Czujniki przemysłowe automatyka

​

Czujniki przemysłowe są to elementy układu automatyki, których zadaniem
jest wykrywanie i rejestrowanie sygnałów z otoczenia ważnych z
punktu widzenia algorytmu sterowania.

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.

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.

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]

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.

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe swoją budową przypominają wyżej
wymienione czujniki indukcyjne i różnią się jedynie zasadą działania.

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.

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.

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.

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.