1. Cel ćwiczenia: Laboratorium nr 10 Temat: Podstawy sensoryki w pneumatyce technicznej Celem ćwiczenia jest budowa układy automatyki opartych o sensorykę przemysłową, pozwalają na szczegółowe zapoznanie się z rodzajami, zasadą działania czujników różnego typu.. Czujniki.1 Czujniki z zasilaniem pneumatycznym Najbardziej rozpowszechnionym pneumatycznym czujnikiem małych przesunięć jest czujnik kaskadowy, który składa się z dwóch dławików pneumatycznych: stałego 1 i nastawnego, połączonych szeregowo za pośrednictwem komory kaskadowej 3. Dławik stały 1 ma stały przekrój F1, natomiast pole przekroju F dławika nastawnego zależy od odległości x przesłony 4 Rys. 1 Czujnik kaskadowy typu dysza-przesłona: a) schemat konstrukcji, b) przykładowe charakterystyki statyczne: 1 doświadczalna, obliczeniowa
.1.1 Dysze spiętrzeniowe i czujniki poziomu Dysze spiętrzeniowe i czujniki poziomu działają na zasadzie czujnika kaskadowego. W przypadku, gdy wykorzystywane jest całkowite zamknięcie dławika nastawnego (dyszy) czujnika przez przesłonę, ciśnienie kaskadowe p k rośnie do poziomu ciśnienia zasilania p z, a tym samym rośnie do tego poziomu sygnał wyjściowy czujnika. Na rys. pokazano rozwiązanie konstrukcyjne dyszy spiętrzeniowej firmy FESTO- PNEUMATIC, wykorzystywanej jako łącznik drogowy i jednocześnie jako twardy zderzak. Jeśli dysza spiętrzeniowa z rys. zostanie przesłonięta tak, że odległość s przesłony od dyszy jest mniejsza niż 0,0-0,04 mm, ciśnienie kaskadowe p k rośnie do poziomu ciśnienia zasilania p z. Rys. Dysza spiętrzeniowa firmy FESTO a) schemat, b) charakterystyki Na identycznej zasadzie działa czujnik poziomu (rys. a), przy czym w tym przypadku dysza jest umieszczona na końcu rurki zanurzeniowej i przesłaniana jest przez podnoszące się lustro cieczy (rys. b i c). Jeśli podnosząca się ciecz zamknie otwór rurki zanurzeniowej, to sygnał ciśnieniowy pk osiąga wartość, która jest proporcjonalna do wysokości słupa cieczy h nad wlotem rurki oraz gęstości cieczy q (rys. c). Rys.3 Czujnik poziomu; a)schemat, b,c) zastosowanie
.1. Głowica wyczuwająca Głowica wyczuwająca jest wykorzystywana jako bezdotykowy czujnik położenia. Zmiana ciśnienia wyjściowego jest zależna od intensywności odbijania się" wypływającego z dyszy pierścieniowej strumienia od ścianki przedmiotu wyczuwanego 4. Nastawny zawór dławiący 1 umożliwia nastawianie odpowiedniej wartości strumienia czyszczącego" dyszę odbiorczą 3 co powoduje dużą odporność głowicy na silne zapylenie. Charakterystyki statyczne głowic RFL-, RFL-4, RFL-5 i RFL-6 (produkcji firmy FESTO) przy zasilaniu ciśnieniem pz = 15 kpa pokazano na rys.4a. Na rysunku tym zaznaczono niezbędny poziom ciśnienia przełączania wzmacniacza (0,05 kpa) współpracującego z głowicą. Rys.4 Głowica wyczuwająca; a) schamat, b) charakterystyki.1.3 Czujnik z przerywanym strumieniem Czujnik z przerywanym strumieniem składa się z dwu dysz: zasilającej 1 i odbiorczej (rys.5). Obydwie dysze są zasilane sprężonym powietrzem (p = 10-0 kpa) i usytuowane osiowo naprzeciw siebie w odległości nie większej niż 100 mm. Strumień z dyszy zasilającej oddziałuje dynamicznie na strumień wypływający z dyszy odbierającej i powoduje wzrost ciśnienia na wyjściu tej dyszy (pojawia się sygnał ciśnieniowy p k > 0,05 kpa). Wartość tego sygnału można zwiększyć przez dołączenie wzmacniacza. Jeśli jakikolwiek przedmiot 3 przerwie przepływ strumienia powietrza między dyszą zasilającą i odbiorczą, to na wyjściu czujnika pojawi się sygnał p k = 0. Rys.4 Czujnik z przerywanym strumieniem
