Czujniki przemysłowe

Transkrypt

1 Czujniki przemysłowe Budowa czujnika Sygnał wejściowy Wielkość nieelektryczna Obwód wejściowy Obwód detekcji i porównania Czujnik Stopień wyjściowy Zasilanie czujnika Sygnał lub sygnały wyjściowe z czujnika (logiczne lub analogowe) 1

2 Rodzaje czujników przemysłowych podział ze względu na rodzaj sposób działania czujniki stykowe fizyczny kontakt z obiektem czujniki indukcyjne czujniki magnetyczne czujniki mikrofalowe, radarowe czujniki optyczne czujniki ultradźwiękowe czujniki pojemnościowe Rodzaje czujników przemysłowych podział ze względu na zastosowanie czujnik zbliżeniowy wykrywanie obiektów metalowych, plastikowych, szklanych czujnik poziomu cieczy, materiałów sypkich czujnik odległości czujnik ciśnienia ciśnienia bezwzględnego, różnicy ciśnień, czujniki wilgotności materiałów sypkich i masowych czujniki temperatury - materiałów sypkich, masowych i gazów czujnik przepływu gazów, płynów, materiałów sypkich czujniki/wagi materiałów sypkich, masowych czujniki położenia kątowego czujniki wizyjne 2

3 Sygnały wyjściowe z czujników Wyjścia logiczne typu DC (24Vdc) Tranzystorowe, typu NPN, NO (normalnie otwarty), Tranzystorowe, typu NPN, NC (normalnie zamknięte), Tranzystorowe, typu PNP, NO (normalnie otwarty), Tranzystorowe, typu PNP, NC (normalnie zamknięte), Tranzystorowe, typu NPN, NC + NO Tranzystorowe, typu PNP, NC + NO Wyjścia logiczne typu AC (110Vac, 230Vac) Wyjście AC na przekaźniku półprzewodnikowy mocy typu tyrystor, triak (NO, NC) Wyjścia logiczne bezpotencjałowe Wyjściem są najczęściej styki przekaźnika elektromechanicznego (NO, NC, lub NO+NC) Wyjścia analogowe Wyjście prądowe 0-20mA lub 4-20mA Wyjście napięciowe 0-10V Obwody wyjściowe bezpotencjałowe Rozwieranie styku Zwieranie styku Zwieranie styku Styk NC Styk NO Styk NO+NC Wyjście bezpotencjałowe (wyjście przekaźnikowe lub stykowe) są to wyjścia bezpotencjałowe czyli takie którym obojętne czy podłączamy prąd przemienny czy stały i obojętne do którego zacisku przyłączamy plus zasilania czy fazę. Głównym minusem tego typu wyjścia jest to, że przekaźniki wewnątrz sterownika lub czujnika mają ograniczoną żywotność zwykle ok. 50 do 100 tysięcy przełączeń. Należy tez pamiętać o ograniczeniu prądu przełączanego przez taki przekaźnik (AC czy DC) od 2 do 16A w zależności od producenta. 3

4 Obwody wyjściowe tranzystorowe czujników 3 przewodowe Obwody wyjściowe tranzystorowe czujników 3 przewodowe Wyjścia na tranzystorach bipolarnych NPN lub PNP, maksymalne prądy do 1Adc, maksymalne napięcie zasilania do 30Vdc Wyjście czujnika typu NPN Wyjście czujnika typu PNP 4

5 Obwód wyjściowy tranzystorowy czujnika 2 przewodowy Wyjście czujnika typu AC 5

6 Przykłady czujników przemysłowych Czujniki stykowe (wyłączniki krańcowe) Najprostszym czujnikiem jest element stykowy, który jest zwierany lub rozwierany poprzez połączenie mechaniczne z obiektem. Wyjście jest typu bezpotencjałowego NO, NC lub NO+NC. Przykładem najprostszego czujnika do pomiaru stykowego może być wyłącznik krańcowy. Inne czujniki pomiaru stykowego: pomiar temperatury czujniki PT, termopara pomiar ciśnienia, przepływu - przetworniki ciśnienia pomiar siły i momentu - czujniki tensometryczne, piezorezystancyjne pomiar wielkości geometrycznych - długość, szerokość, wysokość, odległość, przebyta droga itp. - przetworniki liniowe, linkowe, potencjometryczne pomiar kąta obrotu, prędkości, odchylenia od pionu - enkodery, potencjometry, inklinometry 6

