Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu : Napędy Hydrauliczne i Pneumatyczne

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia patrz punkt 5 !!!

Laboratorium nr 10

Temat: Podstawy sensoryki w pneumatyce technicznej

1.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest budowa układy automatyki opartych o sensorykę przemysłową,

pozwalają na szczegółowe zapoznanie się z rodzajami, zasadą działania czujników różnego
typu.

2.

Czujniki

2.1

Czujniki z zasilaniem pneumatycznym

Najbardziej rozpowszechnionym pneumatycznym czujnikiem małych przesunięć jest

czujnik kaskadowy, który składa się z dwóch dławików pneumatycznych: stałego 1 i
nastawnego 2, połączonych szeregowo za pośrednictwem komory kaskadowej 3. Dławik stały
1 ma stały przekrój F1, natomiast pole przekroju F2 dławika nastawnego 2 zależy od
odległości x przesłony 4

Rys. 1 Czujnik kaskadowy typu dysza-przesłona: a) schemat konstrukcji, b) przykładowe
charakterystyki statyczne: 1 — doświadczalna, 2 — obliczeniowa

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu : Napędy Hydrauliczne i Pneumatyczne

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia patrz punkt 5 !!!

2.1.1 Dysze spiętrzeniowe i czujniki poziomu

Dysze spiętrzeniowe i czujniki poziomu działają na zasadzie czujnika kaskadowego. W

przypadku, gdy wykorzystywane jest całkowite zamknięcie dławika nastawnego (dyszy)
czujnika przez przesłonę, ciśnienie kaskadowe p

k

rośnie do poziomu ciśnienia zasilania p

z

, a

tym samym rośnie do tego poziomu sygnał wyjściowy czujnika.
Na rys.2 pokazano rozwiązanie konstrukcyjne dyszy spiętrzeniowej firmy FESTO-
PNEUMATIC, wykorzystywanej jako łącznik drogowy i jednocześnie jako twardy zderzak.
Jeśli dysza spiętrzeniowa z rys.2 zostanie przesłonięta tak, że odległość s przesłony od dyszy
jest mniejsza niż 0,02 -0,04 mm , ciśnienie kaskadowe p

k

rośnie do poziomu ciśnienia

zasilania p

z

.

Rys.2 Dysza spiętrzeniowa firmy FESTO a) schemat, b) charakterystyki

Na identycznej zasadzie działa czujnik poziomu (rys. a), przy czym w tym przypadku

dysza jest umieszczona na końcu rurki zanurzeniowej i przesłaniana jest przez podnoszące się
lustro cieczy (rys. b i c). Jeśli podnosząca się ciecz zamknie otwór rurki zanurzeniowej, to
sygnał ciśnieniowy pk osiąga wartość, która jest proporcjonalna do wysokości słupa cieczy h
nad wlotem rurki oraz gęstości cieczy q (rys. c).

Rys.3 Czujnik poziomu; a)schemat, b,c) zastosowanie

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu : Napędy Hydrauliczne i Pneumatyczne

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia patrz punkt 5 !!!

2.1.2 Głowica wyczuwająca

Głowica wyczuwająca jest wykorzystywana jako bezdotykowy czujnik położenia. Zmiana

ciśnienia wyjściowego jest zależna od intensywności „odbijania się" wypływającego z dyszy
pierścieniowej 2 strumienia od ścianki przedmiotu wyczuwanego 4. Nastawny zawór
dławiący 1 umożliwia nastawianie odpowiedniej wartości strumienia „czyszczącego" dyszę
odbiorczą 3 — co powoduje dużą odporność głowicy na silne zapylenie. Charakterystyki
statyczne głowic RFL-2, RFL-4, RFL-5 i RFL-6 (produkcji firmy FESTO) przy zasilaniu
ciśnieniem pz = 15 kPa pokazano na rys.4a. Na rysunku tym zaznaczono niezbędny poziom
ciśnienia przełączania wzmacniacza (0,05 kPa) współpracującego z głowicą.

