Projekt UE Nr 2005-146319 MINOS, Realizacja od 2005 do 2007

Mechatronika Moduł 5-8 Komponenty mechatroniczne Systemy i funkcje mechatroniczne Uruchamianie, bezpieczeństwo, wyszukiwanie błędów Zdalna diagnostyka i onsługa Podręczniki (Koncepcja) Projekt UE Nr 2005-146319 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 www.minos-mechatronic.eu

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 : 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 **: 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, 09107 Chemnitz phone: + 49(0)371 531-23500 fax: + 49(0)371 531-23509 e-mail: minos@mb.tu-chemnitz.de www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch or www.minos-mechatronic.eu

Mechatronika Moduł 5: Komponenty mechatroniczne Podręczniki (Koncepcja) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Politechnika Wrocławska, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Wrocław, Polska Projekt UE Nr 2005-146319 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 www.minos-mechatronic.eu

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Spis treści: 1 Czujniki indukcyjne... 7 1.1 Informacje podstawowe... 7 1.2 Podstawy teoretyczne... 8 1.2.1 Układ rezonansowy... 8 1.2.2 Układ elektroniczny... 10 1.3 Konstrukcja podstawowa... 11 1.3.1 Zasada pracy... 11 1.3.2 Współczynniki korekcyjne... 14 1.3.3 Sposób zabudowy... 15 1.4. Czujniki specjalne... 17 1.4.1 Czujniki indukcyjne pierścieniowe... 17 1.4.2 Czujniki pracujące w silnym polu elektromagnetycznym... 18 1.4.3 Czujniki pracujące w trudnych warunkach... 19 1.5 Rozpoznawanie kierunku ruchu... 20 1.6 Czujniki NAMUR... 21 1.7 Analogowe czujniki indukcyjne... 22 1.8 Zasilanie prądem stałym... 23 1.9 Zasilanie prądem przemiennym (AC)... 24 1.10 Zasady łączenia czujników... 25 1.11 Zabezpieczenia i bezpieczeństwo czujników... 27 1.12 Podłączanie czujników do sieci komunikacyjnych... 28 1.13 Aplikacje... 29 2 Czujniki pojemnościowe... 29 2.1 Informacje podstawowe... 29 2.2 Podstawy teoretyczne... 30 2.3 Zasada działania czujnika pojemnościowego... 32 2.4 Typy czujników pojemnościowych... 35 2.5 Materiał obiektu... 37 2.6 Kompensacja zakłóceń... 39 3

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 2.7 Aplikacje...40 3 Czujniki ultradźwiekowe...42 3.1 Informacje podstawowe...43 3.2 Podstawy teoretyczne...44 3.2.1 Rozchodzenie się fal dźwiękowych w powietrzu...43 3.2.2 Wpływ środowiska...46 3.2.3 Przetworniki fali ultradźwiekowej...47 3.2.4 Wytwarzanie fali ultradźwiękowej...50 3.3 Zasada pracy czujnika ultradźwiekowego...54 3.3.1 Tryb dyfuzyjny...56 3.3.2 Tryb przelotowy...59 3.4 Zakłócenia pracy czujników...61 3.4.1 Czynniki fizyczne...61 3.4.2 Czynniki montażowe...61 3.4.3 Synchronizacja czujników...63 3.5 Specjalne czujniki ultradźwiękowe...64 3.5.1 Czujnik refleksyjny...64 3.5.2 Czujniki z dwoma przetwornikami w jednej obudowie...67 3.6 Czujniki z wyjściem analogowym...69 3.7 Aplikacje...71 4 Czujniki fotoelektryczne...76 4.1 Charakterystyka konstrukcji...76 4.2 Elementy fotoelektryczne...78 4.2.1 Podstawy fizyczne...78 4.2.1.1 Światło...80 4.2.1.2 Własności światła...80 4.2.2 Fotoemitery...82 4.2.2.1 Diody elektroluminescencyjne (LED)...83 4.2.2.2 Diody laserowe (LD)...86 4.2.3 Fotodetektory...88 4.2.3.1 Fotodiody...88 4.2.3.2 Fotodetektory liniowe PSD...91 4.2.3.3 Fotodetektory liniowe CCD...92 4.2.3.4 Fototranzystory...93 4.3 Podstawowe rodzaje czujników...94 4.3.1 Czujnik przelotowy...94 4.3.2 Czujniki refleksyjne...96 4

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 4.3.3 Czujniki dyfuzyjne... 99 4.4 Przetwarzanie sygnału... 101 4.4.1 Źródła zakłóceń interferencyjnych... 101 4.4.2 Zapobieganie interferencji... 103 4.4.2.1 Modulacja światła... 103 4.4.2.2 Polaryzacja światła... 104 4.4.3 Margines działania... 106 4.4.4 Odległość robocza... 109 4.4.5 Czas reakcji... 111 4.5 Specjalne rodzaje czujników... 112 4.5.1 Czujniki refleksyjne z polaryzacją światła... 112 4.5.2 Czujniki dyfuzyjne z eliminacja wpływu tła i pierwszego planu... 113 4.5.3 Czujniki refleksyjne z autokolimacją... 117 4.5.4 Czujniki ze światłowodami... 118 4.5.4.1 Światłowody... 118 4.5.4.2 Zasada działania... 121 4.6 Technika połączeń... 123 4.6.1 Typy połączeń... 123 4.6.2 Przełączanie wyjścia czujnika... 124 4.7 Aplikacje... 127 5 Czujniki magnetyczne... 128 5.1 Informacje podstawowe... 129 5.2 Podstawy teoretyczne... 130 5.2.1 Pole magnetyczne... 129 5.2.2 Kontaktron... 132 5.2.3 Efekt Halla... 134 5.2.4 Efekt magnetorezystancyjny... 135 5.2.5 Efekt Wieganda... 136 5.3 Czujniki magnetyczne z kontaktronem... 137 5.4 Czujniki magnetyczne z hallotronem... 140 5.5. Czujniki magnetyczne specjalne... 141 5.5.1 Czujniki magnetorezystancyjne... 141 5.5.2 Czujniki magnetyczne Wieganda... 142 5.5.3 Czujniki magnetyczne z magnesem... 144 5.6 Warunki zabudowy... 145 5.7 Aplikacje... 147 5

