Sukces pomiaru wielkości fizycznych zależy od tego, jakie czujniki zostaną użyte do danego zastosowania.
Pomiar dyskretny, zwany pomiarem cyfrowym, jest wszechobecny w automatyce. Stosowany jest od czasu wynalezienia przekaźnikowych systemów logicznych, dużo wcześniej przed rozpowszechnieniem się sterowników programowalnych (PLC), i używany do dzisiaj w celu uproszczenia logiki jednostek PLC. Każdy czujnik dyskretny, cyfrowy, wysyła sygnał zero-jedynkowy, umożliwiając jednostce PLC zignorowanie poziomów analogowego wyzwolenia, martwych stref sygnału, czasu detekcji i innych parametrów utrudniających pomiar.
Sygnał ten może znaczyć „widzę obiekt”, „ciśnienie w maszynie przekracza 5 barów”, „element wykonawczy (aktuator) osiągnął swoją pozycję”, „grzałka osiągnęła daną temperaturę” lub mieć wiele innych znaczeń. Niezawodne działanie maszyny zależy w dużym stopniu od zastosowania we właściwy sposób odpowiednich czujników. Każdy z takich przypadków będzie wymagać użycia innego czujnika.
Popularne typy czujników
Czujniki krańcowe
Wciąż popularne czujniki krańcowe mają zwykle mechaniczny wyłącznik, który jest włączany lub wyłączany przy kontakcie z obiektem. Występują w różnych rozmiarach i kształtach oraz oferują opcje takie jak brak konieczności bezpośredniego kontaktu. Pomimo ich prostoty i dostępności wiele aplikacji wykorzystuje już obecnie bezkontaktowe czujniki, niemające ruchomych części, ze względu na ich uniwersalność i trwałość. W przypadku klasycznych czujników sporą niedogodnością w niektórych aplikacjach bywa to, że wymagają one pewnej formy bezpośredniego kontaktu z obiektem wykrywanym.
Kontaktrony
Kontaktrony, najczęściej stosowane w układach pneumatycznych, są wyposażone w styk – elektryczny wyłącznik włączany i wyłączany za pomocą magnesu. Są one zwykle montowane na siłownikach, w których tłok ma wbudowany magnes. Warto podkreślić, że nie zawsze dobrze jest wykrywać pozycję tłoka. Na przykład, gdy napędza on mechanizm, którego koniec popycha obiekt na zadaną pozycję. Co jeśli sworzeń wypadnie z mechanizmu? Co jeśli mechanizm ma opóźnione działanie lub luzy? Korzystniej jest wykrywać ruch końcowej części mechanizmu, która ma kontakt z obiektem, niż śledzić pozycję tłoka. Ponieważ kontaktrony to w gruncie rzeczy czujniki mechaniczne (ruchomy zestyk), w ich przypadku pojawia się podobne pytanie dotyczące trwałości, jak w przypadku czujników krańcowych. Istnieją czujniki położenia tłoków w siłownikach, które nie mają części ruchomych i można używać ich zamiast kontaktronów.
Czujniki zbliżeniowe
Czujniki zbliżeniowe to kolejny typ czujników, które działają, wykorzystując zjawisko indukcji, co wymaga obecności metalu – najlepiej zawierającego żelazo. Metale niebędące ferromagnetykami, takie jak aluminium i miedź, również mogą pracować z takim czujnikiem, ale nie są one tak dobrze wykrywane jak żelazo. W takim przypadku zakres, zasięg obszaru wykrywalności będzie krótszy, a obiekt będzie musiał mieć większe rozmiary, by zostać wykrytym (czasem nawet do tego stopnia, że funkcja ta staje się bezużyteczna). Istnieją wówczas dwa sposoby na poprawę wykrywalności obiektu:
- Umieszczanie śruby stalowej w obiekcie niebędącym ferromagnetykiem, aby ułatwić jego wykrycie czujnikiem zbliżeniowym.
2. Użycie czujnika o dużym zasięgu lub czujnika bez osłony. Są to dwie nazwy tego samego typu czujnika, którego czułość jest większa, ponieważ nie ma on metalowej osłony na końcu czujnika.
Istnieją również inne rodzaje czujników niewykorzystujące zasady indukcyjności (pojemnościowe lub ultradźwiękowe) i mogą one wykrywać przedmioty wykonane z innych materiałów niż metale. Są jednak na tyle rzadkim rozwiązaniem, że jeśli w rozmowach techników pojawia się temat czujnika zbliżeniowego, zwykle zakłada się, że chodzi o czujnik indukcyjny.
Kluczowe pojęcia i zasady implementacji czujników PE (fotoelektrycznych)
→ Światło widzialne i podczerwień: Użytkownik zwykle staje przed zadaniem konfiguracji, czyli skierowania światła na odbiornik, co jest znacznie łatwiejsze, jeśli możemy je dostrzec. Należy więc wykorzystywać światło widzialne, jeżeli nie istnieje potrzeba stosowania podczerwieni (IR).
→ Przenikanie się sygnałów: Światło z takich czujników może zakłócać działanie innych czujników oraz kurtyn świetlnych. Należy pamiętać o tym, że strumień światła nie jest linią prostą, lecz stożkiem i może zakłócić działanie innych urządzeń pracujących z tą samą długością fali (rys. 2).