Rys.4 Głowica wyczuwająca; a) schamat, b) charakterystyki

2.1.3 Czujnik z przerywanym strumieniem

Czujnik z przerywanym strumieniem składa się z dwu dysz: zasilającej 1 i odbiorczej 2

(rys.5). Obydwie dysze są zasilane sprężonym powietrzem (p = 10 - 20 kPa) i usytuowane
osiowo naprzeciw siebie w odległości nie większej niż 100 mm. Strumień z dyszy zasilającej
oddziałuje dynamicznie na strumień wypływający z dyszy odbierającej i powoduje wzrost
ciśnienia na wyjściu tej dyszy (pojawia się sygnał ciśnieniowy p

k

> 0,05 kPa). Wartość tego

sygnału można zwiększyć przez dołączenie wzmacniacza. Jeśli jakikolwiek przedmiot 3
przerwie przepływ strumienia powietrza między dyszą zasilającą i odbiorczą, to na wyjściu
czujnika pojawi się sygnał p

k

= 0.

Rys.4 Czujnik z przerywanym strumieniem

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu : Napędy Hydrauliczne i Pneumatyczne

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia patrz punkt 5 !!!

Odmianą konstrukcyjną czujnika jest czujnik widełkowy (rys. 5a) stanowiący jednolitą
konstrukcję. Charakterystykę statyczną czujnika p

k

=f(p

z

) podano na rys. 5b.

Rys.5 Czujnik widełkowy a) konstrukcja, b) charakterystyka statyczna p

k

=f(p

z

)

2.2

Czujniki z zasilaniem elektrycznym

2.2.1 Czujniki magnetyczne

Czujniki położenia tłoka są używane do określania położenia tłoków w siłownikach

pneumatycznych. Są one montowane bezpośrednio na siłowniku. Magnetyczny pierścień
przytwierdzony do tłoka jest wykrywany poprzez ścianki obudowy wykonane z materiału
niemagnesującego się (np. aluminium, mosiądzu lub stali nierdzewnej).

Czujniki magnetyczne kontaktronowe i półprzewodnikowe, są mocowane na siłownikach z

tłokiem magnetycznym w celu uzyskania bezstykowej sygnalizacji położenia tłoka. Sygnał
elektryczny jest wykorzystywany bezpośrednio do sterowania cewką elektrozaworu lub jest
dalej przetwarzany w układzie sterowania znajdującym się w maszynie lub innym miejscu.
Dostępne w sprzedaży są czujniki ze stykiem kontaktronowym oraz półprzewodnikowe.
wykorzystujące zjawisko Halla. Czujniki są przytwierdzane do siłowników za pomocą
uchwytów lub są wprowadzane w rowek siłownika. Czujniki wyposażone są w diody LED
sygnalizujące stan czujnika.

Rys.6 Siłownik z bezstykową sygnalizacją położenia tłoka

2.2.2 Czujniki indukcyjne

Czujniki indukcyjne są nadajnikami sygnału, które bezdotykowo wykrywają

przemieszczenia elementów roboczych w maszynach obróbczych i produkcyjnych, robotach
przemysłowych, liniach produkcyjnych itd. i przetwarzają je na sygnał elektryczny. Czujnik

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu : Napędy Hydrauliczne i Pneumatyczne

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia patrz punkt 5 !!!

generuje sygnał elektryczny po zbliżeniu się metalowego obiektu do aktywnej powierzchni
(niebieskie czoło) czujnika indukcyjnego w obrębie określonej odległości przełączania.
Czujniki indukcyjne wykrywają wszystkie obiekty będące przewodnikami elektrycznymi, które
przechodzą przez lub pozostają w obrębie ich pola magnetycznego o dużej częstotliwości bez
wchodzenia w kontakt mechaniczny z czujnikiem. Czujniki indukcyjne działają bezdotykowo
i nie wywierają żadnej siły mechanicznej na wykrywane obiekty. Czujniki indukcyjne nie
potrzebują żadnych elementów odczytujących. Czujniki indukcyjne nie wymagają żadnych
dotykowych mechanizmów wykrywania jak rolki, popychacze, dźwignie, które są używane
przy krańcówkach mechanicznych. Czujniki indukcyjne działają bezdotykowo, przełączenie
następuje w sposób elektroniczny.

Charakterystyka
- Odczyt bez kontaktu mechanicznego zapewnia dużą żywotność
- Brak awarii spowodowanych zabrudzeniem lub zgrzaniem styków
- Nie występuje efekt odbicia styków i generowania błędnych impulsów
- Wysoka częstotliwość przełączania do 3000 Hz
- Niewrażliwość na wstrząsy
- Dowolna pozycja montażu
- Żółta dioda LED jako wskaźnik stanu (opcja)
- Czujnik całkowicie obudowany, o wysokim stopniu ochrony IP 65

