Czujniki zbliżeniowe są niezwykle istotnymi elementami wielu aplikacji przemysłowych, zapewniającymi wysoką jakość produkcji i odpowiednie osiągi związane z szybkością oraz niezawodnością.
Większość procesów we współczesnych aplikacjach przemysłowych uzależniona jest od systemów monitoringu, zapewniających wysoką jakość i wydajność produkcji. Skuteczność ich działania wiąże się jednak bezpośrednio z doborem odpowiednich czujników, wykonanych w różnych technologiach, zależnie od potrzeb samej aplikacji i wymagań użytkownika. Dlatego czujniki muszą być trwałe, niezawodne, z możliwością dostosowania do różnych implementacji niezależnie od charakteru środowiska, w którym ostatecznie są montowane i użytkowane. Procedura wyboru właściwych czujników wymaga przeanalizowania ich możliwości oraz parametrów fizycznych i funkcjonalnych, ograniczeń oraz trwałości w dedykowanych dla nich aplikacjach.
Ze względu na swą uniwersalność i wysoki poziom funkcjonalności czujniki zbliżeniowe mogą pracować w wielu różnorodnych aplikacjach. Najpopularniejsze technologie stosowane w tego typu czujnikach to: indukcyjna, pojemnościowa i ultradźwiękowa. I choć na rynku dostępnych jest jeszcze wiele czujników zbliżeniowych realizowanych w innych technologiach (np. optyczne, radiowe, wizyjne), w artykule skupiono się tylko na wspomnianych trzech – najczęściej występujących w aplikacjach przemysłowych.
Ponieważ czujniki zbliżeniowe przydatne są w wielu różnorodnych aplikacjach, spotkać je można w wielu branżach przemysłu: spożywczej, chemicznej, przetwórstwa nafty i gazu, farmaceutycznej, budowlanej i konstrukcyjnej oraz innych. Decyduje o tym wspomniana wcześniej ich funkcjonalność, niezawodność i zdolność adaptacji do różnych zastosowań i środowisk.
Technologie czujników zbliżeniowych
Czujniki zbliżeniowe są przede wszystkim elementami działającymi bezkontaktowo. W przeciwieństwie do innych czujników – wyłączników krańcowych, dźwigni, suwaków itp., które muszą być dotknięte lub poruszone przez wykrywany przedmiot, czujniki zbliżeniowe służą do wykrycia jego obecności bez konieczności bezpośredniego styku, kontaktu. Taka konstrukcja sprzyja zachowaniu jednorodności konstrukcji czujnika, jego wysokiej jakości w trakcie całego okresu eksploatacji. Podobnie rzecz się ma z powierzchnią i charakterystycznymi kształtami wykrywanych przedmiotów, które nie ulegają zarysowaniu czy niewielkim odkształceniom.
Czujniki zbliżeniowe projektowane są w celu zapewnienia wysokiej dokładności i powtarzalności procedury wykrywania przedmiotów, przy bardzo dużych szybkościach realizacji procesów produkcyjnych i przemysłowych. Dedykowane do pracy z częstotliwościami rzędu 5000 Hz czujniki są w stanie spełnić wymagania nawet najwybredniejszych klientów i najbardziej wymagających aplikacji w przemyśle. Jednocześnie czujniki takie zachowują dokładność pozycjonowania obiektów na poziomie 0,001 cm, co pozwala na zorganizowanie procesów produkcji lub przetwarzania o dużej wydajności i wysokiej jakości.
Obudowy współczesnych czujników zbliżeniowych są bardzo odporne na działanie różnych czynników zewnętrznych. W ofercie dostępne są czujniki spełniające różne poziomy szczelności i odporności obudów – tzw. IP, poczynając od tych do zastosowań w środowiskach względnie czystych, po najbardziej wymagające – z obecnością wody, strumieni spłukujących i wysokiej temperatury. Dostępne w różnych rozmiarach, kształtach i wariantach montażowych czujniki zbliżeniowe oferują zarówno wszechstronność, jak i elastyczność aplikacji.
Szerokie spektrum zastosowań
Wspomniane różnego typu czujniki zbliżeniowe zapewniają rozwiązanie większości problemów i wyzwań w zakresie wykrywania obecności przedmiotów w określonych lokalizacjach. Zastosowanie najbardziej odpowiedniego rodzaju czujnika w określonej aplikacji sprzyja ograniczeniu przestojów oraz prac związanych z utrzymaniem ruchu, zwiększając tym samym znacznie wydajność procesów przemysłowych. W tym celu konieczne jest przede wszystkim przeanalizowanie i zrozumienie różnorodnych zasad dotyczących organizacji konkretnych zadań i procesów, możliwości i osiągów oraz zrównoważenia w aplikacjach przemysłowych. W oparciu o nie możliwy jest dobór optymalnych konstrukcyjnie i funkcjonalnie czujników do określonych aplikacji.
