Czujniki - wybór i znaczenie dla technologii automatyzacji

Zbieranie danych jest centralnym aspektem nowoczesnych obiektów, szczególnie w kontekście cyfryzacji i Przemysłu 4.0. Czujniki to umożliwiają. Dostarczają dane wejściowe oraz monitorują i dostosowują procesy. Jakie typy czujników są dostępne? Jak wybrać odpowiedni czujnik do konkretnego zastosowania? W tym artykule przedstawiono tryb działania i możliwe zastosowania dla różnych czujników, a także kryteria wyboru do znalezienia odpowiedniego czujnika.

Czym są czujniki?

Systemy czujników zajmują się wykorzystaniem czujników do pomiaru i kontroli zmian, np. w systemach technicznych. Czujniki pozyskują różne wielkości mierzone, które mogą mieć charakter jakościowy, a także ilościowy. Wielkości mierzone mogą być chemiczne (np. wartość pH), biologiczne (np. obecność enzymów) lub fizyczne (np. temperatura, wilgotność, prąd). Czujniki, zwane również detektorami, przetwornikami lub sondami, przekształcają sygnał wejściowy w sygnał wyjściowy. Sygnał wejściowy zwykle nie jest wielkością elektryczną, podczas gdy sygnał wyjściowy jest sygnałem elektrycznym, takim jak prąd lub napięcie.

Więcej informacji na temat metrologii znajdziesz w naszym artykule: Technologia pomiarowa - Kontrola jakości metodami pomiarowymi.

Jak to działa

Czujniki działają w systemie wraz z siłownikami. Sygnały z czujników są zwykle przekazywane do jednostki sterującej, która odpowiednio analizuje i ocenia dane i wysyła polecenia do siłowników zgodnie z wymaganiami. Następnie siłowniki wykonują te instrukcje poprzez działania fizyczne. Na przykład sygnał jest wysyłany do siłownika, jeśli temperatura w magazynie jest zbyt wysoka. Siłownik może być grzejnikiem, którego moc jest teraz obniżana, aby pomieszczenie mogło ostygnąć do pożądanej temperatury.

Rodzaje czujników

Czujniki mogą być aktywne lub pasywne. Metoda pozyskiwania wielkości mierzonych określa, czy dany czujnik jest czujnikiem aktywnym czy pasywnym. Same czujniki aktywne (aktywnie) generują sygnał do pozyskania wielkości mierzonej. Określone dane są następnie wysyłane jako sygnał wyjściowy. Ogólnie rzecz biorąc, do wygenerowania sygnału w celu pozyskania wielkości mierzonej wymagane jest zasilanie. Typowe przykłady czujników aktywnych: Dalmierze laserowe, czujniki ruchu w podczerwieni lub czujniki ultradźwiękowe.

Czujniki pasywne nie generują aktywnego sygnału do pozyskania zmierzonej wartości wielkości mierzonej. Zawierają elementy pasywne, których właściwość (np. przewodność) zmienia się w reakcji na wielkość mierzoną (np. temperaturę). W związku z tym do generowania sygnału wymaganego do pomiaru nie jest konieczne zasilanie. Jednak do zarejestrowania zmiany wymagane jest zasilanie pomocnicze, ponieważ w celu określenia wyników pomiaru porównywany jest sygnał wejściowy i wyjściowy. Czujniki pasywne są instalowane stosunkowo często, ponieważ nadają się do pozyskiwania pomiarów statycznych. Przykłady czujników pasywnych: Czujniki PIR (pasywne podczerwieni), termometry rezystancyjne lub tensometry.

Czujniki są dalej dzielą się na przełączające i pomiarowe w zależności od typu sygnału wyjściowego. Czujniki pomiarowe stale rejestrują fizyczne lub inne wartości i dostarczają dane do szczegółowego monitorowania procesów. Z kolei czujniki przełączające wykrywają, kiedy wielkość mierzona odbiega od wartości docelowej, i aktywnie reagują przełączając wyjście, które np. uruchamia siłownik.

