SENSORY I SYSTEMY POMIAROWE

Transkrypt

1 SENSORY I SYSTEMY POMIAROWE Wykład WYDZIAŁ MECHANICZNY AUTOMATYKA I ROBOTYKA, rok II, sem. 4 Rok akademicki 2017/2018

2 Przetworniki optoelektroniczne Rozróżniane są dwa rodzaje przetworników optoelektronicznych: przetworniki obrotowo-impulsowe do rozróżniania kierunku i odległości względnej oraz przetworniki kodowe do rozpoznawania pozycji bezwzględnej. Przetworniki te są oferowane w szerokim zakresie rozdzielczości, liczby kanałów, wykonaniach elektroniki, sygnałów wyjściowych, ze złączem lub kablem. Optoelektroniczny przetwornik obrotowo-impulsowy Optoelektroniczny przetwornik obrotowo-kodowy

3 Przetworniki optoelektroniczne Wersje wykonania

4 Przetworniki optoelektroniczne Przykłady aplikacji

5 Przetworniki optoelektroniczne Budowa Układ elektroniczny przetwarzający sygnał z układu OptoASIC na sygnały wyjściowe 30 VDC OptoASIC 3* MT- OptoASIC Tarcza kodująca ST-OptoASIC Soczewka LED Podwójnie ułożyskowany wałek

6 Przetworniki optoelektroniczne Przetworniki impulsowe: Przetworniki impulsowe są przeznaczone do pomiaru przemieszczeń kątowych, a więc zarówno do pomiaru kąta jak i prędkości kątowych. Z pomocą napędu paskowego lub zębatki, względnie koła ciernego mogą być mierzone również przemieszczenia liniowe. Te przetworniki pozwalają na określenie pozycji względnej przez zliczanie impulsów. Po za tym może być rozpoznawany kierunek ruchu dzięki przesunięciu fazowemu kanałów A i B tak, że elektronika współpracująca musi przychodzące impulsy dodawać lub odejmować (układ z kwadraturą). Kanał zerowy C (N) oznacza przy każdym obrocie pozycję absolutną, która może służyć do rozpoznawania poprawności przychodzących impulsów i wyznaczania pozycji zerowej. Rozdzielczość określana jest przez liczbę kresek na tarczy podziałowej przetwornika (działek) co odpowiada liczbie okresów z jednego kanału. Liczba impulsów zliczana w poprawnym liczniku kwadraturowym jest 4-krotnie większa od liczby działek.

7 Przetworniki optoelektroniczne Przetworniki kodowe: W przetwornikach kodowych pozycja kątowa jest zawarta jako cyfrowa informacja na tarczy podziałowej przetwornika. Dzięki temu informacja ta jest natychmiast do dyspozycji jako słowo kodowe zaraz po włączeniu lub po przerwie w zasilaniu, wględnie również po przekroczeniu częstotliwości granicznej. Tarcza podziałowa posiada wiekszą liczbę ścieżek, tak że każdy fotoelement jest przyporządkowany do swojej ścieżki. Wartości są digitalizowane i mogą być dostępne jako słowo kodowe na wyjściu. Najczęściej do kodowania używany jest kod GREY`a zamieniający wartość tylko na jednym bicie o jedną pozycję w każdym kroku pomiarowym. Dzięki temu łatwo można kontrolować poprawność kodu przy przenoszeniu informacji. Popularne są również: kod binarny i BCD.

8 Przetworniki optoelektroniczne Zasady funkcjonowania przetworników optoelektronicznych: Rozdzielczość przetworników jest określona przez tarczę podziałową. Tarcza jest w zależności od rozdzielczości przetwornika podzielona na określoną liczbę pól ciemnych i jasnych, która przemieszcza się kątowo nad podziałka maskującą. Tarcza maskująca jest oświetlana diodą IRED. Element światłoczuły odbiera z tarczy podziałowej impulsy świetlne i przetwarza je na sygnały elektryczne. Te sygnały są wzmacniane i przekształcane w poziom sygnałów elektrycznych. Poziom sygnałów zależy od następującej po fotoelementach elektronice formującej impulsy wyjściowe. Te elektroniki są najczęściej zintegrowane w przetworniku, mogą być jednak dostępne również na zewnątrz. Kierunek obrotów: Przetworniki inkrementalne nadają się do rozpoznawania kierunku obrotów. Impulsy z obu kanałów są przesunięte o 90 elektrycznych tak, że w zależności od kierunku obrotów kanał A wyprzedza kanał B względnie za nim nadąża.

