Czujniki w systemach automatyki procesów produkcyjnych

Czujniki i przetworniki (transducers) stosowane w automatyzacji procesów produkcyjnych wykrywają zmieniające się mierzone wielkości po czym wytwarzają odpowiednie sygnały wyjściowe. Ważne jest przy tym wykrywanie zależności zmiany od kierunku i jej wielkości. W praktyce stosowane są różne sposoby klasyfikacji czujników. Jedna z nich dzieli je na urządzenia, które wytwarzają sygnał dwustanowy odpowiadający np. zwarciu i rozwarciu obwodu. Druga grupa stanowi czujniki wytwarzające sygnał w przybliżeniu proporcjonalny do wielkości mierzonej.

Czujniki indukcyjne

Oferowane na rynku czujniki indukcyjne są zasilane prądem stałym lub przemiennym a obudowy mają kształt prostopadłościenny lub cylindryczny (M8, M12, M18, M30). Ponadto czujnik może być nieosłonięty lub osłonięty. W przypadku prądu przemiennego napięcie zasilania wynosi 90–250 V a przy prądzie stałym 10–30 V. Z kolei połączenie wykorzystuje wtyczkę pionową lub przewody. Czujniki cylindryczne cechują się odległością mocowania wynoszącą 1–2 mm przy średnicy M8, a także 2–4 mm (M12), 5–8 mm (M18) oraz 10–15 mm (M30). Czujniki prostopadłościenne są montowane z uwzględnieniem odległości 5 mm, 10 mm, 15 mm oraz 20 mm. Ważne jest zabezpieczenie nadprądowe oraz chroniące przed błędnym podłączeniem. Dioda LED informuje o zadziałaniu czujnika.

W zależności od aplikacji dobiera się odpowiedni sygnał wyjściowy czujnika, co decyduje o uniwersalności czujników indukcyjnych. Szerokie spektrum zastosowania mają czujniki o wyjściu dwustanowym, w których obwód ze stykiem załącza się wraz z aktywacją czujnika. Bardzo często zastosowanie znajdują czujniki bazujące na wyjściu tranzystorowym PNP lub NPN. W wyjściu PNP zainicjowany czujnik wystawia stan wysoki bliski jego napięciu zasilania. Odwrotnie jest w przypadku czujników z polaryzacją NPN. Na rynku oferowane są również czujniki indukcyjne z wyjściem analogowym – prądowe lub napięciowe. O wartości sygnału decyduje odległość czujnika od wykrywanego przedmiotu.

Możliwości stosowania czujników indukcyjnych w systemach automatyki są bardzo szerokie. Pełnią one rolę wyłączników krańcowych, a także kontrolują położenie i obroty wałów, położenie zaworów, mierzą prędkości obrotowe, drgania itp.

Trwałość, niezawodność, pewność działania i bezdotykowa praca to najważniejsze zalety czujników indukcyjnych. Nie bez znaczenia jest również odporność na działanie czynników zewnętrznych takich, jak zapylenie i wilgoć.

Indukcyjne czujniki zbliżeniowe oferuje m.in. firma Sick. Urządzenia serii IMI mają na wyjściu interfejs IO-Link. Podczas montażu czujników do dyspozycji są wizualne wskaźniki ustawienia oraz nakrętki samozabezpieczające. Obudowy czujników są wykonane ze stali nierdzewnej, co zapewnia odporność na oleje, środki czystości oraz działanie cieczy chłodząco-smarujących.

Z oferty firmy Steute wybrać można m.in. bezprzewodowe czujniki indukcyjne Ex RF IS M30 nb-ST. Urządzenia te są przeznaczone do pracy w strefach Ex 1 i 21 w kombinacji z nadajnikiem uniwersalnym Ex RF 96 ST. Obudowa jest metalowa z gwintem M30 IP67 zgodnie z IEC/EN 60529, montaż niewpuszczany. Aktywator to płytka stalowa 45 mm × 45 mm × 1 mm.

Czujniki ultradźwiękowe

Dzięki odpowiedniej kompensacji czujniki ultradźwiękowe mogą pracować w trudnych warunkach atmosferycznych. Prędkość rozchodzenia się dźwięku jest niezakłócana przez wpływ temperatury dzięki czujnikowi temperatury i pętli kompensacyjnej. Należy pamiętać, że fale nie mogą się swobodnie rozchodzić w próżni zatem praca czujników ultradźwiękowych jest możliwa wyłącznie w atmosferze powietrza. Jeżeli czujniki będą pracowały w innych gazach, jak dwutlenek węgla, to w skrajnych przypadkach czujnik może nie zadziałać lub wprowadzić błąd pomiarowy. Takie zjawisko jest efektem różnic prędkości w propagacji czynników tłumiących i propagacji dźwięku.