Czujniki można dalej podzielić w odniesieniu do ich zasady działania lub zasady pomiaru, na przykład na:

• Mechaniczne: Reagują na ruch mechaniczny (np. odchylenie), przykład: Czujniki ciśnienia.
• Rezystywne: Reagują w przypadku zmiany oporu elektrycznego, przykład: Czujniki naprężeń.
• Termoelektryczne: Reagują, gdy występują różnice temperatur, które są przekształcane w energię elektryczną, na przykład: Czujniki temperatury.
• Piezoelektryczne: Reagują przekształcając ciśnienie w energię elektryczną, na przykład: Piezoceramiczne w czujnikach ultradźwiękowych.
• Indukcyjne lub elektromagnetyczne: Reagują na zmianę strumienia magnetycznego, na przykład: Czujniki prędkości.
• Pojemnościowe: Reagują na zmiany pojemności, przykład: Czujniki wilgotności.
• Optyczne: Reagują na/rejestrują światło lub inne zjawiska optyczne, na przykład: Bariery świetlne, czujniki fotoelektryczne.
• Akustyczne: Reagują na fale dźwiękowe, na przykład: Miernik poziomu hałasu.
• Chemiczne: Reagują na zmiany chemiczne, np. czujniki pH.

Teraz przyjrzymy się szczegółowo zasadom działania niektórych wybranych czujników:

Czujniki indukcyjne

Czujniki indukcyjne zawierają cewkę, przez którą przepływa prąd. Pole elektromagnetyczne jest generowane do pomiaru w kierunku pomiaru. Następnie wprowadzany jest przedmiot obrabiany lub materiał, który powoduje zmianę pola magnetycznego i indukuje napięcie w cewce. Obwód wykrywa to napięcie i wysyła odpowiedni sygnał. Czujniki indukcyjne działają tylko z magnetycznymi przedmiotami obrabianymi/materiałami.

Czujniki pojemnościowe

Pojemność wskazuje, ile ładunków mogą pochłaniać dwa ciała przewodzące prąd elektryczny, które są oddzielone od siebie przez medium izolacyjne, gdy przyłożone jest napięcie. Ta pojemność zmienia się jako funkcja wielkości mierzonej.

Czujnik pojemnościowy składa się z dwóch elektrod, pomiędzy którymi powstaje pole elektryczne. Ten ostatni zmienia się, gdy zbliża się obiekt; czujnik bezdotykowo wykrywa materiał w swojej strefie aktywnej. Następnie przekształca pole elektryczne w sygnał elektryczny.

Czujniki zbliżeniowe

Czujniki zbliżeniowe wykrywają, kiedy obiekty lub ludzie znajdują się w ich pobliżu. Wysyłają wiązkę lub pole, a następnie mierzą zmiany w wiązce lub polu odbitym przez obiekt lub osobę.   Pozwala im to oszacować odległości i działać na odpowiedni wyzwalacz. W przemyśle czujniki mogą na przykład wykrywać obecność obrabianych przedmiotów na taśmach przenośnikowych i kontrolować odpowiednie procesy operacyjne.

Wybór czujników: Kiedy używać jakiego czujnika?

Przy wyborze czujników należy wziąć pod uwagę pewne wstępne kwestie. Ponieważ czujniki są zintegrowane bezpośrednio z systemami sterowania w systemach automatyki, użytkownik musi na przykład sprawdzić, czy wymagane interfejsy są dostępne. Interfejsy mogą być, na przykład:

• Interfejsy analogowe, takie jak wyjścia analogowe i wejścia
• Interfejsy cyfrowe, takie jak TTL, RS-232, SPI
• Interfejsy bezprzewodowe, takie jak Wi-Fi
• Zintegrowane lub zewnętrzne przetwarzanie sygnału

Warunki środowiskowe odgrywają również rolę w wyborze odpowiedniego czujnika. Czy czujnik jest narażony na działanie ekstremalnych temperatur? A może na wibracje? Na przykład w wilgotnym środowisku czujnik powinien być wodoodporny niezależnie od typu i, jeśli to konieczne, powinien mieć odpowiednią klasę ochrony, taką jak IP67. W środowiskach, w których występują agresywne chemikalia, materiał stosowany w obudowach i uszczelnieniach musi być odporny na te czynniki.

