Nowe technologie zwiększają zakres pomiarowy i dokładność czujników położenia

Producenci wdrażają technologie IO-Link do istniejących czujników, aby inżynierowie mogli gromadzić dodatkowe informacje z poziomu fabryki. Źródło: Turck

Rozwój w dziedzinie czujników położenia sprawia, że inżynierowie mogą wykorzystać nowe technologie do polepszenia ich dokładności i zwiększenia zakresów.

Zakres i dokładność to najważniejsze cechy czujników, które dają inżynierom i producentom sprzętu OEM możliwość wglądu w funkcjonowanie procesów na poziomie urządzeń.

Dotyczy to w szczególności czujników położenia stosowanych w systemach zautomatyzowanych. Niezawodna i dokładna detekcja obiektów jest kluczowa dla poprawności realizacji procesu – począwszy od detekcji przedmiotu na przenośniku, do określania poziomu cieczy w zbiorniku i sprawdzania, czy komponenty znajdują się na swoim miejscu. Dzięki zrozumieniu podstawowych czynników wpływających na ich zakres i dokładność oraz wpływu nowych technologii na polepszenie tych parametrów, inżynierowie mogą wybrać rozwiązanie optymalnie dostosowane do potrzeb określonych aplikacji.

Podstawowe wiadomości na temat zakresu i dokładności

Fizyka jest kluczem do poznania możliwości sprzętowych czujników położenia, a zasady tej nauki określają zakres i dokładność czujnika. Dwa najczęściej spotykane rodzaje czujników położenia to czujniki indukcyjne i ultradźwiękowe.

Czujniki indukcyjne zawierają cewkę, która generuje fale częstotliwości radiowej (RF) w celu detekcji obiektu. Chcąc uzyskać najlepszą precyzję, inżynier powinien wybierać jak najkrótsze częstotliwości RF do detekcji obiektów ze względu na dwie cechy czujnika: powtarzalność i histerezę. Powtarzalność to dokładność występowania punktu wykrywania obiektu, przy wielokrotnych operacjach. Typowo wynosi ona 2% zakresu pomiarowego lub mniej. Histerezą nazywamy różnice pomiędzy stanem, w którym czujnik sygnalizuje obecność obiektu w miarę przesuwania się ku niemu, a punktem, w którym sygnał ten zanika wraz z oddalaniem się obiektu. Wartość tę oblicza się jako procentowy udział odległości w zakresie pomiarowym i zwykle wynosi ona 5%.

Na przykład, jeżeli czujnik o średnicy 8 mm ma zakres pomiarowy równy 3 mm, powtarzalność czujnika wynosić będzie około 0,06 mm, a typowa histereza będzie na poziomie 0,15 mm. O wiele większy czujnik o wymiarach 80×80 mm, z wyglądu przypominający krążek hokejowy, z zakresem pomiarowym 50 mm, cechować się będzie powtarzalnością na poziomie 1 mm i histerezą wynosząca 2,5 mm.

Do zastosowań wymagających bardzo dokładnego wykrywania obiektów, czujnik o średnicy 8 mm będzie lepszy, ponieważ okno, w którym załącza i wyłącza się sygnał czujnika, jest bardziej dokładne.

Do precyzyjnego wykrywania obiektów w większym zakresie pomiarowym lepszym wyborem są zwykle czujniki ultradźwiękowe. Czujniki te wykorzystują zjawisko fali ultradźwiękowej do wykrywania obiektów, emitując sygnał i odbierając jego odbicie.

Czujniki ultradźwiękowe zapewniają niezawodne wykrywanie obiektów w zakresie do 6 m. Urządzenia te są również odpowiednie do bardziej skomplikowanej detekcji obiektów, takich jak obiekty o nieregularnych kształtach lub obiekty przezroczyste, niemetalowe, wymagające szerokiego zakresu pomiaru lub do pomiarów wykonywanych w zakurzonym lub zaolejonym środowisku.

Monitorowanie poziomu cieczy i wykrywanie obiektów wykonanych ze szkła to dwa klasyczne przykłady zastosowania czujników ultradźwiękowych. Detekcja przezroczystych obiektów, takich jak szkło, może stanowić wyzwanie dla systemów wizyjnych, ale materiały te wciąż będą odbijać fale dźwiękowe, jeśli czujnik ultradźwiękowy zostanie zamontowany poprawnie.