9 Przetworniki optoelektroniczne Impuls zerowy: W kanale C dostępny jest impuls, który odzwierciedla punkt odniesienia. Ten punkt odniesienia dostarcza raz na obrót bezwzględnie zdefiniowany przebieg pomiarowy (znacznik zera) i umożliwia po wyłączeniu lub zaniku zasilania odzyskanie wartości mierzonej z przyporządkowaniem dokładnej wartości kąta. Sygnały wyjściowe: Elementy fotoelektryczne dostarczają przebiegi sinusoidalne. Sygnały te mogą być dostępne w zależności od typu przetwornika bezpośrednio na wyjściu. W zależności od przyłączonych do nich układów dyskryminacyjnych Schmitta przekształca się sygnał sinusoidalny na prostokątny. Układy elektroniczne w przetworniku: Poziom sygnałów wyjściowych jest określony przez elektronikę opracowująca wyjście. W standardowym układzie wyjściowym tranzystorowym poziomy sygnałów zależą od napięcia zasilania przetwornika. To wyjście zawiera z reguły tranzystor pull-up podwieszony do napięcia zasilania i jest odpowiedni dla długości kabla około 6m. W niektórych przetwornikach standardowe wyjście jest zabezpieczone przed przepolaryzowaniem. Wyjście typu Open Collector jest wyjściem standardowym, ale powinien być zastosowany zewnętrznie rezystor polaryzujący do napięcia zasilania. Dla długości połączeń rzędu 100m i częstotliwości rzędu 100kHz najbardziej odpowiednie są wyjścia typu nadajnik linii. Poziomy sygnałów są kompatybilne z poziomem CMOS lub kompatybilne z poziomami TTL. W opcji typu nadajnik linii dostępne są kanały A, B, C oraz ich negacje.

10 Przetworniki optoelektroniczne Podłączanie przetworników do układów zewnętrznych Dla prostych zadań pomiarowych, w których nie jest wymagana duża prędkość obróbki i w których nie musza być pokonane duże odległości, przetwornik impulsowy może być podłączony wprost do sterownika programowanego logicznie (PLC), jeśli tylko taki zawiera liczniki rewersyjne. Przy tym przetwornik musi być zasilony z zewnętrznego napięcia zasilania, które będzie oddzielone galwanicznie od układu PLC. Zwykłe sterowniki PLC wymagają na wejściu sygnałów 24V, tak że powinien być zastosowany przetwornik z wyjściem typu Push-Pull (wyjście totem pole). Częstotliwość graniczna sterownika PLC nie przekracza zwykle 500Hz. Liczniki opracowują częstotliwości od około 50kHz przy poziomie 24V do 500kHz przy poziomie TTL bez wpływu na pracę jednostki centralnej sterownika. Ażeby podnieść odporność na zakłócenia zalecane jest stosowanie w przetwornikach impulsowych wyjścia typu nadajnik linii. Tutaj występują obok sygnałów A, B i C ich negacje /A, /B, /C dzięki temu realizowane są długości przewodów do 100m przy częstotliwości 100kHz. Stosowanie specjalnie do tego przystosowanych układów scalonych typu LS7082/3/4 ułatwia podłączenie przetworników do liczników zewnętrznych. Zastosowanie modułu MOD310 załatwia całkowicie problem rozróżniania impulsów, multiplikacji zboczy a jednocześnie decentralnego przyjmowania impulsów z dwóch przetworników, wysyłania ich po łączu szeregowym typu RS232 do komputera w celu dalszej obróbki. Moduł MOD310 jest też przygotowany do samodzielnej obróbki sygnałów z dwóch przetworników impulsowych i podejmowania decyzji co do sterowania dwóch silników DC za pomocą kanałów PWM. Moduł MOD310 może niezależnie od współpracy z dwoma przetwornikami obrotowo-impulsowymi lub liniałami optycznymi współpracować z przetwornikami kodowymi. Przetworniki kodowe można podłączać do modułu w większej liczbie stosując moduł rozszerzenia I/O.

11 Przetworniki optoelektroniczne Typy wyjść enkoderów inkrementalnych Otwarty kolektor (Open Collector, OC) Wyjście typu Open Collector (NPN) stosowane jest dla wejść sterowników typu źródło (source). W stanie załączenia (sygnał enkodera = 1) na wyjściu typu OC panuje stan 0V (zwarcie do GND). W stanie wyłączenia na wyjściu brak jest sygnału (wyjście "wisi" w powietrzu). Podstawową zaletą tego typu wyjścia jest niski koszt wykonania. Z racji na sporą podatność na zakłócenia, wyjście to nie nadaje się na przesyłanie sygnałów na większe odległości (> 10m) lub w miejscach, gdzie występują duże zakłócenia. Dla tego typu wyjścia nie występują sygnały zanegowane (/A,/B).

12 Przetworniki optoelektroniczne Typy wyjść enkoderów inkrementalnych Wyjście typu "Push-Pull" (PP) Wyjście typu Push-Pull posiada dwa stany aktywne. W stanie załączenia na wyjście podawane jest napięcie zasilania (+VCC), a w stanie wyłączenia na wyjście podawany jest sygnał masy (GND). Główną zaletą tego typu wyjścia jest zdolność do przesyłania większych prądów (brak stanu w którym wyjście wisi w powietrzu, brak stanów nieustalonych doprowadzanych do wejścia sterownika). Pozwala to na przesyłanie sygnałów na znacznie większe odległości oraz na pracę w zakłóconym otoczeniu.

