Pomiary bezkontaktowe

W pierwszej kolejności warto zwrócić uwagę na bezdotykowy pomiar temperatury z wykorzystaniem pirometrów oraz kamer termowizyjnych. Szereg przydatnych rozwiązań stosuje się również w miernikach cęgowych. Warto wspomnieć o bezkontaktowym pomiarze kąta oraz pomiarze przepływu. W wielu aplikacjach przemysłowych wykorzystuje się bezkontaktowy pomiar pozycji i przemieszczenia.

Pirometry i kamery termowizyjne

Pirometry i kamery termowizyjne pozwalają na bezdotykowy pomiar temperatury. Dzięki pirometrom zyskuje się pomiar temperatury punktu lub bardzo małej powierzchni, natomiast kamera termowizyjna zapewnia obraz z naniesionymi punktami gorącymi i zimnymi.

Zarówno pirometry jak i kamery termowizyjne bazują na procesie obrazowania w paśmie średniej podczerwieni. Rejestrowane jest więc promieniowanie cieplne emitowane przez ciało fizyczne w zakresach temperatury spotykanych w warunkach naturalnych, bez dodatkowego oświetlenia. Każde ciało, które osiąga temperaturę wyższą od temperatury zera bezwzględnego emituje fale nazywane promieniowaniem podczerwonym lub cieplnym. Intensywność promieniowania jest wprost proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury badanego obiektu. Stąd też dokonując pomiaru promieniowania cieplnego określonego obiektu mierzona jest jego temperatura. Przyjmuje się jednak, że model ten nie jest idealny, a badane obiekty odbiegają od niego. Kluczowe miejsce zajmuje zatem uwzględniany w pomiarach współczynnik emisyjności, dobierany dla konkretnego materiału. Określa on zdolność danego ciała do emisji promieniowania cieplnego.

Cechy pirometrów

W pirometrach o wysokim poziomie dokładności pomiarowej w niskiej temperaturze uwzględnia się optykę zwierciadlaną, która jest bardzo podobna do elementów optycznych stosowanych w aparatach fotograficznych. Oprócz tego zastosowanie znajduje efekt nakierowania pirometru na pole pomiarowe. W niektórych rozwiązaniach na czas pomiaru włącza się wskaźnik laserowy. Problem z właściwym ustawieniem pirometru nie występuje w pirometrach światłowodowych, gdzie promieniowanie wnika do światłowodu przy powierzchni promieniującej. W pirometrach uwzględnia się dwie grupy detektorów – termiczne i fotoelektryczne.

Z oferty firmy Optris wybrać można zaawansowane pirometry dwuczęściowe z elektroniką w oddzielnej obudowie, a także z klawiaturą i wyświetlaczem. W zależności od zastosowania dobiera się wersję MT – do pomiaru temperatury produktów obrabianych za pomocą płomienia, F2 – do pomiaru temperatury płomieni zawierających CO2 oraz F6 – do pomiaru temperatury płomieni zawierających CO (czad).

Testo 830-T1 to pirometr laserowy cechujący się szybkim pomiarem temperatury, rozdzielczością optyczną 10:1, celownikiem laserowym oraz ustawialną emisyjnością od 0,2 do 1. Urządzenie wyposażono w podświetlany wyświetlacz LCD, alarm dźwiękowo-optyczny sygnalizujący przekroczenie wartości granicznej oraz w funkcję wyświetlania aktualnej i zapamiętanej wartości temperatury.

Kiedy kamera, a kiedy pirometr?

Pirometry umożliwiają pomiar temperatury punktu lub bardzo małej powierzchni. Należy jednak mieć na uwadze czasochłonność wynikającą z konieczności przeprowadzenia odpowiednio dużej liczby pomiarów. Stąd też kamera termowizyjna pozwala na wykonanie dużej liczby pomiarów przy użyciu jednego przycisku. Poza tym wyniki są przedstawiane w formie widocznego obrazu z naniesionymi punktami gorącymi i zimnymi. Co prawda zarówno kamery termograficzne, jak i pirometry mierzą temperaturę, to jednak kamera może wykonać znaczną liczbę zdjęć jednocześnie.

