Pomiar pozycji i przemieszczenia

Dzięki elementom pomiarowym, można budować układy w pętli zamkniętej, co czyni je precyzyjnymi oraz bezpiecznymi. W aplikacjach związanych z techniką napędową, wszelkiego typu czujniki i urządzenia odpowiedzialne za pomiar pozycji i przemieszczenia, spełniają funkcje kontrolne i informacyjne, wpływają również na przebieg pracy danego układu.

Kilka słów o enkoderach

Bardzo powszechnie stosowanym w systemach automatyki urządzeniem związanym z pomiarem pozycji i przemieszczenia jest enkoder. Na rynku dostępna jest bogata gama tego typu urządzeń, a klienci mogą wybierać wśród ofert wielu producentów. Enkoder stanowi jeden z podstawowych budulców układów napędowych, zapewnia precyzyjną kontrolę prawidłowości wykonywanych przemieszczeń i jest niezbędny do utworzenia sprzężenia zwrotnego. Ze względu na wspomniane wcześniej bogactwo enkoderów na rynku automatyki, należy je systematyzować w celu uproszczania procesu doboru odpowiedniego elementu i ułatwiania dokonywania porównań.

Podstawowym podziałem, który można zaproponować odnosi się do sposobu realizacji pomiaru – jest to pogrupowanie enkoderów na przyrostowe i absolutne. Enkodery przyrostowe, inaczej inkrementalne, zliczają przyrosty kątowe. Określenie różnicy między wartością początkową a końcową pozwala na obliczenie zrealizowanego przemieszczenia. Jak łatwo zauważyć, do prawidłowego pomiaru potrzebny jest punkt odniesienia, co jest podstawową wadą tego rodzaju enkoderów. Rozwiązaniem na uniknięcie tego kłopotu są enkodery absolutne, których zasada działania opiera się na przyporządkowaniu każdemu położeniu konkretnej wartości liczbowej. Dzięki takiemu zabiegowi, bezzasadne staje się badanie różnicy wartości, ponieważ jest ona określana w sposób absolutny, a więc zanik napięcia nie powoduje konieczności ponownego ustalania punktu bazowego, względem którego będą określane przemieszczenia. Wyróżnia się dwa podtypy enkoderów absolutnych. Są to enkodery jednoobrotowe i wieloobrotowe. Te drugie różnią się od tych pierwszych tym, że otrzymywana wartość liczbowa jest unikalna, nie tylko dla danego kąta, ale również dla danego obrotu. Jak łatwo się domyślić, enkodery absolutne są droższe od inkrementalnych o takich samych parametrach.

Enkodery można również podzielić na magnetyczne i optyczne. Te pierwsze występują w wersji liniowej oraz obrotowej. Na enkodery optyczne składają się układ nadajnika i odbiornika oraz tarcza obrotowa ze szczelinami, przez które przechodzi wiązka nadawana do odbiornika. Od liczby szczelin zależy rozdzielczość urządzenia. Enkodery magnetyczne obrotowe składają się z pierścienia i czujnika, który bada przemagnesowania, zaś magnetyczne liniowe z elementu pomiarowego poruszającego się nad taśmą magnetyczną. Enkodery magnetyczne liniowe są powszechnie nazywane liniałami magnetycznymi.

W tabeli przedstawiono kilka wybranych enkoderów różnych producentów wraz z ich parametrami, zaprezentowano ponadto cechy charakterystyczne każdego z nich. Zwrócono uwagę na typ, rozdzielczość oraz obsługiwane interfejsy komunikacyjne.

Enkodery linkowe

Ciekawym rodzajem enkodera mierzącego przemieszczenie jest enkoder linkowy. Urządzenie tego typu korzysta z mechanizmu linkowego. Dokładniej zlicza obroty łożyskowanego bębna, na który nawijana jest linka stalowa, dzięki czemu możliwe jest określenie liniowego przemieszczenia danego elementu. Zwiększeniu dokładności służy nawijanie linki jednowarstwowo. Zasada działania takich enkoderów opiera się więc na zamianie ruchu liniowego w obrotowy i badaniu na tej podstawie przesunięcia z użyciem enkodera. Przemieszczenie jest proporcjonalne do wartości uzyskiwanych na wyjściu z czujnika linkowego. Ciekawym zastosowaniem enkoderów omawianego typu jest kontrola przemieszczenia w systemach transportowych, zarówno poziomych, jak i pionowych, znajdujących się przykładowo w magazynach.