13 Przetworniki optoelektroniczne Typy wyjść enkoderów inkrementalnych Wyjście typu Nadajnik Linii (Line Driver) Wyjście typu Nadajnik Linii (Line Driver ) zbudowane jest tak jak wyjście typu Push- Pull lecz oprócz wyjść A i B występują także dodatkowe sygnały zanegowane (/A, /B), pozwalające na różnicowe przesyłanie sygnałów, co zwiększa maksymalny zasięg transmisji. Wyjście tego typu pozwala na obciążenie prądem do 30mA, a napięcie wyjściowe w stanie wysokim wynosi zazwyczaj +5V.

14 Przetworniki optoelektroniczne Typy wyjść enkoderów inkrementalnych Wyjście typu TTL Zdarzają się enkodery (zasilane najczęściej z +5V) posiadające wyjście w standardzie TTL, które zbliżone jest do wyjścia typu Push-Pull. Różnica polega na przystosowaniu wyjścia do poziomu napięć akceptowalnych przez układy cyfrowe, w których stan wysoki (1) jest uznawany za napięcie > 3,6V, a stan niski (0) za napięcie <0,2V. Dlatego na wyjściu takiego enkodera występuje stan niski 0...0,2V lub stan wysoki 3,6...5V. Prąd pobierany z takiego wyjścia, o ile producent nie poda inaczej, nie powinien przekraczać 20mA. Wyjście TTL może występować także jako Line Driver - wówczas enkoder posiada dodatkowe sygnały zanegowane /A i /B, które również pracują w standardzie napięć TTL.

15 Przetworniki optoelektroniczne Podłączanie enkoderów inkrementalnych Sposób podłączenia enkodera inkrementalnego do sterownika (czy innego układu współpracującego z enkoderem) uzależniony jest od: typu wyjścia enkodera, typu wejścia sterownika, napięcia zasilania enkodera. Enkodery o zasilaniu +5V (TTL) Rzadziej spotykane w automatyce. Enkodery te zasila się zawsze stałym napięciem +5V, a ich wyjścia wykonane są zazwyczaj w standardzie TTL. Enkoder taki może być podłączony do sterownika posiadającego wejścia w standardzie TTL, lub 5V. Enkoder ten nie będzie działał ze sterownikami, które wymagają podawania sygnałów V.

16 Przetworniki optoelektroniczne Podłączanie enkoderów inkrementalnych Enkodery o zasilaniu VDC (Open Collector, Line Driver, Push-Pull) Enkodery zasilane napięciem V posiadają zazwyczaj wyjścia w standardzie Open Collector, Push-Pull lub Line Driver. Mogą być podłączane do wejść (zazwyczaj optoizolowanych) przyjmujących napięcia w standardzie 24V. Enkodery te mogą być także podłączane do wejść optoizolowanych pracujących w standardzie 5V, jednak wówczas niezbędne jest dodanie rezystora ograniczającego prąd w szereg z liniami danych. Wartość takiego rezystora powinna wynosić około 1,5 k.

17 Przetworniki optoelektroniczne Typy wyjść enkoderów inkrementalnych Enkodery z wyjściem typu Open Collector Enkodery o wyjściach typu Otwarty Kolektor mogą współpracować tylko z wejściami różnicowymi (a) (osobno sygnały + i - dla każdego z wejść). Po dodaniu dodatkowych rezystorów podciągających mogą sterować także wejściami pracującymi w standardzie TTL (b).

18 Przetworniki optoelektroniczne Typy wyjść enkoderów inkrementalnych Enkodery z wyjściem typu Push-Pull Enkodery z wyjściami typu Push-Pull mogą sterować zarówno wejściami ze wspólną masą (a), z wejściami różnicowymi (b) a także z wspólnym sygnałem +.

19 Przetworniki optoelektroniczne Typy wyjść enkoderów inkrementalnych Enkodery z wyjściem typu Line Driver Enkodery z wyjściami typu Nadajnik Linii mogą współpracować z wejściami ze wspólną masą (a). Można je także podłączyć jak enkoder z wyjściem Push-Pull do wejścia różnicowego jednak z racji na dostępny sygnał prosty i zanegowany dedykowane są do współpracy wejściami różnicowymi podłączonymi jak na (b). Takie podłączenie zapewnia najlepszą odporność na zakłócenia i pozwala na przesyłanie sygnałów na znacznie większe odległości niż dla innych przypadków.

20 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE

21 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE Światło jako medium stosowane jest w wielu dziedzinach techniki i codziennego życia w układach sterowania i regulacji. Ocenia się przy tym zmianę intensywności strumienia światła na jego drodze optycznej (między nadajnikiem i odbiornikiem), która to zmiana wywołana jest obecnością kontrolowanego obiektu. W zależności od obecności tego obiektu ścieżki optycznej strumień światła zostaje przerwany lub odbity albo rozproszony. Jako nadajnik stosowane są zazwyczaj synchroniczne diody pracujące w podczerwieni, a jako odbiorniki stosowane są fototranzystory. Sygnał wyjściowy jest w dużej mierze niezależny od oświetlenia zewnętrznego ponieważ światło widzialne łatwo odfiltrować. W trudnych warunkach chętnie stosuje się czujniki odbiciowe lub bariery świetlne pracujące z światłem czerwonym, emitowanym przez diodę świetlną, ponieważ łatwo zauważyć taki strumień światła i punkt, na który pada (łatwe do wyregulowania).

