Czujniki przemysłowe są to elementy układu automatyki, których zadaniem jest wykrywanie i rejestrowanie sygnałów z otoczenia ważnych z punktu widzenia algorytmu sterowania. W chwili obecnej są one niezbędne do pracy większości maszyn i linii technologicznych.
Systemy automatyki przemysłowej dzisiejszych czasów wymagają stosowania czujników inteligentnego wykrywania obiektów, oceny/pomiaru parametrów procesu ważnych z punktu widzenia automatyki sterowania. Czujniki przemysłowe możemy rozumieć jako narządy zmysłowe techniki. Bez względu na to, jak skomplikowane są wymagania, odpowiednio dobrane czujniki mogą sprostać wielu wyzwaniom stając się niezawodnym rozwiązaniem w wielu aplikacjach. Bezsprzeczne zalety wynikające ze stosowania czujników przemysłowych to zwiększenie wydajności maszyn, wpływ na podniesienie jakości produkcji, obniżone ryzyko przestojów maszyn oraz wpływ na oszczędności energii.
Jednymi z najczęściej stosowanych są czujniki zbliżeniowe. Zbliżeniowe, czyli przeznaczone do bezkontaktowej detekcji elementów. W wielu aplikacjach nie można się bez nich obejść. Ich zadaniem jest bezdotykowa sygnalizacja obecności obiektu. Są to m.in. czujniki: pojemnościowe, indukcyjne, fotoelektryczne. Każdy z nich wykorzystuje inną zasadę działania, a dobór i zastosowanie zależą od konkretnej aplikacji, od środowiska pracy.
Czujniki przemysłowe rodzaje
– Czujniki zbliżeniowo – pojemnościowe
– Czujniki Zbliżeniowo – Indukcyjne
– Czujniki temperatury
– Czujniki ciśnienia
– Czujniki fotoelektryczne ( Zbliżeniowe czujniki optyczne )
– Czujniki Wychylenia
Czujniki zbliżeniowe
Chyba najbardziej popularnym typem są czujniki zbliżeniowe. Stosowane są one wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba bezdotykowej detekcji obiektów. Czujniki podłączone do liczników, sterowników lub układów przekaźnikowych mogą zliczać elementy, obroty, czy kontrolować pozycję ruchomych części.
Indukcyjne czujniki zbliżeniowe
Indukcyjne czujniki zbliżeniowe stosowane są w sytuacjach, gdy zachodzi potrzeba bezdotykowej detekcji obiektów metalowych. Zasada działania oparta jest na interakcji związanej z wejściem obiektu kontrolowanego w zmienne pole elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości, jakie generuje czujnik. Wykrywanie metalu przez czujnik zbliżeniowy następuje w jego strefie działania, która różni się zależnie od typu czujnika i może wynosić od kilku do kilkudziesięciu mm. W katalogach strefa działania podana jest dla stali. W przypadku innych metali należy uwzględnić współczynnik korygujący – strefa działania ulega skróceniu.
Czujnik zbliżeniowy TS12-05P-2
Czujniki indukcyjne wykorzystują zjawisko zmiany natężenia pola magnetycznego wewnątrz uzwojenia cewki (rys.4). Wymuszony przepływ prądu indukuje wokół cewki pole elektromagnetyczne, które oddziałuje na metalowe elementy znajdujące się w zasięgu czujnika. Zmiany pola elektromagnetycznego w zasięgu czujnika są przez czujnik śledzone. Wielkości zmian zależą od odległości elementów od czoła czujnika. Regulując czułość czujnika można zmieniać zasięg pola czujnika.
Rys. 4. Budowa i zasada działania czujnika indukcyjnego, źródło [3]
Czujniki indukcyjne mogą być selektywne – w wykonaniu specjalnym mogą reagować np. na metale rozpraszające pole magnetyczne, jak aluminium, stopy mosiężne, brązy itd., lub metale skupiające pole magnetyczne.
Wybrane parametry czujników zbliżeniowych indukcyjnych
(Niektóre z tych parametrów odnoszą się również do pozostałych czujników omówionych w treści artykułu.)
