Enkoder 2.0

Światowy rynek enkoderów jest podzielony między zwolenników wykonań optycznych i potencjometrycznych oraz entuzjastów wykonań magnetycznych. Enkodery optyczne występują w wersjach absolutnych i inkrementalnych. Mierzą one kąt i obrót dzięki przeniesieniu ruchu obrotowego wału na koło pomiarowe, które wykonane jest zazwyczaj ze szkła lub tworzywa sztucznego. Wewnątrz czujnika jest ono skanowane przez układ optyczny. Zaletami enkoderów optycznych są wysoka rozdzielczość pomiarowa, możliwość pomiaru przy dużych prędkościach oraz odporność na oddziaływanie pól magnetycznych. Z drugiej strony uzyskanie dużej rozdzielczości wymaga koła pomiarowego znacznych rozmiarów, co skutkuje dużymi gabarytami obudowy urządzenia.

Eksploatacja mechaniczna konwencjonalnych enkoderów

Wszystkie wcześniej wymienione zalety nie kompensują podstawowej wady tych urządzeń. Są one bezpośrednio łączone z wałem maszyny, w efekcie czego zużywają się mechanicznie. Przyśpieszonej eksploatacji ulegają sprężyste części urządzenia, uszczelnienia oraz sam enkoder. Ten sam problem dotyczy rozwiązań potencjometrycznych. Sami producenci tych urządzeń nie ukrywają, że potencjometr ulega zużyciu mechanicznemu. Ponadto uzyskanie w tym typie enkodera wysokiej rozdzielczości można osiągnąć jedynie kosztem wytrzymałości obudowy.

Bardzo częstym problemem enkoderów jest odpowiednie uszczelnienie ich obudowy. Po pewnym okresie pracy stają się kruche, podatne na pęknięcia i przecieki. Ciągłe obciążenie ze strony wału obrotowego powoduje w końcu pękanie. Dostanie się do środka obudowy wody i zanieczyszczeń uszkadza wrażliwe obwody czujnika, co powoduje błędne wyniki pomiarów.

Z systemami magnetycznymi wiążą się problemy całkowicie odmiennej natury. Wcześniej opisywane wady nie występują, a obciążalność mechaniczna urządzeń jest wyjątkowo duża. Zasada działania enkoderów tego typu opiera się na magnesie obrotowym, który generuje pole magnetyczne. W ten sposób tworzona jest krzywa cos/sin, odwzorowująca wartości obrotów.

Enkodery magnetyczne są bezstykowymi urządzeniami pomiarowymi. Ich podstawowymi wadami są: wrażliwość na zakłócenia elektryczne i magnetyczne oraz brak tolerancji przesunięcia elementu pozycjonującego, co wymaga precyzyjnego montażu samego enkodera. Natomiast jego rozdzielczość zależy od maksymalnej prędkości wałka.

Enkodery z indukcyjnym obwodem rezonansowym

Dla użytkowników, którzy nie mogą zaakceptować wad rozwiązań optycznych, potencjometrycznych czy magnetycznych w swoich aplikacjach, firma Turck oferuje enkodery zupełnie nowej kategorii, działające w oparciu o metodę indukcyjnego obwodu rezonansowego. Już od około dwóch lat podobna technologia jest z powodzeniem stosowana w czujnikach pomiaru przemieszczenia liniowego i kątowego. Enkoder indukcyjny serii RI360 łączy w sobie zalety wszystkich wyżej wymienionych urządzeń, eliminując równocześnie wszystkie ich wady. Nie podlega on zużyciu mechanicznemu, a jednocześnie gwarantuje wysoką rozdzielczość. Ponadto może pracować przy dużych prędkościach i jest niewrażliwy na wibracje oraz pola magnetyczne, a jego obudowa jest wykonana w stopniu ochrony IP69K.

Pełne uszczelnienie elektroniki

Dzięki opartej na obwodzie rezonansowym metodzie pomiaru i zastosowaniu osobnego elementu pozycyjnego, niezwiązanego mechanicznie z główną obudową czujnika, stało się możliwe zastosowanie całkowicie uszczelnionej, niedużej obudowy, bez dodatkowych uszczelek. Eliminuje to możliwość dostania się do elektroniki wody i pyłu. Bezkontaktowa zasada pomiaru pozwala również na kompensację wibracji i przesunięć, aż do 4 mm. Ponadto pola magnetyczne nie mają żadnego wpływu na proces pomiaru, bo element pozycjonujący opiera się na systemie cewek indukcyjnych, a nie na magnesie.