Ciecze bardzo dobrze odbijają fale akustyczne, jeśli ich powierzchnia jest czysta, a czujniki ultradźwiękowe często są stosowane do monitorowania poziomu płynów w pojemnikach.

Niesprzyjające warunki otoczenia mogą znacząco wpłynąć na zakres pomiarowy i dokładność czujnika. Zanieczyszczone środowiska mogą zawierać wiele rodzajów zanieczyszczeń: od agresywnych środków chemicznych po kurz i wodę. Dobór materiałów jest krytyczny dla trwałości sensora i jego odporności na warunki otoczenia. Stal nierdzewna to najlepszy wybór w przypadku ryzyka kontaktu z agresywnymi środkami chemicznymi. Mosiądz używany jest zwykle w środowisku, w którym nie występują agresywne środki chemiczne.

IO-Link to ustandaryzowana komunikacja typu point-to-point. Grafika przedstawia zastosowanie produktów IO-Link na poziomie pomiędzy konwencjonalnymi urządzeniami i produktami sieciowymi.

Jak nowe technologie wpływają na możliwości czujników

Możliwości nowoczesnych czujników położenia są rozwijane dzięki mikroprocesorom i zaawansowanej technologii budowy czujników. Nowe rozwiązania pojawiające się na rynku pozwalają inżynierom na poprawę dokładności i zakresu pomiarowego czujników.

Jedną z nowinek technicznych jest IO-Link, czyli rodzaj ustandaryzowanej komunikacji point-to-point, zaprojektowanej w celu zwiększenia ilości danych zbieranych przez czujnik i przekazywanych do sterownika. System ten ma również zastosowanie praktyczne ze względu na dokładność mierzonych wartości, zwłaszcza w przypadku systemów analogowych.

W przypadku tradycyjnych systemów analogowych sygnał może być konwertowany z cyfrowego na analogowy, zanim zostanie dostarczony do jednostki PLC, gdzie jest z powrotem konwertowany z analogowego na cyfrowy. Każda konwersja może wpływać na jakość sygnału.

Dzięki technologii IO-Link dane z czujnika są transmitowane w postaci cyfrowej
tylko raz i wracają do IO-Link master, ostatecznie trafiając do jednostki PLC. Ogranicza to liczbę konwersji i zmniejsza szansę na utratę jakości i dokładności informacji.

Technologia ta wpływa na poprawę dokładności czujnika, ponieważ cyfrowa rozdzielczość jest stała. Inżynier może sprawdzić sygnał binarny, wybrać punkty reprezentujące dane położenie i podjąć decyzję na podstawie odczytu. Nie musi on skalować sygnału analogowego do odpowiedniego zakresu pomiarowego. Znajdujące się wewnątrz mikroprocesory są zaprojektowane tak, by umożliwiać interpolacje, zwiększając dokładność sygnałów cyfrowych.

Konstrukcja czujnika a jego możliwości

Oprócz IO-Link technologia mikroprocesorowa ma spory wpływ na konstrukcję czujnika i jego możliwości. Firmy mogą produkować inteligentne czujniki z funkcją samodiagnostyki i interpolacji sygnału w celu poprawy dokładności i powtarzalności.

W przeszłości sama elektronika wymagała dodatkowej przestrzeni ze względu na połączenia lutowane z płytką PCB. Nowe rozwiązania wykorzystujące układy scalone i tzw. chipy z gotowymi do lutowania wyprowadzeniami na spodzie obudowy mogą obsługiwać większe prądy i mają większą moc obliczeniową oraz lepsze zakresy pomiarowe, zajmując przy tym mniejszą przestrzeń. Pozwala to na tworzenie bardziej kompaktowych czujników. Nowoczesne czujniki są do 30% mniejsze niż starsze odpowiedniki oraz mają o 50% większe zakresy pomiarowe.

Technologia czujników wciąż się rozwija, stwarzając nowe możliwości wglądu w procesy produkcyjne. Poprzez zestawienie wiedzy na temat zasad działania czujników z technologiami takimi jak IO-Link i coraz mocniejszymi mikroprocesorami inżynierowie mogą zwiększać możliwości systemów i usprawniać operacje od jednostki PLC aż do poziomu urządzenia.


Tony Udelhoven jest wiceprezesem firmy Turck.