Spis treści:
Sensoryka to dział techniki zajmujący się budową, zasadą działania i zastosowaniem przetworników pomiarowych oraz sensorów, czyli popularnie nazywanych czujnikami pomiarowymi.
Przetworniki pomiarowe i sensory w teorii
Zadanie ich polega na możliwie najdokładniejszym przekształcaniu różnego rodzaju wielkości fizycznych do postaci znormalizowanego sygnału elektrycznego (sygnał wyjściowy), który może być następnie wykorzystany jako informacja wejściowa innych urządzeń sterujących lub regulujących.
W przemysłowych aplikacjach najczęściej mamy do czynienia z przetwornikami oraz sensorami takich wielkości fizycznych, jak: czas, masa, temperatura, ciśnienie, natężenie przepływu, natężenie oświetlenia, przemieszczenie liniowe i kątowe, prędkość liniowa i kątowa, moment obrotowy itp. Przetwornik przekształca jedną wielkość fizyczną, np. temperaturę, siłę, ciśnienie, prędkość na inną, najczęściej elektryczną, jak napięcie lub opór. Z tego względu najczęściej podział tych elementów opiera się na sposobie przetwarzania mierzonej wielkości fizycznej na sygnał elektryczny.
Podział sensorów
Ważnym aspektem przy doborze danego przetwornika są parametry go charakteryzujące. Należą do nich zakres pomiarowy, klasa dokładności, charakterystyka przetwarzania, czułość oraz rozdzielczość.
Ze względu na sposób przetwarzania sygnału sensory można podzielić na:
- analogowe – wielkość mierzona jest przetwarzana w sposób ciągły, zazwyczaj na wielkość elektryczną: napięcie, prąd, częstotliwość sygnału,
- cyfrowe – wielkość elektryczna jest przetwarzana na słowo cyfrowe, które reprezentuje wartość wielkości mierzonej,
- binarne – wielkość mierzona jest przetwarzana na sygnały dwuwartościowe.
Większość przetworników pomiarowych to czujniki elektryczne, czyli takie, w których przynajmniej jeden z sygnałów (najczęściej wyjściowy) jest sygnałem elektrycznym.
Wartości standardowe sygnałów wyjściowych:
prądowe: 0 ÷ 5 [mA], 0 ÷ 10 [mA], 0 ÷ 20 [mA], −5 ÷ 5 [mA], 1 ÷ 5 [mA], 2 ÷ 10 [mA],4 ÷ 20 [mA],
napięciowe: 0 ÷ 10 [mV], 0 ÷ 50 [mV], 0 ÷ 100 [mV], 0 ÷ 1[V], 0 ÷ 5[V], 0 ÷ 10[V], −10 ÷ 10[V], 1 ÷ 5[V], 2 ÷ 10[V], 4 ÷ 20[V].
Wyłączniki krańcowe
W tym opracowaniu autor skupi się na sensorach położenia, które służą do pomiaru odległości do danego obiektu lub umożliwiają jedynie stwierdzenie faktu obecności danego obiektu w bezpośrednim otoczeniu sensora.
Ze względu na dużą różnorodność czujników położenia, przedstawione zostanie kilka rozwiązań takich sensorów, do których zaliczmy m.in sensory stykowe, indukcyjne, pojemnościowe, optyczne oraz ultradźwiękowe. Najprostszymi sensorami położenia są sensory stykowe oparte o przetwarzanie taktylno – stykowe, nazywane wyłącznikami krańcowymi. Są to proste czujniki , działające na zasadzie styku elektrycznego, którego stan zmienia się w momencie zbliżenia przedmiotu lub obiektu.
Ogólnie wyróżnia się trzy rodzaje wyłączników krańcowych:
- NO (ang. Normally Open) – ze stykiem normalnie otwartym, po zadziałaniu czujnika następuje zwarcie styku, co umożliwia przepływ prądu przez krańcówkę – zwierne,
- NC (ang. Normally Closed) – ze stykiem normalnie zamkniętym, po zadziałaniu czujnika następuje rozwarcie styku, a tym samym przepływ prądu przez krańcówkę staje się niemożliwy – rozwierne,
- Zawierające styki NO oraz NC w różnych kombinacjach.
Zastosowania i rodzaje czujników położenia
Wyłączniki krańcowe znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba wyłączenia lub włączenia jakiegoś urządzenia po osiągnięciu wymaganego położenia przez poruszający się element np. napęd automatycznie otwieranej i zamykanej bramy.
Wyłączniki krańcowe cechują się dużą niezawodnością pracy.