Przykładowe wdrożenie

Jeden z pierwszych klientów korzystających z enkoderów indukcyjnych, elektrownia słoneczna w Hiszpanii, wykorzystywał tradycyjne enkodery do kontroli ustawienia luster w odpowiedniej pozycji względem centralnej wieży. Osiągnięto jednak granice możliwości konwencjonalnych rozwiązań. W odległości 1 km od wieży centralnej wymagana rozdzielczość, umożliwiająca poprawne ustawienie luster i odbicie światła we właściwym kierunku, wynosiła 1 miliradian, czyli około 0,06°. Okazało się, że enkodery magnetyczne nie oferują takiej dokładności, a rozwiązania optyczne nie są w stanie sprostać wymagającemu klimatowi pustynnemu, którego gorące dni i zimne noce sprzyjają kondensacji wody, destrukcyjnie wpływającej na niedostatecznie uszczelnione urządzenia. Woda, oddziałując na obwody elektroniczne i elementy optyczne, powodowała notoryczne awarie enkoderów optycznych.

Niewymagający obsługi enkoder serii RI zapewnił w tej aplikacji duże oszczędności. Na terenie elektrowni słonecznej pracuje około 20 tys. enkoderów. Wcześniej, w każdym roku, ze względu na awarie lub zużycie, wymieniano około jedną trzecią tych urządzeń. Przy cenie 100 EUR za nowy enkoder wartość samego sprzętu wynosiła prawie 700 tys. EUR. Doliczając do tego koszty obsługi serwisowej oraz straty energii, całkowity koszt, jaki ponoszono przy stosowaniu konwencjonalnych enkoderów, daje ponad 1 mln  EUR.

Uniwersalny enkoder – 100 urządzeń w jednym

Stosując nowy enkoder firmy Turck użytkownik już nigdy nie będzie musiał wybierać między rozdzielczością a wytrzymałością. Wszystkie używane dotychczas i zwiększające awaryjność rozwiązania, w postaci podwójnych łożysk czy układów sprężynowych, stały się zbędne. Oprócz odporności na zużycie mechaniczne oraz zakłócenia, użytkownik zyskuje urządzenie, którego parametryzacji można dokonać na tak wiele sposobów, że może zastąpić praktycznie każdy inny enkoder. Również sposób montażu odpowiada koncepcji uniwersalności. Pierścienie adaptera umożliwiają instalację elementu pozycyjnego na różnych rozmiarach wałka. W rezultacie użytkownik może pozwolić sobie na posiadanie w magazynie tylko jednego typu enkodera, który można zastosować w różnych aplikacjach na wałkach o średnicy do 20 mm.

W ofercie jest także wersja z IO-Link. Dzięki temu użytkownik ma możliwość ustawienia charakterystyki enkodera oraz jego parametrów za pomocą tego interfejsu. W ten sposób można zdalnie parametryzować zarówno enkodery inkrementalne, jak i absolutne jedno- czy wieloobrotowe. Dla trybu jednoobrotowego rozdzielczość można ustawić do maks. 18 bitów i to nawet przy najwyższej prędkości obrotowej. Użytkownik może również skonfigurować sygnał wyjściowy zgodnie z indywidualnymi wymaganiami, np. SSI, kod Grey’a, sygnał binarny o długości 24, 25 lub 26 bitów itp. W przygotowaniu są również wersje z Modbus RTU oraz zgodne ze specyfikacją e1, dotyczącą urządzeń przeznaczonych do stosowania w pojazdach i charakteryzujących się wyjściem napięciowym od 0,5 V do 4,5 V.

Sposób montażu odpowiada uniwersalnością parametryzacji. Adaptery umożliwiają zastosowanie urządzenia na wałkach i w otworach o średnicy do 20 mm. Czujnik ma okrągłą obudowę z otworem w środku, dzięki czemu może być instalowany w osi, tuż za otworem centralnym, z elementem montażowym montowanym zaraz za lub przed nim – zależnie od warunków aplikacji.

Jednakże dopiero wymagania stawiane przez klientów rynku sektora budowy maszyn pokazują, jak wszechstronnym i niepowtarzalnym produktem jest enkoder firmy Turck. Wymagania są tutaj całkowicie różne niż w przypadku elektrowni, gdzie pomiary wykonywane były wolno i wykorzystywano jedynie urządzenia jednoobrotowe o wysokiej rozdzielczości. Maszyny CNC wymagają enkoderów wieloobrotowych o zakresie pomiarowym do 25 000 rpm. Taka prędkość nie stanowi żadnego problemu dla enkodera RI360P-QR24. W odróżnieniu od innych rozwiązań dostępnych na rynku enkodery indukcyjne nie mają ograniczenia maksymalnej prędkości pracy.

Nieograniczony potencjał

Możliwości nowego enkodera indukcyjnego firmy Turck są tak duże, jak możliwości jego konfiguracji. Jest on szczególnie warty uwagi w przypadku aplikacji na urządzeniach mobilnych, w sektorze przemysłowym energii odnawialnych, w maszynach pakujących, obrabiarkach, systemach logistycznych czy zakładach przemysłowych. Nowy enkoder indukcyjny jest na tyle uniwersalny, że stanowi doskonałe rozwiązanie dla praktycznie każdego rynku oraz każdej aplikacji i to z wymiernym zyskiem dla użytkownika.

TURCK Sp. z o.o.
tel. 77 443 48 00
e-mail: poland@turck.com
www.turck.pl

źródło: TURCK