Podstawą automatyki przemysłowej są pomiary parametrów procesów technologicznych i wykorzystanie uzyskanego sygnału do regulacji i sterowania procesami. Pomiary wielkości nieelektrycznych, np. temperatury, ciśnienia, odległości, są najczęściej realizowane metodami elektrycznymi. Do pomiarów służą czujniki, czyli elementy układu pomiarowego reagujące na zmiany określonych wielkości fizycznych. Mierzona przez czujnik wielkość nieelektryczna przetwarzana jest w przetworniku pomiarowym na sygnał elektryczny standardowy analogowy lub cyfrowy, nadający się do transmisji. W artykule zaprezentowane zostały szerzej parametry czujników pojemnościowych, indukcyjnych, fotoelektrycznych.

Do zalet elektrycznych metod pomiarowych można m.in. zaliczyć:
• możliwość wykonywania pomiarów na odległość,
• automatyzację wykonywania pomiarów,
• możliwość matematycznej obróbki wyników,
• uzyskiwanie znacznej dokładności,
• możliwość wykorzystywania sygnału pomiarowego do sterowania urządzeniami i procesami technologicznymi, do sygnalizacji i alarmów,
• ograniczenie wpływów środowiskowych.
W celu odczytania zmierzonej metodą elektryczną wartości wielkości nieelektrycznej trzeba tę wartość przetworzyć na sygnał elektryczny – zazwyczaj standardowy. Wielkość fizyczną nieelektryczną mogą przetwarzać na sygnał elektryczny czujniki (przetworniki pierwotne) lub przetworniki pomiarowe. Przetwarzanie jednej wielkości w inną lub jednej jej postaci w inną odbywa się z określoną dokładnością. Uzyskany sygnał standardowy może być przesyłany do odbiornika – wskaźnika, regulatora, sygnalizatora, sterownika itp.
Niektóre czujniki reagują bezpośrednio na mierzoną wielkość fizyczną. Inne generują sygnał, który jest mierzony dopiero po zakłóceniu go przez obiekt, np. po odbiciu od obiektu przy pomiarach odległości. Czujniki tego rodzaju reagują zazwyczaj na wartości wielkości mierzonej, zasilania i zakłócenia. W czujnikach odpowiednio wykonanych wpływ zasilania i zakłóceń na sygnał wyjściowy jest ograniczany.
Czujniki można podzielić według różnych kryteriów – ze względu na przeznaczenie, zasadę działania itp. Najtrafniejszy jest chyba podział uwzględniający wszystkie te kryteria.

Rys. 1. Schemat ideowy układu pomiarowego: 1 – przetwornik pierwotny (czujnik), 2 – przetwornik sygnału, 3 – wskaźnik, sterownik, regulator itp.

Podstawowy układ pomiarowy do pomiarów wielkości nieelektrycznych „X” (rys. 1) składa się zazwyczaj z trzech elementów: czujnika, przetwornika i odbiornika (miernika, regulatora, sterownika). Czujnik przetwarza mierzoną wielkość nieelektryczną „X” na sygnał elektryczny Y1. Dalej przetwornik przetwarza ten sygnał na sygnał znormalizowany Y2. Przyrząd pomiarowy wskazuje analogowo lub cyfrowo wartość wielkości mierzonej przetworzonej na sygnał znormalizowany. W układzie pomiarowym może następować więcej niż jednokrotne przetwarzanie sygnału pomiarowego. Przy stosowaniu kolejnych przetworników pierwszy z nich jest właśnie przetwornikiem pierwotnym (czujnikiem), zaś następne przetwornikami wtórnymi lub po prostu przetwornikami. Znormalizowanie sygnału wyjściowego umożliwia stosowanie tej samej aparatury, odpowiednio wyskalowanej, do pomiarów różnych wielkości fizycznych.
Wśród czujników wyróżnia się czujniki parametryczne – pasywne i czujniki generacyjne – aktywne. Czujniki parametryczne to urządzenia, których wielkością wyjściową jest zmiana parametru elektrycznego, np. rezystancji, pojemności, indukcyjności pod wpływem czynnika mierzonego. W czujnikach generacyjnych wielkością wyjściową jest prąd lub napięcie przez nie wytworzone.
W celu zmierzenia wielkości nieelektrycznej czujnikiem parametrycznym trzeba do układu pomiarowego doprowadzić energię elektryczną z zewnątrz. Przykładem takiego czujnika może być rezystancyjny czujnik do pomiaru temperatury. Pomiar wielkości nieelektrycznej czujnikiem generacyjnym realizuje się bez dostarczania energii elektrycznej z zewnątrz, bo jest ona generowana przez czujnik, np. pomiar temperatury za pomocą termopary.
Czujnik pomiarowy nie powinien wpływać na wielkość mierzoną, np. nie może on ogrzewać miejsca pomiaru. Warunek ten mogą spełniać tylko czujniki o niewielkiej mocy sygnału wyjściowego. Potrzebny jest wówczas dostatecznie czuły układ pomiarowy np. mostkowy lub z elektronicznym wzmacnianiem sygnału pomiarowego.

