Czujniki fotoelektryczne w przemyśle spożywczym

Projektant maszyn dla przemysłu spożywczego wie, że musi zadbać, by w tworzonych przez niego urządzeniach nie było żadnych zakamarków. By zabrudzenia nie dostawały się między jakiekolwiek łożyska, zawiasy czy inne przemieszczające się względem siebie elementy. Dlatego użycie klasycznych krańcówek do wykrywania obecności obiektów jest w takim przypadku mało rozsądne. Na szczęście na rynku można znaleźć wiele czujników zbliżeniowych, które świetnie zastępują rozwiązania elektromechaniczne, a nawet przewyższają je pod wieloma względami.

Technologie zbliżeniowe

Czujniki zbliżeniowe mogą działać wykorzystując różne zjawiska. Najbardziej popularne są wciąż czujniki indukcyjne, które cechują się bardzo dużą niezawodnością. Jednak mogą wykrywać tylko obiekty metalowe i to z niedużej odległości. Gdy detekowane obiekty nie są wykonane z metalu, można zastosować czujniki pojemnościowe. Te również mają ograniczony zasięg, ale mogą wykrywać także przedmioty niemetalowe. Niestety, są bardziej wrażliwe na wilgoć, która może spowodować fałszywe stwierdzanie obecności przedmiotów w zasięgu sensora. Dlatego często stosuje się proste lub złożone mechanizmy dźwigni, powodujące, że poruszający się obiekt niemetalowy – jeśli znajdzie się w miejscu, w którym ma być wykryty – przesuwa metalową płytkę, by zbliżyć ją do czujnika indukcyjnego. Metoda ta cieszy się dosyć dużą popularnością, ale w przemyśle spożywczym może być problematyczna. Nie zawsze bowiem kształt, konsystencja, twardość czy kierunek i sposób ruchu obiektów, które mają być wykrywane, pozwalają na stosowanie takiej pośredniej detekcji, opartej na ruchomych elementach mechanicznych. Trudność może też sprawić czyszczenie takiego ruchomego mechanizmu. Jeśli jego ruch wymaga użycia jakichkolwiek prowadnic lub zawiasów i nie wynika jedynie ze sprężystości materiału, z którego wykonana jest dźwigienka, będą powstawać zakamarki, w których może gromadzić się brud, co w przemyśle spożywczym nie jest akceptowane. 

Na szczęście jakiś czas temu rozwinęła się technologia fotoelektryczna, która obecnie z powodzeniem zastępuje czujniki pojemnościowe, a ponadto często dobrze się sprawdza jako alternatywa dla sensorów indukcyjnych. W końcu są też aplikacje, w których to właśnie sensory optyczne nie dadzą się sensownie zastąpić niczym innym i dlatego warto znać te technologie.

Rodzaje wyjść

Sensory zbliżeniowe, nie tylko fotoelektryczne, ale także inne, wyposażane są najczęściej w wyjścia tranzystorowe typu NPN lub PNP. Większość producentów oferuje prawie wszystkie swoje produkty zarówno w jednej, jak i w drugiej wersji, choć bywają też takie, w których można przełącznikiem zmienić tryb pracy z NPN na PNP. Różnice też dotyczą tego, czy wyjście jest normalnie otwarte, czy normalnie zamknięte.

Niekiedy czujniki mają wyjścia przekaźnikowe, ale jest to rzadsze rozwiązanie ze względu na ograniczenie szybkości przełączania oraz na krótszą żywotność przekaźników elektromechanicznych niż tranzystorów. Można też znaleźć czujniki z triakiem na wyjściu.

Do nowości należą, oferowane na razie tylko przez niektórych dostawców, czujniki z interfejsami sieciowymi – a przede wszystkim z AS-i. Tendencja do tzw. integrowania inteligencji w każdym nawet najdrobniejszym elemencie automatyki przemysłowej sugeruje, że tego typu interfejsy staną się z czasem bardziej popularne.

Trzeba też wspomnieć o wyjściach analogowych, które sprawiają, że czujnik może nie tylko wykrywać obecność obiektu, ale też odległość od niego. Niektórzy producenci umieszczają takie modele w swoich katalogach, wśród czujników zbliżeniowych.