Firma Eldar ma w swojej ofercie wiele enkoderów linkowych. Przykładowe serie takich urządzeń to SFA-5000 oraz SFA-10000. Są to linkowe przetworniki z enkoderami o charakterze absolutnym, z interfejsem SSI, które mogą osiągnąć rozdzielczość rzędu 0,024 mm.

Stoltronic dzieli enkodery linkowe, które ma w swoim portfolio, na dwie podgrupy – standardowe z serii WDS i o podwyższonej żywotności z serii SL 3000. Te pierwsze mają bęben ze sprężyną, ich mechanizm umieszczony jest w aluminiowej obudowie. Urządzenia o podwyższonej żywotności mają takie akcesoria jak tuleje kierunkowe czy szczotki czyszczące linkę, które wydłużają czas eksploatacji całego mechanizmu.

Pomiar wychylenia

Specyficznym typem czujników pozycji są inklinometry. Są to urządzenia służące do pomiaru wychylenia danego elementu, korzystające z praw fizycznych ściśle związanych z przyciąganiem ziemskim. Inklinometry znajdują szerokie zastosowanie w energetyce odnawialnej – pomagają przykładowo w sterowaniu panelami fotowoltaicznymi. Poza tym są często stosowane w takich urządzeniach jak dźwigi, ładowarki, podnośniki, przepustnice. Czujniki wychylenia można również spotkać w robotyce, przemyśle wydobywczym czy w medycynie.

Inklinometry można podzielić na jednoosiowe i dwuosiowe. Te pierwsze badają przechył danego elementu w jednej osi, zaś drugie pozwalają na jednoczesny pomiar wychyłu w dwóch osiach, co pozwala przykładowo na kontrolę podczas poziomowania platformy. Przez wzgląd na zasadę działania wśród pochyłomierzy można wyróżnić urządzenia działające w technologii MEMS (ang. Micro Electro Mechanical Systems). Takie czujniki mają mikromasę umieszczoną na elastycznej strukturze, wychylenie powoduje ruch tej masy i zmianę pojemności między masą a strukturą. Umożliwia to określenie wychylenia elementu, na którym dokonywany jest pomiar. Inna technologia pomiaru oparta jest na stosowaniu płynu elektrolitycznego. W komorze pomiarowej takiego inklinometru znajduje się wspomniany płyn, a na ściankach komory znajdują się elektrody. Przy wychyleniu, w wyniku zmiany położenia płynu, zmienia się pojemność między elektrodami. Na tej podstawie wyliczane jest odchylenie elementu od pionu.

Jedną z firm oferującą na rynku inklinometry jest Posital Fraba. W swoim portfolio posiada bogaty wybór tego typu czujników z serii TILTIX. W przypadku urządzeń jednoosiowych możliwe jest badanie wychylenia w zakresie od 0° do 360°, zaś dwuosiowych do 80°. Firma oferuje również możliwość korzystania z różnych interfejsów tj. CANopen,
DeviceNet, Modbus, SSI, RS-232.

Również w ofercie firmy Kübler można znaleźć urządzenia do kontrolowania pochyłu. W ramach serii IN81 i IN88 oraz IS40 i IS60 dostępne są inklinometry jednoosiowe i dwuosiowe. Wszystkie wymienione w przypadku możliwości pomiaru w jednej osi mogą działać w zakresie od 0° do 360°. Urządzenia dwuosiowe z serii IS zapewniają możliwość pomiaru maksymalnie do 60°, zaś IN do 85°. Wyższe modele z wymienionych mogą korzystać z takich interfejsów jak CANopen i Modbus.