Przetworniki pomiarowe

Z czujnikami współpracują zazwyczaj przetworniki pomiarowe. Celem ich stosowania jest przystosowanie sygnału pomiarowego (sygnału wyjściowego czujnika) do wymagań odbiornika, np. sterownika, czyli przetworzenie tego sygnału na sygnał znormalizowany np. na sygnał prądowy 0/4 – 20 mA lub jego wzmocnienie.
Przetworniki jako elementy układu pomiarowego charakteryzują się właściwościami statycznymi i dynamicznymi. Charakterystyka statyczna przetwornika jest to zależność wartości wyjściowej Y od wartości wejściowej X w stanie ustalonym. Najkorzystniejsza jest charakterystyka liniowa wyrażona zależnością: Y = kX. Rzeczywista charakterystyka statyczna przetwornika, na skutek błędu przetwarzania, odbiega od charakterystyki założonej. Podobnie jak w przypadku mierników, dokładność przetworników oznaczana jest przez klasy dokładności. Nachylenie charakterystyki nazywa się czułością przetwornika Y (X).
Właściwości dynamiczne przetworników wyrażane są przez opóźnienie zmian wartości wyjściowej Y występujące po skokowej zmianie wartości wejściowej X nazywane „czasem odpowiedzi”. Jest to czas, którego potrzebuje układ pomiarowy od chwili skokowej zmiany wartości wejściowej X do chwili, w której wartość wyjściowa Y zbliży się do wartości ustalonej z założoną dokładnością.

