Стратегии развития датчиков для оптимизации автоматизированных процессов

Одной из основ успеха любого автоматизированного процесса является точность, с которой можно обнаружить и измерить различные величины. Независимо от того, требует ли процесс точных измерений и точности с участием жидкости, твердого тела или пустого пространства, понимание каждой части процесса имеет решающее значение.

Стратегическая реализация различных датчиков позволяет с самого начала оптимизировать процесс и снабжает оператора информацией, необходимой для постоянного отслеживания всего происходящего на линии. Затем он или она может принять разумные, обоснованные решения относительно корректировок, которые могут потребоваться.

Чтобы принять максимально правильное решение по выбору датчика для конкретного применения, следует рассмотреть несколько вопросов:

• Какой тип объекта должен отслеживаться?
• В какой среде будет работать система?
• Каково требуемое расстояние восприятия?
• Какая частота ответа сенсора?
• Какой тип вывода нужен (аналоговый/цифровой)?

Ответы на эти вопросы помогут определить, какой тип датчика или конкретной «смеси решений» будет работать лучше всего.

Датчики приближения

Датчики приближения предназначены для того, чтобы делать именно то, что подразумевает название, — обнаруживать близость между датчиком и отслеживанием элементов. Существует два основных типа бесконтактных датчиков: индуктивные и емкостные. Индуктивные датчики приближения предназначены для обнаружения твердого вещества, а емкостные датчики приближения лучше использовать для обнаружения жидкости.

Индуктивные датчики приближения содержат катушку индуктивности. При подаче тока возникает сильное магнитное поле в направлении толстых стрелок, показанных на рисунке ниже. Когда металл попадает в магнитное поле датчика приближения, он в конечном итоге обнаруживается датчиком.

Когда ток течет через катушку, магнитное поле возникает в направлении стрелок, и металлический объект обнаруживается.

Как показано на рисунке ниже, индуктивный датчик приближения содержит четыре основных компонента: головку датчика (измерительный элемент), цепь генератора, схему детектора и выходную цепь.

Катушка на измерительной головке излучает электромагнитное поле, а сердцевина измерительной головки направляет поле к передней части датчика. Контур генератора создает высокочастотное, симметричное, колеблющееся электромагнитное поле, которое излучается из ферритового сердечника и узла катушки на чувствительной поверхности.

Когда магнитный материал входит в магнитное поле, на поверхности металла индуцируются небольшие токи, известные как вихревые токи. Эти токи представляют потерю мощности в цепи и вызывают потерю амплитуды колебаний. Схема детектора обнаружит изменения амплитуды колебаний и отправит сигналы для включения или выключения выходного сигнала. Когда металлическая деталь удаляется из диапазона восприятия датчика, генератор возвращает магнитное поле датчика к его типичной амплитуде. Если датчик имеет нормально разомкнутый контакт, он будет выдавать сигнал «ВКЛ», когда предмет входит в чувствительную зону.

Расстояние, на котором объект может быть обнаружен, зависит от материала, из которого он изготовлен. В общем, если объект обнаружения является немагнитным материалом, расстояние обнаружения будет меньше. Кроме того, если объект меньше стандартного тестового объекта, расстояние обнаружения также уменьшается. Нужно спроектировать настройку для размера объекта, который больше стандартного размера тестового объекта из графика на рисунке ниже.

Толщина магнитного материала должна быть 1 мм или больше. Если покрытие слишком тонкое и непроводящее, обнаружение невозможно. Кроме того, если объект покрыт металлом, расстояние обнаружения изменится.

Несколько других факторов могут повлиять на расстояние обнаружения. Наличие металлического объекта (кроме объекта обнаружения) вблизи поверхности бесконтактного датчика может повлиять на производительность обнаружения, увеличить расстояние активации, ухудшить температурные характеристики и в конечном итоге привести к ложным срабатываниям.

Последнее соображение в отношении конструкции индуктивного датчика приближения заключается в том, следует ли использовать экранированный или не экранированный тип сенсора. Экранированный датчик приближения имеет дополнительные материалы сердечника по периметру и дополнительные металлические экраны для ограничения электромагнитного поля на передней части датчика. В качестве альтернативы, не экранированный датчик приближения не имеет дополнительного экранирования, что приводит к увеличению площади чувствительности.

Емкостные датчики приближения предлагают технологию, которая обеспечивает бесконтактное обнаружение путем измерения емкости. Технология обнаруживает изменение емкости в ответ на изменение окружающих материалов. В таком типе сенсора обнаружения конденсатор содержит два проводника с разными потенциалами, разделенных диэлектрическим материалом.