1. Zasięg czujnika
Strefa robocza – zasięg czujnika – jest podstawowym parametrem każdego czujnika tego typ. Zasięg jest zależny od wielkości cewki, która jest elementem detekcyjnym, i jest proporcjonalny do długości czujnika. Można zetknąć się z różnymi opisami parametru zasięgu czujnika. Najczęściej spotykany parametr to maksymalny zasięg czujnika Sn. Czujnik jest skalowany dla stali konstrukcyjnej. W specyfikacjach znajdziemy również takie parametry jak zasięg zalecany/roboczy Sa. Najczęściej podawany jako przelicznik 0,81Sn. Przelicznik wynika z uwzględnienia zmiennych wartości zasilania, temperatur, a także elementów elektronicznych użytych do budowy czujnika.
Rys. 5. Na podajniku ustawione są aluminiowe wieczka, ich obecność wykrywa czujnik indukcyjny oznaczony jako 45U7, źródło [4]
Rys. 6. Parametry zasięgu czujnika, źródło [4]
2. Histereza
Czujniki obarczone są histerezą, co rozumiemy jako opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Histereza przedstawiana jest jako wartość procentowa w funkcji zasięgu czujnika i zależy od rodzaju i wielkości czujnika. Nie powinna przekraczać 20% zakresu pomiarowego. Skutkiem histerezy jest zmiana punktu przełączenia wyjścia przy przesuwaniu obiektu w kierunku w stosunku do czoła czujnika.
Rys. 7. Strefa czułości czujnika indukcyjnego, źródło [6]
Podpowiedź!
Co wtedy, gdy potrzebujemy punktu przełączania o dużej powtarzalności? Wybierz czujnik o małej cewce i małym zasięgu!
3. Redukcja zasięgu
Dzięki przybliżonym wartościom odniesienia dla różnych materiałów jesteśmy w stanie z pewnym przybliżeniem określić zasięg czujnika dla danego materiału.
Tabela 1. Tabela 1. Zasięg czujnika dla wybranych materiałów, na podstawie [4]
4. Zabudowa czoła
Warto zwrócić uwagę na zabudowę czoła czujnika, te czołem wolnym mają większy zasięg. Przewagą czujników z czołem zabudowanym jest precyzyjny punkt przełączania.
Rys. 8. Przykłady czujników indukcyjnych z czołem zabudowanym i czołem wysuniętym, źródło [6]
Jak również warto pamiętać o zasadach montażu czujników indukcyjnych – maksymalny odstęp od innego czujnika indukcyjnego, metalowych elementów w zasięgu. Za każdym razem wymaga to przetestowania czujników w warunkach rzeczywistych.
5. Częstotliwość przełączania
Jest to maksymalna częstotliwość z jaką czujnik może wykrywać pojawiające się obiekty – sygnalizować ich obecność na wyjściu. Standardowa częstotliwość przełączania czujników indukcyjnych mieści się w zakresie 1kHz – 2,5 kHz.
6. Parametry zasilania, typ i ilość wyjść
Rys. 9. PNP – Po zadziałaniu czujnika na wyjściu dostajemy sygnał PLUS np. +28 VDC, NPN – Po zadziałaniu czujnika na wyjściu dostajemy sygnał MINUS, np. -0,1GDN, źródło [8]
Najczęściej czujniki indukcyjne produkuje się z dyskretnymi (dwustanowymi) wyjściami przełączającymi PNP lub NPN. Można znaleźć również wersje uniwersalne, gdzie możliwe jest podłączenie czujnika w danej polaryzacji do wyboru. W celach pomiarowych stosuje się najczęściej wersje od 4 do 20 mA lub od 0 do 10V. Trzeba pamiętać, że odległość od elementu detekcji wpływa na wartość amplitudy sygnału wyjściowego.
Najczęściej spotykane czujniki indukcyjne to te z jednym wyjściem oraz dwoma wyjściami przełączającymi komplementarnymi (jedno Normalnie Otwarte i jedno Normalnie Zamknięte), spotyka się kombinacje w postaci jednego wyjścia przełączającego i drugiego z IO-Link, wyjście impulsowe i wyjście IO-Link, a czujniki analogowe ustępują na rzecz czujnikom z protokołami.
7. Przeznaczenie i stopień ochrony
Typowym błędem jest podłączanie do czujników o wysokim stopniu ochrony IP np. IP68, IP69K przewodów o stopniu ochrony niższym. Stosując czujnik do pracy w agresywnym środowisku nie można zapominać o przewodzie, który również musi cechować się wysoką odpornością. Po prosty, jeżeli stosujesz czujnik IP68, wybieraj przewód spełniający IP68. Ważne również aby właściwie dobrać materiał, z którego wykonany jest przewód np. o podwyższonej odporności na oleje, do korytek ruchomych czy do pracy w danym zakresie temperatur. To wszystko ma wpływ na pracę oraz odporność czujnika.