Kolejnym przykładem serii urządzeń do pomiaru pochyłu jest seria Q20L60 firmy Turck. Ciekawostką charakteryzującą te jednoosiowe urządzenia są dwa programowalne wyjścia dwustanowe, związane z punktami przełączania, które można ustawić w dowolnym wychyleniu. Opcjonalnie omawiane inklinometry mogą pracować z użyciem interfejsu IO-Link i CANopen.

Pomiar bezkontaktowy

Podczas rozważań na temat pomiarów pozycji i przemieszczenia warto zwrócić uwagę na grupę czujników, które łączy jedna cecha – pomiar bezkontaktowy. Czujniki tego typu mogą pełnić różnorakie funkcje, a ich zasady działania mogą się od siebie różnić.

Jedną z podgrup w zbiorze czujników bezkontaktowych, którą wyróżnia pełniona funkcja, jest podgrupa czujników bezpieczeństwa. Wspomniane sensory mają za zadanie zapewnienie bezpiecznych warunków użytkowania maszyn i urządzeń. Najczęściej są stosowane w celu wykrywania otwarcia w niepożądanym momencie osłon lub drzwi. Dzięki pomiarowi bezkontaktowemu luzy mechaniczne osłon nie wpływają na prawidłową pracę mechanizmu.

Kolejną podgrupą są czujniki mierzące odległość od określonego obiektu, na podstawie której można określić pozycję elementu wykonawczego od obrabianego materiału albo poziom płynów lub substancji sypkich w zbiornikach. Czujniki badające odległość, mogą także wykrywać fakt pojawienia się danego elementu w określonym wcześniej punkcie bazowym.

Ze względu na zasadę działania można wśród czujników bezkontaktowych wyróżnić czujniki magnetyczne, których prawidłowego funkcjonowania nie są w stanie zakłócić drobne zabrudzenia, a ich miejsce montażu może być ukryte pod materiałem niemagnetycznym. Kolejną grupę stanowią czujniki indukcyjne, korzystające ze zjawiska zmiany pola elektromagnetycznego w wyniku przemieszczania metalowych elementów. Strefa robocza czujnika indukcyjnego jest zależna od jego wymiarów, a konkretnie od wielkości ukrytej w nim cewki, która stanowi element o charakterze detekcyjnym. W przypadku braku możliwości skorzystania z czujnika indukcyjnego (w związku z niemetalicznością elementu), najczęściej stosuje się czujniki pojemnościowe. Nie mają one większych ograniczeń w stosunku do rodzaju materiału elementu, w odniesieniu do którego prowadzony jest pomiar. Mają one jednak szereg wad, z których największymi są wrażliwość na zabrudzenia i drobne przeszkody pojawiające się między czujnikiem a wykrywanym elementem oraz często mała maksymalna częstotliwość przełączania czujnika.

Kolejna grupa czujników do prawidłowego funkcjonowania wykorzystuje ultradźwięki i zależności fizyczne wynikające z rozchodzenia się fal akustycznych. Inną kategorię czujników bezkontaktowych stanowią czujniki optyczne. Składają się one ze źródła światła i odbiornika. Ciekawą zasadą działania cechują się czujniki konfokalne. Czujnik połączony za pomocą światłowodu z kontrolerem wyposażonym w źródło światła potrafi na podstawie intensywności rozproszonego po odbiciu światła ocenić odległość od obiektu.

Przykładowe czujniki bezkontaktowe różnego rodzaju wraz z możliwymi zakresami działania umieszczono w tabeli. Podczas doboru odpowiedniego typu czujnika bezkontaktowego do konkretnej aplikacji, należy zwrócić uwagę na kilka czynników, z których najważniejsze to: pożądany zakres pomiarowy czujnika, warunki środowiskowe, możliwości montażu czujnika, rodzaj materiału, względem którego będzie dokonywany pomiar, funkcja jaką ma pełnić czujnik oraz szybkość reakcji danego elementu. Dobór nie powinien jednak stanowić problemu ze względu na bogactwo czujników bezkontaktowych dostępnych na rynku.

