Curs Senzori [PDF]

Zitiervorschau

3. SENZORI DE PROXIMITATE

1

CAPITOLUL 3 3.1. INTRODUCERE Importanţa tehnologiei sensorilor. Creşterea deosebită a automatizării sistemelor de producţie necesită folosirea unor componente care să fie capabile să primească şi să transmită informaţii referitoare la procesul de producţie. Sensorii indelpinesc aceste funcţii şi importanţa lor a crescut în ultimii ani în procesul de măsurare şi de control al proceselor tehnologice.sensorul furnizează informaţiile unui controler sub forma unor variabile d eproces. Prin variabile de proces se inţeleg mărimi fizice care caracterizează procesul tehnologic respectiv:temperatură, presiune, forţă, lungime, unghi de rotaţie, nivel, debit, etc. Există sensori pentru majoritatea mărimilor fizice care reacţionează la una din aceste mărimi şi transmit semnale relevante. Caracteristicile sensorilor: Un sensor este un convertor care transformă o mărime fizică ( de exemplu temperatu- ră, distanţă, presiune) intr-o altă mărime mai uşor de evaluat - în mod uzual, o mărime electrică. Un sensor nu trebuie să genereze întotdeauna un semnal electric. De exemplu o valvă pneumatică generează un semnal pneumatic la ieşir sub forma unei schimbări de presiune. Sensorii sunt dispozitive care pot să opereze atât cu ajutorul unui contact, de exemplu un comutator, un sensor de forţă, sau, fără contact, de exemplu barieră de lumină, bari- eră de aer, sensor magnetic. Un simplu comutator poate fi un sensor. Sensorul este un dispozitiv care poate monitoriza un proces prin semnalizarea erorilor analizarea acestora şi transmiterea informaţiilor către alte componente. Alţi termeni utilizaţi pentru sensori: convertor - converter (engleză) codificator - encoders (engleză) detector - detector (engleză) traductor - transducer (engleză) - effector(engleză) Alţi termeni utilizaţi. - Sensor component - prin sensor component se înţelege acea parte a sensorului care primeş- te mărimea măsurată dar nu permite o utilizare independentă a acesteia deoarece este necesa- ră o procesare a semnalului. - Sistem de sensori – un sistem de sensori constă din componente diferite de măsurare şi evaluare al căror număr depinde de funcţia semnalelor din procesul respectiv.Componentele sunt adesea realizate modular. - Sistem multisensor - un sistem de sensori alcătuit din sensori de acelaşi tip sau de tipuri di -ferite. Exemple: Un sensor de temperatură şi umiditate sau de prsiune şi temperatură, fiecare făcând parte din acelaţi dispozitiv. O combinaţie de câţiva sensori de proximitate care sesizează mărimea şi materialul pieselor de prlucrat. O combinaţie de mai mulţi sensori chimici pentru gaze prin care sensorii au un răspuns treaptă şi prin intermediul unei evaluări inteligente furnizează mai multe informaţii ca întreg decît ca un sensor individual. Similar : utilizarea simţurilor în timpul preparării hranei:miros,gust, percepţia vizuală,