Powszechnie stosowane czujniki indukcyjne znajdują zastosowanie w standardowych aplikacjach i w normalnym środowisku. Najczęściej spotykane to czujniki w korpusach M12, M18, dalej M8 oraz M30. Korpusy wykonane są z mosiądzu niklowanego, a czoła z tworzyw sztucznych o stopniu ochrony IP69K.
W celu zachowania warunków antyseptycznych i w kontakcie z żywnością korpusy wykonuje się ze stali nierdzewnej, a czoła czujników z kompozytów bez barwnika.
Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe
Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe swoją budową przypominają wyżej wymienione czujniki indukcyjne i różnią się jedynie zasadą działania. Umownie możemy powiedzieć, że polega ona na pomiarze pojemności – czujnik stanowi jedną okładzinę, drugą okładzinę stanowi obiekt, który zbliża się do czoła czujnika. Dzięki temu czujnik może wykrywać również obiekty niemetalowe: tworzywa sztuczne, szkło, drewno, papier, materiały organiczne i wiele innych. Należy pamiętać, że zależnie od rodzaju wykrywanego materiału zasięg ‚widzenia’ czujnika może ulec skróceniu.
Dodatkową zaletą zbliżeniowych czujników pojemnościowych jest ich duża odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, w porównaniu do czujników indukcyjnych.
Czujnik zbliżeniowy pojemnościowy CM18-3008NC
Czujniki pojemnościowe reagują praktycznie na wszystko. Stąd znalazły zastosowanie do wykrywania obiektów niemetalicznych. Czujnik pojemnościowy wykorzystuje zasadę działania kondensatora. Jedną częścią czujnika jest okładzina, która stanowi część czoła czujnika, drugą stanowi rozpoznawalny element. Kiedy do czujnika przybliżymy obiekt (metale, ciecze, granulaty) kondensator ten zmienia swoją pojemność. Jeżeli aktualna pojemność w stopniu wystarczającym będzie różniła się od pojemności bazowej kondensatora, wyjście czujnika zostanie aktywowane. Jeżeli w polu pracy czujnika ma znajdywać się materiał z wyższą stałą dielektryczną to zmianę pojemności wykrywa się materiałem z niższą stałą dielektryczną.
Rys. 1. Czujniki pojemnościowe, zasada działania, źródło [1]
Dla czujnika pojemnościowego ściany i zasłony nie stanowią bariery, gdyż umożliwiają on detekcję obiektów kryjących się pod powierzchniami. Znalazły zastosowanie w kontroli poziomu napełnienia i zasilania cieczami, rejestracji stanów w procesach i kontroli końcowych produkcji.
Rys. 2. Czujnik z czołem niezabudowanym do kontroli poziomu substancji sypkiej – występuje ryzyko oblepienia czoła czujnika, źródło [2]
Chociaż czujniki pojemnościowe są wystarczająco szybkie dla większości aplikacji, to warto zwrócić uwagę na niską częstotliwość przełączania, która zwykle nie przekracza 50 Hz (zwłaszcza w porównaniu z czujnikami indukcyjnymi, o standardowej częstotliwość przełączania 1kHz – 2,5 kHz.
Należy więc uważać na lepkie ciecze, które obklejając czoło czujnika potrafią zafałszować jego działania. Przykładowo: Należy często nadzorować stan czujnika, zwłaszcza w aplikacjach do kontroli lepkich cieczy, substancji sypkich o dużej higroskopijności. Na szczęście istnieje możliwość, aby zminimalizować ryzyko „oszukiwania” czujnika stosując czujniki z czołem zabudowanym lub dedykowanych nakładek, ewentualnie rozważyć zastosowanie czujnika ultradźwiękowego.
Czujniki zbliżeniowe pojemnościowe z reguły mają możliwość regulowania czułości (za pomocą potencjometru lub oprogramowania), a co za tym idzie, istnieje możliwość regulacji czujnika pod dane zastosowanie.