Czujniki indukcyjne – czujniki wykonane w tej technologii mogą wykrywać przedmioty i obiekty metalowe – zarówno ferro-, jak i nieferromagnetyczne. Można je zastosować do wykrywania obecności różnych obiektów, części, do zliczania tych obiektów czy w aplikacjach pozycjonujących. Zwykle czujniki tego typu montuje się zamiast tradycyjnych wyłączników krańcowych, ze względu na możliwość obsługi aplikacji przy znacznie większej prędkości procesów, których nie mogą obsługiwać czujniki mechaniczne (rys. 1). Wykazują się również znacznie wyższym poziomem niezawodności. Czujniki indukcyjne wytwarzają pole elektromagnetyczne o dużej częstotliwości. Konstruowane są najczęściej jako cewki z rdzeniem ferrytowym. Kiedy wykrywany obiekt znajdzie się w obszarze pola elektromagnetycznego cewki, na jego powierzchni indukuje się prąd zmieniający charakter oscylacji pola generowanego przez cewkę, powodując straty energii. Czujnik zaprojektowano tak, by wykryć te straty jako zmianę, która może spowodować wyzwolenie sygnału w elemencie półprzewodnikowym, interpretowanego jako „on” lub „off”. Po usunięciu obiektu ze strefy pola elektromagnetycznego cewki regeneruje się częstotliwość jego zmian i czujnik wraca do normalnego stanu pracy – oczekiwania na pojawienie się kolejnych przedmiotów czy obiektów metalowych.
Stan wyjściowy czujnika może mieć charakter zarówno cyfrowy, jak i analogowy. W przypadku analogowego przyjmowane są standardy napięciowe (010 VDC) lub prądowe (4-20 mA). Dzięki nim możliwe jest wykrywanie przedmiotów w odległości do ok. 57 cm od czujnika. Czujniki z wyjściowym sygnałem cyfrowym projektuje się zwykle do pracy w obwodach prądu stałego lub AC/DC. Większość typów czujników konstruowanych jest w wersji z wyjściem normalnie otwartym, ale istnieją również czujniki z wyjściem normalnie zamkniętym. Czujniki z wyjściem typu Namur dedykowane są do zastosowań w środowiskach niebezpiecznych, najczęściej współpracują z odpowiednimi modułami interfejsowymi z wbudowanymi funkcjami bezpieczeństwa. W niektórych bardziej zaawansowanych konstrukcyjnie czujnikach montuje się kilka cewek, co umożliwia wykrycie kilku elementów metalowych znajdujących się w zasięgu działania tego czujnika, bez specjalnych nastaw. Zasada jego działania jest jednak nieco odmienna: zamiast jednej cewki, indukującej prądy i jednocześnie odbierającej sygnały zniekształcenia pola elektromagnetycznego przez powstające prądy wirowe, w tego typu czujnikach pojawiają się dwie grupy cewek – nadawcze i odbiorcze.
Czujniki indukcyjne sprawdzają się najlepiej w aplikacjach, gdzie istnieje konieczność detekcji obiektów o powierzchniach metalowych w procesach przemysłowych. Niektóre czujniki są odporne na oddziaływanie zewnętrznych pól magnetycznych, co umożliwia ich stosowanie w obszarach, gdzie inne urządzenia mogą zakłócać działanie klasycznych czujników – spawarki, dźwigi i windy, piece łukowe itp.
Czujniki pojemnościowe – czujniki tego typu mogą wykrywać ruch, skład chemikaliów, poziom płynów i ich skład, a także ciśnienie. Stosowane są bardzo powszechnie w wielu gałęziach przemysłu. Czujniki pojemnościowe mogą działać poprawnie, nawet przenikając przez cienkie materiały dielektryczne, takie jak plastik czy szkło, a jednocześnie wykrywając materiały o wyższym poziomie dielektryczności – np. różne płyny i substancje płynne. Dzięki tej właściwości mogą być wykorzystane na przykład w detekcji poziomu cieczy i płynów bezpośrednio w różnego typu zbiornikach o ścianach szklanych bądź plastikowych.
Aktywne elementy czujników pojemnościowych zbudowane są z dwóch metalowych elektrod, położonych względem siebie w ten sposób, by tworzyły kondensator powietrzny, otwarty. Elektrody te znajdują się w pętli sprzężenia zwrotnego wysoko częstotliwościowego oscylatora. Jeżeli w zasięgu detektora nie znajdują się żadne obiekty do wykrycia, pojemność kondensatora jest mała i amplituda sygnału w oscylatorze również jest niewielka. Jeżeli jakiś obiekt zbliża się do elementu czujnika, wzrasta jego pojemność, zwiększając jednocześnie amplitudę oscylacji, która mierzona jest przez odpowiedni układ, wysyłający na podstawie przekroczenia ustalonych progów poziomu amplitudy sygnał „on” lub „off”.
Ogólnie czujniki pojemnościowe charakteryzują się bardzo dużą czułością i dlatego mogą być z powodzeniem stosowane nawet w trudnych i wymagających aplikacjach do detekcji nawet niewielkich elementów, np. w rurach czy zbiornikach. Tego typu czujniki dostępne są w obudowach różnego typu, w kształcie walca, tulei, prostopadłościanów, wąskich sond, konstruowanych również tak, by sprostać wymogom różnych środowisk, jakie mogą występować w przemyśle, gdzie czujniki muszą zachować swoją funkcjonalność i działać niezawodnie.