Для облегчения представления работы ёмкостного датчика обнаружения можно представить, что емкостный сенсор приближения является открытым конденсатором. Такой тип датчиков могут обнаруживать проводящие и не проводящие объекты. Это означает, что они могут обнаружить жидкости, пластмассы, стекло, дерево и химикаты. Они могут производить обнаружение объектов через цветные металлы, что делает их идеальным решением для измерений уровня, включая мониторинг смотрового стекла и определение уровня в резервуарах для жидкости или порошка.

Емкостный датчик включает в себя емкостный зонд, генератор, выпрямитель сигнала и выходную цепь (рисунок ниже).

Измеряемый объект увеличит площадь поверхности пластин, тем самым увеличивая заряд. По мере приближения к объекту измерения емкость увеличивается вместе с амплитудой колебаний. На емкость зонда или щупа напрямую влияют размер объекта, диэлектрическая проницаемость и его расстояние от зонда. По мере увеличения размера и диэлектрической проницаемости мишени увеличивается и емкость. Кроме того, чем меньше расстояние между объектом измерения и зондом, тем больше объект увеличивает емкость. Наконец, детектор отправит сигнал для переключения состояния выхода, когда колебания достигнут определенного уровня.

Как и в индуктивных датчиках приближения, существуют экранированные и не экранированные исполнения. Экранированные емкостные датчики приближения являются более идеальными для обнаружения материалов с низкой диэлектрической проницаемостью благодаря их высококонцентрированным электростатическим полям. Однако электростатическое поле не экранированного датчика немного менее сфокусировано. Это исполнение лучше подходит для обнаружения материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Кроме того, датчики приближения в не экранированном исполнении имеют большие расстояния считывания и более эффективны, чем экранированные датчики в пластиковых корпусах для применений измерений уровня жидкости.

Волоконно-оптические датчики

Если окружающая среда и / или объект, подлежащие обнаружению, представляет собой проблему с точки зрения компоновки, волоконно-оптический датчик может быть идеальным решением. Благодаря тому, как спроектирован оптоволоконный датчик, он может достигать и обнаруживать определенные области, которые не могут «постичь» другие типы датчиков. Они используют оптоволоконный кабель для передачи и приема света, используемого для измерения в удаленно установленном усилителе. Это позволяет сенсорному наконечнику находиться в этих небольших областях или средах, которые могут повредить нормальные датчики, например в областях с высокой температурой или влажностью.

Волоконно-оптические датчики невероятно точны и хорошо работают в жидкости. Поскольку датчики такого типа не являются токопроводящими, головка может быть погружена в раствор. Кроме того, из-за того, что волоконно-оптические сенсоры не проводят электричество, они могут использоваться в большем количестве приложений.

Лазерные датчики

Данное решение наиболее целесообразно, когда требуется высокая точность измерений — до 0,5 микрон. Однако пространство и бюджет часто являются ограничениями для этих типов сенсоров.

Фотоэлектрические датчики

Фотоэлектрические датчики, которые могут обнаружить присутствие объекта по смене света, идеально подходят для применений в суровых условиях эксплуатации. Свет преобразуется в электрический сигнал, и его величина затем сравнивается с пороговыми значениями. Причина, по которой они так идеальны для применения в суровых условиях эксплуатации, заключается в том, что они не контактируют с объектом, возможны большие расстояния обнаружения, они не подвержены износу и имеют очень быстрое время отклика.

Одна из технологий, которая используется с фотоэлектрическими датчиками, известна как времяпролетная (TOF). TOF — это технология визуализации, в которой испускается короткий импульс и измеряется время возврата, что дает очень надёжные и точные измерения.

В таком случае расстояние измеряется на основе прошедшего времени, а не на количестве возвращаемого света. Это приводит к ряду различных преимуществ, связанных с технологией TOF. Материал отслеживаемого объекта оказывает меньшее влияние на точность обнаружения, обнаруживаются детали с разными цветами и текстурами, а ошибки встречаются гораздо реже.

Из-за особенностей технологии эти типы датчиков лучше всего подходят для автомобильной промышленности, обработки материалов и производства продуктов питания и напитков.

Независимо от требований приложения, важно понимать еще и принцип работы каждого из датчиков, чтобы принять обоснованное решение о выборе типа датчика и его размещении в механизме. Задача заключается в том, чтобы выбрать наиболее оптимальный тип сенсоров при этом, не переплатив и сэкономив место на его установке.