2.4 Датчики переміщення, тиску, температури, частоти.
Датчики руху (motion sensors). Датчики руху широко застосовують для автоматизації технологічних процесів у машинобудуванні, наприклад, для автоматичного керування робочими органами різноманітних верстатів (токарних, фрезерних, шліфувальних тощо) і роботів. Механічний рух характеризується такими кінематичними величинами: переміщенням (зміною положення, відстані, ступеня наближеності, розміру), лінійною і куто швидкістю, прискоренням тощо. Датчики руху ґрунтуються різноманітних фізичних принципах. Розглянемо найбільш по рені датчики руху.
Реостатний перетворювач. Це резистор з рухомим контактом, що змінює своє положення залежно від зміни вхідної величини (лінійного або кутового переміщення). Реостатний перетворювач можна ввімкнути у вимірювальну схему послідовно або паралельно.
Індуктивні і взаємоіндуктивні перетворювачі. Індуктивний і взаемоіндуктивний перетворювачі складаються з котушки і магнітопроводу із зазором. Дія індуктивного і взаємоіндуктивного перетворювача ґрунтується на залежності індукції (взаємної індукції) перетворювача від переміщення якоря (магнітопроводу або його частини). Від переміщення якоря змінюється зазор у магнітопроводі котушки індуктивності чи взаємної індуктивності, отже змінюється магнітний опір магнітопроводу. Зміна магнітного опору призводить до зміни індуктивності, від якої залежить повний опір котушки.
Трансформаторні перетворювачі відрізняються від індуктивних наявністю ще однієї (вимірювальної) обмотки. Як і індуктивні перетворювачі, трансформаторні перетворювачі бувають одинарні і диференціальні. ~~
Ємнісний датчик. Ємнісний перетворювач — це плоский, рідше циліндричний конденсатор, ємність якого залежить від площі електродів, відстані між електродами і діелектричної проникності
Лазерні датчики. Для вимірювання з високою точністю відстаней застосовуються останнім часом лазерні датчики, принцип дії яких ґрунтується на залежності часу проходження світловим імпульсом від відстані між предметами. —Д
Датчики кутового переміщення. У станках, маніпуляторах, робототехнічних комплексах широко застосовується обертальний рух, тому вимірювання кутового переміщення в широкому діапазоні і з високою точністю дуже важливе. Найбільше поширення знайшли перетворювачі кутового переміщення в різницю фаз електричних коливань.
Датчики прискорення (акселерометри). Датчики прискорення широко застосовуються в автоматичних системах керування рухомими об'єктами, зокрема літаками, ракетами тощо. Принцип дії акселерометрів ґрунтується на перетворенні прискорення у силу інерції відповідно до другого закону Ньютона. Далі сила перетворюється у переміщення, яке, в свою чергу, перетворюється в електричну величину (напругу, струм тощо).
Датчики сили, моменту, тиску. В цих датчиках сила, момент, тиск перетворюються на деформацію пружного елемента, яка сприймається датчиками, що називаються тензорезисторами. Електричний опір тензорезистора залежить від деформації. За конструкцією і технологією виготовлення розрізняють провідникові, фольгові і плівкові тензорезистори.
Датчики наближення (proximity sensors). Датчики наближення широко застосовуються для автоматизації процесів у машинобудуванні, наприклад, при підрахунку кількості деталей на конвеєрі у робототехнічних комплексах, в охоронних системах. Принцип дії датчиків наближення ґрунтується на зміні властивостей чутливого елемента при наближенні до нього певного об'єкта. Розрізняють індуктивні, ємнісні і магнітні датчики наближення.
Датчики температури. Температура є важливим технологічним параметром, тому датчики температури широко застосовуються при автоматизації технологічних процесів у хімічній, текстильній, нафтовій та газовій промисловості. Найбільшого поширення набули такі датчики температури, як термоелементи—і терморезистори. ,
Термоелемент — це з'єднані в одній точці провідники з різних металів. На межі двох різних металів виникає контактна різниця потенціалів, значення якої залежить від температури. Інколи термоелемент називають термопарою. -f
Терморезистор – це резистор, опір якого залежить від температури.
Прикладом датчика температури є термопара.
Термопара представляє собою два електроди, з різних матеріалів, діаметром 1,5- 3,2 мм один кінець яких закручений і зварений - і називається робочим кінцем. Електроди ізольовані один від одного фарфоровими бусами. Для захисту термопари від механічних пошкоджень вона поміщена у захисний чохол. Чохол виконаний з алюмінієвих або сталевих труб.