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1 Czujniki indukcyjne 1.1 Informacje podstawowe Czujniki indukcyjne stanowią najpopularniejszą grupę czujników stosowanych w układach automatyki. Wykorzystywane są one do kontroli położenia, przemieszczeń i ruchu mechanizmów związanych ze sterowanymi urządzeniami. Ich prosta i zwarta konstrukcja, duża pewność i niezawodność działania oraz łatwy montaż sprawia, że są chętnie stosowane. Czujniki te reagują, na pojawienie się przedmiotów metalowych w strefie ich działania, przełączeniem stanu wyjścia czujnika lub zmianą wartości sygnału wyjściowego. Podstawowymi składnikami czujnika indukcyjnego są (rys.1.1): głowica zawierająca cewkę indukcyjną z rdzeniem ferrytowym, generator napięcia sinusoidalnego, układ detekcji (komparator) i wzmacniacz wyjściowy. Obwód indukcyjny składający się z cewki i rdzenia ferrytowego wytwarza wokół czoła czujnika zmienne pole elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości. Pole to indukuje prądy wirowe w metalu zbliżanym do czujnika, co z kolei powoduje obciążenie obwodu indukcyjnego i w efekcie spadek amplitudy oscylacji. Wielkość tych zmian zależy od odległości przedmiotu metalowego od czoła czujnika. Przełączenie wyjścia następuje po zbliżeniu metalu na określoną odległość, wynikającą z charakterystyki czujnika. W czujnikach z wyjściem analogowym poziom sygnału wyjściowego jest odwrotnie proporcjonalny do odległości obiektu od czujnika. L C OBIEKT GŁOWICA CZUJNIKA UKŁAD GENERATORA UKŁAD DETEKCJI UKŁAD WYJŚCIOWY Rys. 1.1: Budowa czujnika indukcyjnego 6

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.2 Podstawy teoretyczne 1.2.1 Układ rezonansowy 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. Zmianom tym towarzyszy zawsze zjawisko samoindukcji tzn. powstawanie dodatkowego napięcia w zwojach cewki, przeciwdziałającego zmianom prądu. W elektrycznych układach rezonansowych całkowita energia jest zgromadzona w postaci energii pola magnetycznego E L cewki indukcyjnej i energii pola elektrycznego naładowanego kondensatora E c. W każdej chwili suma tych energii jest taka sama tzn. E = E L + E c = const. (rys. 1.2). W początkowej fazie obwód LC, składający się z cewki L i kondensatora C jest otwarty, a cała energia zmagazynowana jest na okładkach naładowanego kondensatora (1). Po zamknięciu obwodu kondensator zaczyna się rozładowywać i w obwodzie rozpocznie płynąć prąd I zmieniając swoją wartość od zera do I max. Cała energia kondensatora zostanie zmagazynowana w cewce (2). Pomimo, że kondensator jest już całkowicie rozładowany prąd dalej płynie w obwodzie, w tym samym kierunku. Jego źródłem jest zjawisko samoindukcji w cewce, które podtrzymuje słabnący prąd. Ten prąd ładuje kondensator, więc energia jest ponownie przekazywana do kondensatora. Gdy ładunek na kondensatorze osiąga maksimum prąd w obwodzie całkowicie zanika (3). Stan końcowy jest więc taki jak początkowy tylko kondensator jest naładowany odwrotnie i prąd w obwodzie popłynie w przeciwnym kierunku. W obwodzie LC występują zatem oscylacje pola elektrycznego w kondensatorze i oscylacje pola magnetycznego w cewce. I L I + - C L I - + C t E- L E- C E- L E- C L + + - - C L C L - - + + C E=0 L E=E C E=E L E=0 C E=0 L E=E C Rys. 1.2: Oscylacje w obwodzie LC 7

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik W rzeczywistych obwodach LC występują zawsze dodatkowe straty energii, związane z własną rezystancją cewki i kondensatora. Z powodu tych strat oscylacje obwodu z rezystancją RLC będą tłumione (zanikające) (rys. 1.3). Oscylacje obwodu można podtrzymać, zasilając go z zewnętrznego źródła napięciem sinusoidalnym. Maksymalna amplituda oscylacji wystąpi, gdy częstotliwość źródła podtrzymującego będzie równa częstotliwości własnej nietłumionego obwodu LC. f = f = 1 0 2π LC [Hz], gdzie: f częstotliwość zewnętrznego źródła sinusoidalnego, f 0 - częstotliwość własna nietłumionego obwodu LC, L indukcyjność [Henr], C pojemność [Farad]. Jest to warunkiem wystąpienia rezonansu napięć lub prądów w obwodzie. Maksimum amplitudy oscylacji w obwodzie jest tym wyższe im większa jest wartość współczynnika dobroci obwodu. Współczynnik dobroci Q jest miarą strat powstających w elementach L i C, reprezentowanych przez rezystancję równoległą R. Bezstratny obwód miałby w warunkach rezonansu, nieskończenie dużą rezystancję równoległą R. Im większe są straty w obwodzie tym rezystancja równoległa jest mniejsza, a tym samym współczynnik dobroci też jest mniejszy. R Q = 2πfL a) b) c) LC RLC L RLC L L C R C G R C Rys. 1.3: Oscylacje obwodów LC i RLC: a) obwód LC nietłumiony, b)obwód RLC bez źródła zewnętrznego, c) obwód RLC zasilany sinusoidalnym źródłem zewnętrznym 8

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.2.2 Układ elektroniczny W generatorach zawierających układ rezonansowy, składający się z cewki i kondensatora, dla podtrzymania oscylacji stosuje się wzmacniacze operacyjne lub tranzystory. 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. W takim przypadku generator sam dostarcza na wejście sygnał podtrzymujący oscylacje. Spełnienie warunku fazy i amplitudy osiąga się przez odpowiedni podział obwodu LC lub poprzez sprzężenie transformatorowe. Oscylacje napięcia i prądu wytwarzane są w układzie rezonansowym LC zawierającym cewkę i kondensator. Prąd doprowadzany do obwodu LC przekazuje mu część swej energii - doładowując kondensator, a tym samym podtrzymując wzbudzane w tym obwodzie oscylacje. Po ustaleniu się równowagi energii dostarczanej i traconej, amplituda prądu płynącego w obwodzie LC nie zmienia się i jego drgania stają się niegasnącymi. Przykład takiego układu generatora LC przedstawia Rys. 1.4a. Poziom sygnału wyjściowego zależy od współczynnika dobroci Q układu rezonansowego. Mała dobroć istotnie zmniejsza sygnał wyjściowy z układu elektronicznego (rys. 1.4.b). Generatory LC są stosowane do generowania przebiegów o częstości większej od kilkudziesięciu kiloherców. Przy mniejszych częstotliwościach wymagana jest zbyt duża wartość indukcyjności L obwodu rezonansowego. Trudno wówczas uzyskać dużą dobroć obwodu, a cewki osiągają duże wymiary. a) b) +U U D U D Q=10 C 1 C 2 L Q=1 1 2 3 ω 0 Rys. 1.4: Układ elektroniczny: a)generator LC ze wzmacniaczem kompensującym tłumienie w obwodzie, b) poziom sygnału wyjściowego dla różnych wartości Q 9