Używając pirometru należy dokładnie zwrócić uwagę na miejsce prowadzenia pomiaru. Kamera pozwala nie tylko na odczyt temperatury, ale również na przedstawienie ich w postaci wizualnej, dzięki czemu jest możliwe szybkie odnalezienie punktu, w którym temperatura odbiega od pozostałych elementów.

Pirometry i kamery termowizyjne łączy jedna wspólna cecha – zastosowanie w diagnostyce przemysłowej. Podstawę w tym zakresie stanowi wykrywanie usterek w pracy rozdzielni elektrycznych. Podwyższona temperatura może wskazywać chociażby na niewłaściwą pracę szyb zbiorczych, odłączników, a także wyłączników mocy oraz przekładników i transformatorów. Podczas pomiarów w pierwszej kolejności przeprowadzane jest badanie mające charakter bardziej ogólny, po którym odbywa się szczegółowa analiza. Jeżeli podczas badania użyta będzie kamera termowizyjna, to na termogramie zostają zaznaczone miejsca o podwyższonej temperaturze.

Kontroli termicznej poddaje się również transformatory. Analizowana jest wtedy zewnętrzna powierzchnia kadzi z olejem, a także osprzęt, izolatory przepustowe oraz elementy przyłączeniowe. Niejednokrotnie przeprowadzana jest kontrola termowizyjna pokrywy transformatora. Termowizja bardzo dobrze sprawdza się przy wykrywaniu asymetrii zasilania lub przeciążeń w instalacjach.

Największy udział w rynku mają kamery termowizyjne firm Flir i Fluke. Warto również wspomnieć o firmach takich jak Testo, Vigo czy Sonel.

Kamera termowizyjna Testo 870-1, pokazująca na detektorze 160×120 px ma czułość termiczną wynoszącą < 100 mK, szerokokątny obiektyw o kącie widzenia 34° × 26° oraz zakres pomiarowy do 280 °C. Częstotliwość odświeżania to 9 Hz. Urządzenie zaprojektowano z myślą o pomiarach instalacji elektrycznych oraz lokalizowaniu wycieków z ogrzewania podłogowego i instalacji grzewczych. Z oferty firmy Fluke wybrać można np. kamerę  Fluke Ti400. Warto tutaj wspomnieć o zastosowaniu technologii Fluke IR-Fusion z trybem AutoBlend. Wymiana danych między komputerem PC lub urządzeniami mobilnymi jest bezprzewodowa. Urządzenie umożliwia wykonywanie dodatkowych zdjęć cyfrowych. Ponadto można pozyskiwać dodatkowe informacje wykorzystując do tego system IR-PhotoNotes.

Mierniki cęgowe

Spektrum zastosowania mierników cęgowych jest bardzo szerokie. Wynika to stąd, że pozwalają one na bezdotykowy pomiar natężenia prądu bez konieczności przerywania obwodu elektrycznego. Niektóre przyrządy mogą być wykorzystane przy wykrywaniu harmonicznych. Ponadto mierniki cęgowe znajdują zastosowanie podczas pomiarów prądów rozruchowych. Taki pomiar jest potrzebny chociażby przy wykrywaniu błędów na etapie uruchamiania maszyn elektrycznych. Pomiar prądu wykonuje się również przy diagnostyce częstego działania zabezpieczeń nadprądowych. Funkcjonalność i cechy mierników cęgowych będą przydatne przy konfigurowaniu i diagnozowaniu napędów pracujących ze zmienną częstotliwością.

