Czujniki stosowane w systemach automatyki

Poniedziałek, 25 Marzec 2013 20:01

Różnego rodzaju czujniki są nieodzownymi elementami systemów automatyki przemysłowej. To właśnie one odpowiadają za zbieranie danych, które są niezbędne do procesów przetwarzania informacji przez urządzenia sterowania.

Oferta rynkowa w zakresie czujników znajdujących zastosowanie w automatyce jest bogata. Za podstawę w tym zakresie uznaje się czujniki indukcyjne, pojemnościowe i optyczne. Warto również wspomnieć o enkoderach i czujnikach wizyjnych.

Czujniki indukcyjne

Czujniki indukcyjne mogą być zasilane napięciem stałym (np. 10-30 V) lub przemiennym (np. 90-250 V). Typowe urządzenia tego typu mają kształt cylindryczny (M8, M12, M18, M30) lub tzw. „kwadratowy”. W zależności od modelu czujniki są osłonięte lub nieosłonięte. Sposób połączeń bazuje na przewodach lub złączu pinowym. O zadziałaniu czujnika informuje dioda LED. W konstrukcji czujnika uwzględnia się również zabezpieczenie nadprądowe.

W zależności od modelu czujniki indukcyjne cechują się różnymi sygnałami wyjściowymi. Tym sposobem zyskuje się szerokie spektrum zastosowania w automatyce. Najczęściej używane są czujniki z wyjściem dwustanowym. Takie rozwiązanie przewiduje obwód ze stykiem, który przełączany jest w momencie, gdy czujnik będzie aktywny. Dużą popularnością cieszą się czujniki z wyjściem tranzystorowym PNP lub NPN. Na wyjściu typu PNP zainicjowany czujnik wykazuje stan „wysoki”, bliski jego napięciu zasilania. Z odwrotną sytuacją mamy do czynienia w przypadku polaryzacji NPN. W wielu systemach automatyki stosowane są czujniki indukcyjne z wyjściem analogowym. Stąd też dostępne są wyjścia prądowe i napięciowe. Sygnał wyjściowy jest zależny od odległości inicjatora od czujnika.

 

 

Warto jeszcze przypomnieć, że czujnik indukcyjny stanowi element automatyki przemysłowej, który reaguje na zbliżanie się metalu do jego powierzchni aktywnej, nazywanej polem czujnika. Zasada działania urządzeń tego typu opiera się na zjawisku zmiany swojego pola elektromagnetycznego w efekcie przemieszczania się metalowego elementu. Pole magnetyczne wytwarzane przez czujnik powoduje wzbudzanie w przewodniku prądów wirowych. Jeżeli przewodnik jest magnetykiem, zostaje namagnesowany. Oba zjawiska wpływają na zmianę parametrów drgań, zmniejszając w ten sposób ich amplitudę lub częstotliwość. Zmiana ta jest rozpoznawana przez demodulator. Jeżeli czujnik ma wyjście cyfrowe, sygnał jest kształtowany przez przerzutnik.

 

Czujniki pojemnościowe

Czujniki pojemnościowe cechuje impedancja, która jest zmienna wraz ze zmieniającą się pojemnością układu w stosunku do wykrywanego materiału, np. metalu lub cieczy. Im mniejsza jest stała dielektryczna substancji, tym mniejsza musi być odległość niezbędna do zadziałania czujnika.

 

 

Czujniki pojemnościowe używane są również do pomiaru poziomu na przykład w zbiornikach. W takim przypadku zastosowanie znajdują czujniki, których stan zmienia się przy zadanym poziomie. W czujnikach pojemnościowych istotną rolę odgrywa oscylator, który jest wzbudzany przy pewnej pojemności układu, zmienianej przez wykrywane medium. Oprócz tego w czujniku zastosowanie znajduje wzmacniacz oraz wyjściowy stopień transystorowy.

Czujniki pojemnościowe używane są w procesach związanych ze stabilizowaniem poziomu zapełnienia zbiorników, w których przechowywana jest ciecz lub materiały sypkie. Bardzo często urządzenia tego typu znajdują zastosowanie w procesach związanych ze zliczaniem detali, wykrywaniem przesuwu taśmy transportowej i pasków klinowych oraz detekcją położenia towarów na taśmie.

 

 

Ważną cechą czujników pojemnościowych jest ich trwałość oraz brak konieczności przeprowadzania konserwacji. Zwróćmy również uwagę na wyraźne impulsy bez powstawania iskier. W czujnikach pojemnościowych nie dochodzi również do odbić styków czy też wielokrotnych drgań. Tym sposobem zyskuje się wysoką częstotliwość zliczania.

Czujniki pojemnościowe stosowane są m.in. do wykrywania obecności wody, która znajduje się po drugiej stronie szyby. Zmiana pojemności po wprowadzeniu do środowiska materiału o wyższej stałej dielektrycznej może być wykrywana przez materiał o niższej stałej dielektrycznej.

Czujniki optyczne

Zespół czujnika optycznego najczęściej zawiera nadajnik modulowanego promieniowania podczerwonego (IR) łącznie z odbiornikiem i czułym detektorem promieniowania IR. W zasadzie czujniki optyczne dzieli się na trzy typy. Pierwszy z nich to czujniki z zespolonym nadajnikiem i odbiornikiem. Urządzenia tego typu działają z reflektorem. Przełączanie sensora następuje w momencie, gdy wiązka światła zostanie przerwana. Kolejną grupę stanowią czujniki z zespolonym nadajnikiem i odbiornikiem, które mają za zadanie rejestrowanie obecności jasnego przedmiotu, znajdującego się w pobliżu sensora i powodującego odbicie światła. Trzeci typ stanowią urządzenia z oddzielnymi nadajnikami i odbiornikami (odbiciowe). Mogą być one umieszczone we wspólnej obudowie. Światło jest przesyłane od punktu nadawania do miejsca odbierania sygnału za pomocą światłowodu.

W czujnikach optycznych najczęściej wykorzystuje się wyjście półprzewodnikowe albo przekaźnikowe. Ze względu na to, że czujniki bazują na świetle modulowanym, to nie reagują na zakłócenia światłem o innych częstotliwościach. Stosować można również czujniki optyczne miniaturowe. Ich grubość nie przekracza 3,5 mm. Urządzenia tego typu przeznaczone są do wykrywania bezpośredniego odbicia od powierzchni. Producenci oferują również czujniki fotooptyczne w obudowie wykonanej z kwasoodpornej, nierdzewnej stali. Zaletą urządzeń tego typu jest przede wszystkim odporność na działanie czynników chemicznych. Podobnie jak i w innych modelach, tak i w tym przypadku wyjście zabezpieczone jest przed zwarciem. Uwzględniono także ochronę przed błędną polaryzacją.

...pełna wersja artykułu w EI 03/2013

---