Rodzaje czujników fotoelektrycznych

Zastosowanie promieni świetlnych w automatyce, do tworzenia czujników, bywa różne. Właściwości światła sprawiają, że można tworzyć czujniki o odmiennej specyfice pracy, a nie tylko o różnych parametrach. W efekcie powstało kilka kategorii sensorów optycznych, cechujących się innymi wymaganiami odnośnie sposobu instalacji, różnym zasięgiem oraz zdolnych do wykrywania różnych obiektów.

Wszystko to można powiedzieć o samych czujnikach fotoelektrycznych zbliżeniowych, a są jeszcze modele optyczne, które wykrywają nie samą obecność, ale np. kontrast, połysk lub kolor. Te zostaną omówione na samym końcu, wcześniej skoncentrujemy się na sensorach zbliżeniowych.

Czujniki dyfuzyjne

Najprostsze w montażu i spośród sensorów optycznych najbardziej podobne w sposobie działania do czujników indukcyjnych i pojemnościowych są czujniki dyfuzyjne. Tak jak sensory wykonane w innych technologiach, są układami jednoelementowymi, a ich montaż sprowadza się do instalacji jedynie czujnika, bez żadnych elementów dodatkowych. Sensory tego typu mają emiter i detektor światła zintegrowane w jednej obudowie. Światło wygenerowane przez emiter jest wysyłane w kierunku miejsca, w którym powinien się znajdować wykrywany obiekt. Jeśli światło trafi na przeszkodę znajdującą się w odległości nie większej niż zakres działania sensora, odbija się od niej i trafia do detektora. To powoduje przełączenie wyjścia czujnika zbliżeniowego.

Prosta budowa i łatwa instalacja są jednak okupione pewnymi wadami. Czujniki dyfuzyjne mają najkrótszy zasięg spośród fotoelektrycznych. Ponadto występuje tu problem wpływu tła, które – jeśli znajduje się zbyt blisko czujnika – może zmieniać jego wskazania. Dlatego bardziej zaawansowane (a więc i droższe) sensory dyfuzyjne są wyposażone w algorytmy tłumienia wpływu tła.

Redukcja wpływu tła przyjmuje różne nazwy, zależnie od sposobu realizacji algorytmu. Przykładem może być np. mechanizm określany mianem oceny tła. Jedną z metod jest umieszczenie oddzielnych detektorów dla bliższego i dalszego pola, których odczyty są ze sobą porównywane i na tej podstawie określa się, czy w zasięgu czujnika pojawił się detekowany obiekt. W ten sposób można np. wykrywać również obiekty czarne, bardzo matowe, które – przysłaniając promień odbity od tła – nie mogą poprawnie odbić promienia świetlnego, tak by został wykryty przez detektor bliskiego pola. Umożliwia to też wykrywanie obiektów szklanych.

Zdolność do wykrywania poszczególnych rodzajów przedmiotów z użyciem czujników dyfuzyjnych zależy też od długości emitowanej fali świetlnej i szerokości plamki. W przypadku trudnych do detekcji obiektów albo przedmiotów poruszających się bardzo szybko, np. podawanych do przetworzenia do maszyny, zaleca się stosowanie czujników o szeroko emitowanych promieniach. Duża plamka, padająca na obiekt o nieregularnych kształtach czy nierównej powierzchni, zapobiega występowaniu błędnych odczytów, mogących się pojawić, gdy wąski strumień światła natrafia na drobną nierówność, która na ułamek sekundy zmienia wskazanie czujnika. Szerokie wiązki są odporne na takie nierówności i pozwalają lepiej rejestrować szybko poruszające się obiekty. Zazwyczaj pozwalają też na uzyskanie większego zasięgu.

Z drugiej strony wąskie wiązki umożliwiają bardziej precyzyjną pracę, np. związaną z dokładnym pozycjonowaniem obiektów. Umożliwiają stwierdzenie obecności obiektu w konkretnym miejscu, z dokładnością do pojedynczych milimetrów. Ponadto czujniki tego typu można montować za osłonami, w których otwory na wiązki światła będą miały minimalne średnice – np. kilkumilimetrowe. Cecha ta również miewa znaczenie w niektórych aplikacjach.