Mierniki cęgowe mierzą prądy przemienne i stałe oraz True RMS AC+DC prądów do 1000 A i napięć AC/DC do 1000 V. Ponadto trzeba zwrócić uwagę na funkcjonalność w zakresie sprawdzania ciągłości przewodów oraz pomiaru częstotliwości i rezystancji. Oprócz tego można mierzyć moc czynną, bierną, pozorną oraz współczynnik energii i mocy. Przydatną funkcjonalnością jest możliwość pomiaru harmonicznych prądu i napięcia w sieciach jedno- i trójfazowych. Pomiar harmonicznych prądu/napięcia może bazować na obliczeniu THD%.

Trzeba mieć na uwadze fakt, że pomiar z użyciem metody cęgowej pozwala mierzyć  zarówno małe, jak i duże prądy. Pomiar prądu o większych wartościach sprawdzi się w przemyśle, zwłaszcza w energetyce. Pomiar może być wykonany w trybie normalnej pracy maszyny.  Z kolei w zakresie małych prądów warto podkreślić chociażby możliwość pomiaru prądów upływowych AC. Podczas prac diagnostycznych automatyki przydatny będzie np. test pętli prądowej 4–20 mA.

Nowoczesne mierniki cęgowe coraz częściej są stosowane jako klasyczne multimetry. Przyrząd taki stanowi więc uniwersalne urządzenie, dzięki któremu można mierzyć prąd, napięcie, rezystancję, pojemność, ciągłość obwodu i częstotliwość. Ważne są przy tym kompaktowe obudowy przyrządów.

Miernik cęgowy CMP-2000 firmy Sonel to uniwersalny przyrząd pomiarowy umożliwiający prowadzenie pomiarów natężenia prądu do 2 kA. Przewody mogą mieć średnicę do 57 mm, a szynoprzewody do 70 × 18 mm. Jest możliwy pomiar początkowy prądu rozruchu (funkcja Inrush) oraz pomiar napięcia stałego do 1 kV i przemiennego (TRUE RMS) do 750 V. Przyrząd umożliwia pomiar rezystancji z testem ciągłości połączeń i dźwiękową sygnalizacją ciągłości obwodu dla wartości od 30 Ω. Ponadto można mierzyć temperaturę, częstotliwość oraz cykl roboczy.

Przyrząd KEW MATE 2012R Kyoritsu jest multimetrem bazującym na otwartych cęgach prądowych, które umożliwiają pomiar prądów stałych i przemiennych do 120 A z rozdzielczością 0,01 A. Czujnik cęgowy ma konstrukcję otwartych stałych cęgów i jest połączony z przyrządem za pomocą elastycznego przewodu. Przekrój mierzonego przyrządu to maks. 12 mm.

Bezkontaktowy pomiar kąta

Przy bezkontaktowym pomiarze położenia kąta bardzo często wykorzystuje się czujniki magnetyczne położenia kątowego. Urządzenia tego typu odgrywają istotną rolę w aplikacjach wymagających pozycjonowania. W typowych czujnikach przewiduje się zakresy pomiarowe od 50° do 360°, przy rozdzielczości 12 bitów z kolei napięcie zasilania to 5 V DC lub 10–30 V DC. W czujnikach, które są zasilane napięciem 5 V DC maksymalne obciążenie wynosi do 20 mA, z kolei w wersjach zasilanych 10–30 V DC natężenie prądu nie może powinno przekraczać 32 mA. Niektóre czujniki wykorzystują zjawisko Halla.

Dobierając odpowiedni czujnik trzeba mieć na uwadze kompatybilność elektromagnetyczną (EMI/EMC). Zapewnia ona odporność na zakłócenia w środowisku przemysłowym. Istotną rolę odgrywa zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją i zwarciem. Spektrum zastosowania czujników pomiaru kąta jest bardzo szerokie. Obejmuje ono bowiem sterowanie zaworami i urządzeniami HVAC oraz aplikacje wymagające pozycjonowania osi.

Warto zwrócić uwagę na szybką instalację czujników, która bazuje jedynie na czterech krokach montażowych – pozycjonowanie urządzenia, przygotowanie otworów montażowych, montaż czujnika, lokalizacja magnesu/podłączenie czujnika.