Czujniki ultradźwiękowe, jakie znajdują zastosowanie w automatyzacji produkcji oferowane są jako wersje odbiciowe i refleksyjne. Oprócz tego wykorzystuje się bariery jednoprogowe. Należy podkreślić, że w czujnikach odbiciowych obiekt jest reflektorem. Gdy zasięg czujnika obejmuje przedmiot , wówczas dochodzi do wzbudzenia czujnika oraz przełączenia wyjścia. Reflektorem bardzo często jest metalowa płytka mocowana przed czujnikiem. Jeśli przedmiot znajduje się między sensorem a reflektorem, to czujnik będzie aktywny. W odniesieniu do barier jednoprogowych nadajnik i odbiornik umieszcza się naprzeciwko siebie. Wraz z pojawieniem się między nimi obiektu, wyjście czujnika jest aktywne.

Warunki otoczenia w postaci turbulencji powietrza, będących efektem działania gorących obiektów (np. metale), mogą spowodować zmianę kierunku fali ultradźwiękowej lub jej rozpraszanie. Pamiętać należy również, aby aktywna część czujnika nie była wilgotna. Śnieg, deszcz i hałas z reguły nie wpływają na wynik pomiaru fali. Ważne jest, aby na części aktywnej nie gromadziły się zanieczyszczenia. Z kolei na etapie montażu trzeba zagwarantować prostopadłe padanie dźwięku na obiekt – przekłada się to na dokładność wyników pomiarów.

Firma Micro Detectors oferuje m.in. czujniki ultradźwiękowe w obudowie polimerowej M18 lub ze stali nierdzewnej AISI 316L (DIN 1.4404). W razie potrzeby do wyboru są wersje w wykonaniu ATEX. Dostępne są wyjścia cyfrowe PNP/NPN lub wyjścia analogowe 4–20 mA/0–10 V. Zakres temperatury pracy mieści się między –20 °C a 70 °C. Napięcie zasilania wynosi 10–30 V DC. Zasięg detekcji odbiciowej to 40–1200 mm. Przydatne rozwiązanie stanowi funkcja uczenia za pomocą Teach-In by cable. Czujniki są dostępne z kablem o długości 2 m, bądź złączem M12.

Z oferty firmy Baumer wybrać można m.in. czujniki ultradźwiękowe proste o zasięgu 350–2500 mm. Wyjście typu PNP/NO jest konfigurowane przy napięciu zasilania 12–30 V DC. Mosiężna obudowa czujnika ma średnicę 44,5 mm, gwint to M30, a stopień ochrony wynosi IP67. Przewód ma długość 2 m.

Czujniki optyczne

W czujnikach optycznych istotną rolę odgrywa strefa czułości. Stanowi ona maksymalną odległość od czoła czujnika karty pomiarowej, zbliżanej wzdłuż osi wiązki świetlnej, przy której dochodzi do przełączenia obwodu wyjściowego czujnika.

Dobierając czujnik optyczny należy pamiętać o odpowiednim zasięgu działania. W przypadku czujników optycznych refleksyjnych jest to odległość od czoła czujnika reflektora odblaskowego. Jeżeli natomiast mamy do czynienia z czujnikami typu „bariera”, zasięg działania stanowi maksymalny odstęp pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Ważne jest aby odstęp zapewniał poprawne działanie czujników w warunkach przerwania promieni świetlnych przez obiekt, który znajduje się wewnątrz zasięgu. Parametr ten można regulować w pewnym zakresie za pomocą potencjometru.