Odmianą konstrukcyjną czujnika jest czujnik widełkowy (rys. 5a) stanowiący jednolitą konstrukcję. Charakterystykę statyczną czujnika p k =f(p z ) podano na rys. 5b. Rys.5 Czujnik widełkowy a) konstrukcja, b) charakterystyka statyczna p k =f(p z ). Czujniki z zasilaniem elektrycznym..1 Czujniki magnetyczne Czujniki położenia tłoka są używane do określania położenia tłoków w siłownikach pneumatycznych. Są one montowane bezpośrednio na siłowniku. Magnetyczny pierścień przytwierdzony do tłoka jest wykrywany poprzez ścianki obudowy wykonane z materiału niemagnesującego się (np. aluminium, mosiądzu lub stali nierdzewnej). Czujniki magnetyczne kontaktronowe i półprzewodnikowe, są mocowane na siłownikach z tłokiem magnetycznym w celu uzyskania bezstykowej sygnalizacji położenia tłoka. Sygnał elektryczny jest wykorzystywany bezpośrednio do sterowania cewką elektrozaworu lub jest dalej przetwarzany w układzie sterowania znajdującym się w maszynie lub innym miejscu. Dostępne w sprzedaży są czujniki ze stykiem kontaktronowym oraz półprzewodnikowe. wykorzystujące zjawisko Halla. Czujniki są przytwierdzane do siłowników za pomocą uchwytów lub są wprowadzane w rowek siłownika. Czujniki wyposażone są w diody LED sygnalizujące stan czujnika. Rys.6 Siłownik z bezstykową sygnalizacją położenia tłoka.. Czujniki indukcyjne Czujniki indukcyjne są nadajnikami sygnału, które bezdotykowo wykrywają przemieszczenia elementów roboczych w maszynach obróbczych i produkcyjnych, robotach przemysłowych, liniach produkcyjnych itd. i przetwarzają je na sygnał elektryczny. Czujnik
generuje sygnał elektryczny po zbliżeniu się metalowego obiektu do aktywnej powierzchni (niebieskie czoło) czujnika indukcyjnego w obrębie określonej odległości przełączania. Czujniki indukcyjne wykrywają wszystkie obiekty będące przewodnikami elektrycznymi, które przechodzą przez lub pozostają w obrębie ich pola magnetycznego o dużej częstotliwości bez wchodzenia w kontakt mechaniczny z czujnikiem. Czujniki indukcyjne działają bezdotykowo i nie wywierają żadnej siły mechanicznej na wykrywane obiekty. Czujniki indukcyjne nie potrzebują żadnych elementów odczytujących. Czujniki indukcyjne nie wymagają żadnych dotykowych mechanizmów wykrywania jak rolki, popychacze, dźwignie, które są używane przy krańcówkach mechanicznych. Czujniki indukcyjne działają bezdotykowo, przełączenie następuje w sposób elektroniczny. Charakterystyka - Odczyt bez kontaktu mechanicznego zapewnia dużą żywotność - Brak awarii spowodowanych zabrudzeniem lub zgrzaniem styków - Nie występuje efekt odbicia styków i generowania błędnych impulsów - Wysoka częstotliwość przełączania do 3000 Hz - Niewrażliwość na wstrząsy - Dowolna pozycja montażu - Żółta dioda LED jako wskaźnik stanu (opcja) - Czujnik całkowicie obudowany, o wysokim stopniu ochrony IP 65..3 Czujniki optyczne Czujniki optyczne są elementami automatyki, których działanie opiera się na zasadzie wysyłania wiązki promieni świetlnych przez nadajnik i ich odbieraniu przez odbiornik. Czujniki optyczne reagują na obiekty, które znajdują się na drodze przebiegu wiązki światła. Zaletą czujników optycznych są duże zasięgi działania uzyskiwane dla małych obudów czujników. Szeroki zakres wykonań konstrukcyjnych czujników, użyte do ich realizacji układy elektroniczne i uzyskane parametry techniczne zapewniają dużą przydatność czujników optycznych w