Z oferty Simex wybrać można m.in. przetworniki kąta SCK-11, które znajdują zastosowanie w aplikacjach wymagających stacjonarnego pomiaru kąta w dwu osiach prostopadłych względem wektora przyspieszenia ziemskiego i względem siebie. Zaleca się aby zakres mierzonych kątów mieścił się między –70° a +70° względem ziemi. W przypadku pomiarów –20° do +20° dokładność przekracza 0,1° w obydwu osiach. Dzięki wewnętrznym rejestrom offsetowym można bezpośrednio wykonywać pomiar względny kąta przy możliwości samoczynnego tarowania wskazań.

Z kolei czujniki magnetyczne SPS firmy Honeywell nabyć można z zakresami pomiarowymi 0–100° oraz 0–180°. Są to urządzenia magnetorezystancyjne. Wersje 0–100° różnią się napięciem zasilania (6–24 V DC, 18–40 V DC lub 5 V DC), a sygnał wyjściowy osiąga wartości od 0,5 V DC do 4,5 V DC. W zależności od wersji urządzenia wykrywanie położenia odbywa się po stronie wewnętrznej lub zewnętrznej łuku czujnika.

Bezkontaktowy pomiar przepływu

Przepływomierze to przyrządy pomiarowe mierzące strumień przepływu objętości lub masy. Urządzenia tego typu znajdują zastosowanie podczas pomiaru przepływu zarówno cieczy, jak i gazów.

Przepływomierzami bezkontaktowymi są m.in. urządzenia ultradźwiękowe, które bazują na pomiarze prędkości przepływu medium przez określoną powierzchnię prostopadłą w odniesieniu do kierunku przepływu. W przepływomierzach ultradźwiękowych mierzona jest różnica czasów przejścia fali ultradźwiękowej powstałej w efekcie zjawiska Dopplera. Fala jest emitowana na przemian między dwoma czujnikami umieszczonymi na rurociągu. W momencie zatrzymania przepływu czas przejścia fali w dwóch kierunkach będzie jednakowy. Wraz z rozejściem się fali przeciwnie do płynącej cieczy zostanie zmniejszona prędkość propagacji w odniesieniu do kierunku zgodnego z ruchem cieczy. Różnica czasów przejścia jaką mierzy przepływomierz ma wartość proporcjonalną do prędkości cieczy w rurociągu. Dzięki uwzględnieniu profilu i pola przekroju poprzecznego rury jest możliwe wyznaczenie objętości strumienia.

Ważną zaletą przepływomierzy ultradźwiękowych jest możliwość montażu w istniejących instalacjach. Układ pomiarowy można zamontować bez przerywania procesu produkcyjnego. Przepływomierze ultradźwiękowe nie powodują spadku ciśnienia w instalacji.

Wybierając odpowiedni przepływomierz ważne jest określenie rodzaju pomiaru – technologiczny lub na potrzeby rozliczeń. Nie można zapomnieć o zdefiniowaniu poziomu dokładności pomiaru oraz rodzaju informacji wyjściowych.

Przepływomierz Laser Flow firmy TELEDYNE ISCO jest urządzeniem laserowym. Dzięki zastosowaniu lasera oraz efektu Dopplera odbywa się bezkontaktowy pomiar prędkości w jednym z kilku punktów przekroju poprzecznego kanału poniżej zwierciadła ścieków. Dzięki lokalizacji sond powyżej strumienia ścieków zyskuje się łatwą obsługę serwisową. Przepływomierz LaserFlow  jest dostępny w wersji stacjonarnej (z przetwornikiem Signature) oraz w wersji przenośnej (moduły serii 2100). Ważne są również szerokie możliwości komunikacyjne zapewniające m.in. zdalne programowanie, a także import wyników pomiarowych i parametrów diagnostycznych z urządzenia.