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.3 Konstrukcja podstawowa 1.3.1 Zasada pracy Część aktywna czujnika indukcyjnego zawiera cewkę nawiniętą na ferrytowym rdzeniu kubkowym, wytwarzającą zmienne pole magnetyczne. Zadaniem rdzenia kubkowego, o otwartym obwodzie magnetycznym, jest wzmocnienie strumienia magnetycznego cewki oraz skierowanie go w kierunku strefy pomiarowej czujnika. Zmianom pola magnetycznego towarzyszy zawsze powstanie pola elektrycznego (wirowego), gdy w tym zmiennym polu znajdzie się przewodnik. Wokół linii pola elektrycznego pojawi się pole magnetyczne wirowe (rys. 1.5). Przeciwdziała ono polu magnetycznemu cewki, odbierając część energii z obwodu rezonansowego. Jest to równoznaczne ze zmianą strat w obwodzie rezonansowym, co powoduje pogorszenie jego dobroci. Skutkuje to tłumieniem amplitudy oscylacji. Tłumienie amplitudy utrzymuje się przez cały czas przebywania obiektu przewodzącego w strefie działania pola magnetycznego cewki. Po usunięciu przedmiotu tłumienie obwodu rezonansowego zanika i amplituda oscylacji powraca do wartości początkowej. Obiekt przewodzący Pole magnetyczne prądów wirowych Pole magnetyczne cewki Uzwojenia cewki Amplituda Amplituda Rdzeń ferromagnetyczny Czas Czas Rys. 1.5: 10 Obiekt metalowy w polu magnetycznym cewki z rdzeniem ferrytowym 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

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik lub go nie ma; rzadziej analogowy odwrotnie proporcjonalny do odległości obiektu od czujnika. Poza częścią detekcyjną w skład układu elektronicznego czujnika wchodzi komparator z histerezą i układ wykonawczy (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. 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 (rys. 1.6). Wartość histerezy zależy od rodzaju i wielkości czujnika i nie przekracza 20% zakresu pomiarowego. Przy jej występowaniu czujnik będzie prawidłowo pracował również wtedy, gdy wykrywany przedmiot znajduje się na granicy strefy działania czujnika. W czujnikach wyposażonych w sygnalizacje stanu wyjścia jest to sygnalizowane świeceniem diody LED. Generatory LC w czujnikach indukcyjnych wytwarzające zmienne pole magnetyczne, są generatorami wysokiej częstotliwości (HF) o typowych zakresach 100kHz 1 MHz. Ze wzrostem średnicy cewki zwiększa się maksymalne obciążenie prądowe, lecz maleje maksymalna częstotliwość pracy czujnika. 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. S n S+ H n H S Metal ON OFF S Rys. 1.6: Histereza czujnika indukcyjnego 11

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Strumień pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę indukcyjną obejmuje pewien ograniczony obszar, który wyznacza maksymalny możliwy zasięg czujnika indukcyjnego. Odległość od czoła czujnika, przy której następuje przełączenie obwodu wyjściowego zdefiniowana jest jako Nominalna strefa działania S n. Właśnie ta wartości podawana jest w danych katalogowych. Wyznacza się ją zgodnie z Normą EN 60947-5-2, dla kwadratowej płytki stalowej (ST37) o boku równym średnicy czujnika i grubości 1mm. Rzeczywista strefa działania S r ustalana w procesie wytwarzania czujnika może odbiegać nieco od wartości S n. Dla nominalnego napięcia zasilania i nominalnej temperatury otoczenia mieści się ona w przedziale: 0,9S n S r 1,1S n. Dla zwiększenia pewności działania czujnika zalecaną strefą jest Strefa robocza S a 0.8S n. Wyznacza ona bezpieczny przedział odległości metalu od czujnika, zapewniając prawidłową pracę w pełnym zakresie zmian temperatury otoczenia i napięcia zasilania, niezależnie od ustawionej przez producenta rzeczywistej strefy działania czujnika. Zakres działania czujnika S n zależy od średnicy obudowy D, a dokładniej od średnicy cewki i własności rdzenia Rys. 1.7). Czujniki w małych obudowach mają więc mniejszą strefę działania niż te o większych gabarytach. Są też wykonania specjalne czujników o zwiększonym zakresie działania. 50 40 Sn [mm] 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 D [mm] Rys. 1.7: 12 Związek pomiędzy średnicą czujnika a nominalną strefą działania standardowych czujników indukcyjnych

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.3.2 Współczynniki korekcyjne Przedmiot wykrywany tłumi oscylacje obwodu rezonansowego w stopniu zależnym od materiału, z jakiego jest wykonany. 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 Sn, wyznaczoną dla przedmiotu ze stali St37 należy skorygować mnożąc ją przez współczynnik korekcyjny dla mosiądzu 0,5 x S n Rys. 1.8). Wpływ na czułość czujnika ma też jego konstrukcja. Są dwie podstawowe konstrukcje czujników w obudowach cylindrycznych: - osłonięte - cewka indukcyjna obwodu rezonansowego jest schowana wewnątrz tulei tak, że czołem czujnika jest brzeg metalowej tulei - nieosłonięte - cewka jest wysunięta i umieszczona w dodatkowym kapturku plastikowym. Czujniki z wysuniętą cewką charakteryzują się większą czułością i jednocześnie większą wrażliwością na obecność innych obiektów metalowych w ich otoczeniu. stal St37 chrom - 0,90* Sn stal nierdzewna-0,75* Sn S n mosiądz - 0,50* Sn aluminium - 0,40* Sn złoto - 0,22* Sn Rys. 1.8: Skorygowane zakresy działania czujnika indukcyjnego dla różnych materiałów przedmiotu wykrywanego 13

