Czujniki i przetworniki pomiarowe

Czujniki i przetworniki pomiarowe służą do precyzyjnego pomiaru różnorodnych parametrów – od mierzenia strumienia przepływu, przez detekcję obiektów za pomocą czujników optycznych, indukcyjnych, ultradźwiękowych, po wykrywanie obecności materiałów przy użyciu czujników pojemnościowych – każdy typ czujnika ma unikalne zastosowania i zalety.

Pomiar strumienia przepływu

Instrumenty do mierzenia przepływu, znane również jako przepływomierze, służą do oceny wielkości przepływającego medium. Te narzędzia są niezbędne do dokładnego określenia ilości przepływających cieczy, jak i gazów.

Do grupy przepływomierzy bezkontaktowych należą m.in. urządzenia oparte na technologii ultradźwiękowej. Dokonują one pomiaru szybkości przepływu medium przez powierzchnię ustawioną prostopadle do kierunku przepływu. W przepływomie­rzach ultradźwiękowych analizowana jest różnica w czasach przejścia fali ultradźwiękowej, co wynika bezpośrednio z efektu Dopplera. Fale są wysyłane naprzemiennie między dwa czujniki zamocowane w rurociągu. Gdy przepływ zostaje zatrzymany, czas przejścia fali w obu kierunkach jest jednakowy. W sytuacji, gdy fala porusza się w przeciwnym kierunku do przepływającej cieczy, jej prędkość propagacji ulega zmniejszeniu. Przepływomierz oblicza różnicę czasów przejścia, która jest proporcjonalna do prędkości cieczy w rurociągu. Znany profil i przekrój poprzeczny rury, umożliwia dokładne określenie objętości strumienia. Istotną cechą przepływomierzy ultradźwiękowych jest możliwość ich wmontowania w  funkcjonujące już instalacje, bez konieczności przerywania procesów produkcyjnych. Tego rodzaju przepływomierze nie powodują również spadków ciśnienia w systemie.

Podczas wyboru przepływomierza kluczowe jest ustalenie typu pomiaru – zastosowanie technologiczne czy cel rozliczeniowy. Ważne jest również określenie wymaganego poziomu dokładności oraz rodzaju danych wyjściowych.

Przepływomierz radarowy R-BOX jest przeznaczony do bezkontaktowego pomiaru przepływu w kanałach grawitacyjnych, stanowiąc alternatywę dla ultradźwiękowych metod pomiarowych z elementami piętrzącymi w dużych instalacjach kanalizacyjnych. Urządzenie jest zawieszane nad kanałem, co eliminuje bezpośredni kontakt z medium, a jego konstrukcja zapobiega obrastaniu.

Przepływomierz LaserFlow firmy Teledyne ISCO, to model korzystający z technologii laserowej i efektu Dopplera umożliwia bezkontaktowy pomiar prędkości w różnych punktach przekroju kanału. Lokalizacja sond nad strumieniem zapewnia łatwość serwisowania. Dostępne są wersje stacjonarne i przenośne, z bogatymi opcjami komunikacyjnymi umożliwiającymi zdalne zarządzanie i analizę danych.

Czujnik wiroprądowy eddyNCDT 3001 firmy Wobit z wbudowaną elektroniką oferuje precyzyjne wykonywanie pomiarów dzięki stabilności temperaturowej. Fabrycznie skalibrowany czujnik mierzy materiały ferromagnetyczne i nieferromagnetyczne bez potrzeby dodatkowej kalibracji.

Warto także zwrócić uwagę na zakres pomiarowy czujnika zbliżeniowego MDS-MDT30 firmy Technicad, który wynosi 1:12 mm (w przypadku szczeliny roboczej 1–13 mm) i 2:16 mm (przy szczelinie 1–17 mm). Urządzenie oferuje wysoką czułość i minimalny błąd pomiarowy, co sprawia, że jest wyjątkowo efektywne w precyzyjnym mierzeniu.

Czujniki optyczne i ich cechy

W sensorach optycznych kluczową rolę odgrywa obszar detekcji, określający maksymalny zasięg, w którym zbliżany wzdłuż osi wiązki świetlnej do czoła sensorycznego urządzenia obiekt wywołuje przełączenie przełącznika wyjściowego.