КИП
Компенсаційний дріт
Вільний кінець
Робочий кінець
ТП
При нагріванні робочого кінця термопари вільні електрони починають рухатися з різною швидкістю і утворюють на вільному кінці ТП термоЕДС невеликої величини до 100 мілівольт. Цей струм передається по компенсаційним проводам на КІП – контрольно вимірювальний прилад, котрий проградуйований на відповідне значення температури. Термопара вимірює температуру в межах від –50 до 1600Сº.
Термопари, в залежності від вимірювальних температур бувають таких видів:
ХК – Хромель – капелєві - 50ºС + 400ºС
ХА – хромель – алюмелеві 0 – 800 ºС
ПРП - платина – родій – платинова до + 1600ºС
Термопари
Термопари - це надійні й недорогі датчики температури, широко використовувані в різних вимірювальних системах. Однак вимір температури за допомогою термопар вимагає вживання спеціальних заходів для забезпечення необхідної точності вимірів. Розглянемо основні проблеми, що виникають при одержанні сигналу з термопари.
Температура холодного спаю
У місцях підключення провідників термопари до вимірювальної системи виникають додаткові термоэдс. У результаті їхньої дії на вхід вимірювальної системи фактично надходить сума сигналів від робочої термопари й від "термопар", що виникли в місцях підключення.
Існують різні способи уникнути цього ефекту. Самим очевидним з них є підтримка температури холодного спаю постійною. У лабораторних умовах часто застосовується ванна з льодом, що тане. У цьому випадку термоэдс контактів підключення компенсують один одного, тому що контакти складаються з однакових матеріалів і перебувають при однаковій температурі. На жаль, цей спосіб не завжди зручний на практиці.
Зараз у промислових системах широко використовується техніка "компенсації холодного спаю". Цей метод полягає в тім, що температура холодного спаю виміряється іншим датчиком температури, а потім величина термоЕРС холодного спаю програмно або апаратно віднімається із сигналу термопари.
Ізотермальні зони
Як сказано вище, місця підключення термопари до вимірювальної системи повинні мати однакову температуру, тобто перебувати в изотермальной зоні. Крім того, у схемі з компенсацією холодного спаю в цій же зоні повинен перебувати й датчик температури холодного спаю. Розроблювач повинен ураховувати ці вимоги при конструюванні вимірювальної системи.
Нелінійність
Сигнал від термопари нелінійно залежить від температури. Для одержання точного значення температури необхідно лінеаризувати сигнал.
Може використовуватися таблична або поліноміальна лінеаризація. Характеристики термопар різних типів і їхніх поліномів, що описують, добре описані в спеціальній літературі.
Ізоляція
При високих температурах може знижуватися опір ізоляції провідників термопари. Це шунтирует сигнал термопари й створює додаткові термоэдс.
Гальванічний ефект
При вимірі температури рідини можливе влучення рідини або конденсату усередину термопари, що приводить до утворення електроліту й виникненню гальванічного ефекту.
Наведення
Сигнали від термопари звичайно мають значення від мікровольт до мілівольтів, тому необхідно вживати додаткових заходів по зниженню рівня шумів і наведень. Звичайно це екранування й скорочення довжини сполучних проводів.
Крім того, з огляду на, що температура міняється відносно повільно, можна гасити перешкоди за допомогою фільтра нижніх частот. Фільтр звичайно розраховується на частоти 1 - 4 герци й реалізується апаратно або програмно.
Посилення
Через дуже малий сигнал датчика важливо використовувати у вимірювальній системі точний інструментальний підсилювач. Зараз доступні дуже гарні інструментальні підсилювачі. Крім того, у промислових вимірювальних системах часто реалізуються схеми автоматичної компенсації зсуву нуля й техніка автокалібрування підсилювачів.
Вимірювання температур за допомогою термопар одержало широке поширення через надійну конструкцію датчика, можливості працювати в широкому діапазоні температур і дешевини. Однак для збереження високої точності вимірів необхідне дотримання ряду вимог, застосування спеціальних методів. Ці вимоги й методи уже реалізовані в сучасному промисловому вимірювальному встаткуванні, що дозволяє одержувати високоточні виміри температури з використанням термопарних датчиків.