2.2.3 Czujniki optyczne

Czujniki optyczne są elementami automatyki, których działanie opiera się na zasadzie

wysyłania wiązki promieni świetlnych przez nadajnik i ich odbieraniu przez odbiornik.
Czujniki optyczne reagują na obiekty, które znajdują się na drodze przebiegu wiązki światła.
Zaletą czujników optycznych są duże zasięgi działania uzyskiwane dla małych obudów
czujników. Szeroki zakres wykonań konstrukcyjnych czujników, użyte do ich realizacji
układy elektroniczne i uzyskane parametry techniczne zapewniają dużą przydatność
czujników optycznych w automatyce, we wszystkich gałęziach przemysłu. Duże znaczenie w
czujnikach optycznych odgrywa długość fali świetlnej emitowanej przez nadajnik. W
większości czujniki te wykorzystują modulowane światło z zakresu bliskiej podczerwieni.
Zaletą jest mała wrażliwość czujników na widzialne światło z otoczenia. Dodatkowo poprzez
wzajemną synchronizację nadajnika i odbiornika gwarantowana jest duża odporność
czujników na zakłócenia i możliwość pracy w warunkach zanieczyszczenia powietrza i przy
zabrudzeniu układu optycznego czujnika. Wytworzony w nadajniku silny impuls świetlny
nawet osłabiony rozproszeniem dociera do odbiornika, jest wzmocniony i analizowany
zapewniając poprawne działanie czujnika. Zanieczyszczenie optyczne są wyposażone
powietrza i zabrudzenie układu optycznego skraca strefę działania czujnika. Czujniki
optyczne są wyposażone w wysokiej jakości systemy soczewek optycznych, które dokładnie
ukierunkowują promień świetlny w nadajniku i odbiorniku, umożliwiając realizację różnych

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu : Napędy Hydrauliczne i Pneumatyczne

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia patrz punkt 5 !!!

funkcji zależnie od wykonania i przeznaczenia czujników. Najczęściej czujniki optyczne są
oferowane w następujących wykonaniach konstrukcyjnych: odbiciowe, refleksyjne oraz typu
bramka świetlna jedno lub wielowiązkowa. Stosowane są m.in. do kontroli położenia
ruchomych części maszyn, identyfikacji obiektów znajdujących się w zasięgu działania
czujników, np. przesuwające się taśmy transportowe, określenie poziomu cieczy i materiałów
sypkich. Charakteryzują się dużymi strefami wykrywania obiektów. Uniwersalne, szerokie
zastosowanie nawet w ekstremalnych temperaturze do 250°C. Możliwość regulacji zasięgu
przyciskiem uczącym, również w trakcie trwania procesu technologicznego

Przykładowe parametry czujnika optycznego:

- częstotliwość przełączania 500 Hz
- czas odpowiedzi – ok. 2ms
- sygnalizacja funkcji wyjścia – dioda
- rodzaj światła: niewidzialne, podczerwień 875 cm

Rys.7 Czujnik optyczny a) budowa i zasada działania, b) przykładowe czujniki

Czujniki optyczne odbiciowe ZBLIŻENIOWE (proximity switch) (TOO). Nadajnik i

odbiornik umieszczone są we wspólnej obudowie. Reagują na obiekty wprowadzane w strefę
działania czujnika. Zasada działania opiera się na odbijaniu promieniowania podczerwonego
od powierzchni przedmiotu wykrywanego. W momencie zbliżania przedmiotu wygenerowane
przez diodę nadawcza pulsujące promieniowanie podczerwone odbija się od niego i jest
odbierane przez fototranzystor. Promieniowanie pulsujące stosuje się w celu wyeliminowania
możliwości zakłóceń światłem obcym. Elektroniczny układ odbiorczy reaguje tylko na
ś

wiatło pulsujące o stałej częstotliwości. Aby można było wykorzystywać sensory optyczne w

bardzo małych urządzeniach np. w mikro-napędach, promieniowanie wysyłane i odbierane
jest cienkimi, i giętkimi światłowodami z włókna szklanego. Zaletą optycznych czujników
odbiciowych jest umieszczenie w jednej obudowie zarówno odbiornika i nadajnika bez
potrzeby użycia reflektora, co zapewnia prosty montaż, regulację i ogromne możliwości
stosowania tych czujników.

Czujniki optyczne typu bariera (BRAMKA JEDNOKIERUNKOWA) (through-beam

sensor) (TOB). Czujniki optyczne typu bariera składają się z dwóch niezależnie zasilanych
elementów: nadajnika i odbiornika. Usytuowane są wzdłuż jednej osi wyznaczonej przez
wiązkę nadajnika. Czujniki wykrywają obiekty pojawiające się miedzy nadajnikiem a
odbiornikiem. Posiadają one najdłuższe strefy działania w porównaniu z czujnikami
odbiciowymi i refleksyjnymi (do 50m).