22 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - DOSTĘPNE WERSJE ODBICIOWE Class 1 LASEROWE CZUJNIKI ODBICIOWE Z TŁUMIENIEM TŁA R G B CZUJNIKI KOLORU ODBICIOWE ZE STAŁYM PUNKTEM OGNISKOWANIA REFLEKSYJNE I REFLEKSYJNE Z POLARYZACJĄ WIĄZKI CZUJNIKI LUMINESCENCYJNE ODBICIOWE Z TŁUMIENIEM TŁA REFLEKSYJNE DEDYKOWANE DO WYKRYWANIA OBIEKTÓW PRZEŹROCZYSTYCH BARIERA JEDNOKIERUNKOWA ODBICIOWE Z TŁUMIENIEM TŁA I PRZEDPOLA Class 1 REFLEKSYJNE LASEROWE Class 1 JEDNOKIERUNKOWA BARIERA LASEROWA CZUJNIKI ODLEGŁOŚCI Z WYJŚCIEM ANALOGOWYM CZUJNIKI ŚWIATŁOWODOWE LASEROWE CZUJNIKI ODBICIOWE CZUJNIKI KONTRASTU Class 1

23 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE Czujniki odbiciowe - mają nadajnik i odbiornik we wspólnej obudowie. Sposób wycelowania na obiekt jest w dużej mierze nieistotny. Obiekt obserwowany (np. płytka znormalizowana o 90% odbiciu) umieszczona w obszarze padania strumienia światła odbija od swej powierzchni część światła, która wraca do odbiornika. Gdy znormalizowana płytka zbliży się do krzywej następuje przełączenie i zmiana sygnału wyjściowego. Zasięg czujników odbiciowych zależy od wielkości, postaci, barwy i własności powierzchni odbijających światło. Standardowe czujniki odbiciowe mogą uzyskać odległość 2m.

24 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE Czujniki refleksyjne - mają nadajnik i odbiornik we wspólnej obudowie. Reflektor, znajduje się na przeciwległej stronie drogi światła, odbija strumień światła pochodzący z nadajnika, kierując go do odbiornika. Obiekt obserwowany przerywa strumień światła odbitego i wywołuje zmianę sygnału wyjściowego. Przy powierzchniach lustrzanych zaleca się aby światło odbite przed wejściem do układu odbiornika przepuścić przez filtr polaryzacyjny, żeby uniknąć ewentualnych zakłóceń od innych sygnałów. Zasięg działania standardowych czujników refleksyjnych osiąga 8m.

25 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE Bariera świetlna jednokierunkowa - składa się z oddzielnego nadajnika i oddzielnego odbiornika, które muszą być rozmieszczone po obydwu stronach ścieżki światła. Element obserwowany przerywa strumień światła i oddziałuje na odbiornik niezależnie od właściwości swojej powierzchni - powodując przełączenie, to znaczy zmianę sygnału wyjściowego. Przy niekorzystnych warunkach (np. zapylenie, mgła, olej) tego typu bariery dają najlepsze efekty. Zasięg tego typu czujników może sięgać do kilkudziesięciu metrów.

26 Class 1 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - TŁUMIENIE TŁA Tłumienie tła - umożliwia precyzyjne i niezależne od obiektu rozpoznawanie jego położenia. Przy pomocy funkcji tłumienia tła zapobiega się możliwości wykrycia obiektu znajdującego się w odległości dalszej od nastawionej strefy działania. Realizuje się to najczęściej wykorzystując triangulację. Podczas triangulacji strumienie światła nadajnika i odbiornika w barierze świetlnej przecinają się pod kątem ostrym. Tylko w tym zakresie, w którym te strumienie się pokrywają następuje detekcja obiektu. Światło nadajnika odbijane lub rozpraszane przez obiekty poza tak ograniczoną strefą nie może być już odbierane przez odbiornik fotooptyczny. Przy pomocy metody triangulacyjnej można rozpoznawać stosunkowo niewielkie zmiany odległości (np. rowki, wycięcia na wałku). Kształt i barwa obiektu mają niewielki wpływ.

27 Część światła wychodzącego z bariery refleksyjnej odbija się od obiektów o błyszczących powierzchniach (np. biała blacha, stal nierdzewna lub aluminium) i wpada do odbiornika. Proste bariery refleksyjne mogą w ten sposób mylić światło odbite od obiektu z światłem odbitym od reflektora. Może to powodować występowanie błędów. Z tego względu czujniki refleksyjne, wyposażane są w filtry polaryzacyjne, które łącznie z reflektorem (lustrem pryzmatycznym odwracającym polaryzację) stanowią selektywną barierę zapobiegającą wpływowi światła odbitego od obiektu, natomiast przepuszczają światło odbite od reflektora. Class 1 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - REFLEKSYJNE Z POLARYZACJĄ Filtr polaryzacyjny - jak działa? Światło składa się z szeregu różnych pojedynczych promieni, które mają postać sinusoidalną i rozchodzą się w kierunku pewnej osi. Ich płaszczyzna drgań nie zależy jednak od niczego i może przyjmować dowolny kąt. Gdy światło takie trafi na filtr polaryzacyjny (siatka drobnych linii), wówczas zostaną przepuszczone jedynie promienie o drganiach równoległych do linii siatki, natomiast drgania prostopadłe do nich zostaną całkowicie zatrzymane. Filtr polaryzacyjny - kiedy się go używa?