3. SENZORI DE PROXIMITATE

2

Semnale de ieşire tipice, ale sensorilor. Cunoaşterea diferitelor tipuri de semnale electrice de ieşire este importantă pentru utilizarea corctă a sensorilor. Semnal tip A - semnal de ieşire binar. Astfel de sensori sunt cei de proximitate, de presiune, de nivel, de temperatură(bimetal). De regulă aceşti sensori pot fi conectaţi direct la PLC (programmable logical controllers). Semnal tip B - semnal pulsatoriu Exemplu: sensori de creştere a lungimii şi a unghiului de rotaţie.În general sunt compatibili cu PLC cu condiţia folosirii unei interfeţe adecvate. Semnal tip C - semnal analogic. Aceşti sensori nu au amplificator integrat şi nu realizează conversia electronică; ele furnizează semnale de ieşire analogice foarte mici, de ordinul mV, care nu trebuie evaluate imediat sau semnale care se evaluează numai prin utilizarea unui circuit auxiliar. Exemple: - sensori piezorezistivi sau piezoelectrici -celule termoelectrice -sensor magnetic - Sonde pentru măsurarea pH-ului sau a conductivităţii - Potenţiometru linear Semnale de tip D - semnale analogice care trebuie evaluate imediat. Acest tip de senzor conţine un amplificator integrat şi realizează conversia electronică. Valorile tipice ale acestor semnale: 0.....10V -5.....+5V 1.....5V 0.....20mA -10....+10mA 4.....20mA Semnale de tip E Aceste semnale sunt furnizate de sensori şi de sisteme de sensori care furnizează semnale de ieşire standardizate. De exemplu: RS-232-C, RS-422-A, RS-485 sau cu interfaţă pentru bus de date cum ar fi field bus (profibus, sensor – actuator – bus). Sensorii pot să transforme variaţia mărimilor fizice în semnale electrice binare sau analogice. Sensorii care furnizează semnale binare sunt:  sensorii de temperatură,  de proximitate,  de presiune,  de nivel,  valve. Sensorii analogici furnizează la ieşire semnale electrice analogice - tensiuni sau curenţi. Exemple de sensori analogici::  Sensori pentru lungime, distanţă, de deplasare,  Sensori pentru mişcare lineară sau de rotaţie

3

3. SENZORI DE PROXIMITATE

           

Sensori pentru suprafaţă, configuraţie, geometrie, Sensori de forţă, Sensori de greutate, Sensori de presiune, Sensori de cuplu, Sensori de debit Sensori de nivel, Sensori de temperatură Sensori optici, Sensori acustici, Sensori de radiaţie Sensori pentru substanţe chimice. SENZORI DE PROXIMITATE

3.1.2.Generalităţi. Noţiunea de proximitate se referă la gradul de apropiere dintre două corpuri; în instalaţiile tehnice se întîlnesc cazuri în care contrtolul poziţiei unui dispozitiv faţă de altul face parte din însăşi procesul tehnologic. Controlul poziţiei dintre dispozitivele aflate în mişcare , dintre care unul reprezintă sistemul de referinţă se face cu ajutorul senzorilor de preximitate .Acest control se face fără existenţa unui contact direct între corpurile aflate în mişcare. Definiţie: senzorii de proximitate sunt dispozitive care permit detectarea şi semnalizarea prezenţei unor obiecte în cîmpul lor de acţiune fără contact fizic cu obiectele respective Senzorii de proximitate au o caracteristică tip releu - tot sau nimic – adică semnalul de ieşire reprezintă prezenţa sau absenţa obiectului controlat. Senzorii deproximitate au o largă utilizare în toate domeniile industriale datorită avantajelor pe care le oferă:  siguranţă în funcţionare,  posibilitate de reglaj (internă sau externă prin modificarea poziţiei),  Fiabilitate mare,  Gabarit extrem de redus  Consum energetic redus Clasificarea senzorilor de proximitate se face după principiul de funcţionare:  Inductivi  Capacitivi  Magnetici  Optici

4

3. SENZORI DE PROXIMITATE

3.2 SENZORI DE PROXIMITATE CAPACITIVI Principiul de funcţionare: funcţionarea unui sensor de proximitate capacitiv se bazează pe măsurarea variaţiei capacităţii electrice a unui condensator dintr-un circuit rezonant RC datorită apropierii unui material oarecare. Senzorii capacitivi se realizează din două tipuri de condensatoare: plan şi cilindric iar în analiza schemelor echivalente se presupune că rezistenţa de pierderi este neglijabilă faţă de reactanţa capacitivă şi unghiul de pierderi este mic. A d

εr

εr

Capacitatea C=

 0 r A unde d

 0 este permitivitatea vidului,  r

este permitivitatea relativă a dielectricului, A suprafaţa de suprapunere a armăturilor iar d, distanţa dintre armături, respectiv, grosimea dielectricului. . Pentru un condensator cilindric formula de calcul a capacităţii depinde de permitivitatea dielectricului, diametrul electrodului exteriorD, diametrul electrodului interior d şi de înălţimea de suprapunere a celor doi cilindri, h h