Wybierając sensor optyczny, należy zwrócić uwagę na jego zasięg działania. Dla sensorów optycznych refleksyjnych jest to odległość między ich frontem a powierzchnią odbijającą. W przypadku sensorów barierowych, zasięg określa maksymalną przestrzeń między nadajnikiem a odbiornikiem, która musi umożliwić prawidłowe funkcjonowanie sensora przy przechwyceniu światła przez przeszkodę w obrębie tego zasięgu. Zasięg ten można dostosować za pomocą potencjometru.

Ważną cechą czujników optycznych jest również ich zdolność do zachowania histerezy przełączania, określającej minimalną odległość zmiany stanu obwodu w zależności od położenia obiektu. W systemach automatyzacji przemysłowej ważna jest ochrona przed przeciążeniem i zwarciami, dlatego sensorom towarzyszą zabezpieczenia prądowe chroniące przed potencjalnymi uszkodzeniami. Istotne znaczenie ma także zakres detekcji, zależny od wymiarów, koloru i tekstury obiektu, a także od kąta widzenia przez sensor. Na kartach katalogowych znajdziemy też informacje o napięciu szczątkowym, wskazującym na spadek napięcia przy aktywowanym wyjściu sensora. Ważne są także współczynniki korekcyjne, mające wpływ na efektywność detekcji w zależności od właściwości świetlnych obiektu.

Na rynku dostępnych jest szereg czujników optycznych. Firma Simex proponuje sensory optyczne serii S60 o wymiarach 50 mm × 50 mm × 15 mm. Są to modele odbiciowe z osiową optyką i polaryzacją, a także z funkcjami tłumienia tła, detekcji kontrastu, emisji światła białego i detekcji luminescencji. Dostępne są wersje z połączeniem kablowym lub z konektorem M12, przy czym wtyczka umożliwia orientację prostą lub kątową. Wszystkie modele wyposażone są w wyjścia NPN lub PNP.

Z kolei Festo w ofercie czujników optycznych ma m.in. modele SOEG-RS/RT z gwintami M12 × 1 i M18 × 1. Charakteryzują się one prostokątnym kształtem o wymiarach 20 mm × 32 mm, 30 mm x 30 mm, lub 50 mm × 50 mm. Działają w zakresie napięć 10–30 V DC i mają zasięg detekcji od 0 mm do 20 000 mm. Dostępne są różne opcje konfiguracji wyjścia sensora – PNP lub NPN, oraz typy połączeń – kabel lub wtyczka.

Czujniki indukcyjne – charakterystyka i oferta rynkowa

Na rynku dostępne są indukcyjne detektory zbliżeniowe zasilane zarówno napięciem stałym, jak i zmiennym, mające obudowy o formach kwadratowych lub cylindrycznych (rozmiary M8, M12, M18, M30). Modele te mogą być wykonane w wersji osłoniętej lub nieosłoniętej. Dla modeli pracujących na prądzie zmiennym zakres napięcia zasilania oscyluje w granicach 90–250 V, natomiast dla tych na prąd stały wynosi 10–30 V. Łączność realizowana jest poprzez złącze pinowe lub przewody. Detektory cylindryczne oferują różne zakresy mocowania: od 1 mm do 2 mm dla modeli M8, od 2 mm  do 4 mm (M12), od 5 mm do 8 mm (M18), od 10 mm do 15 mm (M30). W przypadku detektorów o konstrukcji kwadratowej, montuje się je zachowując odstępy 5 mm, 10 mm, 15 mm oraz 20 mm. Zabezpieczenie przed nadprądem oraz błędnym podłączeniem zwiększa ich trwałość, a dioda LED sygnalizuje aktywację urządzenia.

W zależności od przeznaczenia, wybiera się detektory z odpowiednim typem sygnału wyjściowego, co wpływa na ich wszechstronność. Detektory z dwustanowym sygnałem wyjściowym aktywują się, zamykając obwód przy zbliżeniu. Popularność zdobywają również modele z wyjściem tranzystorowym PNP lub NPN. W modelach PNP aktywowany detektor podaje wysokie napięcie zbliżone do zasilania, a w modelach NPN – przeciwnie. Na rynku dostępne są również detektory z analogowym sygnałem wyjściowym (prądowe lub napięciowe), gdzie wartość sygnału zależy od odległości detektora od wykrywanego obiektu.