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.3.3 Sposób zabudowy Spełnienie zaleceń montażowych pozwala uniknąć występowania zakłóceń w pracy czujników, powodowanych tłumiącym działaniem środowiska otaczającego czujnik lub wzajemną interferencją pomiędzy czujnikami. Wielkość i kształt wymaganej wolnej strefy (Free zone) w pobliżu czujnika zależy od jego strefy działania, konstrukcji i wielkości wykrywanego przedmiotu (rys. 1.9a). Obudowy cylindryczne w postaci metalowych tulei rzutują bezpośrednio na średnicę osadzanych w nich rdzeni i cewek indukcyjnych. Efektem tego jest silny związek pomiędzy średnicą obudowy a strefą działania czujnika oraz wymaganą wolną strefą, w której nie może znajdować się żaden przedmiot metalowy z wyjątkiem przedmiotu wykrywanego. Czujniki o konstrukcji osłoniętej charakteryzują się większą strefą działania niż czujniki nieosłonięte, więc wolna strefa wokół nich musi być też większa. 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 (rys. 1.9b). Aby uniknąć wzajemnej interferencji czujników usytuowanych obok siebie minimalna odległość między nimi powinna być większa od dwóch średnic D czujnika. Nieosłonięty czujnik cylindryczny jest wrażliwy na elementy metalowe 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 3xD. a) b) 3S n Obiekt wykrywany 3S n 2S n Odległość Y [mm] X Y 2D D 3D 1.5D 0 0 Odległość X [mm] 8S n Rys. 1.9: Czujniki indukcyjne z osłoniętą i nieosłoniętą cewką: a) charakterystyki, b) zalecenia montażowe 14

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik W opisie technicznym każdego czujnika podawana jest maksymalna częstotliwość przełączania wyjścia, charakterystyczna dla danego czujnika. Wyraża ona liczbę przełączeń wyjścia czujnika w ciągu sekundy, przy cyklicznym wchodzeniu i wychodzeniu przedmiotów wykonanych ze stali St37, z obszaru działania czujnika. Przy jej wyznaczaniu obowiązują ustalone wymagania techniczne, określone przez normę EN 50 010/IEC 60947-5-2. Wymagania dotyczą wymiarów wykrywanego przedmiotu, odległości od czujnika oraz stosunku długości przedmiotu do długości przerwy między przedmiotami. Przedmioty ze stali St37, o wymiarach standardowej płytki kwadratowej o boku równym średnicy obudowy czujnika i grubości 1mm, powinny być osadzone w elemencie z materiału nieprzewodzącego. Odległość czujnika od takiego przedmiotu powinna być równa połowie jego strefy nominalnej S n (rys. 1.10). Metoda pomiaru wg EN 50010 bazuje na znajomości stosunku długości przedmiotu do długości przerwy między przedmiotami równego 1:2. Odległość taka gwarantuje brak oddziaływania sąsiednich przedmiotów na własności pola magnetycznego czujnika. Maksymalna częstotliwość przełączania wyjścia f obliczana jest z zależności: f = 1 /(t1 + t2) gdzie: t1 czas potrzebny na przebycie drogi równej długości płytki standardowej, t2 czas potrzebny na przebycie drogi równej odległości między kolejnymi płytkami. 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 częstotliwości przełączania wyjścia. 2D S/2 n D D D U D t 1 t 2 t t 1 Rys. 1.10: Wymagania narzucone przez normę EN 50010 przy wyznaczaniu maksymalnej częstotliwości przełączeń wyjścia czujnika indukcyjnego 15

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.4 Czujniki specjalne 1.4.1 Czujniki indukcyjne pierścieniowe W indukcyjnych czujnikach pierścieniowych obszar aktywny znajduje się wewnątrz pierścieniowej obudowy czujnika (rys. 1.11a). Te czujniki są zaprojektowane tak, aby wykrywać metalowe przedmioty przechodzące przez otwór w czujniku. Z uwagi na swoją konstrukcję są przystosowane zwłaszcza do wykrywania i zliczania małych przedmiotów metalowych, takich jak: śruby, nakrętki, wkręty, lub inne małe elementy metalowe przechodzące przez otwór pierścienia. Obudowy tych czujników są plastikowe. Zasada pracy takiego czujnika 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. Strefa działania czujnika zależy od średnicy otworu czujnika oraz wielkości i rodzaju wykrywanego metalu. 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 (rys. 1.11b). 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. a) b) Minimalna średnica/długośc przedmiotu [mm] 25 średnica 20 długość 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 Średnica otworu czujnika [mm] Rys. 1.11: 16 Czujnik indukcyjny pierścieniowy: a) widok, b) związek między wielkością czujnika a minimalną wielkością wykrywanego przedmiotu

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.4.2 Czujniki pracujące w silnym polu elektromagnetycznym Procesami, którym towarzyszą silne pola elektromagnetyczne są procesy spawalnicze, wymagające dużych prądów do ich realizacji. Prąd ten, płynąc przez przewody elektryczne oraz oprzyrządowanie spawalnicze, wytwarza wokół nich zmienne pole magnetyczne o dużym natężeniu. Umieszczenie w tej strefie czujnika indukcyjnego wiąże się z ryzykiem niekontrolowanego przełączania stanu wyjścia, w wyniku oddziaływania pola magnetycznego na stopień nasycenia rdzenia. Drugim negatywnym efektem oddziaływania silnych pól magnetycznych jest indukowanie się w cewce dodatkowego napięcia. To dodatkowe napięcie zakłóca pracę oscylatora i może spowodować przypadkowe przełączenie wyjścia czujnika. Ponadto 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. Czujniki takie, aby zapobiegać przypadkom fałszywych aktywacji, muszą posiadać specjalną konstrukcję układu elektronicznego oraz rdzeń o małej przenikalności magnetycznej (Rys.1.12). Rdzenie takie wykonane ze specjalnego spieku żelaznego nasycają się dopiero w strumieniu magnetycznym o gęstości kilka razy większej niż typowy rdzeń ferrytowy. Powoduje to większą odporność czujnika na interferencję od zewnętrznych pól magnetycznych, poprzez lepsze skupiania i odpowiednie skierowanie własnego pola magnetycznego cewki. Najwyższą odporność na działanie zewnętrznych pól magnetycznych mają czujniki całkowicie pozbawione rdzenia, który w tradycyjnych czujnikach koncentrował wokół siebie zewnętrzny magnetyzm. W takich rozwiązaniach cewki nawinięte są na niemagnetycznych szpulach plastikowych. Szpula plastikowa Cewka Rdzeń o małej przenikalności Rys. 1.12: Cewki czujników indukcyjnych odpornych na silne pola magnetyczne 17