28 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - TYPOWE APLIKACJE

29 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - LASEROWE CZUJNIKI ODLEGŁOŚCI Najczęściej w laserowych czujnikach odległości wykorzystuje się triangulacyjną metodę pomiaru. Wiązka laserowa jest generowana przez nadajnik a następnie po odbiciu od obiektu wraca do odbiornika poprzez układ optyczny. Odbiornik ma postać linijki fototranzystorowej. W tego typu czujnikach sygnał wyjściowy generowany jest na podstawie miejsca padania wiązki odbitej na odbiornik. Dokładność pomiaru jest związana z zakresem pomiarowym i w precyzyjnych czujnikach może osiągać pojedyncze mikrometry.

30 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - LASEROWE CZUJNIKI ODLEGŁOŚCI POMIAR SZEROKOŚCI PACZEK NA LINIACH TRANSPORTOWYCH WYMIAROWANIE OPAKOWAŃ POMIAR POZIOMU POMIAR ODLEGŁOŚCI PALET DO OKREŚLONEGO PUNKTU WYZNACZANIE ILOŚCI NAWINIĘTEGO PAPIERU

31 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - CZUJNIKI KONTRASTU Czujniki kontrastu przeznaczone są do wykrywania różnicy odcieni (np. ciemniejszych znaczników na jaśniejszym tle). Wyjście czujnika zmienia swój stan gdy obiekt jest ciemniejszy od zaprogramowanego. Jako nadajnik stosuje się fotodiodę czerwoną, zieloną lub w nowych wersjach białą o szerokim spektrum emisji. Zdolność wykrywania kontrastu jest związana z kolorem obiektów. Dlatego np. do wykrywana kontrastu obiektów w odcieniach czerwieni nie powinno się stosować światła czerwonego CONTRAST RED LED emission GREEN LED emission WHITE LED emission Red NO HIGH MEDIUM Orange LOW MEDIUM MEDIUM Yellow LOW LOW MEDIUM Green HIGH NO MEDIUM Blue HIGH MEDIUM HIGH Violet MEDIUM HIGH HIGH Brown LOW MEDIUM HIGH Black HIGH HIGH HIGH Grey MEDIUM MEDIUM MEDIUM White NO NO POSSIBLE

32 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - CZUJNIKI KONTRASTU DETEKCJA OBIEKTU O INNYM KOLORZE NIŻ TŁO DETEKCJA KRAWĘDZI DETEKCJA ZNACZNIKÓW NA ARKUSZACH PAPIERU LUB FOLII

33 R G B CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - CZUJNIKI KOLORU Zadaniem czujników koloru jest rozpoznawanie konkretnej barwy lub barw (w wypadku czujników wielokanałowych). Czujnik uczony jest określonego koloru i następnie w normalnym trybie pracy porównuje obserwowaną barwę z zapamiętanym wzorcem. Gdy wynik jest pozytywny aktywowane jest wyjście czujnika. Niektóre rozwiązania czujników koloru posiadają interfejs szeregowy (najczęściej RS 485) dzięki któremu istnieje możliwość przesyłania informacji o poziomach składowych RGB do komputera lub sterownika PLC. Starsze wersje czujników posiadają trzy diody emitujące światło czerwone, zielone i niebieskie oraz jeden odbiornik Nowe wersje czujników posiadają jedną białą diodę o szerokim spektrum emisji, oraz trzy zintegrowane detektory składowych RGB.

34 R G B CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - CZUJNIKI KOLORU KONTROLA OBECNOŚCI KOLOROWEJ ALUMINIOWEJ NAKŁADKI ROZPOZNAWANIE KOLORU PRZEWODU W PRZEZROCZYSTEJ OSŁONIE ROZPOZNAWANIE KOLORU BEZPIECZNIKÓW KONTROLA POŁOŻENIA ZNACZNIKA NA BUTELKACH SZAMPANA SORTOWANIE CZĄŚCI SKŁADOWYCH SAMOCHODU W CELU ICH POPRAWNEGO KONTROLA POPRAWNEJ KOLEJNOŚC PRZEWODÓW W ZŁĄCZACH

35 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - OPTYCZNE KURTYNY POMIAROWE DETEKCJA (np. zliczanie spadających produktów) POMIAR (np. szerokość taśmy)

36 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - CZUJNIKI WIZYJNE SKALA SZAROŚCI 0 255

37 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - CZUJNIKI WIZYJNE PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA - WERYFIKACJA POPRAWNOŚCI WYKONANIA PÓŁPRODUKTU

38 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - CZUJNIKI WIZYJNE PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA - KONTROLA OBECNOŚCI OBIEKTÓW

39 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - CZUJNIKI WIZYJNE PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA - KONTROLA BUTELKI KONTROLA ZAKRĘTKI KONTROLA POPRAWNOŚCI NAKLEJENIA ETYKIET KONTROLA POZIOMU PŁYNU