Z kolei przepływomierz radarowy R-BOX znajduje zastosowanie przede wszystkim przy bezkontaktowym pomiarze przepływu w kanałach grawitacyjnych. Przyrząd ten stanowi alternatywę przy wykonywaniu pomiarów przepływu w warunkach grawitacyjnych dla przepływomierza ultradźwiękowego z wykorzystaniem elementów piętrzących – np. koryta pomiarowe. Chodzi tutaj głównie o instalacje kanalizacyjne o znacznych wymiarach przy dużych przepływach chwilowych. Przepływomierz R-BOX zawiesza się nad kanałem i nie ma on kontaktu z przepływającym medium. Konstrukcja urządzenia zapewnia odporność na obrastanie ścian i dna kanału.

Bezkontaktowy pomiar pozycji i przemieszczenia

W odniesieniu do bezkontaktowego pomiaru pozycji i przemieszczenia warto zwrócić uwagę na technologię triangulacji optycznej. Wykorzystuje się w niej laserowe czujniki przemieszczenia, które przeprowadzają pomiary z dużym oddaleniem od obiektu. Ważna jest przy tym bardzo mała plamka pomiarowa. Oprócz tego czujniki laserowe cechuje wysoki poziom rozdzielczości, doskonała liniowość oraz możliwość pomiaru przedmiotów z chropowatą powierzchnią, metalowych i błyszczących.

Za osobną grupę uznaje się czujniki magnetyczno-indukcyjne. Dzięki nim można mierzyć odległość, pozycję i przemieszczenie określonego obiektu magnetycznego. Czujniki generują sygnał analogowy 2–10 V i 4–2 mA, który jest niezależny względem zakresu pomiarowego. Należy podkreślić, że na pomiar nie wpływają czynniki takie jak chociażby nieżelazny materiał, który może pojawić się między czujnikiem a obiektem pomiarowym. Chodzi tutaj np. o aluminium, ceramikę i tworzywo sztuczne.

Czujniki wiroprądowe są mierzą odległość, a także pozycję i przemieszczenie każdego obiektu przewodzącego prąd. Pomiarowi można poddać obiekty zarówno o właściwościach ferro- i nieferromagnetycznych. Ważna jest przy tym odporność czujników na brud, oleje, kurz, pole elektromagnetyczne, wilgoć itp. Tym sposobem czujniki wiroprądowe bardzo dobrze sprawdzają się w zastosowaniach przemysłowych. Czujniki tego typu bazują na aktywnej kompensacji temperatury i umożliwiają kalibrację w terenie.

Warto mieć na uwadze również pojemnościowe czujniki przemieszczenia. Ich konstrukcja wykorzystuje trójelektrodowy kondensator z pierścieniem ekranującym. Zachowana jest przy tym liniowość w stosunku do wszystkich metali. Zasada działania czujnika jest podobna do elektrody, gdzie elektrodę przeciwstawną stanowi obiekt pomiarowy. Pojemnościowe czujniki przemieszczenia wykorzystuje się zarówno przy pomiarze obiektów półprzewodzących, jak i przewodzących. Ważna jest przy tym liniowa charakterystyka wyjścia z rozdzielczością o dokładności rzędu nanometra. Wyniki pomiaru są więc bardzo stabilne.

Bezkontaktowy pomiar pozycji i przemieszczenia może odbywać się również za pomocą konfokalno-chromatycznej aberracji światła. Stąd też konfokalny system pomiarowy bazuje na kontrolerze ze źródłem światła LED oraz czujniku. Do każdej długości fali w sterowniku przypisuje się określoną odległość. Światło odbijające się od powierzchni pomiarowej trafia do optyki odbiornika, gdzie przeprowadzana jest spektralna intensywność rozproszonego światła. Tą metodą można wykonywać również do pomiaru lustrzanych i rozpraszających powierzchni. Za pomocą jednego czujnika realizowany jest pomiar grubości przeźroczystych materiałów. Można mierzyć również przestrzeń między wieloma przezroczystymi warstwami przy jednoczesnym pomiarze odległości.