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.4.3 Czujniki pracujące w trudnych warunkach Stosowanie standardowych czujników w środowisku o niestandardowych parametrach zawsze stwarza możliwość wystąpienia zakłóceń w ich pracy, a nawet trwałego uszkodzenia. Przystosowanie czujników do pracy w specyficznych warunkach wymaga zwykle zastosowania specjalnych materiałów na obudowy, zwiększenia niektórych wymiarów, opracowania specjalnych technologii montażu czujników, zapewnienia poprawnych warunków pracy układom elektronicznym przez ich zabezpieczenie lub zmianę konstrukcji. Dostosowując się do potrzeb producenci czujników proponują między innymi: - czujniki odporne na temperatury do 200 st C, - czujniki odporne chemicznie, - czujniki odporne na olej, - czujniki do pracy w wilgotnym środowisku, - czujniki miniaturowe o głowicach od 3-5mm. Czujniki pracujące np. w warunkach dużych ciśnień muszą posiadać wytrzymałą i szczelną obudowę, aby zapobiec uszkodzeniom wewnętrznych elementów elektronicznych. Od czoła cewka i rdzeń są chronione grubą tarczą ceramiczną, odporną na zużycie. Wymuszone konstrukcją odsunięcie cewki od czoła czujnika skutkuje jednak zmniejszeniem zakresu jego działania. Aby temu zapobiec niezbędne jest dokonanie odpowiednich modyfikacji układu oscylatora. Oscylator taki pozwalałby w normalnych warunkach uzyskiwać zakres działania znacznie większy niż w czujnikach standardowych. Dobrą szczelność czujnika uzyskuje się poprzez cieplne połączenie ceramicznego czoła czujnika z metalową obudową ze stali nierdzewnej. Podgrzana obudowa jest nasadzana na tarczę ceramiczną i stygnąc zaciska się wokół niej, tworząc wytrzymałe i szczelne połączenie. 18

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.5 Rozpoznawanie kierunku ruchu Współpracująca para czujników indukcyjnych może posłużyć do detekcji kierunku ruchu obrotowego lub liniowego. W przypadku ruchu obrotowego, elementem wymuszającym przełączenie stanu wyjścia czujnika może być np. koło zębate (rys. 1.13). Sygnały z czujników indukcyjnych podawane są na układ dyskryminatora fazy (układu wyznaczającego przesunięcie fazowe pomiędzy przebiegiem 1 i 2). W przypadku ruchu w lewo sygnał 1 poprzedza sygnał 2 na osi czasu i wówczas ustawiane jest wyjście L. Wyjście to sygnalizuje ruch w lewo. Przy ruchu w prawo występuje sytuacja odwrotna tj. sygnał 2 poprzedza sygnał 1 i wówczas w dyskryminatorze ustawiane jest wyjście R, co oznacza ruch w prawo. Podobnie realizowane jest wyznaczenie kierunku ruchu liniowego z pomocą pierścieniowego czujnika bistabilnego. Czujnik ten zawiera dwie cewki umieszczone obok siebie, zasilane z dwóch niezależnych generatorów. Konstrukcja czujnika zapewnia zróżnicowanie prądów płynących przez cewkę pierwszą i drugą. 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 obiektu. U 1 U 2 t t U 1 U 2 t t Rys. 1.13: Rozpoznawanie kierunku ruchu dwoma czujnikami standardowymi i czujnikiem bistabilnym 19

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.6 Czujniki 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. Czujniki NAMUR charakteryzują się ściśle określonym obszarem dopuszczalnym prądu wyjściowego, wynoszącym zgodnie z normą EN 60947-5-6 (dawniej EN 50227) od 1,2 do 2,1 ma (rys. 1.14). Wszystkie czujniki NAMUR, zasilane ze wzmacniacza prądu stałego, maja taką samą charakterystykę prądową i cechują się ściśle określoną histerezą przełączania równa 0,2mA. Składają się one z oscylatora mającego wytłumioną cewkę oraz demodulatora. Zmiana odległości między przedmiotem wykrywanym a czujnikiem przetwarzana jest na zmianę pobieranego prądu, którą wzmacniacz zewnętrzny zamienia na sygnał dwustanowy. Czujniki NAMUR mogą pracować w instalacjach przeciwwybuchowych lub w strefach zagrożonych wybuchem (strefa I lub II), tylko w połączeniu z iskrobezpiecznym wzmacniaczem przełączającym. Możliwa jest też współpraca tych czujników ze wzmacniaczami niespełniającymi norm bezpieczeństwa (wzmacniacze przekaźnikowe), lecz wówczas wzmacniacz musi być umieszczony poza strefą zagrożoną wybuchem. Prąd w obwodzie czujnika mniejszy od 0,15mA traktowany jest przez wzmacniacz zewnętrzny jako brak sygnału, a prąd większy od 6mA jako zwarcie w czujniku. a) b) 5 I<=6mA - maksymalny prąd + Prąd [ma] 4 3 2 1 Brak tłumienia 2,1mA Obszar dopuszczalny 1,2mA Tłumienie Rozłączenie S [mm] L 1 L 2 _ Rys. 1.14: Czujnik typu NAMUR a) charakterystyka, b) obwód elektryczny 20

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.7 Analogowe czujniki indukcyjne Inaczej niż w konwencjonalnych czujnikach, w których rejestrowane są tylko stany wykrycia przedmiotu lub jego nie wykrycia, indukcyjne czujniki z wyjściem analogowym rejestrują 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. Czujniki z wyjściem analogowym działają w podobny sposób jak czujniki zbliżeniowe. Zmienne pole magnetyczne emitowane przez układ rezonansowy jest tłumione przez metalowy przedmiot znajdujący się w polu działania czujnika. Tłumienie to staje się silniejsze w miarę zbliżania się przedmiotu do czoła czujnika. Specjalnie zaprojektowany oscylator pozwala tłumić obwód rezonansowy wraz ze zmianą odległości, czyli ze zmianą współczynnika dobroci. Przetworzone zostaje to na sygnał wyjściowy, który dzięki układowi linearyzacji jest w przybliżeniu liniowy (rys. 1.15). Krzywe i liczby na wykresie oparte są na przedmiocie ze stali St37, ponieważ ta stal daje największy zasięg wykrywania. Dla metali o innej przenikalności magnetycznej należy posłużyć się właściwymi dla nich współczynnikami korekcyjnymi. Większość obecnie dostępnych czujników ma praktycznie liniową charakterystykę w całym zakresie pomiarowym (obszar zaznaczony na rysunku). L C I = 0-20mA A GŁOWICA CZUJNIKA UKŁAD GENERATORA Al UKŁAD LINEARYZACJI St 37 UKŁAD WYJŚCIOWY Prąd [ma] 0 1 2 3 4 5 6 S [mm] Rys 1.15: Analogowy czujnik z wyjściem indukcyjnym 21