40 CZUJNIKI FOTOOPTYCZNE - CZUJNIKI WIZYJNE PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA - KONTROLA POPRAWNOŚCI MONTOWANYCH ELEMENTÓW

41 Wskaźniki i rejestratory Mierniki wskazujące, montowane w zautomatyzowanych obiektach, przeznaczone są do odwzorowywania wartości chwilowych kontrolowanych parametrów procesu: mierniki montowane bezpośrednio na obiekcie w miejscu, gdzie występuje wielkość mierzona służą głównie dozorowi technicznemu obiektu i wykorzystywane są do bieżącej kontroli parametrów. Używane w stanach awaryjnych, podczas rozruchu lub remontów umożliwiają ręczne sterowanie procesem. Najczęściej są to mierniki analogowe, np. wodowskazy szklane. Mierniki tego typu są zwykle wyskalowane bezpośrednio w wielkościach fizycznych; mierniki montowane w pobliżu pulpitu operatora lub też wmontowane w pulpit służą do kontroli parametrów procesu przez operatora. Najczęściej znajdują się daleko od punktu w którym znajduje się czujnik. Sygnał przekazywany jest jako elektryczny sygnał standardowy lub cyfrowy. Są wyskalowane bezpośrednio w wartościach mierzonych lub też w procentach zakresu pomiarowego mierniki uchybu, położenia elementu wykonawczego.

42 Wskaźniki i rejestratory Mierniki wskazujące analogowe przyrządy tablicowe o znormalizowanych wymiarach zwykle klasy 1,5 (czasem do 0,25) w różnych formach: Mierniki z ruchomą skalą skala sprzężona z potencjometrem, służącym do zadawania wartości zadanej w okienku ukazuje się jedynie spodziewany fragment skali wokół spodziewanego zakresu zmian wielkości mierzonej Mierniki z dwoma systemami pomiarowymi dwie wskazówki i dwa systemy pomiarowe wykorzystują jedną skalę oszczędność miejsca Mierniki z układami sygnalizacyjnymi wyposażone w ograniczniki lub czujniki położenia wskazówki umożliwia to sygnalizację przekroczenia przez sygnał mierzony nastawionych wartości progowych.

43 Wskaźniki i rejestratory Wskaźniki cyfrowe umieszczane zwykle w obudowach standardowych umożliwiają obserwację (i regulację) typowych wielkości mierzonych. Wyposażone najczęściej w uniwersalne wejścia i wyjścia (sygnały standardowe prądowe i napięciowe) oraz interfejsy komunikacyjne (RS 232C, RS-485 itd.). W zależności od potrzeb dobiera się wielkość i typ wyświetlacza umożliwiający odczyt z dużych odległości oraz w warunkach zmniejszonej przejrzystości powietrza. Wskaźniki graficzne. Służą zwykle do cyfrowej lub graficznej (konfigurowalne) prezentacji (wskazywania) wielkości mierzonej. Najczęściej wyposażone w wyświetlacze LCD. Również z szeroką gamą wejść i wyjść.

44 Wskaźniki i rejestratory Pulpit sterowniczy Mozaikowa tablica synoptyczna

45 Wskaźniki i rejestratory Nastawnia blokowa Elektrowni Halemba Nastawnia blokowa Elektrowni Opole

46 Wskaźniki i rejestratory Elektrownia Bełchatów Maska główna stacji ciepłowniczej D6

47 Wskaźniki i rejestratory Elektrownia Bełchatów Maska sprężarkowni

48 Wskaźniki i rejestratory Rejestratory przemysłowe zadaniem rejestratora jest zapis informacji na odpowiednim nośniku w celu uzyskania trwałej dokumentacji pomiarowej parametrów istotnych dla procesu technologicznego. Najczęściej rejestrowane są przebiegi zmian wartości mierzonej w czasie. Niektóre rejestratory umożliwiają też rejestrację związków funkcyjnych wielkości mierzonych np. x=f(y). Podstawowe elementy składowe: urządzenie piszące, napęd urządzenia piszącego, nośnik zapisu i napęd nośnika zapisu. Typowe nośniki zapisu, determinujące rodzaj urządzenia piszącego, to: zwykły papier (ołówek, rysik, atramentowa rurka strumieniowa) papier termoczuły papier fotoczuły (strumień światła).

49 Wskaźniki i rejestratory Rejestratory dzielimy na jedno i wielokanałowe, spotyka się następujące rozwiązania konstrukcyjne: kilka niezależnych rejestratorów w jednej obudowie; kilka niezależnych urządzeń piszących i ich napędów pracujących na jednym wspólnym nośniku; jedno urządzenie piszące.