Kontrola położenia w pneumatyce

Pomiar położenia jest przydatny również w pneumatyce, która jest powszechnie stosowana w automatycznych procesach produkcyjnych. Dzięki niemu można uzyskać informację zwrotną niezbędną do prawidłowego funkcjonowania układu zamkniętego sterującego pracą danego mechanizmu pneumatycznego. Powszechnie stosowanymi urządzeniami w pneumatyce są czujniki i przetworniki położenia tłoka, dzięki którym możliwe staje się precyzyjne określenie stopnia jego wysunięcia, co z kolei daje sposobność do konkretnego ustalenia położenia sterowanego elementu.

Jedną z firm proponujących w swojej ofercie elementy do kontroli położenia w pneumatyce jest spółka Balluff. Do zastosowań w siłownikach proponuje czujniki pola magnetycznego. Generalnie kontrola pozycji tłoka odbywa się przez wykrywanie pola magnesu, który jest w niego wbudowany. Detekcja odbywa się przez obudowę elementu wykonawczego, a więc w sposób bezdotykowy, dzięki czemu wzrasta żywotność samego czujnika. Balluff ma szeroką gamę czujników tego typu, wśród nich na wyróżnienie zasługuje grupa programowalnych czujników do siłowników. Używając tego typu urządzeń, można programować punkty przełączające. Umożliwia to większą swobodę podczas montażu, ponieważ czujnik wystarczy umieścić w punkcie bliskim docelowemu miejscu pomiaru i za pomocą przycisku na panelu sterowania dokonać jego przyuczenia. Dodatkową zaletą tego typu czujników w wariancie z interfejsem IO-Link jest możliwość określenia do 8 punktów przełączania, co czyni je elastyczniejszymi.

Kontroli położenia w pneumatyce można również dokonywać za pomocą elementów znalezionych w portfolio firmy CPP Prema. Firma proponuje czujniki pola magnetycznego w dwóch wariantach wykonania: kontaktronowym i półprzewodnikowym. Czujniki półprzewodnikowe są w stanie generować sygnał wyjściowy bez względu na poziom natężenia pola magnetycznego, co czyni je dosyć elastycznymi. CPP Prema oferuje czujniki do wszelkiego typu siłowników, nie zapominając o odpowiednio do nich dostosowanych, dedykowanych uchwytach.

Kolejną firmą oferującą elementy do określania położenia jest Festo. W gamie produktów tej firmy można znaleźć czujniki, przetworniki i układy pomiarowe położenia. Przykładowo przetworniki z serii SDAT oprócz wyjścia dwustanowego mogą korzystać z interfejsu IO-Link. Układy pomiarowe położenia z portfolio Festo. występują w wersji analogowej z pomiarem stykowym i cyfrowej z metodą pomiaru bezstykową. Układy mogą mieć czujniki potencjometryczne lub magnetostrykcyjne.

Przy dokonywaniu wyboru urządzenia do określania położenia w pneumatyce warto zwracać uwagę na takie parametry jak: czas reakcji, powtarzalność pomiaru i żywotność wyrażaną przykładowo za pomocą możliwej liczby przełączeń.

Warunki specjalne

Elementy do pomiaru pozycji i przemieszczenia, oferowane przez różnych producentów, mogą opcjonalnie mieć cechy szczególne, które czasami okazują się niezbędne w niektórych aplikacjach.

Jedną z takich cech jest możliwość pracy danego urządzenia w strefie zagrożonej wybuchem. Aby było to możliwe, dany element musi być wykonany w wersji przeciwwybuchowej i spełniać dyrektywę unijną ATEX, co producent danego elementu musi potwierdzić odpowiednim certyfikatem. Coraz więcej urządzeń automatyki w wersji opcjonalnej spełnia takie kryterium, jednak cały czas jest to niewielka część całego rynku automatyki. Oczywiście, jak nietrudno się domyślić, identyczne pod względem funkcjonalnym urządzenia w wersji standardowej i w wykonaniu przeciwwybuchowym, różnią się od siebie ceną zakupu, w związku z wyższym kosztem wykonania.