Ważnym parametrem czujnika optycznego jest histereza przełączania. Stanowi ona odległość obiektu od czujnika, przy której czujnik zmienia stan obwodu. W przemysłowych systemach automatyki istotną rolę odgrywają zabezpieczenia przed przeciążeniem i zwarciem wyjścia. Stąd też zastosowanie znajdują zabezpieczenia prądowe, które chronią czujniki przed uszkodzeniem, mogącym powstać w efekcie wystąpienia krótkotrwałego lub ciągłego przeciążenia czy też zwarcia wyjścia. Kluczowym parametrem w czujniku optycznym jest strefa robocza, czyli maksymalna odległość kontrolowanego obiektu od czoła czujnika. Zależy ona również od wielkości obiektu, a także od barwy i faktury powierzchni. W dużej mierze na strefą roboczą wpływa kąt, po którym obiekt jest widzialny przez czujnik. W karcie katalogowej czujnika optycznego znajdziemy także parametr nazywany napięciem szczątkowym. Określa on spadek napięcia na wyjściu czujnika w stanie wysterowania wyjścia. Ważne są współczynniki korekcyjne. Jak wiadomo zdecydowany wpływ na strefę działania czujnika optycznego ma wielkość odbitego światła. Zależy ona od rodzaju materiału, z którego wykonany jest obiekt. Istotny wpływ ma również barwa obiektu, jego struktura i wymiary. Zazwyczaj jasne powierzchnie, np. biały papier, odbiją zdecydowanie silniej niż chociażby ciemny karton.

Czujniki optyczne oferuje m.in. firma Festo. Są to wersje SOEG-RS/RT z gwintem M12 × 1 oraz M18 × 1. Urządzenia tego typu mają kształt prostopadłościanu o wymiarach 20 mm × 32 mm, 30 mm × 30 mm oraz 50 mm × 50 mm. Napięcie zasilania to 10–30 V DC przy zakresie roboczym 0–20 000 mm. W zależności od wersji wybiera się polaryzację wyjścia czujnika – PNP, NPN oraz rodzaj podłączenia (kabel lub wtyczka).

Z oferty firmy Simex wybrać można m.in. czujniki optyczne S60. Czujniki tej serii mają wymiary 50 mm × 50 mm × 15 mm . Są to modele refleksyjne z optyką osiową i polaryzacją oraz z tłumieniem tła, z czujnikami kontrastu, emisją światła białego i czujnikiem luminescencji. Do wyboru są wersje z połączeniem kablowym lub konektorem M12. Wtyczka ma możliwość obracania do orientacji prostej lub kątowej. Wszystkie wersje są wyposażone w wyjście NPN lub PNP.

Przetworniki położenia liniowego

Przetworniki położenia liniowego są nieodzownym elementem systemów automatyki pracujących w przemyśle spożywczym, np. na potrzeby produkcji żywności i napojów. Sprawdzają się też w systemach transportowych i robotyce. Spektrum zastosowania przetworników liniowych jest bardzo szerokie. Są one ważnym elementem aplikacji wymagających precyzyjnego pomiaru położenia oraz prędkości, niezależnie od wielkości powierzchni. Warto zwrócić uwagę na stabilne i niezawodne działanie przy jednoczesnej dużej trwałości. W zależności od potrzeb dobiera się stopień ochrony od IP54 do IP68. Obudowy wykonane są z aluminium lub ze stali nierdzewnej. Nie mniej ważna jest odporność na wstrząsy i wibracje, a także działanie wysokiego ciśnienia i skrajnej temperatury – np. mieszczącej się między -40 °C a 120 °C.

Typowe przetworniki liniowe umożliwiają pomiar w zakresie 0–360 mm. Dużym uznaniem cieszą się wersje indukcyjne bazujące na zintegrowanej elektronice. Jednak nie brakuje również wersji bez elektroniki oraz modeli potencjometrycznych. W razie potrzeby można dobrać przetwornik spełniający wymagania dyrektywy ATEX.

W typowym indukcyjnym przetworniku liniowym natężenie pola indukcyjnego w zależności od wersji jest przetwarzane na sygnał prądowy (4–20 mA) lub napięciowy (0–10 V). Oprócz tego zastosowanie czujniki z wyjściem cyfrowym pozwalają określić przemieszczenie trzpienia zamkniętego w cylindrze i współpracę z systemami komunikacji sieciowej CANopen, Profibus, EtherCAT, SSI. Wersje potencjometryczne wykorzystują zjawisko zmiany wartości natężenia prądu poprzez zmianę rezystancji. W efekcie wyjście ma sygnał wprost proporcjonalny do pozycji przetwornika na ścieżce. Typowa dokładność przetworników to: ±٠,05 %, ±0,1 %, ±0,25 % lub ±0,5 %.

Firma MS Sensors oferuje przetworniki położenia liniowego MH Safety (SIL 2). Urządzenia te są typu integrowane w cylindrze hydraulicznym, co pozwala na pomiar przemieszczenia i prędkości. W zależności od potrzeb dobiera się wyjście analogowe lub CANopen. Długość skoku wynosi 50–2500 mm przy rozdzielczości 0,1 mm.