Pomiary odległościowe

Bezdotykowe czujniki zbliżeniowe z wyjściami półprzewodnikowymi lub przekaźnikowymi są powszechnie stosowane w automatyce przemysłowej. Zadaniem ich jest wykrywanie i sygnalizacja obecności różnego rodzaju obiektów: przedmiotów metalowych i niemetalowych, cieczy i gazów. Stosowane są m.in. jako wyłączniki krańcowe i bezpieczeństwa, są wykorzystywane jako elementy wejściowe pozycjonerów, liczników przedmiotów, układów kontroli prędkości, systemów kontroli dostępu i systemów alarmowych. Mogą bezpośrednio współpracować z przekaźnikami, z programowalnymi sterownikami logicznymi PLC lub z zaworami elektromagnetycznymi.
Ich zalety to brak bezpośredniego kontaktu z wykrywanym obiektem, brak części ruchomych, duża szybkość działania, prostota stosowania, odporność na wpływy środowiskowe, np. wilgoć, zapylenie, wahania temperatury, wibracje oraz brak potrzeby jakiejkolwiek konserwacji.
Czujniki do pomiarów odległościowych można podzielić na dwie grupy: wytwarzające sygnał dwustanowy, np. odpowiadający zamknięciu i otwarciu obwodu, najczęściej zerojedynkowy, oraz takie, które wytwarzają sygnał w przybliżeniu proporcjonalny do wielkości mierzonej. Nas interesują przede wszystkim czujniki wytwarzające sygnał dwustanowy.
Obecnie stosowane czujniki dwustanowe maja najczęściej wyjście tranzystorowe. Istnieją różne typy wyjść tranzystorowych: cztero-, trzy- i dwuprzewodowe na prąd stały i przemienny. Wyjścia te mogą mieć dwa rozwiązania oznaczone skrótami: NPN i PNP ze znormalizowanym układem przewodów w zakresie kolorów i kolejności, działające w systemie NO – normalnie otwarte lub NC – normalnie zamknięte. Wyjścia czteroprzewodowe mogą być programowalne.
W przypadku gdy czujnik z wyjściem PNP jest aktywny, wówczas wartość sygnału wyjściowego zmienia się w kierunku dodatniego bieguna napięcia zasilającego. W przypadku aktywności czujnika z wyjściem NPN wartość sygnału wyjściowego zmienia się w kierunku bieguna ujemnego z funkcją NO lub NC. Wymienione typy wyjść mogą być stosowane we wszystkich rodzajach czujników. Czujnik trójprzewodowy można traktować jak rezystor o zmiennej rezystancji – wysokiej, gdy czujnik jest wzbudzony i niskiej, gdy czujnik nie jest wzbudzony.
Czujniki z wyjściem tranzystorowym mają zazwyczaj zabezpieczenia przed zmianą polaryzacji, zwarciem wyjścia i niekiedy przed stanami nieustalonymi (przepięciami), występującymi w czasie przełączania obwodów indukcyjnych. Są również wyposażone w diodę LED, świeceniem wskazującą ich działanie.
Czujniki wykonywane są w obudowach o różnych formach i z różnych materiałów. Najczęściej spotyka się wykonania ze stali nierdzewnej lub z mosiądzu w postaci gwintowanego cylindra z nakrętkami od M4 do M36, w wersjach krótkich i długich oraz w formie prostopadłościanu. Wykonywane są też w obudowach prostopadłościennych lub w tulejach z tworzyw sztucznych. Wszystkie wykonania czujników mają wysoki stopień ochrony przed dotknięciem, przedostawaniem się obcych ciał stałych oraz wody – IP65 do IP68. Czujniki są wytwarzane z własnym złączem kablowym lub ze złączem śrubowym. Spośród znanych konstrukcji czujników zbliżeniowych najpopularniejsze są czujniki pojemnościowe, indukcyjne i optyczne.

Rys. 2. Strefa czułości (linie pola elektrycznego) przed czołem czujnika pojemnościowego

Czujniki pojemnościowe

Zasada działania czujnika pojemnościowego przy pomiarach odległościowych polega na detekcji zmian pola elektrycznego przed czołem czujnika. Strefa czułości takiego czujnika kształtowana jest przez dwie koncentrycznie umieszczone elektrody metalowe tworzące kondensator (rys. 2). Pomiędzy elektrodami (okładzinami kondensatora) powstaje pole elektryczne. Przedmiot wprowadzony w pole elektryczne kondensatora powoduje zmianę jego pojemności. Wraz ze zmianą pojemności kondensatora zmienia się również jego impedancja. Zmiana impedancji kondensatora przetwarzana jest na sygnał wyjściowy czujnika.
Gdy w polu czułości czujnika (w polu elektrycznym między okładzinami) znajdzie się poszukiwany przedmiot – w odległości mniejszej od ustalonej wartości progowej – oscylator czujnika z dwoma płaskimi elektrodami wzbudza się przy pewnej pojemności układu i generuje drgania. Im mniejsza jest stała dielektryczna wykrywanego materiału, tym mniejsza musi być jego odległość od czoła czujnika niezbędna do jego przełączenia. Wartości stałej dielektrycznej typowych materiałów wynoszą przykładowo: powietrza –1, szkła 5-15, papieru 2,3, metali 50 – 80, wody 80. Czułość i histerezę czujnika można regulować przez zmianę parametrów generatora. Producenci czujników pojemnościowych podają współczynniki korekcyjne strefy czułości w zależności od rodzaju wykrywanego materiału.
Czujniki pojemnościowe stosowane są przede wszystkim do wykrywania materiałów przewodzących lub nieprzewodzących prąd elektryczny w stanie stałym, sproszkowanym lub ciekłym, np. metali, szkła, ceramiki, plastiku, papieru, kartonu, oleju, wody. Typowymi przykładami zastosowania czujników pojemnościowych mogą być: bezdotykowa detekcja zawartości opakowań, obecności płynu w butelkach, wykrywanie i zliczanie przedmiotów z przezroczystych tworzyw sztucznych.

