Wydajność i jakość działania czujników często zależy od miejsca ich zamocowania w procesie.
Umiejscowienie termopary wewnątrz pieca wydaje się oczywistym sposobem pomiaru temperatury ogrzewanego przedmiotu. Jakkolwiek nie bez znaczenia jest, gdzie w tymże piecu umiejscowimy czujnik temperatury – poza oczywistym faktem konieczności wyboru odpowiedniego typu czujnika.
Czujnik optyczny mierzy grubość płyty materiału, wychodzącego z układu wałków zgniatających. Jeżeli czujnik zostanie zamontowany zbyt daleko od wałków, sterownik będzie miał informacje sprzed zbyt długiego czasu, aby móc skutecznie korygować zmiany grubości uzyskanego materiału. Gdy czujnik zamontowany jest zbyt blisko linii zasilania AC, wtedy szum o częstotliwości 60 Hz może spowodować błędy pomiaru – skutkiem czego powierzchnia płyty materiału będzie pofalowana
Nawet bardzo dokładny rezystancyjny czujnik temperatury (RTD – z ang. resistance temperature detector) umieszczony w rogu pieca będzie w stanie zmierzyć temperaturę w swoim najbliższym otoczeniu. Jeżeli rozkładciepła w piecu nie jest znany (lub jest nierównomierny), wtedy lokalna temperatura może nie być reprezentatywną dla przedmiotu, umiejscowionego w samym środku pieca.
Jest to klasyczny błąd, bardzo często popełniany przez dostawców ogrzewania podczas montażu domowych termostatów. Montaż w pobliżu centralnego klimatyzatora jest być może wygodny z uwagi na okablowanie, jednak jeżeli miejsce to będzie w korytarzu lub w innym miejscu ze „stojącym” powietrzem, wtedy termostat nie będzie w stanie określić średniej temperatury w całym domu. Będzie w stanie ustalać temperaturę zadaną jedynie w swoim najbliższym otoczeniu. Reszta domu może znacznie na tym ucierpieć – będzie tam albo za gorąco, albo za zimno.
Aby uniknąć tego typu pułapek, błędów inżynierowie montujący czujniki oraz inną aparaturę muszą wybierać lokalizację czujników po uprzednim rozważeniu, gdzie (jeżeli w ogóle) wymagane do pomiaru dane są akurat dostępne. Jest to najbardziej sporna kwestia montażu czujników, jednakże jak zobaczymy, możemy spodziewać się jeszcze kilku problemów, które mogą bardzo wpłynąć na funkcjonowanie czujnika. Problemy te to między innymi: szum, odległość od danych, czynniki istotne w przypadku użycia czujników ultradźwiękowych.
Szum pomiarowy
Zbyt duża ilość danych (zbyt)częste próbkowanie również może być problemem, szczególnie gdy:
-
pętle uziemienia,
-
drgania mechaniczne,
-
promieniowanie RFI czy
-
inne czynniki
powodują powstawanie szumu pomiarowego (losowych zmian wartości pomiaru). Szum spowodowany przez RFI jest typowy w procesach, gdzie używane są krótkofalówki, pagery oraz sieci bezprzewodowe; dodatkowo wszędzie tam, gdzie poprzez kontakt elektromechaniczny powstają iskry.
Przykładowo, niektóre rodzaje czujników zbliżeniowych mogą generować fałszywy sygnał dodatni, podczas gdy przełączają się przekaźniki, znajdujące się w ich pobliżu. Prostym rozwiązaniem problemu jest przeniesienie wrażliwych czujników zbliżeniowych od skrzynek przełączników i przekaźników lub odwrotnie – skrzynek od wrażliwych czujników. Jeżeli to jest niemożliwe, wtedy należy zadbać o ekranowanie wybranych urządzeń elektromechanicznych.
W aplikacjach pomiaru przepływu jednym z możliwych źródeł szumu pomiarowego są zawirowania płynu na zakrętach, w złączach czy na zaworach w rurze. Zawirowania takie są szczególnie istotne w przypadku stosowania magnetycznych czujników przepływu.