Z kolei firma WObit oferuje m.in. liniowe czujniki położenia CH37, przeznaczone do pracy w cylindrach hydraulicznych o ciśnieniu do 340 barów i zakresach pomiarowych od 100 mm do 550 mm. Czujniki tego typu mają kołnierz wewnętrzny lub zewnętrzny, a konstrukcja jest kompaktowa. Niezależna liniowość wynosi ±0,1 %. Przewodzące tworzywo sztuczne ma praktycznie nieograniczoną rozdzielczość. Zakresy pomiarowe mieszczą się między 50 mm a 550 mm. Trwałość urządzenia przewidziano na 100 mln ruchów.

Czujniki pojemnościowe

Zastosowanie czujników pojemnościowych obejmuje m.in. aplikacje do kontroli poziomu cieczy małej lepkości i napełniania, jako czujniki zasypu oraz materiałów sypkich i granulatów – pasze, wapno, cement itp. Oprócz tego czujniki pojemnościowe są używane w procesie wykrywania obiektów metalicznych, zarówno magnetycznych, jak i niemagnetycznych. Chodzi tutaj głównie o przemysł spożywczy, chemiczny i petrochemiczny.

Niejednokrotnie używa się ich na potrzeby kontroli obecności lub poziomu substancji agresywnych, również w zbiornikach cienkościennych. Specjalne czujniki produkowane pod kątem takich aplikacji cechuje odporność na działanie substancji agresywnych.

Dostępne na rynku czujniki pojemnościowe mają odpowiednią kompatybilność elektromagnetyczną. Ważne są zabezpieczenia przeciwzwarciowe oraz wyjścia przełączające komplementarne.

Czujniki pojemnościowe bardzo często współpracują z sygnalizatorami poziomu. Stąd też urządzenia tego typu znajdują zastosowanie w procesach związanych z regulowaniem zarówno poziomu cieczy przewodzących i nie przewodzących, jak i materiałów sypkich w zbiornikach otwartych i zamkniętych. W zakresie cieczy przewodzących czujniki pojemnościowe są w stanie wykrywać poziom wody, soków czy też piwa. Ciecze takie jak oleje, paliwa i woda zdemineralizowana również mogą być wykrywane. Czujniki tego typu bardzo często współpracują z materiałami sypkimi, np. paszami, zbożami, wapnem, cementem itp. Urządzenia przeznaczone do wykrywania poziomu, bazujące na czujnikach pojemnościowych, dobrze sprawdzają się w przemyśle spożywczym, chemicznym i petrochemicznym.

Czujniki pojemnościowe w zależności od wersji mogą być zasilane bezpośrednio z sieci 230 V lub prądem stałym (12 V/24 V). Zasięg wykrywania wynosi od 3 mm do kilkuset mm.

Czujniki pojemnościowe serii D22 oferuje firma Balluff. Ich średnica wynosi 22 mm × 16 mm. Montaż odbywa się równo z powierzchnią. Wyjście ma polaryzację PNP ze stykiem zwiernym (NO). Przełączanie odbywa się z częstotliwością 100 Hz. Zasięg działania wynosi 5,4–6,6 mm. Obudowa jest wykonana ze stali nierdzewnej. Czujnik może pracować w temperaturze –30–70 °C. Napięcie zasilania to 12–30 V DC. Czujniki tego typu wykrywają zarówno ciała stałe, takie jak płytki półprzewodnikowe, obwody drukowane, kartony, stosy papieru, butelki, bloki i płyty z tworzywa sztucznego, jak i ciecze przez ścianki zbiorników lub rury ze szkła i tworzywa sztucznego.

Z oferty firmy ifm electronic wybrać można m.in. czujniki pojemnościowe KG5067. Znajdują one zastosowanie w aplikacjach odpowiedzialnych za określanie poziomu mediów przewodzących. Parametryzacja czujnika odbywa się poprzez IO-Link. Na uwagę zasługuje automatyczne wykrywanie obciążenia wyjścia PNP/NPN oraz programowalna funkcja wyjściowa NO/NC. Warto wspomnieć o widocznym wskazaniu stanu przełączania dzięki pierścieniowi diodowemu.

Co jeszcze?