Фотодатчики
Будова фотодатчика (ФД )
ФД називається датчик, який перетворює зміну світлового проміння в електричний сигнал.
ФД використовуються для контролю за геометричними розмірами виробів, при розрахунках грошей, в метро, на залізниці при проході електропотяга біля світлофора для автоматичного відкриття дверей, в системах сигналізації – контроль за рухом об’єктів.
ФД складається з 3 частин:
х
1
2
2
3
4
ф
1.Джерело світла
2. Оптична система
3. Фотоелемента
Фото датчики бувають 2 типів:
ФД відображення
Фотодатчики прямого напрямку
ФД прямого напряму.
Джерело світла 1 і оптична система 2 формують паралельний і рівномірний світловий потік Ф. В цьому світловому промінні розміщують деталь 4, розміри якої потрібно контролювати. При переміщенні деталі змінюється кількість світла, який падає на фотоелемент. В якості фотоелемента може бути : фотодіод, фототріод, фоторезистор.
В якості джерела струму може бути: лампа розжарювання, прожектор.
До складу оптичної системи можуть входити різноманітні лінзи, дзеркала, призми, світлофільтри і т.п.
В більшості фотодатчиків перетворення вхідної неелектричної величини в електричний сигнал здійснюється в 2 етапи:
1) спочатку здійснюється перетворення електричного струму в світловий потік (сила світла, освітлювання, спектральних властивостей), а потім
2) сила світла перетворюється фотоелементом в електричну величину (фотострум, фотоЕРС, спад напруг ).
Фотодатчики відображення
В фотодатчиках відображення джерело світла 1 та оптична система 2 формують вузьке світлове проміння, яке після відображення від об’єкта 4 попадає через відображаючу оптичну систему на фотоелемент 3.
Кількість відображеного проміння, яке падає на фотоелемент, залежить від якості обробки і відображаючих якостей поверхні об’єкта (чистоти обробки, блискучості поверхні, наявності ділянок пошкоджених фарбою ). Такий тип ФД використовується для вимірювання чистоти обробки поверхні, якості фарбування, наявності механічних пошкоджень на поверхні.
Переваги Ф Д
4
2
2
1
3
1.Універсальність
2.Безконтактність
3.Відсутність зворот нього зв’язку на об’єкт контролю.
Недоліки:
1.Чутливість до вібрацій, ударів
2.Погана робота в забрудненій, загазованому, вологому середовищі
Сучасні фотоелектричні датчики й безконтактні перемикачі мають засоби діагностики й здатні підключатися до мереж; незабаром до списку можливостей цих пристроїв додадуться й найпростіші контролерні функції. Завдяки досягненням в області відеодатчиків, системи машинного зору стали працювати швидше й навчилися розрізняти кольори.
Застосовувані в дискретному виробництві інтелектуальні датчики досягли, нарешті, свого "повноліття". Безперервне зниження вартості контролерних мікросхем і стрімке зростання їхніх функціональних можливостей дозволяють вбудовувати ці чипи в усі менші по розмірах виробу. Тим часом, розвиток програмного забезпечення для систем машинного зору привело до зниження їхньої складності, і тепер для їхньої установки вже не потрібно мати докторський ступінь.
Автоматизація збору й обробки технологічної інформації вимагає застосування датчиків, здатних на щось ще крім видачі повідомлень про вмикання-вимикання. Система штрих-кодів, наприклад, дозволяє записувати інформацію про зроблений виріб безпосередньо на ньому самому. Для зчитування цієї інформації з наступною передачею її контролеру або серверу даних необхідний датчик, що володіє поруч спеціальних можливостей, а також, можливо, здатний працювати в несприятливих умовах.
У багатьох реальних додатках недостатньо лише виявити той або інший об'єкт. Наявність у безконтактних перемикачах і фотоелектричних датчиках аналогових виходів могло б дозволити, наприклад, визначати відстані до об'єкта. Вартість і характеристики сучасних систем технічного зору такі, що забезпечення повного машинного контролю стає цілком реальним завданням. Досягнення в області відповідних технологій дозволяють використовувати тривимірний зір у критичних просторових додатках. Завдяки розрізненню кольорів, високій швидкодії й можливості підключення до каналів Ethernet недорогі відеодатчики стають усе більше привабливими, розширюючи область їхнього застосування.