Czujniki pojemnościowe stosuje się tam, gdzie istnieje potrzeba sygnalizowania poziomu mleka, wody, produktów spożywczych sypkich, pasz, tłuszczy, a także konfitur i soków i wykorzystuje się je do stabilizowania poziomu napełnienia zbiorników. Czujniki tego typu sprawdzają się w procesach obejmujących zliczanie części metalowych, wykrywanie przesuwu taśm transportowych oraz detekcję ustawienia produktów na taśmie.
Uwagi i wskazówki przy stosowaniu czujników pojemnościowych
1. Nie przekraczaj maksymalnej częstotliwości przełączania czujników pojemnościowych. Pamiętaj, że czujniki pojemnościowe nie są tak szybkie jak czujniki indukcyjne.
2. Z uwagi na możliwość fałszowania wskazań czujnika, uważaj zwłaszcza w przypadku stosowania do kontroli materiałów higroskopijnych i lepkich. Jeśli jest taka możliwość zastosuj czujnik ultradźwiękowy lub czujnik pojemnościowy z zabudowanym czołem lub zastosuj dedykowaną nakładkę w celu zabezpieczenia przed oblepieniem czujnika.
Czujniki fotoelektryczne (optyczne)
Zasada działania czujników fotoelektrycznych polega na wysłaniu i odbiorze zmodulowanej wiązki światła. Może być to światło widzialne, podczerwone lub laserowe. Elementy znajdujące się na torze światła przerywają wiązkę wyzwalając wyjście sterujące. Najczęściej spotykamy się z czujnikami: odbiciowymi, refleksyjnymi, barierami oraz szczelinowymi.
Czujnik fotoelektryczny G18-D10PH odbiciowy
Niewątpliwą zaletą czujników optycznych jest ich duża strefa działania, która może sięgać nawet kilkudziesięciu metrów. Właściwość ta wykorzystywana jest najczęściej przy realizacji funkcji bariery, np. przy wygradzaniu obszaru dostępu przy pomocy kurtyny świetlnej. Należy pamiętać, iż działanie tych czujników może być utrudnione w środowisku o dużym zapyleniu – pył może osiadać na nadajniku lub odbiorniku w konsekwencji czego przerywać wiązkę promieni, przez co fałszować pracę czujnika.
Powyższe czujniki przemysłowe z powodzeniem wykorzystywane są w maszynach o zróżnicowanej charakterystyce produkcyjnej. Dodatkowo warto zastanowić się nad wyborem uchwytów wchodzących w skład systemu mocowania czujników oraz gotowych przewodów połączeniowych dla czujników.
Bibliografia
1. Czujniki pojemnościowe, http://pgsystems.pl/produkty/czujniki-procesowe-i-pojemnosciowe.htm, dostęp 26 czerwca 2020
2. Czujniki zbliżeniowe, https://iautomatyka.pl/czujniki-zblizeniowe-dzialanie-rodzaje-zastosowanie-najczesciej-popelniane-bledy, dostęp 26 czerwca 2020
3. Żyłka W., Żyłka M., Czujniki w praktyce kształcenia inżynierskiego, Edukacja – Technika – Informatyka, nr 4/22/2017
4. Czujniki pojemnościowe, zbliżeniowe – artykuł IAutomatyka.pl, https://tiny.pl/7cl3s, dostęp 26 czerwca 2020
5. Czujniki indukcyjne w układach automatyki przemysłowe, https://polskiprzemysl.com.pl/utrzymanie-ruchu/czujniki-pomiary-systemy-wizyjne/czujnik-indukcyjny/, dostęp 26 czerwca 2020
6. Czujniki pojemnościowe, indukcyjne, fotoelektryczne, https://elektrosystemy.pl/?p=11846, dostęp 26 czerwca 2020
7. Czujniki zbliżeniowe dla przemysłu w ofercie Micros, https://www.elektroonline.pl/a/10319,Czujniki-zblizeniowe-dla-przemyslu-w-ofercie-Micros, Elektronika, dostęp 26 czerwca 2020
8. Czujniki Typ PNP i NPN. Krótki opis, https://termoregulatory.pl/pl/blog/p-czujniki-typ-pnp-i-npn-krotki-opis, dostęp 26 czerwca 2020
W kolejnych artykułach opisaliśmy:
Czujnik magnetyczny – co to jest, właściwości
Czujnik Halla – co to jest, jak działa i jak sprawdzić?