automatyce, we wszystkich gałęziach przemysłu. Duże znaczenie w czujnikach optycznych odgrywa długość fali świetlnej emitowanej przez nadajnik. W większości czujniki te wykorzystują modulowane światło z zakresu bliskiej podczerwieni. Zaletą jest mała wrażliwość czujników na widzialne światło z otoczenia. Dodatkowo poprzez wzajemną synchronizację nadajnika i odbiornika gwarantowana jest duża odporność czujników na zakłócenia i możliwość pracy w warunkach zanieczyszczenia powietrza i przy zabrudzeniu układu optycznego czujnika. Wytworzony w nadajniku silny impuls świetlny nawet osłabiony rozproszeniem dociera do odbiornika, jest wzmocniony i analizowany zapewniając poprawne działanie czujnika. Zanieczyszczenie optyczne są wyposażone powietrza i zabrudzenie układu optycznego skraca strefę działania czujnika. Czujniki optyczne są wyposażone w wysokiej jakości systemy soczewek optycznych, które dokładnie ukierunkowują promień świetlny w nadajniku i odbiorniku, umożliwiając realizację różnych
funkcji zależnie od wykonania i przeznaczenia czujników. Najczęściej czujniki optyczne są oferowane w następujących wykonaniach konstrukcyjnych: odbiciowe, refleksyjne oraz typu bramka świetlna jedno lub wielowiązkowa. Stosowane są m.in. do kontroli położenia ruchomych części maszyn, identyfikacji obiektów znajdujących się w zasięgu działania czujników, np. przesuwające się taśmy transportowe, określenie poziomu cieczy i materiałów sypkich. Charakteryzują się dużymi strefami wykrywania obiektów. Uniwersalne, szerokie zastosowanie nawet w ekstremalnych temperaturze do 50 C. Możliwość regulacji zasięgu przyciskiem uczącym, również w trakcie trwania procesu technologicznego Przykładowe parametry czujnika optycznego: - częstotliwość przełączania 500 Hz - czas odpowiedzi ok. ms - sygnalizacja funkcji wyjścia dioda - rodzaj światła: niewidzialne, podczerwień 875 cm Rys.7 Czujnik optyczny a) budowa i zasada działania, b) przykładowe czujniki Czujniki optyczne odbiciowe ZBLIŻENIOWE (proximity switch) (TOO). Nadajnik i odbiornik umieszczone są we wspólnej obudowie. Reagują na obiekty wprowadzane w strefę działania czujnika. Zasada działania opiera się na odbijaniu promieniowania podczerwonego od powierzchni przedmiotu wykrywanego. W momencie zbliżania przedmiotu wygenerowane przez diodę nadawcza pulsujące promieniowanie podczerwone odbija się od niego i jest odbierane przez fototranzystor. Promieniowanie pulsujące stosuje się w celu wyeliminowania możliwości zakłóceń światłem obcym. Elektroniczny układ odbiorczy reaguje tylko na światło pulsujące o stałej częstotliwości. Aby można było wykorzystywać sensory optyczne w bardzo małych urządzeniach np. w mikro-napędach, promieniowanie wysyłane i odbierane jest cienkimi, i giętkimi światłowodami z włókna szklanego. Zaletą optycznych czujników odbiciowych jest umieszczenie w jednej obudowie zarówno odbiornika i nadajnika bez potrzeby użycia reflektora, co zapewnia prosty montaż, regulację i ogromne możliwości stosowania tych czujników. Czujniki optyczne typu bariera (BRAMKA JEDNOKIERUNKOWA) (through-beam sensor) (TOB). Czujniki optyczne typu bariera składają się z dwóch niezależnie zasilanych elementów: nadajnika i odbiornika. Usytuowane są wzdłuż jednej osi wyznaczonej przez wiązkę nadajnika. Czujniki wykrywają obiekty pojawiające się miedzy nadajnikiem a odbiornikiem. Posiadają one najdłuższe strefy działania w porównaniu z czujnikami odbiciowymi i refleksyjnymi (do 50m).