Bywa też tak, że ze względu na specyfikę danej sytuacji, konieczne jest zastosowanie światła widzialnego lub niewidzialnego dla człowieka. W tym drugim przypadku często używana jest podczerwień, choć znacznie częściej pożądane jest światło z zakresu widzialnego, które pozwala łatwo ocenić gołym okiem, czy czujnik jest dobrze zamontowany i skierowany.

Ciekawą podgrupę stanowią też czujniki dyfuzyjne o mnogiej liczbie wiązek świetlnych. Ich zastosowanie umożliwia uniknięcie błędów odczytu wynikających z nierówności, a jednocześnie zwiększenie precyzji określania położenia wykrywanego przedmiotu. Co więcej, producenci nierzadko stosują w nich więcej niż jedno wyjście, co pozwala w inny sposób reagować na sytuacje, w których tylko jedna z wiązek jest odbijana przez napotkany obiekt, a w inny, gdy wszystkie, prowadzone równolegle i blisko siebie wiązki, zostają pomyślnie odbite do detektorów.

Czujniki refleksyjne

Jeśli dostępne czujniki dyfuzyjne mają zbyt mały zasięg albo detekowane obiekty są trudne do wykrycia, tj. zbytnio pochłaniają lub za słabo odbijają światło, można spróbować sięgnąć po czujnik refleksyjny. Działa on niejako na odwrotnej zasadzie niż sensory dyfuzyjne. O ile w stanie niewzbudzonym czujniki dyfuzyjne nie odbierają żadnego światła, gdyż nie ma się ono od czego odbić, by trafiło do detektora, modele refleksyjne nie wykazują obecności obiektu, jeśli dociera do nich światło. Jest ono bowiem emitowane na reflektor, umieszczony w odpowiedniej odległości, bezpośrednio naprzeciwko czujnika. Jeśli na drodze światła padającego na reflektor nie znajdzie się żaden obiekt, odbije się ono od powierzchni reflektora i trafi do detektora. 

Warto przy tym zwrócić uwagę na budowę reflektora. Jeśli wiązka światła ma szerokość pojedynczych milimetrów, to przy zasięgu czujników refleksyjnych nawet jednostopniowe odchylenie reflektora w dowolnej osi od płaszczyzny prostopadłej do wiązki światła powoduje, że odbite światło trafi daleko od detektora. Jeden stopień odchylenia, przy odległości reflektora od czujnika równej 5 m spowoduje, że wiązka ominie detektor o około 87 mm. Przy tej odległości, aby powracająca wiązka trafiała do detektora z dokładnością do około 1 mm, precyzja ustawienia zwykłego lusterka musiałaby wynosić około 0,01°, co byłoby niezwykle trudne do realizacji i praktycznie niemożliwe do utrzymania w warunkach przemysłowych, gdzie różnego rodzaju wstrząsy i wibracje są na porządku dziennym. Co prawda, sposób emisji wiązki sprawia, że wraz z odległością staje się ona szersza i sama osiąga rozmiary nawet kilkudziesięciu milimetrów, ale dla takich odległości problem jej precyzyjnego odbicia i tak jest już istotny.

Zamiast płaskiego reflektora można zastosować wklęsłe zwierciadło, które skupi odbitą wiązkę w odpowiednim punkcie, ale to znowu wymaga stosowania innego lustra dla każdej odległości czujnika od reflektora. Dlatego w rzeczywistych warunkach stosuje się reflektory pryzmatyczne, które pozwalają odbić światło zawsze równolegle do promienia padającego. Reflektory te mają najczęściej prostokątne lub okrągłe kształty i są przykręcane do maszyn. Pozwalają na stosowanie czujników refleksyjnych z zasięgiem detekcji do kilku metrów.