Zastosowanie detektorów indukcyjnych w automatyce przemysłowej jest wszechstronne – od wyłączników krańcowych, przez systemy kontroli pozycji i obrotów, po pomiary prędkości obrotowej i drgań. Główne zalety detektorów indukcyjnych to trwałość, niezawodność, działanie bezdotykowe oraz odporność na niekorzystne warunki, takie jak zapylenie czy wilgotność.

Przykładem takich detektorów są bezprzewodowe indukcyjne czujniki zbliżeniowe Ex RF IS M30 nb-ST, produkowane przez firmę Steute. Są one przeznaczone do stosowania w strefach zagrożonych wybuchem Ex 1 i 21, a współpracują z uniwersalnym nadajnikiem Ex RF 96 ST. Do tego wyposażone są w metalową obudowę z gwintem M30 i spełniają normę IP67 zgodnie z IEC/EN 60529, z możliwością montażu niewpuszczanego. Aktywator stanowi płyta stalowa o wymiarach 45 mm × 45 mm × 1 mm.

Z kolei firma Sick w swojej ofercie ma indukcyjne detektory zbliżeniowe z serii IMI, które wyróżniają się interfejsem IO-Link. Zapewniają one łatwy montaż dzięki wizualnym wskaźnikom ustawień i samozabezpieczającym się nakrętkom. Ich obudowy wykonane są ze stali nierdzewnej, co zwiększa ich odporność na substancje chemiczne i agresywne ciecze.

Rodzaje i rozwiązania w czujnikach ultradźwiękowych

Czujniki ultradźwiękowe są dostosowane do funkcjonowania w zmiennych warunkach atmosferycznych, dzięki zaawansowanej kompensacji temperaturowej. Integracja czujnika temperatury i mechanizmu kompensacyjnego pozwala na utrzymanie niezmienionej prędkości fali dźwiękowej, niezależnie od zmian temperatury otoczenia. Ważnym ograniczeniem jest jednak fakt, że ultradźwięki nie mogą się rozprzestrzeniać w próżni, co oznacza, że efektywna praca tych czujników wymaga obecności mieszaniny gazów, czyli powietrza. W pojedynczych rodzajach gazów, np. w dwutlenku węgla, działanie czujników może być ograniczone bądź niedokładne, co wynika z różnicy w prędkościach propagacji dźwięku i czynników tłumiących.

Na rynku automatyzacji, czujniki ultradźwiękowe dostępne są w modelach odbiciowych, refleksyjnych oraz w wersjach z barierą jednoprogową. W modelach odbiciowych obiekt sam staje się reflektorem, co pozwala na aktywację czujnika przy wykryciu przedmiotu w jego zasięgu. Bardzo często reflektorem bywa metalowa płytka montowana przed czujnikiem. W sytuacji, gdy przedmiot znajdzie się między sensorem a reflektorem czujnik się aktywuje. Natomiast w przypadku barier jednoprogowych, czujniki działają za sprawą umieszczenia nadajnika i odbiornika po przeciwnych stronach, z aktywacją czujnika przy przerwaniu linii dźwiękowej przez obiekt.

Zakłócenia wynikające z turbulencji powietrza, wilgoci na aktywnej powierzchni czujnika, czy zanieczyszczeń mogą wpłynąć na dokładność i efektywność działania czujników ultradźwiękowych. Istotne jest więc umieszczanie czujnika tak, aby fala dźwiękowa padała prostopadle na wykrywany obiekt, co zapewnia precyzję pomiarów.

Czujniki ultradźwiękowe oferuje m.in. firma Baumer. W jej ofercie znajdują się prostsze sensory ultradźwiękowe o zasięgu detekcji od 350 mm do 2500 mm, z wyjściami konfigurowalnymi jako PNP/NO i z napięciem zasilającym 12–30 V DC. Mosiężna obudowa o średnicy 44,5 mm i gwincie M30 zapewnia wysoki stopień ochrony IP67, co gwarantuje niezawodność w trudnych warunkach przemysłowych.