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.8 Zasilanie prądem stałym 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, wahania napięcia zasilającego muszą być utrzymane w zakresie nieprzekraczającym 10% średniej wartości napięcia zasilania (rys. 1.16a). Spełniony musi być zatem warunek: U ss 0.1U D Podany zakres nie może zostać przekroczony nawet przez chwilowy skok napięcia U ss. W celu uniknięcia tego zjawiska zalecane jest stosowanie zasilacza stabilizowanego lub większego kondensatora wygładzającego napięcie. Wyjścia czujników zasilanych prądem stałym wykonywane są w konfiguracji NPN lub PNP. Dla konfiguracji NPN oznacza to, że obciążenie R L włączane jest pomiędzy wyjściem czujnika a plus (+) zasilania U, a dla PNP pomiędzy wyjściem a minus (-) zasilania U. Każde z tych dwóch typów wyjść wykonywane jest z funkcją wyjściową NO (normalnie otwarty) lub funkcją NC (normalnie zamknięty). Część czujników wykonywana jest także z funkcją wyjściową NP (komplementarną), o dwóch niezależnych wyjściach NO i NC. Sposób przyłączenia obciążenia tych czujników pokazano na Rys. 1.16b. a) b) U U ss NPN + R L - U D U ss <= 0.1Uśr t PNP + R L - Rys. 1.16: Zasilanie czujników indukcyjnych prądem stałym a) napięcie zasilania, b) przyłączanie obciążenia R L do czujnika 22

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.9 Zasilanie prądem przemiennym (AC) Czujniki indukcyjne w wersji AC nie mogą być podłączane bezpośrednio do zasilacza prądu zmiennego (rys. 1.17). Takie podłączenie może spowodować zniszczenie wewnętrznych układów elektronicznych czujnika. W przypadku czujników zasilanych prądem przemiennym, łączy się je szeregowo z obciążeniem R L. Typowy układ pracy takiego czujnika przedstawia rys. 1.17. Stosowanie czujników dwuprzewodowych, zasilanych prądem przemiennym wiąże się z wystąpieniem dodatkowych wymagań i ograniczeń stawianych zewnętrznym obwodom elektrycznym. Oprócz oscylatora, 2-przewodowe czujniki prądu zmiennego posiadają tranzystor jako wzmacniacz mocy. Te czujniki są bezpośrednio połączone w szereg z obciążeniem. Efektem tego jest pozostanie w obwodzie pewnego prądu (prądu upływu), mimo że czujnik znajduje się w stanie rozłączonym. Wymusza to również pewien spadek napięcia zasilania czujnika. Zjawiska te są szczególnie istotne przy szeregowym i równoległym łączeniu tych czujników. Dobierając warunki zasilania czujników prądu zmiennego należy bezwzględnie przestrzegać, podawanych przez ich producentów, wartości prądu obciążenia, zarówno maksymalnego jak i minimalnego. NIEPRAWIDŁOWO PRAWIDŁOWO R L Rys.1.17: Zasilanie czujników napięciem przemiennym 23

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.10 Zasady łączenia czujników Szeregowe lub równolegle łączenie kilku czujników stwarza możliwość realizacji różnych strategii funkcjonowania urządzeń, które mogą być włączone w obwodzie zewnętrznym jako obciążenie (Rys.1.18). W wyniku odpowiedniego łączenia czujników mogą być realizowane funkcje logiczne, takie jak AND, OR lub NOR. Funkcja logiczna AND gwarantuje, że sygnał wyjściowy z grupy czujników pojawi się tylko wtedy, gdy każdy czujnik w grupie zmieni stan swojego wyjścia z OFF na ON. Funkcja NOR powoduje przerwanie obwodu zasilającego obciążenie R L, które nastąpi tylko wtedy, gdy wszystkie czujniki w grupie zmienią swój stan z ON na OFF. Grupy czujników o różnych funkcjach wyjściowych mogą być łączone szeregowo w celu realizacji innych zależności logicznych. Maksymalna liczba połączonych szeregowo czujników zależy od wielkości napięcia zasilania, spadków napięć na wyjściu czujników i parametrów dołączonego obciążenia. Napięcie zasilania układu, pomniejszone o sumę spadków napięć na wyjściu czujników, musi być zawsze wyższe od minimalnego napięcia pracy przy dołączonym obciążeniu. DC + + - DC/AC (+) +/- N - + (+) - + R L (+) - R L Rys 1.18: 24 Łączenie szeregowe czujników w grupy (funkcja logiczna AND)

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Funkcja OR powoduje pojawienie się sygnału wyjściowego, gdy chociaż jeden czujnik w grupie zmieni stan swojego wyjścia. Realizują ją grupy czujników połączone równolegle (Rys.1.19). Dla równolegle połączonych czujników trójprzewodowych zasilanych prądem stałym nie ma istotnych ograniczeń ilościowych. Można równolegle łączyć wyjścia nawet kilkunastu czujników, niezależnie od typu funkcji wyjściowej. W przypadku połączenia równoległego czujników dwuprzewodowych, prądy upływu wszystkich czujników w grupie mogą się sumować, co niekorzystnie wpływa na poprawność pracy układu. Z tego względu raczej nie zaleca się równoległego łączenia czujników dwuprzewodowych, chociaż nie wyklucza się takiej możliwości. Maksymalna ich liczba w grupie zależy od rodzaju obciążenia oraz sumy prądów upływu płynących przez obwód wyjściowy czujników. DC + + - DC + + - AC - - R L + R L + R L - - + + - - Rys 1.19: Łączenie równoległe czujników w grupy (funkcja logiczna OR) 25