Варто пам'ятати, що датчики можуть піддаватися впливу виробничого середовища. Коли безконтактні сенсори експлуатуються в несприятливих умовах (наприклад, у складі систем управління транспортувальними лініями й плитковими конвеєрами), виробник датчиків тут практично неспроможний і мало що може зробити для рішення виникаючих проблем. Однак заходи щодо усунення впливу пилу й масляного туману на оптичні датчики вже розробляються.
Сучасний інтелектуальний датчик здатний самостійно підстроюватися під умови експлуатації й безупинно регулювати свою чутливість із метою досягнення максимальної ефективності. "Своїм інтелектом датчики зобов'язані мікропроцесорним технологіям. Мікропроцесор - це мозок датчика, що дозволяє пристрою "вивчати" умови, у яких воно працює. Будучи мікропроцесорною системою, що самонавчається, такий датчик здатний обробляти більші обсяги інформації з високою швидкістю. Саме завдяки мікропроцесорам сьогодні в користувача є досить зручні в установці, настроюванні й застосуванні датчики".
Значна частка пов'язаних з фотоелектричними датчиками проблем обумовлена осіданням на об'єктивах цих пристроїв пилу й бруду, що приводить до зменшення освітленості чутливих елементів. Мікропроцесор здатний безупинно контролювати освітленість, порівнюючи її з еталонним значенням. По досягненні освітленістю деякої граничної величини мікропроцесор сигналізує обслуговуючому персоналу про необхідність чищення об'єктивів.
Проблемою іншого роду є виявлення об'єктів неправильної форми або об'єктів на блискучому тлі. Для підвищення надійності роботи датчиків у таких умовах розроблені два нових методи: "Метод APR (automatic power reinforcement) полягає в автоматичному регулюванні потужності випромінюваного світла залежно від кольору поверхні й кутового профілю об'єкта. Відбите світло фокусується на фотодатчик положення, формуючи світлову пляму. Переміщення цієї плями по поверхні детектора визначаються відстанню між датчиком і оброблюваною деталлю; зміна її кольору (наприклад, з білого на чорний) впливає на яскравість плями, але не на його положення".
Раніше деякі інтелектуальні датчики вимагали проведення так званого "навчання", що складалося в тім, щоб направити об'єктив на звичайне тло, натиснути кнопку, після чого націлити датчик на об'єкт і повторно натиснути кнопку. У порівнянні з методом потенціометричного настроювання таке навчання є величезним кроком уперед. Застосування мікропроцесорної техніки, стандартних мережних засобів і персональних комп'ютерів обіцяє ще більші можливості.
Деякі сенсори дозволяють установлювати свої параметри як за допомогою робочої станції з використанням образу процесу, так і за допомогою наявної в датчика кнопки навчання. Параметри можуть копіюватися відразу в кілька пристроїв, що робить непотрібним трудомісткий процес індивідуального програмування кожного окремого сенсора. Відпадає необхідність у використанні трьох-, чотирьох- і п’ятипровідникових датчиків, індивідуальне настроювання яких є досить дорогою справою. Додатковими перевагами є убудовані засоби діагностики системи, а також можливість "гарячої" заміни несправних датчиків. Користувачі одержують можливість автоматичного виявлення обривів проведення, коротких замикань, невірних настроювань, відмов датчиків і модулів і можуть посилати сигнали по кожному каналі".
Однією з найбільш привабливих характеристик інтелектуальних датчиків є "надання можливості підключати до одного кабелю кілька датчиків, а також проводити їхнє конфігурування й діагностику на відстані. Віддалене конфігурування містить у собі такі функції, як настроювання на об'єкт, вибір режиму роботи й частоти перемикання, а також завдання параметрів перемикання. У діагностику входить моніторинг обмотки, контроль стабільності об'єкта й стану сенсора, а також відстеження занадто слабкого сигналу, що попереджає про небезпеку повної відмови датчика".
Багато датчиків різних компаній уже мають убудовану підтримку шини DeviceNet. Функції автоматичного (plug-and-play) і попереднього конфігурування сенсорів дозволяють істотно зменшити витрати на уведення мережі датчиків в експлуатацію. Крім того, завдяки застосуванню єдиного провідника з швидко роз’ємними з'єднувачами, вартість кабельної проводки в таких системах виявляється найчастіше надзвичайно низькою в порівнянні із системами на базі стандартних паралельних ліній.