Identyfikacja właściwego czujnika krok po kroku

Poniższa lista zawiera podsumowanie najważniejszych kroków wyboru czujnika:

• Określenie wielkości mierzonej i zakresu pomiarowego: Jaką wielkość fizyczną należy zmierzyć i czy maksymalna i minimalna oczekiwana wartość jest objęta pomiarem i/lub czy czujnik może również wytrzymać wartości maksymalne?
• Określenie dokładności: Czy wyższe lub niższe wymagania dotyczą dokładności?
• Analiza warunków środowiskowych: W jakich warunkach używany jest czujnik? Czy występują skrajności temperatury, wilgotności, narażenia na pył itp.? Czy czujnik jest narażony na działanie substancji chemicznych?
• Wybór formatu wyjścia i interfejsów: Cały system sterowania odgrywa tutaj pewną rolę: Jaki rodzaj sygnału może być przetwarzany (np. analogowy lub cyfrowy)?
• Uwzględnienie konkretnego zastosowania: Czy są jakieś specjalne wymagania, które wynikają z konkretnego zastosowania? Czy obowiązują specjalne normy? (patrz również normy bezpieczeństwa w inżynierii mechanicznej). Na przykład czujniki w pomieszczeniach czystych muszą spełniać podwyższone wymagania dotyczące pomieszczeń czystych. Możliwe jest również, że czujnik jest zainstalowany w trudno dostępnym miejscu i dlatego powinien być szczególnie łatwy w utrzymaniu i trwały. Czujniki mogą być również stosowane do kontroli jakości i muszą spełniać określone kryteria, patrz także artykuł Technologia pomiarowa - Kontrola jakości metodami pomiarowymi.
• Czas reakcji: Jak szybko sensor musi reagować na zmieniające się warunki?
• Przestrzeganie wymagań dotyczących przestrzeni: Czy czujnik można łatwo zintegrować z istniejącym systemem i czy jest wystarczająco dużo miejsca?
• Pomocne w zoptymalizowanej integracji czujnika z istniejącymi systemami mogą być również elementy zaciskowe, znormalizowane szyny czujników lub uchwyty czujników.

Można również zainspirować się naszym wyborem czujników.

Czujniki w technologii automatyzacji: Czujniki inteligentne

Na systematyczny rozwój czujników duży wpływ miała również cyfrowa produkcja w kontekście Przemysłu 4.0. Tak zwane czujniki inteligentne reprezentują kluczowe składniki tego procesu. Czujniki te są podstawą do monitorowania i kontrolowania procesów przemysłowych. W ogólnym systemie siłowników i elementów sterujących czujniki inteligentne dostarczają maszynom wszystkich informacji potrzebnych do zwiększenia wydajności i dokładności produkcji. W rezultacie technologia automatyzacji staje się coraz bardziej autonomiczna.

Dzisiejsze czujniki mają tak wysoką rozdzielczość, szybkość i małe rozmiary, że można je stosować bezpośrednio w obszarach, w których generowane są efekty fizyczne. Przyjmują wiele funkcji w najnowocześniejszych urządzeniach. Nie są już odpowiedzialne tylko za sam pomiar danych, ale mogą teraz również wykonywać autodiagnozy, komunikację i zadania przetwarzania sygnału. Czujniki mogą wykrywać i korygować nieprawidłowości, zanim staną się problemem w produkcji. Proces ten nazywa się wówczas przetwarzaniem sterowanym czujnikiem. Więcej informacji znajdziesz w naszym artykule na blogu Skomputeryzowane sterowanie numeryczne - Czym właściwie jest CNC?