Rys. 3. Schemat blokowy czujnika indukcyjnego

Czujniki indukcyjne

Indukcyjne czujniki zbliżeniowe bezdotykowe z wyjściami półprzewodnikowymi lub przekaźnikowymi są obok czujników pojemnościowych powszechnie stosowane w automatyce przemysłowej. Zadaniem ich jest wykrywanie i sygnalizacja obecności różnego rodzaju obiektów, zwłaszcza przedmiotów metalowych. Stosowane są m.in. jako wyłączniki krańcowe i bezpieczeństwa, są wykorzystywane jako elementy wejściowe pozycjonerów, liczników przedmiotów, kontrolerów prędkości, systemów kontroli dostępu i systemów alarmowych. Mogą bezpośrednio współpracować z przekaźnikami programowalnymi, sterownikami logicznymi lub z zaworami elektromagnetycznymi.
Czujnik indukcyjny składa się z generatora z obwodem LC, układu progowego z histerezą i wzmacniacza wyjściowego. Reaguje na zbliżanie przedmiotu do czoła czujnika (rys. 3). Najważniejszym parametrem tych czujników jest strefa działania, czyli zakres czułości (rys. 4).

Rys. 4. Strefa czułości czujnika indukcyjnego

W cewce obwodu oscylatora przełącznika zbliżeniowego wytwarzane jest pole magnetyczne wysokiej częstotliwości emitowane przy powierzchni czynnej czujnika. Przedmiot, który znajdzie się w emitowanym polu magnetycznym przejmie część jego energii. Będzie to zauważone i ocenione przez układ elektroniczny czujnika. Największą energię absorbują metale ferromagnetyczne – stal, nikiel, kobalt. Dzięki temu przy tych metalach czujnik indukcyjny uzyskuje największą odległość rozpoznawania (przełączania). Metale nieżelazne dobrze przewodzące prąd elektryczny absorbują mniejsze ilości energii, co jest przyczyną uzyskiwania znacznie mniejszych odległości rozpoznawania – około 25% do 45% odległości uzyskiwanych przy metalach ferromagnetycznych.
Załączenie czujnika następuje po przekroczeniu częstotliwości progowej. Wyłączenie zaś, gdy częstotliwość spadnie poniżej progu wyłączania. Zjawisko to nazywa się histerezą częstotliwości, jest wyrażane w procentach i najczęściej wynosi 5% – 15%.
Indukcyjne czujniki zbliżeniowe to zazwyczaj urządzenia z wyjściem dwustanowym tranzystorowym. Istnieją różne typy wyjść tranzystorowych: cztero-, trzy- i dwuprzewodowe na prąd stały i przemienny. Wyjścia te mogą mieć dwie postacie oznaczone skrótami NPN i PNP ze znormalizowanym układem przewodów w zakresie kolorów i kolejności, działające w systemie NO – normalnie otwarte i NC – normalnie zamknięte. Wyjścia czteroprzewodowe mogą być programowalne.
Do zalet czujników indukcyjnych należą: brak bezpośredniego kontaktu z wykrywanym obiektem, brak części ruchomych, duża szybkość działania, prostota stosowania, odporność na wpływy środowiskowe oraz brak potrzeby jakiejkolwiek konserwacji. Czujniki indukcyjne mogą być zasilane prądem stałym lub przemiennym.

Rys. 5. Zasada działania czujników fotoelektrycznych: a) refleksyjnego,
b) odbiciowego, c) bariery świetlnej