Czujniki ultradźwiękowe – czujniki tego typu wykorzystuje się do detekcji obecności różnych przedmiotów oraz do pomiarów odległości od nich w różnych aplikacjach przemysłowych. Podobnie jak ma to miejsce w przypadku czujników pojemnościowych, czujniki ultradźwiękowe mogą służyć do pomiarów wielu wielkości fizycznych, takich jak: siła i kierunek wiatru (ruch powietrza), poziom napełnienia zbiorników i szybkości przepływu cieczy lub powietrza. Mogą też wykrywać obiekty w różnych stanach skupienia: stałym, ciekłym, w formie granulatu i proszku. Czujniki tego typu działają na zasadzie sonaru lub radaru. Generując fale dźwiękowe o bardzo wysokiej częstotliwości, analizują sygnał echa – odbić generowanej fali od przedmiotów będących w zasięgu czujnika. Następnie czujnik przelicza czas pomiędzy wysłaniem sygnału a zarejestrowaniem jego echa po odbiciu, ustalając na tej podstawie odległość od wykrywanego przedmiotu.
W przypadku czujników ultradźwiękowych na dokładność pomiarów i detekcji nie wpływają żadne zanieczyszczenia (kurz, wilgoć) występujące w otaczającej je atmosferze. Dlatego są one najlepszym rozwiązaniem do aplikacji w środowiskach zanieczyszczonych. Ponadto wykorzystywana w nich fala dźwiękowa (zamiast np. świetlnej) umożliwia detekcję obiektów przezroczystych, cieczy, poziomu cieczy itp.
Czujniki zbliżeniowe w aplikacjach
Czujniki indukcyjne instalowane są powszechnie w aplikacjach np. na platformach wiertniczych przedsiębiorstw przetwórstwa nafty i gazu, gdzie wykazują się dużą odpornością i niezawodnością. Są odporne na działanie wody morskiej, która powoduje szybką korozję. Czujniki tego typu, z certyfikatami ATEX, instalowane są w układach detekcji położenia elementów ruchomych na platformach. Mogą być również stosowane w przemyśle spożywczym, w produkcji napojów. W tych aplikacjach są elementami decydującymi o zachowaniu płynności pracy taśm produkcyjnych, bez zbędnych przestojów i narażania na niebezpieczeństwo strat. Montaż czujników odpornych na działanie czynników zewnętrznych oraz z możliwością wbudowania w obudowy urządzeń, konstrukcji wsporczych itp. prowadzi do obniżenia kosztów eksploatacji maszyn i urządzeń oraz ogranicza możliwości mechanicznego uszkodzenia czujników.
Czujniki indukcyjne wykorzystywane są w detekcji materiałów różnego typu: płynów o różnej gęstości, konsystencji i lepkości, różnych proszków, kamieni i metali. Na przykład czujniki tego typu powszechnie spotykane są w aplikacjach detekcji granulatów i materiałów sypkich – granulat plastyczny w zbiornikach i lejach wtryskarek, maszyn formujących. Specjalnie projektowane czujniki pojemnościowe mogą być nawet stosowane w środowiskach zagrożenia wybuchem. Stąd ich obecność w obsłudze dużych elewatorów, jako elementów detekcji poziomu zebranych ziaren ryżu, słodu, kukurydzy czy soi.
Czujniki zbliżeniowe są stosowane również w aplikacjach na zewnątrz fabryk i zakładów produkcyjnych, stając się elementem rozproszonych systemów monitoringu na poziomie obiektowym. Jednym z możliwych zastosowań są np. ruchome dachy stadionów i ich system monitoringu. W takiej aplikacji pojawia się spora grupa elementów ruchomych, które wymagają śledzenia ich położenia i pozycji, szczególnie przy całkowitym otwarciu lub zamknięciu dachu, gdzie występują odpowiednie elementy blokujące skrzydła dachu. Czujniki zainstalowane na końcach linii prowadzących przesuwające się skrzydła dachu są niezbędne do zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności całej konstrukcji. Ponadto czujniki mogą być zamontowane na określonych częściach skrzydeł dachowych, w celu śledzenie ich bieżącej pozycji w czasie rozsuwania i zsuwania dachu, sygnalizując algorytmom sterowników PLC, kiedy należy zmniejszyć szybkość silników zsuwających/rozsuwających przy osiąganiu pozycji krańcowych – zasunięcia i rozsunięcia.
Przyszłość czujników zbliżeniowych
Obserwowane dążenia do zwiększenia wydajności i jakości produkcji przemysłowej stwarzają dalszą perspektywę rozwoju technologii czujników zbliżeniowych. Wydaje się wręcz, że wiele aplikacji i zastosowań jest jeszcze do odkrycia. Dzięki dużej niezawodności, odporności i zdolności adaptacji do różnych zastosowań czujniki zbliżeniowe będą nadal istotnym elementem systemów sterowania i monitoringu nie tylko w aplikacjach stricte przemysłowych.
Tony Udelhoven, kierownik Działu Czujników w firmie Turck USA
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE
