Projekt UE Nr MINOS, Realizacja od 2005 do 2007

Transkrypt

1 Mechatronika Moduł 5: Komponenty mechatroniczne Instrukcja (Koncepcja) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Politechnika Wrocławska, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Wrocław, Polska Projekt UE Nr MINOS, Realizacja od 2005 do 2007 Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji przemysłowej. Ten projekt został zrealizowany przy wsparciu finansowym Komisji Europejskiej. Projekt lub publikacja odzwierciedlają jedynie stanowisko ich autora i Komisja Europejska nie ponosi odpowiedzialności za umieszczoną w nich zawartość

2 Partners for the creation, evaluation and dissemination of the MINOS and the MINOS** project. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Zawartość Szkolenia Minos: moduły 1 8 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla): Podstawy/ Kompetencje międzykulturowe, zarządzenie projektem/ Fluidyka / Napędy Elektryczne i Sterowanie / Elementy Mechatroniki/ Systemy i Funkcje Mechatroniki/ Logistyka, Teleserwis, Bezpieczeństwo/ Zdalne Zarządzanie, Diagnostyka Minos **: moduły 9 12 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla): Szybkie Prototypowanie / Robotyka/ Migracja/ Interfejsy Wszystkie moduły dostępne są w następujących językach: Polski, Angielski, Hiszpański, Włoski, Czeski, Węgierski i Niemiecki W celu uzyskania dodatkowych informacji proszę się skontaktować z Chemnitz University of Technology Dr.-Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, Chemnitz phone: + 49(0) fax: + 49(0) minos@mb.tu-chemnitz.de or

3 Komponenty mechatroniczne - Instrukcja Minos 1 Czujniki indukcyjne 1.1 Podstawy teoretyczne Zadanie 1 Co jest źródłem zmiennego pola magnetycznego w czujnikach indukcyjnych? Źródłem zmiennego pola magnetycznego w czujnikach indukcyjnych jest cewka indukcyjna. Jeżeli prąd przepływający przez cewkę zmienia się w czasie, to strumień magnetyczny w cewce też jest zmienny. Jak zmienia się energia zgromadzona w elektrycznych układach rezonansowych LC? W elektrycznych układach rezonansowych LC całkowita energia jest zgromadzona w postaci energii pola magnetycznego cewki indukcyjnej i energii pola elektrycznego naładowanego kondensatora. W każdej chwili suma tych energii jest taka sama. W początkowej fazie cała energia zmagazynowana jest na okładkach naładowanego kondensatora. Po zamknięciu obwodu kondensator zaczyna się rozładowywać,, a w obwodzie rozpocznie płynąć prąd i cała energia kondensatora zostaje zmagazynowana w cewce. Jak wytwarzane są oscylacje w obwodzie LC? Źródłem oscylacji w obwodzie LC jest zjawisko samoindukcji w cewce,, które podtrzymuje słabnący prąd płynący w obwodzie. Ten prąd ładuje kondensator, więc energia jest ponownie przekazywana z cewki do kondensatora. Kondensator zostaje naładowany odwrotnie niż był w poprzednim cyklu i prąd w obwodzie popłynie w przeciwnym kierunku. Te zmiany kierunku i wartości prądu powodują oscylacje pola elektrycznego w kondensatorze i oscylacje pola magnetycznego w cewce. Jak można podtrzymać oscylacje w obwodzie LC? Oscylacje obwodu LC można podtrzymać, zasilając go z zewnętrznego źródła napięciem sinusoidalnym. Jaki jest warunek wystąpienia rezonansu napiec lub prądów w obwodzie LC? Warunkiem wystąpienia rezonansu napięć lub prądów w obwodzie. LC jest, aby częstotliwość źródła podtrzymującego była równa częstotliwości własnej nietłumionego obwodu LC. Wówczas występuje maksymalna amplituda oscylacji. Jakie warunki muszą być spełnione, aby w obwodzie rezonansowym wystąpiły oscylacje? Dla wystąpienia oscylacji wymagane jest spełnienie niezależnie dwóch warunków: fazy i amplitudy. Warunek fazy wymaga, aby napięcie wyjściowe było w fazie z napięciem wejściowym. Warunek amplitudy wymaga, aby wzmacniacz całkowicie kompensował tłumienie wprowadzane przez obwód rezonansowy. 3

4 Minos Komponenty mechatroniczne - Instrukcja 1.2 Konstrukcja podstawowa Zadanie 2 Co stanowi część aktywną czujnika indukcyjnego? Część aktywną czujnika indukcyjnego stanowi cewka nawinięta na ferrytowym rdzeniu kubkowym, wytwarzająca zmienne pole magnetyczne. Zadaniem rdzenia kubkowego, o otwartym obwodzie magnetycznym, jest wzmocnienie strumienia magnetycznego cewki oraz skierowanie go w kierunku strefy pomiarowej czujnika. Jak czujnik indukcyjny ocenia odległość przedmiotu wykrywanego od cewki? Układ elektroniczny czujnika określa odległość przedmiotu od cewki, na podstawie stopnia tłumienia amplitudy i generuje sygnał wyjściowy. Najczęściej jest to sygnał dwustanowy: obiekt jest w zasięgu czujnika lub go nie ma. Może tez być to sygnał analogowy, wówczas jest on odwrotnie proporcjonalny do odległości przedmiotu. Co to jest histereza? Histereza jest różnicą odległości, przy której czujnik reaguje na zbliżanie i oddalanie metalu od jego czoła. Wtedy stan wyjścia zmienia się z OFF na ON lub z ON na OFF. Wartość histerezy zależy od rodzaju i wielkości czujnika i nie przekracza 20% zakresu pomiarowego. Dlaczego wskazane jest, aby czujnik indukcyjny posiadał pewną histerezę? Poza częścią detekcyjną w skład układu elektronicznego czujnika wchodzi komparator z histerezą i układ wyjściowy. Dzięki histerezie unika się zakłóceń, które mogłyby się pojawić na wyjściu czujnika w chwili przełączania oraz w przypadku niestabilnego położenia albo też drgań wykrywanego przedmiotu oraz zakłóceń wywołanych wahaniami napięcia zasilania i temperatury otoczenia. Z jakimi częstotliwościami pracują czujniki indukcyjne? Generatory LC w czujnikach indukcyjnych wytwarzające zmienne pole magnetyczne, są generatorami wysokiej częstotliwości (HF) o typowych zakresach 100kHz 1 MHz. Ze wzrostem średnicy cewki maleje maksymalna częstotliwość pracy czujnika. Jak duży może być zasięg działania czujników indukcyjnych i jakie mają one obudowy? Zasięg działania typowych czujników indukcyjnych nie przekracza 60mm. Czujniki mają zróżnicowane obudowy zarówno cylindryczne metalowe, jak i prostopadłościenne wykonane z tworzyw sztucznych. Umożliwia to optymalne zamocowanie czujników w miejscach pomiaru. 4

5 Komponenty mechatroniczne - Instrukcja Minos Jak charakteryzuje się nominalną strefę działania czujnika? Nominalna strefa działania czujnika S n jest zdefiniowana jako odległość od czoła czujnika, przy której następuje przełączenie obwodu wyjściowego. Właśnie ta wartości podawana jest w danych katalogowych. Dla jakiego przedmiotu podawana jest w katalogach Nominalna strefa działania czujnika? Nominalną strefę działania czujnika wyznacza się zgodnie z Normą EN , dla kwadratowej płytki stalowej (ST37) o boku równym średnicy czujnika i grubości 1mm. Co to jest Rzeczywista strefa działania czujnika? Rzeczywista strefa działania S r ustalana jest w procesie wytwarzania czujnika i może odbiegać nieco od wartości S n. Zwykle mieści się ona w przedziale: 0,9S n S r 1,1S n. Co to jest Robocza strefa działania czujnika? Robocza strefa działania czujnika wyznacza bezpieczny przedział odległości metalu od czujnika, w którym zapewniona jest prawidłowa praca czujnika, niezależnie od ustawionej przez producenta rzeczywistej strefy działania. Zalecaną strefą jest Strefa robocza S a 0.8S n. Od czego zależy zakres działania czujnika indukcyjnego? Zakres działania czujnika zależy od średnicy obudowy, a dokładniej od średnicy cewki i własności rdzenia ferromagnetycznego. Czujniki w małych obudowach mają mniejszą strefę działania niż te o większych gabarytach. Są też wykonania specjalne czujników o zwiększonym zakresie działania. Jaka rolę odgrywają współczynniki korekcyjne w pomiarach czujnikami indukcyjnymi?? Materiały takie jak: złoto, miedź czy aluminium, o większej przewodności elektrycznej niż stal St37 mniej tłumią oscylacje obwodu rezonansowego. Te różnice można skompensować zmniejszając odległość przedmiotu od czujnika. Spowoduje to ograniczenie strefy, w której następuje wykrycie przedmiotu. I tak jeżeli wykrywanym metalem jest mosiądz to strefę działania, wyznaczoną dla przedmiotu ze stali St37 należy skorygować mnożąc ją przez współczynnik korekcyjny dla mosiądzu 0,5 x S n. Jaki wpływ ma konstrukcja czujnika na jego czułość? Są dwie podstawowe konstrukcje czujników w obudowach cylindrycznych: osłonięte - cewka jest schowana wewnątrz tulei, i nieosłonięte - cewka jest wysunięta i umieszczona w kapturku plastikowym. Czujniki nieosłonięte (z wysuniętą cewką) charakteryzują się większą czułością i jednocześnie większą wrażliwością na obecność innych obiektów metalowych w ich otoczeniu niż czujniki osłonięte. 5

6 Minos Komponenty mechatroniczne - Instrukcja Jakie wymagania powinny być spełnione, gdy czujniki osłonięte montowane są blisko siebie? Osłonięty czujnik cylindryczny jest niewrażliwy na otaczające go elementy metalowe z wyjątkiem strefy od strony czoła czujnika. Dlatego czujniki te mogą być osadzane w całości w elementach metalowych. Wolną strefę od strony czoła czujnika wyznacza odległość 3Sn. Aby uniknąć wzajemnej interferencji czujników usytuowanych obok siebie minimalna odległość między nimi powinna być większa od dwóch średnic czujnika. Jakie wymagania powinny być spełnione, gdy czujniki nieosłonięte montowane są blisko siebie? Nieosłonięty czujnik cylindryczny jest wrażliwy na elementy metolowe otaczające go z trzech stron. Dlatego czujnik musi być częściowo wysunięty, aby wolna strefa obejmowała również boczne powierzchnie czujnika. W tym przypadku dla uniknięcia interferencji od sąsiednich czujników, odległość między nimi powinna być większa niż trzy średnice czujnika. Co wyraża maksymalna częstotliwość przełączania wyjścia czujnika? Maksymalna częstotliwość przełączania wyjścia czujnika, podawana w opisie technicznym każdego czujnika, wyraża liczbę przełączeń wyjścia czujnika w ciągu sekundy. Wyznacza się ja przy cyklicznym wchodzeniu i wychodzeniu przedmiotów wykonanych ze stali St37, z pola czułości czujnika. Przy jej wyznaczaniu obowiązują ustalone wymagania techniczne, określone przez normę EN /IEC Jakich należy oczekiwać wartości maksymalnych częstotliwości przełączeń, gdy używa się przedmiotów różnych od płytki wzorcowej? Wynik pomiaru zawsze będzie zależał od wielkości przedmiotu tłumiącego cewkę, odległości od czoła czujnika i szybkości przedmiotu. Używając przedmiot mniejszy od płytki standardowej, dla określonego sensora, albo stosując mniejszą przerwę między występami, można oczekiwać redukcji maksymalnej częstotliwość przełączania wyjścia. 6

7 Komponenty mechatroniczne - Instrukcja Minos 1.3 Specjalne czujniki indukcyjne Zadanie 3 Jaka jest zasada pracy indukcyjnego czujnika pierścieniowego Zasada pracy indukcyjnego czujnika pierścieniowego oparta jest na oscylatorze wysokiej częstotliwości, który wytwarza elektromagnetyczne pole wewnątrz otworu czujnika. Stosuje się w nich rdzenie toroidalne proszkowe o wyższym współczynniku dobroci od rdzeni ferrytowych. Obecność przedmiotu metalowego aktywuje czujnik powodując spadek amplitudy oscylacji. Jest to rozpoznawane przez komparator i po przekroczeniu wartości progowej stan wyjścia jest przełączany. Czy są ograniczenia dotyczące wielkości przedmiotów wykrywanych przez indukcyjny czujnik pierścieniowy? Do zainicjowania czujnika wymagany jest określony poziom tłumienia pola magnetycznego. W przypadku zbyt małych przedmiotów poziom wprowadzanego przez nie tłumienia może okazać się niewystarczający. Z tego powodu dla każdej wielkości czujnika istnieje minimalna długość lub średnica wykrywanego przedmiotu, poniżej której czujnik może nie działać poprawnie. Czy są ograniczenia dotyczące wielkości trajektorii, po której porusza się przedmiot wewnątrz indukcyjnego czujnika pierścieniowego? Zaletą czujników pierścieniowych jest to, że nie wymagają by wykrywany przedmiot poruszał się dokładnie po tej samej trajektorii. Pierścieniowa aktywna powierzchnia czujnika pozwala wykrywać przedmioty niezależnie od ich orientacji w przestrzeni, np. spadające grawitacyjnie wewnątrz rurki plastikowej. Jakie mogą być negatywne skutki oddziaływania silnych pól magnetycznych na czujniki indukcyjne? Umieszczenie czujnika indukcyjnego w strefie działania silnych pól magnetycznych (np. w pobliżu urządzeń spawalniczych) wiąże się z ryzykiem niekontrolowanego przełączania stanu wyjścia czujnika. Może to być wynikiem przejścia rdzenia w stan nasycenia lub indukowania się w cewce dodatkowego napięcia. To dodatkowe napięcie zakłóca pracę oscylatora i również może spowodować przypadkowe przełączenie wyjścia czujnika. Jak można zapobiegać oddziaływaniom silnych pól magnetycznych na pracę czujników indukcyjnych? Czujniki odporne na silne pola magnetyczne muszą posiadać specjalną konstrukcję układu elektronicznego oraz rdzeń o małej przenikalności magnetycznej, które nasycają się w strumieniu magnetycznym o gęstości kilka razy większej niż typowy rdzeń ferrytowy. Najwyższą odporność na działanie zewnętrznych pól magnetycznych maja czujniki całkowicie pozbawione rdzenia. W takich rozwiązaniach cewki nawinięte są na niemagnetycznych szpulach plastikowych. 7

8 Minos Komponenty mechatroniczne - Instrukcja Jak zabezpieczone są czujniki, które muszą pracować w pobliżu miejsca, gdzie odbywa się proces spawania elektrycznego? Procesowi spawania nieodłącznie towarzyszą duże ilości iskier spawalniczych, które mogą uszkodzić obudowę czujnika, a zwłaszcza jego aktywną powierzchnię. Z tego powodu, czujniki przeznaczone do pracy w pobliżu urządzeń spawalniczych, wykonane są zwykle z mosiądzu pokrytego teflonem, a ich powierzchnia czołowa chroniona jest duroplastem, odpornym na działanie wysokiej temperatury. Proszę wymienić przykładowe typy czujników przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach. Mogą to być czujniki odporne na: wysokie ciśnienia, temperatury, środowisko agresywne chemicznie, olej, wilgoć oraz czujniki miniaturowe do pracy w miejscach trudnodostępnych. Jakie cechy powinny posiadać czujniki indukcyjne do pracy w warunkach dużych ciśnień? Czujniki pracujące np. w warunkach dużych ciśnień muszą posiadać wytrzymałą i szczelną obudowę, aby zapobiec uszkodzeniom wewnętrznych elementów elektronicznych. Cewka i rdzeń czujnika powinny byc chronione grubą tarczą np. ceramiczną, odporną na zużycie. Niezbędne są też pewne modyfikacje układu oscylatora, aby mimo grubej tarczy ceramicznej zakres działania czujnika nie był zbyt mały. Jak realizowane jest wyznaczanie kierunku ruch przedmiotu pierścieniowym czujnikiem bistabilnym? Indukcyjny czujnik bistabilny zawiera dwie cewki umieszczone obok siebie, zasilane z dwóch niezależnych generatorów. W danym momencie czasowym może pracować tylko jeden z generatorów. Jeżeli przedmiot zbliża się z lewej strony ku prawej to najpierw tłumieniu ulegnie obwód cewki pierwszej, a następnie drugiej. W przypadku ruchu w kierunku odwrotnym, sytuacja ulega odwróceniu. Analizując wartości prądów płynących przez cewki, układ pomiarowy rozróżnia kierunek ruchu przedmiotu. Jaka jest zasada działania indukcyjnych czujników NAMUR? Czujniki indukcyjne NAMUR są 2-przewodowymi czujnikami, których wewnętrzna rezystancja zmienia się w wyniku wykrycia metalu. Mała rezystancja czujnika odpowiada sytuacji brak przedmiotu metalowego, a duża rezystancja przedmiot metalowy wykryty. Czujniki te współpracują z zewnętrznymi wzmacniaczami. Posiadają one oscylator z wytłumioną cewkę oraz demodulator. Zmiana odległości między przedmiotem wykrywanym a czujnikiem przetwarzana jest na zmianę pobieranego prądu, którą wzmacniacz zewnętrzny zamienia na sygnał dwustanowy. 8

9 Komponenty mechatroniczne - Instrukcja Minos Czym charakteryzują się indukcyjne czujniki NAMUR? Indukcyjne czujniki NAMUR charakteryzują się ściśle określonym obszarem dopuszczalnym prądu wyjściowego, wynoszącym zgodnie z normą EN od 1,2 do 2,1 ma. Wszystkie czujniki NAMUR, zasilane ze wzmacniacza prądu stałego, maja taką samą charakterystykę prądową i cechują się ściśle określoną histerezą przełączania równa 0,2mA. Do jakich warunków szczególnie przystosowane są czujniki NAMUR? Czujniki NAMUR, w połączeniu z iskrobezpiecznym wzmacniaczem przełączającym, mogą pracować w instalacjach przeciwwybuchowych lub w strefach zagrożonych wybuchem (strefa I lub II),. Możliwa jest też współpraca tych czujników ze wzmacniaczami wzmacniacze przekaźnikowe (niespełniającymi norm bezpieczeństwa), lecz wówczas wzmacniacz musi być umieszczony poza strefą zagrożoną wybuchem. Czym różnią się czujniki z wyjściem analogowe od czujników z wyjściem dwu stanowym? W czujnikach z wyjściami dwu stanowymi identyfikowane są tylko stany wykrycia przedmiotu lub jego nie wykrycia. Indukcyjne czujniki z wyjściem analogowym rejestrują natomiast położenie przedmiotu w całym zakresie pomiarowym czujnika. Zmianie położenia przedmiotu z odległości równej S n do zera, odpowiada zmiana sygnału wyjściowego od 0 do 20 ma. Jak zbudowane są indukcyjne czujniki analogowe? Indukcyjne czujniki analogowe składają się z głowicy z cewką, generatora, układu linearyzacji oraz układu wyjściowego o zakresie 0-20mA. 9

10 Minos Komponenty mechatroniczne - Instrukcja 1.4 Zasilanie i łączenie czujników Zadanie 4 Jakie są dopuszczalne wahania napięcia stałego zasilającego czujniki indukcyjne? Czujniki zasilane prądem stałym współpracują najczęściej z zasilaczami, których napięcie wyjściowe jest napięciem tętniącym. Zbyt duże wahania amplitudy chwilowych wartości tego napięcia mogą spowodować nieprzewidywalne zachowanie czujnika indukcyjnego. Dla zapewnienia prawidłowej pracy czujników, wahania napięcia zasilającego muszą być utrzymane w zakresie nieprzekraczającym 10% średniej wartości napięcia zasilania. Jak można się zabezpieczać przed chwilowymi skokami napięcia zasilania czujnika? W celu uniknięcia zbyt dużych skoków napięcia zasilania zalecane jest stosowanie zasilacza stabilizowanego lub większego kondensatora wygładzającego napięcie. W jakich konfiguracjach wykonywane są wyjścia czujników zasilanych prądem stałym? Wyjścia czujników zasilanych prądem stałym wykonywane są w konfiguracji NPN lub PNP. Dla konfiguracji NPN oznacza to, że obciążenie włączane jest pomiędzy wyjściem czujnika a plus (+) zasilania, a dla PNP pomiędzy wyjściem a minus (-) zasilania. Jaka jest różnica pomiędzy czujnikami w wykonaniu NO i NC Czujniki zasilane prądem stałym w konfiguracji PNP i NPN wykonane z funkcją wyjściową NO (normalnie otwarty) włączają. Czujniki z funkcja NC (normalnie zamknięty) wyłączają prąd w obciążeniu dołączonym do wyjścia czujnika. Czy czujniki zasilane prądem przemiennym można podłączać bezpośrednio do źródła zasilania? Czujniki indukcyjne w wersji AC nie mogą być podłączane bezpośrednio do zasilacza prądu zmiennego. Takie podłączenie może spowodować zniszczenie wewnętrznych układów elektronicznych czujnika. Zasilanie tych czujników może nastąpić dopiero po dołączeniu obciążenia połączonego szeregowo z czujnikiem. Czy w obwodach elektrycznych czujnika zasilanego prądem zmiennym może w stanie rozłączonym popłynąć prąd? Tak. Te czujniki oprócz oscylatora, posiadają tranzystor jako wzmacniacz mocy, bezpośrednio połączony w szereg z obciążeniem. Efektem tego jest pozostawanie w obwodzie tzw. prądu upływu, mimo że czujnik znajduje się w stanie rozłączonym. Wymusza to również pewien spadek napięcia zasilania czujnika. 10