2 0  r h Capacitatea C= D ln d

d Din analiza formulelor de calcul pentru capacitatea condensatoarelor plan D şi cilindric se observă că senzorii capacitivi pot servi la convertirea în variaţii de capacitate a oricărei mărimi neelectrice care modifică unul din elemente:distanţa dintre armături, suprafaţa de suprapunere a armăturilor, permitivitatea mediului dintre armături. Senzorii capacitivi se pot realiza în trei moduri: cu condensatoare plane cu o armătură fixă şi una mobilă, cu modificarea suprafeţei de suprapunere a armăturilor cu modificarea dielectricului. La senzorul capacitiv cu o armătură fixă şi una mobilă se modifică distanţa dintre armături: d + Δd . Capacitatea va deveni C=

 0 r A d  d

d+∆d

Senzorii care funcţionează prin modificarea suprafeţei de suprapunere a armăturilor unui condensator sunt alcătuiţi dintr-o armătură plană fixă şi una mobilă care se deplasează paralel faţă de cea fixă.

5

3. SENZORI DE PROXIMITATE

Capacitatea unui condensator se poate modifica şi prin introducerea de dielectrici cu permitivităţi diferite între armături sau prin modificarea stării fizice a dielectricului datorită umidităţii. Câmpul electrostatic parazit este creat între un electrod activ şi electrodul de masă. În structura sensorului capacitiv există adesea un electrod de com pensare care are rolul de compensare a influenţei umidităţii asupra funcţionării sensorului. Schema bloc a sensorului de proximitate capacitiv este prezentată în figura 1. Dacă în zona activă se imtroduce un obiect 6 sau un material (metal, plastic, apă,sticlă, lemn), capacitatea circuitului rezonant se 7 modifică. Schimbarea valorii capacităţii depinde distanţa la care se află materialul faţă de suprafaţa activă, de dimensiunile materialului,şi de constanta dielectrică a acestuia. 8 9

G

1

3 4 5 Fig.3.2. 1 1.Oscilator; 2Demodulator;3 Trigger; 4 Afişaj; 5Circuit de ieşire; 6 Sursă de alimentare externă; 7Sursa de alimentare internă; 8 Zona activă(capacitor) ; 9 Ieşire. Sensibilitatea majorităţii senzorilor de proximitae capacitivi poate fi reglată prin intermediul unui potenţiometru.În acest mod este posibilă suprimarea detecţiei unui alt mediu.de exemplu este posibilă determianrea nivelului unei soluţii într-un recipient. Distanţa la care comută un senzor este determina- tă de o foiţă de metal legată la pământ. În tabelul 3.1 sunt date valorile distan În tabelul 3.2 este prezentată valoarea factoţelor la care un senzor capacitiv comută rului de reducere pentru diferite materiale în funcţie de grosimea materialului . . Tipul materialului Factorul de . Grosimea Distanţa de rducere materialului comutare Toate metalele 1,0 1,5 mm ............ 3,0 mm 0,2 mm Apă 1,0 4,5 mm 1,0 mm Sticlă 0,3...0,5 6,0 mm 2,0 mm Plastic 0.3...0,6 7,5 mm 2,3 mm Carton 0,3...0,5 9,0 mm 2,5 mm Lemn( în funcţie 10,5 mm 2,5 mm de umiditate) Tabelul 3.1 Ulei 0,1...0,3 Tabelul 3.2

G

2

Caracteristicile tehnice ale senzorilor de proximitate capacitivi sunt date în tabelul 3.3. Tabelul 3.3 Tensiunea de alimentare Tipic: 10...30 V c.c. sau 20..250 V c.a. Distanţa nominală de activare Tipic:5.....20 mm maxim 60 mm ( de obicei este variabilă şi reglabilă prin potenţiometru) Materiale Toate materialele cu o constantă dielectrică ≥ 1 Curentul de activare Max. 500 mA c.c.

