczne podawane przez producenta czujnika powinny dostarczyć informacji niezbędnych do wyboru próbki.
Czujniki ciśnienia i podciśnienia
Należy się upewnić, że zakres roboczy czujnika ciśnienia lub podciśnienia (próżni) będzie obejmował zakres ciśnień, których pomiar jest wymagany, podany albo w funtach na cal kwadratowy (system imperialny), albo barach (system metryczny). Należy określić wymiary czujnika najbardziej odpowiadające przydzielonej przestrzeni (rys. 3) oraz zdecydować, czy czujniki montowane na maszynie powinny mieć wskaźniki świetlne lub wyświetlacz jako pomoc dla operatorów. Jeśli konieczna jest szybka zmiana nastaw, to należy wziąć pod uwagę czujniki ciśnienia i podciśnienia obsługujące standard IO-Link.
Czujniki przepływu
Podobnie jak czujniki ciśnienia i podciśnienia, czujniki przepływu są specyfikowane na podstawie zakresu wielkości mierzonej, wymiarów i zmienności nastaw, przy czym mogą być zamawiane z opcjonalnym wyświetlaczem. Czujniki przepływu mogą być dobierane do pomiaru stosunkowo małych wartości przepływu dla określonego, wydzielonego obszaru maszyny i dla aplikacji obejmujących całą maszynę.
Czujniki optyczne
Najpopularniejszymi opcjami czujników optycznych są fotoelektryczne, dyfuzyjne, refleksyjne i typu nadajnik-odbiornik. Czujniki laserowe i światłowodowe także kwalifikują się do kategorii czujników optycznych. Czujniki fotoelektryczne są najbardziej rozpowszechnione.
Czujniki fotoelektryczne wykrywają obecność obiektu za pomocą wykrywania odbitego światła lub przerwania strumienia światła pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem (rys. 4). Czujniki te znajdują się wśród najczęściej stosowanych w przemyśle produkcyjnym z powodu swojej niskiej ceny, uniwersalności i niezawodności.
Dyfuzyjne czujniki fotoelektryczne nie wymagają reflektora. Są wykorzystywane do wykrywania obecności pobliskich obiektów, a przy tym są niedrogie.
Czujniki typu nadajnik-odbiornik mają najdłuższy zakres wykrywania. Składają się z dwóch elementów: nadajnika i odbiornika, instalowanych w dwóch punktach. Na przykład czujniki alarmowe w drzwiach garażu to właśnie rozwiązanie typu nadajnik-odbiornik. Gdy strumień światła docierający do odbiornika zostanie przerwany, wskazuje to na obecność jakiegoś obiektu. Jedną z interesujących odmian takiego czujnika jest czujnik szczelinowy, w którym nadajnik i odbiornik znajdują się w jednej obudowie kompaktowej. Czujniki szczelinowe są używane do wykrywania obecności i braku obecności małych części.
Refleksyjne czujniki fotoelektryczne mają czujnik i reflektor ? są używane do wykrywania obecności na średnich dystansach. Pod względem dokładności i kosztów plasują się pomiędzy czujnikami dyfuzyjnymi a typu nadajnik-odbiornik. Z kolei czujniki światłowodowe są wykorzystywane do wykrywania obecności i odległości. Parametry tych czujników uniwersalnych mogą być regulowane tak, aby możliwe było wykrywanie różnych kolorów, rodzajów tła i zakresów odległości.
Czujniki laserowe są używane do wykrywania obecności na dużych dystansach; są najdokładniejsze w aplikacjach pomiaru małych odległości.
Czujniki wizyjne
Czujniki wizyjne mogą być wykorzystywane do odczytu kodów kreskowych, zliczania, weryfikacji kształtu i w innych aplikacjach (rys. 5). Czujniki wizyjne stanowią opłacalną opcję, gdy systemy kamer są zbyt drogie i złożone. Odczyt kodu kreskowego za pomocą czujnika wizyjnego może być wykorzystany do śledzenia indywidualnych komponentów oraz aplikowania procesów zidentyfikowanych dla tych komponentów. W aplikacjach zliczania czujnik może weryfikować na przykład dokładną liczbę cech wykazywanych przez jakąś część.
Czujnik wizyjny może dostarczyć informację, czy została osiągnięta określona krzywa lub inny kształt obrabianego elementu. Ponieważ czujniki te wykorzystują światło, konieczne jest przetestowanie ich w warunkach jak najbardziej zbliżonych do warunków pracy pod względem wpływu światła padającego i odbitego od ścian. W większości aplikacji zaleca się umieszczanie czujnika wizyjnego w obudowie, aby odizolować go od zewnętrznych źródeł światła. Dobrym pomysłem jest uzyskanie pomocy od producenta czujnika przy jego testowaniu. Należy się upewnić, że w specyfikacji podano właściwą magistralę danych (fieldbus).
Konwertery sygnału
Konwerter sygnału zmienia analogowy sygnał wyjściowy z czujnika na sygnały dla cyfrowych punktów przełączania. Inną opcją jest konwersja na dane do przetwarzania, zgodne ze standardem IO-Link.
Sandro Quintero jest menedżerem marketingu produktów z branży elektrycznej i automatyki w firmie Festo.