Rys.8 Czujnik optyczny typu bariera..5 Czujniki pojemnościowe Czujniki pojemnościowe są używane do bezkontaktowej detekcji obiektów. W porównaniu do czujników indukcyjnych, które wykrywają tylko obiekty metalowe, czujniki pojemnościowe mogą również wykrywać obiekty wykonane z materiałów diamagnetycznych. Czujniki te znajdują zastosowanie w przemyśle drzewnym, papierniczym, szklarskim, tworzyw sztucznych, spożywczym i chemicznym. Czujniki pojemnościowe kontrolują np. wypełnienie pudełek kartonowych lub sprawdzają obecność zakrętek z tworzywa. Mierzona jest pojemność pomiędzy częścią aktywną czujnika a potencjałem elektrycznym ziemi. Zbliżający się obiekt oddziałuje na zmienne pole elektryczne między tymi dwoma "okładkami kondensatora". Stosuje się to zarówno do obiektów metalowych jak i wykonanych z innych materiałów. Czujniki pojemnościowe pracują wraz z obwodem drgającym RC. Bardzo mała zmiana pojemności jest wystarczająca, aby wpłynąć na amplitudę drgań obwodu. Elektronika przetwarza tą zmianę amplitudy na sygnał przełączający. Czułość może być ustawiana za pomocą potencjometru. Podczas wykrywania obiektów bardzo małe zmiany pojemności rzędu 0,0pF (przy podstawowej pojemności elektrody 0,pF!) muszą zostać w niezawodny sposób zamienione na użyteczne sygnały przełączające. Stawia to wysokie wymagania obwodom elektronicznym, gdyż pojemności pasożytnicze obwodów i elementów konstrukcyjnych (np. pojemności ścieżek przewodzących, pojemności wejściowe komponentów) mogą być o wiele większe, uniemożliwiając precyzyjny pomiar pojemności układu. Dlatego też firma ifm electronic opracowała nowatorskie rozwiązanie tego problemu. Nowy obwód czujnika skutecznie zapobiega wymienionym problemom w obwodzie drgającym RC osiągając o wiele lepsze wartości w odniesieniu do wszystkich istotnych parametrów związanych z zakłóceniami. Szczególny nacisk położono na eliminację typowych zakłóceń wytwarzanych np. przez przetwornice częstotliwości, zasilacze impulsowe, sterowniki silników krokowych itd. Rys.9 Czujnik pojemnościowy
3. Przebieg ćwiczenia Zapoznać się z czujnikami opisanymi w instrukcji będących na wyposażeniu stanowisk laboratoryjnych Dokonać podłączenia czujników do tablicy elektrycznej i sprawdzić poprawność działania (Uwaga! napięcie 4 V) Przeprojektować układ z rys.10, zastępując krańcówki pneumatyczne dowolnymi czujnikami zasilanymi elektrycznie, zachowując poprawność działania układu. Połączyć układ na tablicy montażowej. Sprawdzić zgodność działania układu z podanym cyklem pracy. A A0 A1 B B0 B1 V 1 4 V 4 5 3 1 1 V 3 5 3 1 V 4 1 1 B0 B 0 B1 80% 3 1 V 5 1 1 B 1 A 1 A 0 A1 A0 START 4. Zadania do realizacji Narysować schemat funkcjonalny układu Wykreślić cyklogram pracy 5. UWAGA: Przed podłączeniem (lub rozłączeniem) przewodów do elementów upewnij się, że zawory w dopływie powietrza są zamknięte, że nie ma ciśnienia w przewodach oraz że ciśnienie jest odłączone. Ustaw regulator ciśnienia na 4 atm!!!