Opisane rozwiązania to tylko kilka wybranych przykładów czujników, jakie znajdują zastosowanie w systemach automatyki procesów przemysłowych. Warto wspomnień o urządzeniach przeznaczonych do pomiaru temperatury. Firma Güenter oferuje w tym zakresie przetworniki temperatury będące urządzeniami elektronicznymi, konwertującymi sygnał z czujników temperatury (rezystancyjny lub napięciowy) na standardowy sygnał elektryczny. Najbardziej popularne są przetworniki z wyjściem analogowym prądowym 4–20 mA lub napięciowym 0–10 V. Oprócz tego zastosować można wyjścia cyfrowe – np. z protokołem Modbus.

Szereg rozwiązań w zakresie pomiaru temperatury oferuje również firma Endress+Hauser. Ciekawym rozwiązaniem jest seria termometrów higienicznych obejmująca kompaktowe lub modułowe termometry z wyświetlaczem lub bez oraz z przetwornikiem lub bez. Warto zwrócić uwagę, że zastosowane czujniki mają krótki czas odpowiedzi (t90: 1,5 s) oraz są odporne na wibracje (> 60 g). Przydatne rozwiązania stanowi szeroka gama przyłączy procesowych – zaciski, systemy uszczelnień metalowych, adaptery spawane, przyłącze APV, Varivent, Ingold, mocowanie wciskowe itp.

W wielu aplikacjach zastosowanie znajdują czujniki elektromagnetyczne. Urządzenia tego typu oferuje m.in. firma Turck. W zależności od wersji wybiera się urządzenia pracujące w trybach przeciwsobnym oraz odbiciowym (dyfuzyjnym). Czujniki mają obudowy cylindryczne gwintowane (M18 × 1, M30 × 1,5), cylindryczne gładkie (M25) lub prostopadłościenne (CP40). Oprócz tego nabyć można wersje mosiężne niklowane wykonane ze stali nierdzewnej (V4A 1.4401) lub plastiku (PBT, ABS). Maksymalny zasięg detekcji wynosi od 30–800 cm. Oferowane są wersje o wyjściach kontaktronowych (NO, NC, NO/NC), tranzystorowych (PNP, NPN/PNP) i analogowych z różnymi kombinacjami podłączenia – złącza kablowe, wtykowe męskie lub w postaci terminalu zaciskowego.

Z oferty firmy Pepperl-Fuchs wybrać można m.in. czujniki UDC-18GM-400-3E1-Y194142, przeznaczone do monitorowania podwójnych arkuszy. Urządzenia te rozróżniają puste przerwy oraz pojedyncze i podwójne warstwy materiałów takich jak papier, metale czy płyty drewniane i tafle szkła.

Podczas wykrywania etykiet czujniki te mogą rozróżniać materiał etykiety oraz elementu, na którym się ona znajduje.

Podsumowanie

Wybór odpowiedniego czujnika powinien uwzględniać przynajmniej kilka czynników. Przede wszystkim trzeba określić, jaka wielkość będzie mierzona. Ważny jest też zakres pomiarowy, warunki pracy maszyny oraz sposób zabudowy czujnika. Z drugiej strony określa się parametry wyjściowe czujnika. W zależności od potrzeb wyjście może być analogowe lub cyfrowe. Na etapie wyboru warto również zwrócić uwagę na parametry zasilania oraz długość kabla.

Oferowane na rynku czujniki indukcyjne są zasilane prądem stałym lub przemiennym a obudowy mają kształt prostopadłościanu lub cylindryczny (M8, M12, M18, M30). Ponadto czujnik może być nieosłonięty lub osłonięty.

Odpowiednia kompensacja pozwala pracować czujnikom ultradźwiękowym w trudnych warunkach atmosferycznych. Prędkość rozchodzenia się dźwięku jest niezakłócana przez wpływ temperatury dzięki czujnikowi temperatury i pętli kompensacyjnej.

Przetworniki położenia liniowego są nieodzownym elementem systemów automatyki pracujących, np. w przemyśle spożywczym chociażby na potrzeby produkcji żywności i napojów, a także w systemach transportowych i robotyce.

W systemach automatyki bardzo często wykorzystuje się czujniki pojemnościowe. Ich zastosowanie obejmuje m.in. aplikacje do kontroli poziomu cieczy małej lepkości i napełniania, jako czujniki zasypu oraz materiałów sypkich i granulatów – pasze, wapno, cement itp. Oprócz tego czujniki pojemnościowe niejednokrotnie są używane w procesie wykrywania obiektów metalicznych zarówno magnetycznych jak i niemagnetycznych w przemyśle spożywczym, chemicznym i petrochemicznym.

źródło: Automatyka 3/2021