Enkodery, które mają odpowiednie atesty i mogą pracować w strefach zagrożonych wybuchem można znaleźć w ofercie takich firm jak Positial Fraba oraz Pepperl+Fuchs. W portfolio pierwszej z nich znajdują się absolutne enkodery jedno- i wieloobrotowe. Dostępna rozdzielczość maksymalna tych urządzeń to 16 bitów i dodatkowo 14 bitów na liczbę obrotów. W zależności od modelu, omawiane urządzenia mają ognioszczelną obudowę zbudowaną z aluminium lub stali nierdzewnej. Enkodery w wersji przeciwwybuchowej firmy Positial Fraba mogą współpracować z różnorodnymi interfejsami komunikacyjnymi takimi jak: CANopen, DeviceNet, Profibus, Profinet, SSI. Pepperl+Fuchs w swoim portfolio ma enkodery zgodne z dyrektywami ATEX w wersji absolutnej wieloobrotowej AVM78E. Mają one takie same parametry związane z rozdzielczością i obudową jak urządzenia omawiane wyżej. Przykładowymi inklinometrami, które występują opcjonalnie w wykonaniu przeciwwybuchowym, są wspominane już wcześniej urządzenia z serii Q20L60 firmy Turck. Na rynku automatyki można również spotkać czujniki bezkontaktowe w wersjach przeciwwybuchowych.

Inną cechą urządzeń do pomiaru pozycji i przemieszczenia, która może okazać się użyteczna w wybranych aplikacjach, jest możliwość pracy z użyciem odpowiedniego interfejsu komunikacyjnego. W tabeli dotyczącej enkoderów można zauważyć związaną z tym zagadnieniem rubrykę. Wymieniono w niej odpowiednie interfejsy, dzięki którym urządzenia mogą komunikować się z resztą układu czy systemu automatyki. Również w treści artykułu akcentowano możliwości omawianych urządzeń w zakresie obsługiwanych typów komunikacji.

Oprócz wcześniej wspomnianych interfejsów i urządzeń do pomiaru pozycji, warto zwrócić uwagę na jeszcze kilka przykładów. Pierwszym z nich jest wieloobrotowy enkoder absolutny z serii OCE-EC00B firmy Positial Fraba z intensywnie rozwijającym się interfejsem EtherCAT. Enkoder cechuje szesnastobitowa rozdzielczość i liczba obrotów zakodowana na 14 bitach. Co ciekawe – urządzenie jest dostępne w wersji przeciwwybuchowej. Kolejny – to jednoobrotowy enkoder absolutny HS58 EP znajdujący się w ofercie firmy Eldar z interfejsem Ethernet/IP. W ten sam interfejs zaopatrzony jest produkt firmy Rockwell Automation – absolutny, wieloobrotowy enkoder 842E. Cechami tego urządzenia są wykonanie w stopniu ochrony IP67 oraz rozdzielczość na jeden obrót wynosząca 18 bitów.

Złoty środek

Na podstawie różnorodności i mnogości urządzeń do pomiaru pozycji i przemieszczenia dostępnych na rynku, można wysnuć wniosek, że tego typu urządzenia są powszechnie używane w zadaniach związanych z automatyzacją i robotyzacją. Układy działające w pętli zamkniętej wymagają elementów pomiarowych, które zbierają informacje konieczne do odpowiedniego wysterowania układu. Kryteria, którymi należy kierować się podczas doboru odpowiednich urządzeń do pomiaru pozycji i przemieszczenia, są uzależnione od wymagań danej aplikacji. Na wybór konkretnego elementu pomiarowego mają wpływ: zastosowane rozwiązania konstrukcyjne, pełniona funkcja, warunki środowiskowe, wymogi dokładności. Czasami może się okazać, że prosty czujnik wystarczy, aby spełnić założenia danego projektu, a zastosowanie bardziej skomplikowanego elementu, nie wprowadzi nic nowego do aplikacji, a tylko niepotrzebnie zwiększy się koszt realizacji całego przedsięwzięcia. Odpowiedni dobór urządzenia pomiarowego wpływa na pomyślność realizacji danej aplikacji. 

*Tabele produktów znajdują się w wersji drukowanej i PDF Miesięcznika Automatyka

źródło: Automatyka 11/2017