Przykładem czujnika stykowego, reagującego na pole magnetyczne, jest kontaktron, składający się z hermetycznej bańki szklanej, wewnątrz której umieszczono styki z materiału ferromagnetycznego, których końcówki pokrywa się warstwą metalu szlachetnego.
W wyniku działania na kontaktron zewnętrznego pola magnetycznego styki kontaktronu przyciągają się, a w konsekwencji następuje ich zwarcie.
Kolejnym ciekawym rozwiązaniem czujników położenia są czujniki indukcyjne w których zastosowano przetwarzanie indukcyjnościowe. Wykorzystuje się w nich zjawisko zmiany indukcyjności (własnej L lub wzajemnej M) obwodu elektrycznego pod wpływem zmian wielkości nieelektrycznej. Mierzoną wielkością jest najczęściej przemieszczenie, które zmienia geometrię obwodu magnetycznego, przenikalność magnetyczną rdzenia lub sprzężenie cewek.
Podstawowe rodzaje sensorów indukcyjnych:
– z przesuwnym rdzeniem,
– ze zmienną szczeliną powietrzną,
– wiroprądowe,
– transformatorowe,
– magneto sprężyste.
W czujnikach pojemnościowych wykorzystuje się zależność pojemności od wymiarów geometrycznych kondensatora lub od właściwości elektrycznych dielektryka między okładzinami kondensatora.
Pojemnościowe sensory położenia, w których wykorzystuje się wpływ odległości między okładzinami kondensatora na jego pojemność, służą do pomiaru bardzo małych przemieszczeń.
Optyczne czujniki położenia są zbudowane z nadajnika oraz odbiornika sygnału optycznego. Długości fali sygnału wykorzystywanego w sensorach optycznych najczęściej mieści się w zakresie podczerwieni.
Funkcję nadajnika spełniają diody LED, IRED lub laserowe, natomiast odbiornikiem sygnału optycznego może być fotodioda lub fototranzystor. Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo zakłócenia pracy czujnika przez zewnętrzne źródła światła, wiele sensorów optycznych nie wysyła światła ciągłego, lecz światło pulsujące o określonej częstotliwości.
Można wyróżnić kilka rodzajów sensorów optycznych:
- Jednodrogowe – nadajnik i odbiornik sygnału optycznego to dwa osobne urządzenia. Nadajnik i odbiornik optyczny powinny być tak zamontowane, aby jak największa ilość światła emitowanego przez nadajnik trafiała do odbiornika. Jeśli na drodze od nadajnika do odbiornika znajdzie się przedmiot nieprzezroczysty, to wiązka światła zostanie przerwana, a tym samym zmieni się stan sygnału na wyjściu czujnika.
- Dwudrogowe, zwane refleksyjnymi (odbiciowymi) – nadajnik i odbiornik sygnału optycznego są umieszczone w jednej obudowie. Światło wysyłane przez nadajnik trafia do odbiornika po odbiciu od reflektora (lustra). Jeśli między sensorem a lustrem pojawi się przedmiot, który nie jest przezroczysty oraz nie odbija światła, to zmieni się stan sygnału na wyjściu czujnika. Sensory dwudrogowe mogą też pracować jako czujniki zbliżeniowe, wykrywające przedmioty odbijające światło.
Czujniki ultradźwiękowe emitują ultradźwięki, w regularnych odstępach czasu. Po zetknięciu z obiektem sygnał zostaje odbity i wraca z powrotem do czujnika. Odległość między czujnikiem a obiektem jest wyznaczana na podstawie czasu po jakim odbita fala trafia z powrotem do czujnika.
Ostatnim omawianym rodzajem przetwarzania to przetwarzanie rezystancyjne. Polega na zmianie rezystancji w sensorze, osiąganej najczęściej przez:
- zmianę położenia ślizgacza na warstwie rezystancyjnej (potencjometryczne przetwarzanie stykowe),
- ściskanie lub rozciąganie elementu rezystancyjnego (przetwarzanie tensometryczne),
- zastosowanie magnetorezystorów (potencjometryczne przetwarzanie bezstykowe),
- oddziaływanie ciepła na rezystor (przetwarzanie termorezystancyjne).
Przykłady czujników i ich symbole:
Podsumowanie
Omawiane zagadnienia jakim są czujniki pomiarowe to ważny temat dla przemysłu, ponieważ służą do:
- monitorowania parametrów procesów, co pozwala na kontrolę i utrzymanie optymalnych warunków pracy oraz zapobieganie awariom i szkodom,
- automatyzacji procesów: działając z urządzeniami, takimi jak sterowniki, przyczyniają się do kontrolowania procesów w sposób ciągły i automatyczny,
- zapewnienia bezpieczeństwa (safty),
- kontrolowania jakości.