Istnieje wiele sposobów na przezwyciężenie problemów przenikania się sygnałów:
→ Różne kierunki emitowania światła, gdy czujniki PE występują blisko siebie. Na przykład, jeżeli dwa czujniki dokonują pomiaru na przenośniku w odległości 150 mm od siebie, pierwszy z nich powinien mieć emiter umieszczony po lewej stronie, a drugi po prawej.→ Stosowanie różnych długości fal. Na przykład zasłony świetlne używają zwykle światła podczerwonego. Jeżeli nieopodal pracuje inny czujnik PE, powinien on operować światłem widzialnym.
→ Należy stosować przesłony dla czujników, by zwęzić przekrój strumienia światła.
→ Czujnik normalnie włączony kontra normalnie wyłączony: Czy czujnik powinien się załączać, gdy wykrywa światło, czy gdy go nie wykrywa? Zwykle można ustawić to za pomocą śrubokrętu lub przycisku.
→ Precyzja: Popularne aplikacje czujników PE nie są precyzyjne w kwestii wykrywania obiektu. Na przykład wykrywanie paczek na przenośniku za pomocą odbiciowego pomiaru czujnikiem PE może być dokładne jedynie z odległości 25–50 mm. Stosowanie światłowodów oraz przesłon w celu zmniejszenia obszaru emitowanego światła (i odbieranego) może pomóc w zwiększeniu dokładności.
→ Lasery: Te czujniki są droższe, jednak mają wiele zalet, takich jak np. możliwość detekcji odległości, a nie tylko obecności światła. Wykrywają również przeźroczyste obiekty wykonane z plastiku lub szkła.
Czujniki fotoelektryczne
Czujniki fotoelektryczne (PE – photo eye) są wyposażone w nadajnik i odbiornik. Elementy te czasem są częścią jednego czujnika, a czasem występują osobno. Zwykle są to niedrogie czujniki, umożliwiające śledzenie obiektów w systemie. Czasem światło jest transmitowane przez światłowód lub pochodzi bezpośrednio z nadajnika/odbiornika. Części, obiekty mogą być wykrywane poprzez odbicie od nich światła lub przerwanie strumienia światła trafiającego w odbiornik.
Dobór typu czujnika
Na rynku dostępnych jest obecnie wiele rodzajów czujników. Jeśli wybierzesz już czujnik, który możesz odpowiednio zamocować, i określisz jego rodzaj, warto podczas zakupu zastanowić się również nad innymi cechami:
→ PNP czy NPN: Taką opcję mają wszystkie czujniki bez części ruchomych. Określa to kierunek przepływu prądu. W Stanach Zjednoczonych typowe są czujniki typu PNP, ale jeżeli sprzęt pochodzi z innego miejsca, ważne jest, aby sprawdzić, jakiego wejścia wymaga sterownik PLC. Jeżeli w instrukcji obsługi sterownika PLC jest napisane, że wymaga wejścia typu „sinking”, wiadomo wówczas, że chodzi o czujnik PNP. Jeżeli zaś wymagane jest wejście „sourcing”, należy zastosować czujnik typu NPN. Niektóre z modułów współpracują z każdym typem czujników. W tym przypadku należy ustalić, co jest podłączone do wspólnego przyłącza. Jeżeli wspólne przyłącze to 0 V dc, to czujnik jest typu PNP. Jeśli 24 V dc, wówczas jest to czujnik typu NPN.
→ Dwużyłowy kontra trójżyłowy: Jest to głównie wybór między kontaktem mechanicznym (dwużyłowy) a czujnikiem bez części ruchomych (trójżyłowy).
→ Czujnik z odłączanym czy z wbudowanym przewodem: Wiele czujników ma przewód wbudowany na stałe, ale istnieją również czujniki z przewodem odłączanym. Mimo nieco wyższej ceny czujniki z odłączanym przewodem zwykle sprawiają, że czynności utrzymania stają się łatwiejsze. Jeżeli czujnik zawiedzie, to nie ma wówczas potrzeby zakupu nowego przewodu.
Był taki okres w rozwoju technologicznym, gdy czujniki dyskretne były w pełni cyfrowe w swojej naturze, tak jak zawór mechaniczny z membraną napinaną sprężyną lub termostat rtęciowy, lecz ta granica zaczyna się zacierać. Nowoczesne czujniki dyskretne często mierzą takie wartości, jak ciśnienie, temperatura, oporność oraz ilość światła w sposób analogowy i konwertują ją do postaci zero-jedynkowej za pomocą niewielkich układów logicznych. Co ważne, wiele z dzisiejszych czujników jest w stanie przekazać taką informację do jednostki PLC za pomocą technologii takich jak IO-Link (IO-Link Consortium). Jeżeli istnieją dane oraz jest dostępny na miejscu komputer, to dlaczego tego nie wykorzystać? Jest to względnie nowy trend i jeszcze na dobre nie zadomowił się na rynku. Jednostka PLC i blokowy schemat programowania stworzyły podstawę konceptu sygnałów dyskretnych.
Jon Breen jest właścicielem Breen Machine Automation Services LLC.