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu : Napędy Hydrauliczne i Pneumatyczne

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia patrz punkt 5 !!!

Rys.8 Czujnik optyczny typu bariera

2.2.5 Czujniki pojemnościowe

Czujniki pojemnościowe są używane do bezkontaktowej detekcji obiektów. W porównaniu

do czujników indukcyjnych, które wykrywają tylko obiekty metalowe, czujniki
pojemnościowe mogą również wykrywać obiekty wykonane z materiałów diamagnetycznych.
Czujniki te znajdują zastosowanie w przemyśle drzewnym, papierniczym, szklarskim,
tworzyw sztucznych, spożywczym i chemicznym. Czujniki pojemnościowe kontrolują np.
wypełnienie pudełek kartonowych lub sprawdzają obecność zakrętek z tworzywa.

Mierzona jest pojemność pomiędzy częścią aktywną czujnika a potencjałem elektrycznym

ziemi. Zbliżający się obiekt oddziałuje na zmienne pole elektryczne między tymi dwoma
"okładkami kondensatora". Stosuje się to zarówno do obiektów metalowych jak i
wykonanych z innych materiałów. Czujniki pojemnościowe pracują wraz z obwodem
drgającym RC. Bardzo mała zmiana pojemności jest wystarczająca, aby wpłynąć na
amplitudę drgań obwodu. Elektronika przetwarza tą zmianę amplitudy na sygnał
przełączający. Czułość może być ustawiana za pomocą potencjometru.

Podczas wykrywania obiektów bardzo małe zmiany pojemności rzędu 0,02pF (przy

podstawowej pojemności elektrody 0,2pF!) muszą zostać w niezawodny sposób zamienione
na użyteczne sygnały przełączające. Stawia to wysokie wymagania obwodom
elektronicznym, gdyż pojemności pasożytnicze obwodów i elementów konstrukcyjnych (np.
pojemności ścieżek przewodzących, pojemności wejściowe komponentów) mogą być o wiele
większe, uniemożliwiając precyzyjny pomiar pojemności układu. Dlatego też firma ifm
electronic opracowała nowatorskie rozwiązanie tego problemu. Nowy obwód czujnika
skutecznie zapobiega wymienionym problemom w obwodzie drgającym RC osiągając o wiele
lepsze wartości w odniesieniu do wszystkich istotnych parametrów związanych z
zakłóceniami. Szczególny nacisk położono na eliminację typowych zakłóceń wytwarzanych
np. przez przetwornice częstotliwości, zasilacze impulsowe, sterowniki silników krokowych
itd.

Rys.9 Czujnik pojemnościowy

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu : Napędy Hydrauliczne i Pneumatyczne

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia patrz punkt 5 !!!

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu : Napędy Hydrauliczne i Pneumatyczne

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia patrz punkt 5 !!!

3.

Przebieg ćwiczenia

• Zapoznać się z czujnikami opisanymi w instrukcji będących na wyposażeniu

stanowisk laboratoryjnych

• Dokonać podłączenia czujników do tablicy elektrycznej i sprawdzić poprawność

działania (Uwaga! napięcie 24 V)

• Przeprojektować układ z rys.10, zastępując krańcówki pneumatyczne dowolnymi

czujnikami zasilanymi elektrycznie, zachowując poprawność działania układu.

• Połączyć układ na tablicy montażowej.

• Sprawdzić zgodność działania układu z podanym cyklem pracy.

4

2

5

1

3

2

1

3

B0

2

1

3

B1

2

1

3

A1

2

1

3

A0

A1

2

1

3

A0

B0

B1

4

2

5

1

3

1

1

2

1

1

2

80%

2

1

12

3

A

B

START

V 1

V 2

B 0

B 1

A 1

A 0

V 3

V 4

V 5

4.

Zadania do realizacji

• Narysować schemat funkcjonalny układu

• Wykreślić cyklogram pracy

5.

UWAGA:

Przed podłączeniem (lub rozłączeniem) przewodów do elementów upewnij się, że zawory w

dopływie powietrza są zamknięte, że nie ma ciśnienia w przewodach oraz że ciśnienie jest

odłączone. Ustaw regulator ciśnienia na 4 atm !!!