Інший можливий підхід складається у виявленні основних областей застосування й у розробці спеціалізованих інтелектуальних рішень. Фотоелектричні датчики наділяють обчислювальними можливостями з метою реалізації певних алгоритмів. Це саме той випадок, коли інтелектуальні пристрої відповідають вимогам користувача, дозволяючи зменшити сумарну довжину кабельної проводки, знизити витрати на пристрої уведення-виводу і спростити розгортання системи.
Аналогові безконтактні перемикачі
Однієї з областей застосування індуктивних безконтактних перемикачів є штампувальні преси. Безконтактні перемикачі непогано справляються із завданням визначення наявності деталі в робочій зоні. Однак нерідко коло пов'язаних з виробничим процесом проблем включає не тільки просте виявлення деталі; системі управління може знадобитися інформація, приміром, про те, чи та деталь подана, або про те, чи перебуває деталь у робочій зоні повністю або частково. Вирішити подібні завдання можна за допомогою безконтактних перемикачів, причому пристрої з аналоговим виходом тут більше корисні, чим всі звичайні перемикачі.
Нова технологія фотоелектричних датчиків, що дозволяє реалізовувати методику лазерного виміру відстаней у звичайних системах безконтактного виявлення: Подібні датчики добре підходять для таких областей, як обробка металів тиском, пресування, а також управління піднімальними й портальними кранами.
Основою нової технології є лазерні діоди, збуджувані короткими електричними імпульсами. Частина світла розсіюється усередині фотодіодного датчика, основний же промінь благополучно залишає датчик і відбивається від об'єкта. Електронні схеми обчислюють різницю між моментом випущення променя й моментом прийому відбитого світлового сигналу й перетворюють цю різницю в аналоговий сигнал (відповідно до настройок користувача).
Для усунення недоліків систем машинного зору розробники додають всі зусилля. Відеокамери стають меншими й "розумнішими", стандартизація комунікаційних засобів дозволяє вирішувати проблеми зв'язку, а досягнення в програмній області істотно спрощують процеси настроювання й конфігурування. У результаті багато дивовижних раніше систем стають у наші дні загальнодоступними.
Розрізнення кольорів і зв'язок
Серед досягнень в області відеодатчиків варто назвати розпізнавання кольорів і високу швидкість передачі інформації.
Існує дві характеристики, якими, на думку користувачів, повинні володіти відеодатчики. Перша - це здатність розрізняти колір. Дана властивість була б дуже корисною у таких додатках, як сортування деталей на конвеєрі, де застосування більше складних систем є невиправданим і надмірно дорогим задоволенням. Друга характеристика - це розширені комунікаційні можливості..
Існує можливість визначення за допомогою кольорових відеодатчиків тих характеристик, які можуть бути просто "не видні" у напівтоновій шкалі. Вертаючись до мережних питань, варто згадати про нові інструментальні можливості підключення до Ethernet-Мереж і веб-диагностики. Підвищення швидкості обробки даних у ході аналізу зображень і проведення оптичних вимірів веде до створення усе більше складних контрольно-вимірювальних систем. Прикладом області, що розвивається, застосування відеодатчиків є оптичне розпізнавання символів, використовуване для контролю навантаження контейнерів.
Достоїнства систем машинного зору
Системи машинного зору є основою, що дозволяє здійснювати автоматизацію багатьох виробничих процесів. Як засоби збору дані системи машинного зору використовуються в таких областях, як високошвидкісне сортування, контроль якості продукції й спостереження за ходом робіт.
Категорія засобів машинного зору охоплює надзвичайно широку номенклатуру пристроїв - від недорогих відеодатчиків (які, втім, стають усе більше складними), до систем із широкими функціональними можливостями, що мають комп'ютерні модулі формування зображень, швидкісні відеокамери й витончене програмне забезпечення.
На сьогодні відзначаються певні тенденції в області високопрофесійних систем. Повсюдно починають застосовуватися усе більше складні, але разом з тим і усе більше зручні в експлуатації засоби. Як приклад можна привести програмне забезпечення, що використовує метод розпізнавання геометричних структур, який відрізняється куди більше високою пристосованістю до використання в несприятливих умовах.
Датчики витрати. Вимірювання витрати рідин і газів необхідно проводити в хімічній, нафтогазовій, харчовій промисловості. розрізняють дросельні, ультразвукові та магнітні датчики витрат.
|