7 Wyłączniki krańcowe Wyłączniki krańcowe są to konstrukcje elektromechaniczne od bardzo prostych styków elektrycznych aż po bardzo skomplikowane układy mechaniczne ze stykami elektrycznymi. Wyłączniki krańcowe 7

8 Wyłączniki krańcowe drzwiowe Czujniki optyczne Nadajnik/odbiornik Odbiciowe Pomiarowe Refleksyjne Laserowe Światłowodowe Kontrastu, koloru Szczelinowe 8

9 Czujniki indukcyjne Okrągłe (od M3 do M 47) Prostopadłościowe Szczelinowe Pierścieniowe Wyjście Logiczne analogowe Czujniki zbliżeniowe indukcyjne opracowane na podstawie Czujniki zbliżeniowe indukcyjne są najczęściej stosowanymi czujnikami pośród czujników zbliżeniowych. Stosuje się je najczęściej w aplikacjach, gdzie potrzebne jest wykrycie obecności metalowego elementu w niewielkiej odległości od czujnika. Są odporne na trudne warunki przemysłowe takie jak wysoka temperatura czy ciśnienie. Istnieją także specjalne wykonania odporne na agresywne chemicznie środowiska, posiadające poszerzony zakres temperatur pracy. 9

10 Budowa i zasada działania czujnika zbliżeniowego indukcyjnego Czujnik zbliżeniowy indukcyjny składa się z czterech podstawowych komponentów: cewki, oscylatora, obwodów detekcji i obwodów wyjściowych. Oscylator generuje prąd przemienny, który przepływając przez cewkę umieszczoną wewnątrz jego obudowy wywołuje zmienne pole magnetyczne. Gdy obiekt metalowy przesuwa się przez to pole, generowane są w nim prądy wirowe. Prądy te oddziaływują z kolei na zmianę parametrów drgań oscylatora, zmniejszając w ten sposób amplitudę lub częstotliwość jego drgań. Zmiana ta jest rozpoznawana przez układ detekcji i po przekroczeniu określonego progu aktywowane są obwody wyjściowe. Czujnik taki posiada zazwyczaj pewną niewielką histerez, która zapobiega szybkim zmianom stanu wyjścia w przypadku pojawienia się obiektu na granicy wykrywalności przez czujnik. Budowa czujnika indukcyjnego. 1 - cewka; 2. oscylator; 3,4. obwód detekcji z histerezą; 4, 5 - obwód wyjściowy. Czujnik indukcyjny ekranowany i nieekranowany Czujnik indukcyjny nieekranowany nie posiada ekranu wokół cewki przez co ma większy zasięg od wersji ekranowanej. Generowane pole przez taki czujnik rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach. Powoduje to detekcję obiektów metalowych, które nie znajduję się bezpośrednio w czole działania cewki czujnika. W przypadku czujnika ekranowanego pole magnetyczne jest kierowane wyłącznie w kierunku czoła sensora. Czujnik taki wykrywa obiekty zbliżające się do niego tylko od jego czoła. Podsumowując, zaletą czujnika nieekranowanego jest większy dystans i pole detekcji, okupione jednak kosztem większej wrażliwości na zakłócenia oraz bardziej rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi jego montażu. 10