Stosunkowo prostym rozwiązaniem wydaje się tutaj umieszczenie tego typu czujników w sekcjach, gdzie rury są proste lub należy wymienić aparaturę pomiarową – czujniki – na inną. Alternatywą mogą być tutaj mierniki, które można kalibrować – w celu uwzględnienia w pomiarze przepływów turbulentnych.
Nie należy również ignorować szumu pomiarowego, spowodowanego przez przepływ prądu w linii zasilania AC. Przy częstotliwości 60 Hz prąd zmienny oscyluje na tyle, by jego wpływ na pewne procesy był zauważalny.
Rozważmy przykład procesu ugniatania gorącej stali do założonego kształtu za pomocą dwóch przeciwległych wałków, tak jak to pokazano w przykładzie „Czujnik grubości”. Czujnik grubości materiału ugniatanego analizuje wynik działania dwóch wałków i w sprzężeniu zwrotnym wysyła informację do sterownika, który generuje sygnał mniejszego/ większego nacisku na ugniatany materiał – w celu osiągnięcia pożądanej (zadanej) grubości materiału wyjściowego.
Przy częstotliwości 60 Hz szum nakładający się na sygnał wyjściowy z czujnika grubości przechodzi do sterownika, powodując tym samym oscylacje ciśnienia wałka sterowanego z częstotliwością 60 Hz. Jeżeli płyta materiału wysuwa się z wałków z prędkością około 6 stóp na sekundę, oscylacje rzędu 60 Hz objawią się na jej powierzchni wybrzuszeniami co około 0,1 cala.
Czywada ta jest do zaakceptowania, czy też nie – zależy to od amplitudy pierwotnego sygnału szumu, bezwładności wałków oraz oczywiście od jakości nastrojenia regulatora. W każdym przypadku rozsądnie byłoby umieszczać czujniki grubości tak daleko od źródła zasilania AC, jak to tylko możliwe.
Odległość od danych
Przykład czujnika grubości pokazuje również, co może się wydarzyć, jeżeli czujnik jest umieszczony zbyt daleko od źródła danych. W przypadku idealnym czujnik grubości powinien być umieszczony jak najbliżej wałków – w celu minimalizacji czasu pomiędzy zmianą nacisku na wałek sterowany i wynikającą z tego faktu zmianą mierzonej grubości. Inaczej sterownik nie będzie w stanie wykryć wielu z błędów, prowadzących do niekontrolowanej zmiany grubości materiału wyjściowego.
Jednakże w przypadku gdy czujnik grubości zlokalizowany jest zbyt daleko i dane potrzebują jakiegoś czasu na dotarcie do czujnika, sterownik może generować złe decyzje o sterowaniu. Nie widząc żadnych zmian w sygnale podczas ruchu początkowego, sterownik będzie działał bez informacji, która dopiero z pewnym opóźnieniem pojawi się na wyjściu czujnika. Krytyczny w tym przypadku jest zatem rozruch systemu sterowania. W rezultacie może to doprowadzić do oscylacyjnego sterowania, a tym samym do zniszczenia znacznej ilości materiału – produkt końcowy będzie pofałdowany i nie będzie spełniał wymogów procesu.
Przykłady czujników ultradźwiękowych
Odległość ma również istotne znaczenie w przypadku stosowania ultradźwiękowych czujników zbliżeniowych. Pracują one na zasadzie odbijania fali dźwiękowej od wykrywanego obiektu. Czas – potrzebny na osiągnięcie obiektu i powrót do czujnika – określa odległość między nimi, jeżeli tylko prędkość impulsów jest znana, a odległość od obiektu nie jest zbyt duża (zbyt duża odległość sprawia, że sygnał pomiarowy jest zbyt słaby).
Innym problemem jest to, że obiekt może być zbyt mały – wtedy jedynie fragment wysłanej fali odbija się i powraca do czujnika. Im mniejszy jest obiekt, tym bliżej należy umieścić czujnik ultradźwiękowy, który ma wykrywać jego obecność.
Na całe szczęście przepołowienie odległości między czujnikiem a obiektem powoduje poczwórne wzmocnienie fali powrotnej, więc nawet niewielkie zmniejszenie odległości między nimi może znacznie poprawić jakość wykrywania obiektów przez czujniki.