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.11 Zabezpieczenia i bezpieczeństwo czujników Jedną z ważniejszych cech czujników jest możliwość zabezpieczania się przed błędami instalacyjnymi i awariami podczas eksploatacji. Służą do tego elementy zabezpieczeń elektrycznych, chroniących układy wewnętrzne czujnika. W większości czujników stałoprądowych wyjścia zabezpieczone są przed skutkami następujących niepożądanych zjawisk lub działań: - odwrotnego podłączenia napięcia zasilania, - przepięć na wyjściu, powstających przy wyłączaniu obciążeń, - wystąpieniem krótkich i niecyklicznych impulsów od strony zasilania, - przekroczenia dopuszczalnego prądu wyjściowego lub zwarcia. Zwarcia w obwodzie elektrycznym z czujnikami stałoprądowymi nie powodują uszkodzenia czujnika. Mogą one występować wielokrotnie i przez dłuższy okres czasu. Podczas zwarcia nie działają diody w czujniku, a po jego usunięciu czujnik pracuje poprawnie. Czujniki w obudowach metalowych, jeśli są zasilane napięciami niebezpiecznymi dla zdrowia człowieka, wymagają dodatkowego przewodu uziemiającego. Kiedy czujnik zbliżeniowy jest w stanie niewłączonym (OFF), w obwodzie pojawia się prąd upływu (Rys.1.20). Może to spowodować jego nieprawidłową pracę czujnika, np. trwałe pozostawanie w stanie OFF. Aby zapobiec takim zjawiskom stosuje się dodatkowy rezystor R P, włączony równolegle do obciążenia. Odprowadza on prąd upływu tak, aby prąd płynący przez obciążenie był mniejszy niż minimalna wartość prądu wymagana przez obciążenie. Wartość rezystancji R P i moc P tego rezystora można wyznaczyć z zależności: R P =U/I min P=U 2 /R P Prąd upływu [ma] 1.5 1.0 0.5 0 100 200 Napięcie zasilania [V] R L R P Rys 1.20: 26 Prąd upływu w obwodzie z czujnikiem indukcyjnym zasilanym prądem przemiennym

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.12 Podłączanie czujników do sieci komunikacyjnych Sieci komunikacyjne są najnowocześniejszym rozwiązaniem komunikacji między czujnikami a urządzeniami sterującymi. Zastępują one dotychczas stosowane rozwiązania klasyczne, charakteryzujące się dużą liczbą przewodów, prowadzonych często na znaczne odległości do układów sterujących. Koncepcja zastosowania rozwiązań sieciowych polega na zbieraniu sygnałów przez urządzenia pośrednie, stanowiące węzły sieci i przesyłaniu ich przy użyciu magistrali do jednostki nadrzędnej (Rys.1.21). Pozwala to: - znacznie obniżyć koszty, - zwiększyć odległość między czujnikiem i sterownikiem, - przesyłać dane dotyczące kalibracji i charakterystyki czujnika. Największą popularnością cieszą się sieci otwarte, czyli takie, które pozwalają na wymianę informacji między urządzeniami różnych dostawców według standaryzowanych zasad. Najczęściej wykorzystywane standardy przemysłowe (protokoły komunikacji) to: Ethernet, Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN, AS-I. Dzięki sieciom powstają rozproszone systemy sterowania, pozwalające przenieść część procesu przetwarzania sygnałów na niższe poziomy sytemu, czyli bliżej procesu. Podstawowymi urządzeniami sieciowymi są moduły wejść/wyjść (I/O) wyposażone w interfejsy do określonych typów sieci. Moduł jest widziany przez jednostkę nadrzędną pod jednym adresem sieciowym i pozwala na transmisję danych z dużą prędkością. Jest to szczególnie istotne dla sieci na poziomie urządzeń i czujników, gdzie realizowane jest często złożone przetwarzanie sygnałów, a czasy podejmowania decyzji muszą być krótkie. PLC Analogowe i cyfrowe moduły I/O PLC Karta AS-I Kabel wieloprzewodowy Skrzynka przyłączeniowa Kabel 3-przewodowy: zasilanie, sygnał, GND Kabel 2-przewodowy Skrzynka przyłączeniowa AS- I Rys 1.21: Uproszczona struktura systemu komunikacji bez sieci i z siecią 27

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 1.13 Aplikacje Rys. 1.22: Wykrywanie złamania wiertła i obiektów na taśmie Rys. 1.23: Kontrola ciągłości drutu 28

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 2. Czujniki pojemnościowe 2.1 Informacje podstawowe Czujniki pojemnościowe wykorzystują pole elektryczne do wykrywania obiektów znajdujących się w zasięgu ich działania. W odróżnieniu od czujników indukcyjnych mogą one, oprócz obiektów metalowych wykrywać, obiekty nieprzewodzące np. tworzywa sztuczne. Czujnik pojemnościowy jest także w stanie reagować na obiekty znajdujące się za nieprzewodzącą warstwą, co czyni go klasycznym czujnikiem do wykrywania obecności płynów czy granulatu poprzez ścianki pojemnika. Są one używane zazwyczaj jako czujniki zbliżeniowe, choć mogą generować również sygnał proporcjonalny do odległości przedmiotu od czoła czujnika. Odległość działania tych czujników jest stosunkowo mała, w zakresie do 30mm, chociaż zdarzają się one w wykonaniu specjalnym do 60mm. Reagują one przełączeniem stanu wyjścia ON/OFF lub OFF/ON wówczas, gdy w polu elektrycznym czujnika, wystarczająco blisko jego czoła, pojawi się przedmiot metalowy lub dielektryk. Głównymi składnikami czujnika pojemnościowego są: głowica z elektrodami, potencjometr P, oscylator, układ detekcji i układ wyjściowy (rys. 2.1). Aktywnymi elementami czujnika pojemnościowego są dwie metalowe elektrody, tworzące kondensator otwarty. Gdy obiekt zbliża się do czujnika to jego pojemność zmienia się. Całkowita pojemność kondensatora, od której zależy poziom sygnału wyjściowego, jest sumą podstawowej pojemności czujnika i zmiany pojemności, spowodowanej działaniem obiektu wykrywanego. OBIEKT S ELEKTRODY CZUJNIKA P GŁOWICA CZUJNIKA UKŁAD OSCYLATORA UKŁAD DETEKCJI UKŁAD WYJŚCIOWY Rys. 2.1: Schemat blokowy czujnika pojemnościowego 29

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 2.2 Podstawy teoretyczne Kondensator w podstawowej swojej formie ma dwie elektrody A i B, umieszczone na przeciw siebie (rys.2.2a). Kondensator otwarty uzyskuje się umieszczając te elektrody w jednej płaszczyźnie (rys.2.2b). Wprowadzając dodatkową elektrodę pośrednią C o grubości 0, pomiędzy elektrody A i B, można otrzymać dwa kondensatory połączone szeregowo. Podobnie jest w kondensatorze otwartym, w którym elektroda pośrednia dzieli pole elektryczne na dwa pola skierowane przeciwnie. Pojemności tych kondensatorów są takie same i można je opisać wzorem: ε C r ε = os d gdzie: C - pojemność kondensatora, S - powierzchnia elektrod, ε o - stała elektryczna (dla próżni lub powietrza), ε r stała dielektryczna materiału wypełniającego kondensator, d odległość pomiędzy elektrodami. a) b) U B U/2 0 ε 0 C A d/2 U/2 ε 0 ε 0 ε 0 d/2 0 U A C B d/2 Rys. 2.2: Układ elektrod w kondensatorze: a) kondensator z elektrodami A i B umieszczonymi naprzeciw siebie, b) kondensator otwarty z elektrodami A i B położonymi w jednej płaszczyźnie 30