Czujnik wiroprądowy eddyNCDT 3001 z oferty firmy WObit ma zintegrowaną elektronikę. Konstrukcja urządzenia zapewnia precyzyjne kompensowanie temperatury, a co za tym idzie, dobrą stabilność nawet w skrajnych warunkach otoczenia. Czujnik jest skalibrowany fabrycznie pozwalając na pomiar materiałów ferromagnetycznych i nieferromagnetycznych. Nie ma więc potrzeby kalibrowania czujnika na obiekcie.

Czujnik zbliżeniowy MDS-MDT30 z oferty firmy Technicad przetwarza wielkość szczeliny na napięcie wyjściowe. Dostępne są dwa zakresy 1 : 12 mm przy szczelinie roboczej 1–13 mm oraz 2 : 16 mm przy szczelinie roboczej 1–17 mm. Nominalny zakres napięcia wyjściowego to 4–20 V. Czułość czujnika wynosi 1,33 V/mm dla zakresu 12 mm oraz 1,00 V/mm dla zakresu 16 mm, natomiast pasmo przenoszenia wynosi 0–1 kHz. Maksymalny błąd pomiarowy w temperaturze 22 °C wynosi ±1% dla zakresu 12 mm oraz ±1% dla zakresu 16 mm.

Bezkontaktowy pomiar wielkości geometrycznych

Odpowiednio dobrane i skonfigurowane urządzenia pozwalają na bezkontaktowy pomiar wielkości geometrycznych. Chodzi tutaj o pomiar szerokości, długości, a także grubości i wysokości obiektów. Stąd też zastosowanie znajdują chociażby mikrometry optyczne wykorzystujące różne zasady pomiarowe. Oprócz kamery CCD wykorzystywane są lasery lub światła LED. Ważna jest przy tym zasada ilościowego pomiaru światła.

Typowe mikrometry bazują na elemencie generującym światło oraz odbiorniku lub kamerze CCD. Elementy odpowiedzialne za wytwarzanie światła generują również ciągłą, równoległą kurtynę światła padającą na odbiornik. W przypadku gdy dojdzie do przerwania kurtyny przez elementy pomiarowe to ich cień lub przyciemnienie wykrywa odbiornik.

Ponadto zastosowanie mogą znaleźć skanery profilu z linią laserową. Wykorzystywana jest przy tym zasada triangulacji laserowej z dwuwymiarowym określaniem profilu obiektów z różnymi powierzchniami. Liniowy system optyczny zapewnia wyświetlanie linii lasera na powierzchni mierzonego obiektu.

Skanery laserowe scanCONTROL serii HIGH-SPEED obejmują modele 2650, 2750 oraz 2950. Urządzenia tego typu znajdują zastosowanie przede wszystkim w aplikacjach wymagających wysokich prędkości urządzeń transportowych – np. taśmy, przy konieczności uzyskania dużych prędkości przesyłu danych. Model 2650-25 tej serii ma rozdzielczość 2 µm, szybkość pomiarów 400 Hz oraz ilość punktów/profili 640.

Z kolei Micron3D to seria skanerów 3D wykorzystujących metodę projekcji wąskopasmowego strukturalnego światła zielonego. Technologia ta jest polową metodą pomiaru bazującą na oświetlaniu mierzonego obiektu prążkami światła zielonego typu LED. Cyfrowe odwzorowanie obiektu oblicza się w oparciu o zbieranie sekwencji prążków, które są ugięte na obiekcie.

Podsumowanie

Wybierając odpowiednie rozwiązanie w zakresie pomiarów bezkontaktowych trzeba mieć na uwadze przynajmniej kilka czynników. W pierwszej kolejności należy określić rodzaj mierzonej wielkości, do którego dobiera się odpowiedni zakres pomiarowy. W związku z coraz częstszą potrzebą integracji urządzeń z systemami automatyki, ważny jest również odpowiedni sposób wymiany danych.

*Tabele produktów dostępne wersji papierowej lub PDF Miesięcznika Automatyka

źródło: Automatyka 6/2018