Warto także zapoznać się z czujnikami ultradźwiękowymi firmy Micro Detectors. Mają one obudowę wykonaną z tworzyw sztucznych lub ze stali nierdzewnej AISI 316L. Dostosowane są również do stref zagrożonych eksplozją (ATEX). Urządzenia te oferują wyjścia cyfrowe (PNP/NPN) lub analogowe (4–20 mA/0–10 V), pracują w zakresie temperatury od -20 °C do 70 °C i są zasilane napięciem 10–30 V DC. Ich zasięg detekcji wynosi od 40 mm do 1200 mm, a konfiguracja może być dokonywana przy pomocy funkcji Teach-In.

Czujniki pojemnościowe – zastosowanie

Czujniki pojemnościowe znajdują szerokie zastosowanie w wielu aplikacjach przemysłowych, od monitorowania i kontroli poziomu cieczy o niskiej lepkości, przez zarządzanie procesami napełniania, do wykrywania obecności materiałów sypkich i granulowanych takich jak pasze, cement czy wapno. Są one również niezbędne w wykrywaniu obiektów metalowych, zarówno magnetycznych, jak i niemagnetycznych, co ma kluczowe znaczenie w branżach takich jak spożywcza, chemiczna i petrochemiczna, gdzie na przykład monitorowane są poziomy wina, soków, wody i innych płynów.

Te czujniki są również używane do identyfikacji obecności substancji agresywnych, nawet w zbiornikach o cienkich ściankach, dzięki specjalnie zaprojektowanym modelom odpornym na takie substancje. Charakteryzują się odpowiednią kompatybilnością elektromagnetyczną, zabezpieczeniami przeciwzwarciowymi oraz komplementarnymi wyjściami przełączającymi.

Współpracując z urządzeniami sygnalizującymi poziom, czujniki pojemnościowe są nieocenione w regulacji poziomu zarówno cieczy przewodzących, jak i nieprzewodzących, a także w zarządzaniu materiałami sypkimi w zbiornikach otwartych i zamkniętych. Mogą one wykrywać obecność cieczy takich jak oleje, paliwa, woda zdemineralizowana, a także szeroką gamę materiałów sypkich. W przemyśle spożywczym, chemicznym i petrochemicznym są niezastąpione w monitorowaniu poziomów i wykrywaniu obecności różnych substancji.

Zasilane mogą być zarówno z sieci o napięciu 230 V, jak i prądem stałym (12 V/24 V), z zasięgiem detekcji wahającym się od kilku do kilkuset mm.

I tak na przykład ifm electronic proponuje czujniki pojemnościowe KG5067, przeznaczone do aplikacji związanych z kontrolą poziomu mediów przewodzących. Cechują się one możliwością parametryzacji przez IO-Link, automatycznym rozpoznawaniem obciążenia wyjścia PNP/NPN, oraz programowalną funkcją wyjścia NO/NC, z łatwo rozpoznawalnym wskazaniem stanu dzięki pierścieniowi diodowemu.

Ciekawe rozwiązanie w zakresie czujników pojemnościowych oferuje firma Balluff. Czujniki serii D22 z obudową ze stali nierdzewnej, pracują w temperaturach od -30 °C do 70 °C, z zasilaniem 12–30 V DC i zasięgiem od 5,4 mm do 6,6 mm. Przez ścianki zbiorników wykrywają one zarówno ciała stałe, jak i ciecze.

Przetworniki położenia liniowego

Przetworniki położenia liniowego odgrywają kluczową rolę w różnych sektorach automatyki przemysłowej, w tym w produkcji spożywczej, logistyce oraz robotyce, dzięki swojej zdolności do dokładnego monitorowania położenia i prędkości. Ich zastosowanie jest niezwykle szerokie, co wynika z ich uniwersalności, ale przede wszystkim używane są w aplikacjach wymagających precyzyjnych pomiarów. Te urządzenia charakteryzują się wysoką stabilnością i niezawodnością, a także długą żywotnością. Wybierając przetwornik, warto zwrócić uwagę na poziom ochrony, który oferowany jest w widełkach od IP54, aż do IP68. Przetworniki położenia liniowego mogą mieć obudowy wykonane z aluminium lub stali nierdzewnej, co zapewnia im odporność na wstrząsy, wibracje, wysokie ciśnienie oraz ekstremalną temperaturę, np. od -40 °C do 120 °C.