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Obiekt przewodzący, umieszczony w polu elektrostatycznym kondensatora otwartego, staje się sam elektrodą pośrednią C, a pojemność takiego układu jest zawsze większa od pojemności kondensatora bez elektrody pośredniej (rys. 2.3a). Obiekty nieprzewodzące (izolatory) umieszczone w polu elektrostatycznym kondensatora otwartego zwiekszają jego pojemność, proporcjonalnie do stałej dielektrycznej izolatora (rys 2.3b). Wynika to z tego, że pojemność początkowa kondensatora otwartego związana jest z przenikalnością powietrza, a stałe dielektryczne cieczy czy ciał stałych są zawsze większe od stałej dielektrycznej powietrza (ε powietrza =1) a) MATERIAŁ PRZEWODZĄCY C A + C B A + - B AC CB b) MATERIAŁ NIEPRZEWODZĄCY ε r A + ε r B A + - B Rys 2.3: Pole elektryczne w kondensatorze otwartym dla materiałów przewodzących i nieprzewodzących 31

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 2.3 Zasada działania czujnika pojemnościowego W celu wytworzenia symetrycznego pola elektrycznego, elektroda zewnętrzna B musi mieć kształt pierścienia, koncentrycznego z cylindryczną elektrodą A (rys. 2.4). Rolę elektrody pośredniej C, aktywującej czujnik, pełni obiekt wykrywany. Za aktywną płaszczyznę czujnika przyjmuje się zewnętrzną średnićę pierścienia B. Pojemność takiego czujnika, maleje hiperbolicznie wraz z oddalaniem się przedmiotu wykrywanego. Element wykrywany C U/2 Powierzchnia czujnika B 0 U A ε 0 0 B s Rys. 2.4: Układ pól elektrycznych w głowicy czujnika pojemnościowego 32

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Struktura pojemnościowa czujnika zależy od rodzaju wykrywanego obiektu i jego uziemienia. Obiekty nieprzewodzące, takie jak tworzywa, papier czy szkło, zwiększają tylko pojemność własną czujnika, poprzez oddziaływanie na jego stałą dielektryczną (rys.2.5a) Wzrost tej pojemności, uzależniony od wartości stałe dialektycznej obiektu, jest jednak niewielki i dlatego odległość działania jest również mała. W przypadku obiektów przewodzących nieuziemionych tworzą się dwa dodatkowe kondensatory ułożone szeregowo, jeden między obiektem a elektrodą czujnika i drugi między obiektem a elektrodą zewnętrzną (rys.2.5b). Odległość działania czujnika jest w tym przypadku większa. Największą odległość działania uzyskuje się, gdy obiekt wykrywany jest przewodnikiem i jednocześnie jest uziemiony. Wówczas dodatkowa pojemność, między obiektem i elektrodą, tworzy połączenie równoległe z pojemnością własną czujnika (rys.2.5c). a) OBIEKT ε r S ELEKTRODA CZUJNIKA ELEKTRODA ZEWNĘTRZNA ε r ELEKTRODA CZUJNIKA ELEKTRODA ZEWNĘTRZNA b) OBIEKT S S ELEKTRODA CZUJNIKA ELEKTRODA ZEWNĘTRZNA S S ELEKTRODA CZUJNIKA ELEKTRODA ZEWNĘTRZNA c) OBIEKT S ELEKTRODA CZUJNIKA ELEKTRODA ZEWNĘTRZNA 2 S ELEKTRODA CZUJNIKA ELEKTRODA ZEWNĘTRZNA Rys 2.5: Struktura pojemnościowa czujnika dla obiektu: a) nieprzewodzącego, b) przewodzącego nieuziemionego, c) przewodzącego uziemionego 33

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik Elektrody A i B są sprzężone z oscylatorem o dużej częstotliwości (rys. 2.1). W przypadku braku obiektu w polu elektrycznym czujnika oscylator nie pracuje. Gdy obiekt wchodzi w pole wywołane przez elektrody następuje uruchomienie oscylatora poprzez wzrost pojemności między elektrodami A i B. Amplituda drgań oscylatora analizowana jest przez układ detekcji, który generuje sygnał dla układu przełączającego. W układzie sprzężenia zwrotnego, między oscylatorem a elektrodą, występuje potencjometr, którym można ustawić próg zadziałania układu oscylatora. Dla czujnika pojemnościowego definjuje się nominalną odległość działania S n, jako odległość, przy której następuje przełączenie układu wyjściowego (rys. 2.6). Nominalna odległość działania czujnika pojemnościowego odnośi się do obiektu metalowego uziemionego o grubości 1mm, wykonanago ze stali FE360 o przekroju kwadratowym, którego bok równy jest średnicy czoła czujnika lub równy trzem wartościom S n, w zależności, która wartość jest większa. Rys. 2.6: Definicje odległości działania czujnika pojemnościowego 34

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik 2.4 Typy czujników pojemnościowych Czujniki pojemnościowe są zazwyczaj dostępne w postaci cylindrycznych lub prostopadłościennych czujników zbliżeniowych, z częścią aktywną na jednym z końców (rys.2.7). Czujniki cylindryczne występują w dwóch odmianach. Jedne są ekranowane, tak że mają strefę działania tylko od czoła czujnika i montuje się je powierzchniowo w metalu lub tworzywie (rys. 2.8a). Drugie mają dodatkową strefę działania w niewielkiej odległości od cylindrycznej powierzchni czujnika. Są to czujniki do zastosowania w przypadkach, kiedy czujnik ma kontakt z medium wykrywanym jak np. płyny czy granulat. Strefa działania tych czujników jest o 50% większa, gdyż większe pole elekryczne czujnika zamyka się na jego bokach. Występują również specjalne konstrukcje jak elastyczne czujniki, które mogą być przyklejone do poziomych jak i zakrzywionych powierzchni. Rys. 2.7: Typowe odmiany czujników pojemnościowych. 35