Czujniki refleksyjno-dyfuzyjne

Specyficznym rodzajem konstrukcji są czujniki, które łączą w sobie cechy sensorów refleksyjnych i dyfuzyjnych. Nie ma na nie jednej, uniwersalnej nazwy – poszczególni producenci stosują własne nazewnictwo, np. „Smart Reflect”. Czujniki te, od strony trybu przełączania, przypominają bardziej modele refleksyjne – jeśli do detektora dociera światło, oznacza to, że na linii detekcji nie znalazł się żaden obiekt. Jednakże nie wymagają stosowania reflektora, co ma znaczenie w niektórych dziedzinach przemysłu, np. w spożywczym, gdzie reflektor mógłby gromadzić zabrudzenia, albo gdy zwyczajnie nie można go przykręcić do obudowy maszyny. Omawiany rodzaj czujników musi mieć na tyle mocny nadajnik i czuły odbiornik, by mógł stale detekować światło odbite, np. od obudowy maszyny, czy po prostu od przeciwległej części taśmy produkcyjnej. Słabe parametry powierzchni odbijającej sprawiają, że zasięg czujników tego typu nie jest duży i jest zbliżony do maksymalnego zasięgu czujników dyfuzyjnych, a nie refleksyjnych. Jednak brak konieczności instalacji lustra oraz możliwość detekcji obiektów pochłaniających światło są niewątpliwymi zaletami, które sprawiają, że czujniki tego typu są dosyć chętnie wybierane przez inżynierów.

Bariery świetlne

Jeśli w przypadku tworzonej aplikacji łatwość instalacji nie jest istotna, a dostępna przestrzeń nie stanowi ograniczenia, można zastosować tzw. bariery świetlne. Są one szczególnie użyteczne, gdy pożądana odległość detekcji jest bardzo duża i może osiągać nawet kilkaset metrów. Wynika to z faktu, że w przypadku barier detektor nie znajduje się w tej samej obudowie, co układ emitujący światło. Jest on umieszczony po przeciwległej stronie, dzięki czemu emitowana wiązka nie musi pokonywać odległości równej szerokości obszaru pracy dwukrotnie, a jedynie raz. Ponadto większa przestrzeń pozwala na użycie silniejszego światła, które będzie z powodzeniem docierało do nawet mocno oddalonego detektora.

Bariery świetlne pracują w takim samym trybie, jak czujniki refleksyjne – jeśli do detektora dociera wiązka światła, to znaczy że w obszarze działania nie znajduje się żaden obiekt. Pozwala to na detekowanie przedmiotów, które pochłaniają światło.

Duża niezawodność barier świetlnych sprawia, że są często wykorzystywane do tworzenia całych kurtyn świetlnych, stosowanych w systemach bezpieczeństwa. Kurtyny składają się najczęściej z szeregu umieszczonych obok siebie nadajników i odbiorników emitujących równoległe wiązki światła. Przecięcie którejkolwiek z tych wiązek oznacza, że jakiś obiekt dostał się na chroniony obszar i praca maszyn działających w tym obszarze musi być wstrzymana bądź przynajmniej spowolniona, tak by dla nikogo nie stanowiły zagrożenia. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, by bariery świetlne stosować pojedynczo, do detekcji obiektów na taśmie produkcyjnej.

Ciekawą odmianą czujników barierowych są szczelinowe, które cechują się bardzo małym zasięgiem działania, a ich nadajnik i odbiornik są montowane we wspólnej obudowie. Są skonstruowane tak, by powstała tylko drobna szczelina, przez którą można szybko przesuwać np. przewód albo taśmę i w ten sposób monitorować ich uszkodzenia.

Czujniki światłowodowe

Oddzielną kategorią sensorów optycznych są czujniki światłowodowe. Jest to zarazem bardzo różnorodna grupa czujników, których zasady działania różnią się w zależności od sensora, a ich jedyną cechą wspólną jest fakt zastosowania światłowodów.

Światłowody mogą być stosowane do budowy optycznych czujników zbliżeniowych, gdzie pełnią rolę medium pozwalającego na doprowadzenie światła do obszaru roboczego. Dzięki temu można uniknąć problematycznej sytuacji, w której obudowa sensora jest narażana na działanie agresywnych substancji termicznych lub wysokiej temperatury. Światłowód pozwala też odseparować czujnik od strefy potencjalnego wybuchu, co może nie ma większego znaczenia w przemyśle spożywczym, ale np. w górnictwie już tak.