Czujniki fotoelektryczne

Czujniki fotoelektryczne reagują na obiekty, które znajdą się na drodze przebiegu wiązki światła. Wyposażone są w silne źródła światła zazwyczaj półprzewodnikowe oraz w zespoły soczewek, które ukierunkowują strumień świetlny w nadajniku i odbiorniku. Umożliwia to realizację różnych funkcji. Posiadają zazwyczaj regulację czułości i diodę LED służącą do kontroli prawidłowości ustawienia.
Odbicie promieni świetlnych przy małych odległościach lub ich przerwanie przy dużych odległościach powoduje załączenie wyjścia czujnika. Pewna część światła odbitego wiązki świetlnej pada na powierzchnię fotoczułą odbiornika.
W czujnikach fotoelektrycznych zasadnicze znaczenie odgrywa długość fali świetlnej, emitowanej przez nadajnik. Na ogół czujnik optyczny zawiera nadajnik modulowanego promieniowania podczerwonego – IR. Dzięki temu czujniki te są mało wrażliwe na światło widzialne z otoczenia. Wzajemna synchronizacja nadajnika i odbiornika gwarantuje znaczną odporność na zakłócenia, zanieczyszczenie powietrza i zabrudzenie układu optycznego. Jednak zanieczyszczenia powietrza i zabrudzenia układu optycznego skracają strefę działania czujnika. Silny impuls świetlny wysyłany przez nadajnik, nawet do pewnego stopnia osłabiony rozproszeniem, dociera do odbiornika, jest wzmacniany i analizowany, co zapewnia poprawną pracę układu. Czujniki fotoelektryczne można podzielić na:
• odbiciowe z pomiarem energii światła odbitego – nadajnik i odbiornik umieszczone są we wspólnej obudowie. Wiązka promieni wysyłanych przez diodę emisyjną pada na obiekt dowolnego kształtu i koloru. Światło jest odbijane w formie rozproszonej i tylko jego część wraca do odbiornika. Jeżeli natężenie światła jest wystarczające stan wyjścia sygnałowego czujnika zmienia się na przeciwny – wyjście jest przełączane. Skuteczna praca czujnika zależy od koloru, rodzaju powierzchni (matowa, błyszcząca, gładka, szorstka) i wielkości obserwowanego obiektu. Czułość czujnika można zmieniać w szerokim zakresie za pomocą potencjometru. Sposób działania czujników odbiciowych z eliminacją promieniowania tła jest podobny do działania czujników z pomiarem energii światła odbitego. Różnica polega na tym, że mierzony jest kąt padania światła odbitego, a nie jego energia. Praca tego rodzaju czujnika tylko w niewielkim stopniu zależy od cech charakteryzujących badany przedmiot, co znacznie zwiększa zakres jego zastosowań.
• refleksyjne – nadajnik i odbiornik umieszczone są we wspólnej obudowie. Pulsujący strumień świetlny z nadajnika (diody emisyjnej) przez soczewkę i filtr polaryzujący dociera do reflektora (najczęściej trzykierunkowego lustra). Część strumienia świetlnego odbitego przez reflektor przechodzi przez powrotny filtr polaryzujący i dociera do odbiornika. Powrotny filtr polaryzujący działa w taki sposób, że tylko światło odbite od reflektora wraca do odbiornika. Każdy obiekt, który przerwie strumień świetlny na drodze od nadajnika przez reflektor do odbiornika spowoduje powstanie sygnału na wyjściu czujnika. Czujnik jest absolutnie niewrażliwy na światło pochodzące od innych obiektów znajdujących się w jego otoczeniu. Taka konstrukcja zapewnia niezawodne rezultaty detekcji, również w przypadku przedmiotów jasnych i błyszczących. Przerwanie wiązki światła przez obiekt na drodze od nadajnika, przez lustro do odbiornika powoduje zmianę stanu wyjścia sygnałowego na przeciwny – wyjście jest przełączane. Czujnik działa poprawnie, gdy obiekt przecinający wiązkę promieniowania jest co najmniej taki, jak średnica lustra.
• bariery świetlne (fotokomórki) – nadajnik i odbiornik umieszczane są w oddzielnych obudowach i instalowane naprzeciwko siebie. Nadajnik jest tak ustawiony, aby możliwie największa ilość światła impulsowego trafiała do odbiornika. Odbiornik tak przetwarza to światło, aby było dokładnie odseparowane od oświetlenia otoczenia i innych źródeł. Przerwanie wiązki promieni świetlnych między nadajnikiem i odbiornikiem powoduje zmianę stanu wyjścia sygnałowego odbiornika na przeciwny – wyjście jest przełączane. Bariera działała prawidłowo, gdy obiekt przerywający wiązkę promieniowania ma wielkość równą co najmniej średnicy powierzchni światłoczułej odbiornika. Na rysunku 5 pokazana jest zasada działania czujników fotoelektrycznych.

Opracowano na podstawie
materiałów firmowych