11 Wpływ rodzaju i kształtu metalu na czułość detekcji czujnika indukcyjnego Czułość czujnika indukcyjnego podawana jest w kartach katalogowych zazwyczaj dla obiektów wykonanych z żelaza. Inne metale takie, jak: stal nierdzewna, aluminium, mosiądz czy miedź inaczej mogą oddziaływać na czujnik. Zazwyczaj dystans detekcji dla tych metali jest mniejszy niż dla żelaza. Materiał Dystans Żelazo D x 1.0 Stal nierdzewna D x 0.8 Mosiądz D x 0.5 Aluminium D x 0.4 Miedź D x 0.3 D - standardowy dystans detekcji czujnika. Na dystans detekcji bardzo duży wpływ ma także przewodność (konduktywność) oraz grubość wykrywanego materiału. Materiały o dużej konduktywności są gorzej wykrywane przez czujniki. Także grubszy materiał powoduje gorszą wykrywalność. Wymienione czynniki wpływają bowiem na prądy wirowe generowane prze pole sensora - im lepsza przewodność materiału i większa jego grubość tym mocniej rozpraszane są prądy wirowe i mniejszy dystans detekcji. Producenci oferują również czujniki specjalne, które pozwalają wykrywać większość metali w tej samej odległości, niezależnie od wielkości obiektu. Są one jednak większe i zazwyczaj droższe od typowych czujników Czujnik indukcyjny wykrywanie elementów niemetalowych Czujniki indukcyjne są też powszechnie stosowane, w aplikacjach, gdzie wykrywane mają być obiekty niemetalowe. Poprzez zainstalowanie różnego rodzaju elementów metalowych, które są montowane na elementach niemetalowych, np. na kartonie, na elementach plastikowych. W ten pośredni sposób nawet przedmioty niewykonane z metalu mogą być wykrywane przez czujnik indukcyjny. 11

12 Wpływ środowiska na pracę czujnika - zakłócenia Środowisko pracy może wpływać na działanie czujnika. Przykładowo zmiana temperatury (zbyt niska lub zbyt wysoka) powoduje zazwyczaj zmianę zasięgu detekcji. Kolejnym problemem, który może zakłócić pracę czujnika są odpady produkcyjne. Metalowy pył lub wióry mogą gromadzić się na powierzchni czujnika lub blisko niego i wpływać na zmianę zasięgu detekcji lub nawet doprowadzić do załączenia sensora na stałe. Zaawansowane sensory mogą posiadać obwody detekcji takich stanów i opowiednio zmieniać poziom czułości. Czujniki takie nazywane są często inteligentnymi (ang. chip-immune, tzn). Podstawowe parametry czujnika indukcyjnego Podstawowe parametry czujników indukcyjnych podawanych w notach katalogowych tyczą się obiektów standardowych (o określonym kształcie, materiale). Wyróżnić można następujące parametry: Dystans detekcji (zadziałania) - dystans przy którym następuje wykrycie obiektu i załączenie wyjścia czujnika Dystans zwolnienia - dystans, przy którym obwody detekcji czujnika stwierdzają brak obiektu w polu detekcji i nastąpi wyłączenie wyjścia czujnika Różnica pomiędzy dystansem detekcji, a zwolnienia nazywana jest histerezą czujnika. Standardowo jest to 3..10%. Histereza zapobiega zbyt szybkim przełączaniom wyjść czujnika przy wibracjach obiektu. 12

13 Montaż czujnika indukcyjnego Ważnym czynnikiem wpływającym na pracę czujnika indukcyjnego jest jego poprawny montaż. Czujnik w obudowie cylindrycznej z gwintem jest najczęściej montowany w metalowym uchwycie lub elemencie nośnym urządzenia. Czujnik ekranowany może być zamontowany tak, że aktywna powierzchnia detekcji (czoło czujnika) jest zrównana z powierzchnią montażu (Rys. A). Zamontowany w ten sposób czujnik jest chroniony przed uszkodzeniami mechanicznymi. A B Czujnik nawet w wykonaniu ekranowanym nie powinien być natomiast wpuszczany w otwór w taki sposób, że jego powierzchnia czołowa zagłębi się w nim (Rys. B). Może to bowiem doprowadzić do ograniczenia jego zasięgu, a najgorszym przypadku do błędnego zadziałania. Montaż czujnika indukcyjnego Czujnik nieekranowany nie może być całkowicie schowany w otworze tak, jak jego odpowiednik w obudowie ekranowanej (Rys. A), ponieważ ze względu na powiększony dystans detekcji jest on bardzo podatny na wpływ otaczających metali. Nieprzestrzeganie tego zalecenia może prowadzić do jego niepoprawnej pracy. By pracował on poprawnie należy w wokoło niego pozostawić wolny obszar o średnicy co najmniej potrojonego dystansu detekcji (Rys. C). C 13