Najbardziej popularnym zakresem pomiaru przetworników liniowych dostępnych na rynku jest przedział od 0 mm do 360 mm. Wśród oferowanych modeli dużym zainteresowaniem cieszą się m.in. urządzenia indukcyjne ze zintegrowaną elektroniką, modele bez elektroniki, oraz wersje potencjometryczne. Niektóre przetworniki spełniają również normy ATEX, co jest istotne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.

W indukcyjnych przetwornikach liniowych, sygnał może być przekształcany na wyjście prądowe (4–20 mA) lub napięciowe (0–10 V), z możliwością wyboru wersji z cyfrowymi wyjściami, takimi jak CANopen, PROFIBUS, EtherCAT, czy SSI, co umożliwia precyzyjne określenie przemieszczenia. Przetworniki potencjometryczne bazują na zasadzie zmiany rezystancji, co pozwala na uzyskanie sygnału bezpośrednio proporcjonalnego do przesunięcia. Typowa dokładność tych urządzeń mieści się w granicach: ±0,05 %, ±0,1 %, ±0,25 %, do ±0,5 %.

Firma Wobit proponuje czujniki liniowe CH37, zaprojektowane do zastosowania w cylindrach hydraulicznych o maksymalnym ciśnieniu 340 barów, z zakresami pomiarowymi od 100 mm do 550 mm. Te czujniki wyróżniają się kołnierzem wewnętrznym lub zewnętrznym, kompaktową konstrukcją, oraz niezależną liniowością na poziomie ±0,1 %. Użyty w nich przewodzący polimer zapewnia praktycznie nieograniczoną rozdzielczość, a zakresy pomiarowe wynoszą 50–550 mm, przy przewidywanej trwałości wynoszącej 100 mln ruchów.

Z kolei firma MS Sensors w swojej ofercie ma przetworniki liniowe MH Safety (SIL 2), które są zintegrowane w cylindrach hydraulicznych. Umożliwiają pomiar przemieszczenia i prędkości z długością skoku od 50 mm do 2500 mm i rozdzielczością 0,1 mm. Dostępne są w wersjach z wyjściami analogowymi lub CANopen.

Podsumowanie

Czujniki i przetworniki pomiarowe są kluczowymi komponentami w automatyce przemysłowej, dzięki precyzyjnemu mierzeniu wielu parametrów umożliwiają efektywną kontrolę i monitorowanie procesów produkcyjnych. Przepływomierze ułatwiają dokładne określenie ilości przepływającego medium, co jest niezbędne w wielu procesach przemysłowych. Czujniki optyczne charakteryzują się wysoką dokładnością i zdolnością do pracy w trudnych warunkach, co sprawia, że cieszą się wszechstronnym zastosowaniem. Czujniki indukcyjne oferują bezkontaktową detekcję metalowych obiektów z wysoką trwałością i są idealne do zastosowań w trudnych warunkach przemysłowych. Czujniki ultradźwiękowe, dzięki swojej zdolności do pracy w obecności pyłu, dymu czy mgły, są stosowane w pomiarach odległości i kontroli poziomu cieczy. Z kolei czujniki pojemnościowe znajdują zastosowanie w wykrywaniu różnorodnych materiałów – od metalu po materiały sypkie i płyny.

Przetworniki położenia liniowego, zamykające naszą listę, dostarczają precyzyjnych danych o położeniu i przemieszczeniu, co jest kluczowe w wielu zastosowaniach automatyki przemysłowej i robotyki. Każdy z tych elementów pomiarowych odgrywa fundamentalną rolę w zapewnieniu wysokiej efektywności, dokładności i niezawodności nowoczesnych systemów automatyki, co przekłada się na optymalizację procesów produkcyjnych i zwiększenie bezpieczeństwa.

źródło: Automatyka 5/2024