W praktyce światłowody jako elementy czujników zbliżeniowych używane są przede wszystkim w barierach świetlnych, gdzie doprowadzają sygnały z emitera do obszaru roboczego i z przeciwległego końca obszaru roboczego do detektora.

To jednak nie wszystko. Właściwości światłowodów sprawiają, że mogą być one stosowane także do tworzenia zupełnie innych czujników, które wciąż można zaliczyć do sensorów fotoelektrycznych. Przykładowo, fakt że zgięcie światłowodu powoduje zmianę ilości światła docierającego do odbiornika na końcu takiego przewodu został wykorzystany do opracowania czujników nacisku. Światłowody zatopione lub ściśle przymocowane pod powierzchnią, której ugięcie ma być monitorowane pozwalają oceniać siłę, z jaką dana powierzchnia jest naciskana. Światłowody można też użyć np. do konstrukcji żyroskopu, dzięki wykorzystaniu tzw. efektu Sagnaca, ale raczej nie znajdują one zastosowania w przemyśle. 

Inne czujniki optyczne

Ostatnią grupę czujników fotoelektrycznych stanowią różne rodzaje sensorów, które opierają się na odmiennych zasadach działania. Odbicie światła może być analizowane tak, by móc np. określić kolor obiektu znajdującego się w obszarze działania sensora. Istnieją też specjalne czujniki do detekowania połysku, które znajdują zastosowanie np. w przemyśle spożywczym, do sprawdzania, czy produkty zostały poprawnie zapakowane w folię aluminiową. W podobny sposób można również wykrywać kontrast albo powierzchnie fluorescencyjne, co jest stosowane m.in. w przemyśle farmaceutycznym, a czasem też spożywczym. Fluorescencyjna farba bywa bowiem używana do znakowania butelek i opakowań, a łatwość jej wykrycia sprawia, że niskim kosztem można ocenić np. poprawność zapakowania produktów, które dla innych prostych sensorów byłyby nie do odróżnienia od ich opakowania.

Czujniki optyczne można też zastosować do detekcji kątów odchyleń lub do budowy enkoderów, czyli do monitorowania przesunięć i obrotów. Optyczny pomiar odległości jest czasami zaliczany do funkcji czujników zbliżeniowych, wyposażonych w wyjścia analogowe, ale ze względu na znacznie inny obszar zastosowań, wypadałoby chyba klasyfikować je inaczej.

Co na rynku

Dostępność różnorodnych czujników fotoelektrycznych na polskim rynku automatyki jest ogromna. Do wyboru są produkty zagranicznych i polskich firm, przy czym do tych pierwszych należą głównie markowe zachodnie lub japońskie produkty, ale pojawiają się też modele chińskie. Ceny czujników znacznie różnią się między sobą, co wynika przede wszystkim z ich mocy, powiązanego z nią zasięgu, ale też szybkości działania i rodzaju obudowy. Istotna jest też miniaturyzacja oraz funkcje regulacji czy redukcji wpływu tła. Światło w tych sensorach może być emitowane klasycznymi diodami lub diodami laserowymi. Ponadto dosyć łatwo znaleźć modele świecące zgodnie z osią obudowy, jak i pod kątem 90°. Bywają też modele dyfuzyjne, wyposażone w algorytm samodzielnego uczenia, który pozwala na dobrą redukcję wpływu tła, nawet bez precyzyjnej regulacji.

W opublikowanych tabelach znalazły się wybrane czujniki zbliżeniowe fotoelektryczne, dostępne na polskim rynku. Pokazana oferta jest przekrojowa i obejmuje modele o bardzo różnym zasięgu, dużych i małych wymiarach oraz różnych obudowach i interfejsach zasilania. W przypadku przemysłu spożywczego warto szczególnie zwrócić uwagę na czujniki z obudowami ze stali kwasoodpornej czy nawet z certyfikatem Ecolab. Czujniki zostały pogrupowane na dyfuzyjne (tab. 1), refleksyjne (tab. 2) i barierowe (tab. 3). Czujniki do zastosowań specjalnych, takie jak kurtyny świetlne czy sensory barierowe, oraz czujniki światłowodowe zostały pominięte.