14 Podsumowanie informacji o czujnikach indukcyjnych Czujniki indukcyjne nadają się tylko do wykrywania metali. Najbardziej podatnym na wykrycie metalem jest żelazo, najmniej miedź. Im grubszy materiał tym gorzej jest wykrywany przez czujnik. Czujnik nieekranowany posiada większą czułość (i zasięg detekcji), ale wymaga odpowiedniego zamontowania. Zbyt wysoka lub niska temperatura wpływa na zasięg detekcji. Metalowy pył lub wióry mogą zakłócać pracę czujnika. Czujniki indukcyjne 14

15 CZUJNIKI MAGNETYCZNE (KONTAKTRONY) Czujniki magnetyczne to bezkontaktowe wyłączniki reagujące na pole magnetyczne (np. od magnesu stałego). Są jednym z typowych elementów automatyki przemysłowej (dźwigowej). Ich zaletą jest szeroki zakres napięć przełączania oraz krótki czas odpowiedzi na sygnał. Czujniki te nie wymagają zasilania. Zróżnicowana obudowa pozwala na szeroki zakres zastosowań. Funkcja wyjścia czujnika w zależności od modelu może być NO lub NC. Najprostsze czujki magnetyczne składają się z dwóch elementów: magnesu i kontaktronu. Dopóki kontaktron zostaje w polu magnetycznym, obwód jest zamknięty (styk NO) (lub otwarty styk NC), natomiast kiedy kontaktron znajdzie się poza zasięgiem pola magnetycznego, obwód otwiera się (lub zamyka). Czujniki magnetyczne stosuje się w systemach zabezpieczeń (drzwi, okna itp.) CZUJNIKI MAGNETYCZNE Główne cechy: typ hallotron lub reed wersje z czołową lub obustronną strefą wrażliwości różne rodzaje magnesów wyjście PNP lub stykowe funkcja wyjścia NO lub NC 2 diody sygnalizujące funkcję wyjścia i zasilanie zabezpieczenie przed przeciążeniem zabezpieczenie elektryczne przed zmianą polaryzacji strefa działania w zależności od rodzaju magnesu obudowa z mosiądzu niklowanego niektóre czujniki posiadają dopuszczenie do użytku w strefach zagrożonych wybuchem 15

16 Czujniki pojemnościowe Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe stosowane są do wykrywania elementów z tworzyw sztucznych, szkła, drewna i metalu oraz cieczy i materiałów sypkich. Zastosowanie nowoczesnych technologii umożliwiło budowę czujników o wysokich parametrach eksploatacyjnych, odpornych na agresywne środowiska, wysoką temperaturę i wilgotność. Czujniki pojemnościowe pozwalają na wykrywanie elementów wykonanych z praktycznie dowolnych materiałów, ale zwykle mają mniejszy zasięg niż czujniki indukcyjne, a także charakteryzują się dużą wrażliwością na zabrudzenia i przeszkody pomiędzy nimi a elementami wykrywanymi. Typowo, czujników pojemnościowych używa się do wykrywania przekroczenia poziomu cieczy lub materiał sypki, wykrywania różnych obiektów np. transportowanych na taśmociągu, pomiarów grubości np. drewna lub folii. Czujniki zbliżeniowe i optyczne - technologie i rynek krajowy na podstawie 16

17 17

18 Najpopularniejsze marki zbliżeniowych czujników indukcyjnych i czujników optycznych; wyniki odzwierciedlają opinie przedstawicieli firm biorących udział w raporcie i nie należy ich utożsamiać z wartościami sprzedaży lub udziałem firm w rynku; kategoria "inne" obejmuje w przypadku czujników indukcyjnych m.in.: Aeco, Autonics, Bernstein, Eaton, Impol-1, Infra International, Riko, natomiast w przypadku czujników optycznych m.in.: Aeco, Contrinex, Datalogic, Dimetix, Honeywell, Infra International, Riko, Sensopart 18