50 Wskaźniki i rejestratory Cyfrowe rejestratory danych należą do nowej generacji urządzeń rejestrujących, odbiegających filozofią rozwiązań od tradycyjnych rejestratorów z zapisem na taśmie papierowej. Całkowicie elektroniczne, o niewielkich wymiarach i masie, bez elementów mechanicznych, z własnym źródłem zasilania gromadzą dane w wewnętrznej półprzewodnikowej pamięci. Do ich programowania oraz odczytu zarejestrowanych danych służą programy zainstalowane w komputerze klasy PC. Programy te zapewniają konfigurację rejestratorów w zakresie czasów próbkowania, opóźnienia startu rejestracji, sposobu zapisu pamięci, ustawienia progów alarmowych i ewentualnie komunikacji modemowej. Istnieje możliwość obserwacji zmian rejestrowanych danych w czasie rzeczywistym przy użyciu programu RealTime. Odczyt danych z pamięci rejestratora przez obsługujący program, pozwala na obróbkę wykresów poprzez nanoszenie odpowiednich opisów, zastosowanie zaś funkcji zoom umożliwia odczyt zarejestrowanych danych z wielką dokładnością. Format plików z zapisanymi danymi jest odczytywany przez programy kalkulacyjne, np. MS Excel. Połączenie z komputerem odbywa się przez port szeregowy (RS 232C).

51 Wskaźniki i rejestratory HMI (Human-Machine Interface)

52 Wskaźniki i rejestratory HMI (Human-Machine Interface) Panel dotykowy/ komputer PC (NI LabVIEW) Astraada - panel HMI Panel 10 (ASTOR)

53 Błędy pomiarowe. Identyfikacja Błędy występujące w pomiarach wielkości fizycznych można podzielić na: błędy nadmierne wynikają zwykle z nieprawidłowo wykonanego pomiaru (np.: fałszywy odczyt wskazania, użycie uszkodzonego bądź niewłaściwego przyrządu, błąd rachunkowy); błędy systematyczne przy wielu pomiarach tej samej wielkości, wykonanych przy tych samych warunkach, pozostają stałe zarówno co do wartości bezwzględnej, jak i co do znaku lub też zmieniają się według określonego prawa wraz ze zmianą warunków. Wynikają z uproszczonego charakteru używanych zależności analitycznych, niedokładności użytych przyrządów, wzorców, stałego wpływu czynników zewnętrznych i innych. Błędy systematyczne mogą być wprowadzone przez osobę realizującą pomiar w sposób świadomy (np. błąd paralaksy);

54 Błędy pomiarowe. Identyfikacja błędy przypadkowe zmieniają się w sposób nieprzewidziany zarówno co do wartości bezwzględnej, jak i co do znaku przy wykonywaniu dużej liczby pomiarów tej samej wielkości, w warunkach praktycznie niezmiennych. Podstawową przyczyną błędów przypadkowych jest statystyczny charakter wielkości mierzonych (np.: grubość blachy, z której wykonano membranę faktycznie jest różna w różnych miejscach, rezystancja tensometrów tej samej partii nie jest identyczna, średnice tłoków silników spalinowych itd.). Źródłem błędów przypadkowych mogą być również przyrządy pomiarowe, a także sam eksperymentator, przy realizacji pomiarów, które wymagają jego subiektywnej oceny (np. ocena natężenia dźwięku).

55 Błędy pomiarowe. Eliminacja błędów Rzetelne oszacowanie poprawności pomiaru wymaga wyeliminowania (czasem może być trudne lub wręcz niemożliwe) lub też wyznaczenia wartości poszczególnych błędów. Eliminacja błędów nadmiernych Zwykle jest dosyć prosta. Najczęściej wystarczy rzut oka na wykres lub zestawione w postaci tabeli wyniki pomiarów, aby zidentyfikować wyniki znacznie odbiegające od innych wyników. U[V] F[N] 0 0, , , , , , , , , , ,983 F [N] 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0, U[V]

56 Błędy pomiarowe. Eliminacja błędów nadmiernych W niektórych przypadkach taka intuicyjna ocena może być niewystarczająca i prowadząca do fałszywych wniosków, albo też chcemy w sposób bardziej miarodajny eliminować wyniki pomiarów obarczone tego rodzaju błędami. W takich sytuacjach, przy analizie wyników pomiarów posługujemy się hipotezami statystycznymi służącymi do eliminacji wyników odstających (kryterium 3, testy wartości średnich, metoda Chauveneta, Dixona, Grubbsa i in.). Polegają one zwykle na przyjęciu pewnego poziomu prawdopodobieństwa wystąpienia określonego rozrzutu punktów pomiarowych i rozstrzygnięciu, czy analizowany wynik spełnia warunek zaliczenia go do poprawnych.

57 Błędy pomiarowe. Eliminacja błędów systematycznych Błędy systematyczne możemy podzielić na stałe i zmienne, które dzielimy na: postępowe (tzn. stale rosnące lub stale malejące w funkcji określonego parametru) oraz okresowe (zmieniające się okresowo w funkcji parametru wpływowego). Błędy systematyczne możemy eliminować wprowadzając poprawki, które czasem są dołączane do metryczek precyzyjnych przyrządów pomiarowych lub umieszczane w katalogach. Gdy brak takich danych, możemy sami określić poprawkę dla błędu systematycznego stałego metodą wzorcowania punktowego (przyrząd wzorcowy powinien być odpowiednio wyższej klasy). Różnica wskazań obu przyrządów przy wielokrotnym pomiarze w tym samym punkcie pomiarowym jest taką poprawką dla błędu systematycznego. Typowy błąd systematyczny stały to np.: błąd zrównoważenia zera czujników tensometrycznych w temperaturze otoczenia.