Wyznaczenie prędkości impulsów ultradźwiękowych może być również problemem, jeżeli obiekt wykrywany jest na tyle daleko od czujnika, że na pomiar wpływają nawet zmiany temperatury powietrza. Czujnik może mierzyć temperaturę najbliższych mas powietrza, aby określić, jak szybko fala przechodzi przez to powietrze, jednakże czujniki nie mogą zwykle zauważyć zmian prędkości impulsów ultradźwiękowych, podczas gdy przechodzą one przez masy powietrza o różnych temperaturach. Można jedynie założyć, że powietrze, przez które przechodzi fala, ma stałą temperaturę.
Zatem, jeżeli temperatura powietrza zmienia się wzdłuż drogi impulsu, czujnik może błędnie określić całkowitą odległość, a tym samym błędnie określić położenie obiektu. Podobny problem powstaje w ultradźwiękowych czujnikach poziomu, które są umieszczone zbyt daleko od powierzchni płynu w zbiorniku (patrz rysunek „Gradient temperatury”).
Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe mogą mieć również problemy z wykrywaniem obiektów, które są umieszczone zbyt blisko czujnika. Rozważmy sytuację, zaprezentowaną na rysunku „Wtórne echo”. W przykładzie tym odległość pomiędzy dolnym czujnikiem i dolnym obiektem równa jest połowie odległości pomiędzy obiektem a czujnikiem w górnej części rysunku. Czas, potrzebny na przejście sygnału ultradźwiękowego powinien być dokładnie dwa razy krótszy niż w przypadku odległości większej. Czujnik niższy powinien być w stanie wykazać, że obiekt jest właśnie w połowie odległości.
Jakkolwiek, jeżeli odległość pomiędzy czujnikiem i obiektem jest zbyt mała, wtedy fala dźwiękowa odbija się nawet kilkukrotnie – od obiektu i od czujnika i ponownie. Może to doprowadzić do sytuacji, że wtórne echo, wykrywane przez czujnik sprawi, że wynik pomiaru odległości będzie identyczny jak na rysunku w górnej części. W rezultacie dolny czujnik „zobaczy” dwa obiekty – rzeczywisty i nierzeczywisty („obiekt-duch”), znajdujący się dwa razy dalej aniżeli obiekt prawdziwy.
ce
Artykuł pod redakcją Krzysztofa Pietrusewicza,
Instytut Automatyki Przemysłowej,
Politechnika Szczecińska
Pięć podstawowych pytań, na które należy sobie odpowiedzieć podczas montażu czujników
1. Czy w lokalizacji, w której zamierzamy zamontować czujnik, mamy dostęp do informacji użytecznych z naszego punktu widzenia? (z punktu widzenia aplikacji) – niekompletne wymieszanie substancji w zbiorniku, cienie na skanowanych optycznie obiektach, przeszkody pomiędzy czujnikiem i źródłem danych mogą bardzo zredukować intensywność i dokładność rejestrowanych danych.
2. Czy tam, gdzie chcemy zamocować czujnik, nie pojawia się jakaś dodatkowa,niepożądana informacja? – niepotrzebne źródła sygnałów, jak np. promieniowanie RFI, mogą spowodować nałożenie się szumu do danych pomiarowych, sprawiając, że czujniki staną się bezużyteczne.
3. Czy czujnik jest w stanie odczytać cokolwiek w miejscu lokalizacji? – ekstremalne warunki w niektórych miejscach instalacji, jak na przykład zawirowania, nadmierne drgania lub wysoka temperatura może osłabić bądź całkowicie uniemożliwić pomiar.
4. Czy informacja pochodząca z danego miejsca montażu czujnika jest tą, o którą nam w rzeczywistości chodzi? – złe zamontowanie czujnika może spowodować, że zarejestruje on na przykład dodatkowe echo czy optyczne refleksy. W rezultacie czujnik może zamiast jednego zarejestrować dwa obiekty, podczas gdy tak naprawdę rzeczywisty jest tylko jeden.
5. Czy dane mogą zostać zarejestrowane wystarczająco szybko z miejsca, w którym chcemy umieścić czujnik? – dane, które są pobierane ze zbyt odległych miejsc, mogą doprowadzić do błędów.