58 Błędy pomiarowe. Szacowanie błędów przypadkowych Charakter błędów przypadkowych powoduje, że nie można jednoznacznie ich określić drogą elementarnych operacji rachunkowych. Błędy przypadkowe możemy jedynie oszacować korzystając z elementów rachunku prawdopodobieństwa i statystyki matematycznej. Szacowanie błędów przypadkowych polega na określeniu przedziału, który z określonym poziomem prawdopodobieństwa zawiera poszukiwaną rzeczywistą wartość wielkości mierzonej. Szacowanie błędów przypadkowych należy przeprowadzać po eliminacji błędów nadmiernych i systematycznych. Wynika to, między innymi, z przyjmowanego założenia, że suma błędów przypadkowych jest równa zeru. Warunek ten nie byłby spełniony przy występowaniu błędów systematycznych. Korzystanie z rachunku prawdopodobieństwa i statystyki matematycznej polega na wnioskowaniu o określonych właściwościach pewnej populacji na podstawie analizy próby pochodzącej z tej populacji.

59 Błędy pomiarowe. Szacowanie błędów przypadkowych Podczas analizy błędów przypadkowych próbę stanowią wyniki określonych pomiarów. Najczęściej rozważa się następujące parametry: średnia arytmetyczna populacji ( ), średnia arytmetyczna próby (w śr ), odchylenie standardowe populacji ( ) i odchylenie standardowe próby (S). Błędy graniczne pomiaru wyznacza się jako iloczyn odchylenia standardowego S i liczby t, która jest funkcją przyjętego prawdopodobieństwa. Górny błąd graniczny: e 1 =+ts; dolny błąd graniczny: e 2 =-ts. Wielkość ts nazywamy niepewnością pomiaru, 2tS-obszar niepewności pomiaru. Błędy graniczne w terminologii statystycznej to granice ufności, obszar niepewności to przedział ufności, prawdopodobieństwo P poziom ufności, wielkość =1-P poziom istotności.

60 Błędy pomiarowe. Zasady sumowania błędów Jeżeli podczas pomiaru występują zarówno błędy systematyczne, jak i przypadkowe to niedokładność pomiarów wyrażona jest przez zespół błędów granicznych zawierających wszystkie błędy systematyczne i graniczne błędy przypadkowe. w NP w syst ts gdzie: w NP -niedokładność pomiaru; w syst -błąd systematyczny; ts-przypadkowy błąd graniczny.

61 Zakłócenia elektryczne. Rodzaje i źródła Zakłóceniami nazywamy szkodliwe oddziaływanie sygnałów niepożądanych na sygnał pomiarowy. Sygnał zakłócający to każdy sygnał w torze pomiarowym, który nie przenosi informacji pomiarowej i nie jest świadomie wprowadzonym sygnałem pomocniczym. Oddziaływania zakłóceń na sygnał pomiarowy: wzajemne sumowanie modulowanie Sygnały zakłócające wewnętrzne powstają w urządzeniach pomiarowych i są efektem: szumów własnych elementów półprzewodnikowych i rezystorów, sygnałów przenikających z kanałów sąsiednich oraz impulsowych przebiegów spowodowanych skokowymi zmianami stanu pracy układów.

62 Zakłócenia elektryczne. Rodzaje i źródła Sygnały zakłócające zewnętrzne (np.: tzw. zakłócenia przemysłowe) mają źródła w obwodach instalacji poza urządzeniami pomiarowymi i są to: napięcia o charakterze impulsowym i szumowym komutatorowe silniki elektryczne, układy zapłonowe silników spalinowych, spawarki el. przenikające do aparatury pomiarowej przez przewody zasilające napięcia o częstotliwości sieci zasilającej odkładające się na wspólnych impedancjach uziemień sieci i odbiorników energii wskutek istnienia rozproszonych zmiennych pól magnetycznych prądy (o dowolnej zmienności czasowej) spowodowane indukowaniem się ładunków na ekranach kabli, blachach obudów zewnętrznych (stanowią elementy sprzężenia pojemnościowego) wskutek występowania zewnętrznych pól elektrycznych siły elektromotoryczne indukowane pod wpływem pól magnetycznych w przewodach sygnałowych kabli, ekranach oraz cewkach i przewodach wewnątrz elementów

63 Zakłócenia elektryczne. Metody eliminacji i zmniejszania sygnałów zakłócających Całkowita eliminacja wszystkich zakłóceń jest niemożliwa. A. Tłumienie sygnałów zakłócających w ich źródłach B. Eliminacja sprzężeń występujących pomiędzy źródłami a odbiornikami sygnałów zakłócających C. Zabezpieczenie odbiorników przed wpływem sygnałów zakłócających Środki techniczne zapobiegania występowaniu zakłóceń: - ekranowanie od pól zakłócających - racjonalne uziemianie układów pomiarowych - stosowanie niskoszumowych i odpornych na zakłócenia układów wzmacniających - separacja galwaniczna obwodów - filtracja przebiegów w obwodach zasilających i sygnałowych - kompensacja okresowo-przemiennych sygnałów zakłócających Szczególnie podatne na zakłócenia są sygnały analogowe.