6

3. SENZORI DE PROXIMITATE

Temperatura ambiantă de lucru Sensibilitatea la impurităţi Durata de viaţă Frecvenţa de comutare Design

-250 C........+700 C sensibil Foarte lungă Până la 300 Hz. Cilindric

APLICAŢII De reţinut:  Ca şi senzorii de poziţie inductivi, senzorii de proximitate capacitivi ,încastraţi sau neîncastraţi sunt diferiţi.  Sensorii de proximitate capacitivi sunt uşor de contaminat.  Sensibilitatea lor în ceea ce priveşte umiditatea este foarte ridicată datorită constantei dielectrice a apei - ε =81.  Pot fi folosiţi la detectarea obiectelor aflate în incinte cu pereţi nemetalici. Grosimea pereţilor în acest caz poate fi mai mică de 4 mm iar constanta dielectrică a materialului care trebuie detectat ar putea fi de 4 ori mai mare decît a pereţilor incintei.  Abilitate de reacţie la o mare varietate de materiale.  Datorită sensibilităţii lor la umiditate, mulţi producători introduc un electod auxiliar pentru reducerea acestei influenţe. Consideraţii generale pentu utilizare:  Din motive de costuri, folosirea senzorilor inductivi pentru detecţia obiectelor metalice este în general preferată în comparaţie cu folosirea celor capacitivi.  Utilizarea senzorilor optici este recomandabilă pentru detecţia obiectelor nemetalice. Există un domeniu de aplicaţii deosebite unde utilizarea senzorilor de proximitate capacitivi przintă avantaje deosebite: monitorizarea nivelului de încărcare în containere , detecta rea materialelor nemetalice. Exemple: 1.Detecţia obiectelor mate sau negre. Aceste obiecte pot fi realizate din cauciuc, plastic, piele (figura 3.2.2.) sau alte materiale care nu sunt detectate prin difuzia senzorilor optici iar senzorii de proximitate ultrasonici sunt prea scumpi.

Fig.3.2.2. 2.Detecţia nivelului de încărcare a fluidelor într-un container. În cazul detectării nivelului de fluid prin pereţii unui recipient de plastic sau de sticlă grosimea peretelui trebuie să fie limitată aţa încât senzorul de proximitate capacitiv să fie capabil să răspundă numai conţinutului din recipient. În figura 3.2.3. a, este folosit un senzor de proximitate capacitiv încapsulat în cuarţ sau în mate – rial plastic. În figura fig.3.2.3.b, nivelul lichidului este detectat prin intermediul unui senzor plasat în dreptul

7

3. SENZORI DE PROXIMITATE

unui tub de plastic sau de sticlă. a

b Fig.3.2.3.

3.Detectarea nivelului de încărcare a unui material granular. 4. Monitorizarea bobinării firelor sau cablurilor electrice. Senzorii de proximitate capacitivi reacţionează la cantitatea de cupru pe care o conţin firele sau cablurile cu un diametru mic în timp ce senzorii inductivi au în acst caz o distanţă foarte mica de activare. Pentru această aplicaţie pot fi folosiţi şi senzori optici. Fig. 3.2.4. 5.Verificarea conţinutului pachetelor prin pereţii cutiei de carton. Poate fi verificat nivelul de umplere cu lichid într-un recipient sau existenţa unui material solid în interiorul unei cutii. În figura 3.2.5.este arătat cum se verifică dacă într-o cutie nu lipseşte o sticlă după operaţia de împachetare automată. Prin plasarea a patru senzori capacitivi. Fig.3.2.5. Exerciţii. 3.1 Intenţionaţi să monitorizaţi nivelul de încărcare cu grâu într-un siloz. Ce trebuie să aveţi în vedere? 3.2 Ce trebuie să aveţi în vedere când folosiţi un senzor de proximitate capacitiv într- o instalaţie exterioară în deosebi primăvara şi toamna? 3.3 Intenţionaţi să folosiţi un senzor de proximitate capacitiv pentru detectarea unor cutii de carton a căror grosime variază. Realizaţi legătura între: a) grosimea materialului pentru a stabili distanţa de comutare b) Tipul materialului pentru stabilirea factorului de reducere c) Eventuala umiditate a cartonului care este higroscopic. d) Caracteristicile tehnice ale senzorilor de proximitate capacitivi Este adecvată folosirea unui astfel de senzor? 3.4 Într-o fabrică pentru produse alimentare se folosesc colete de carton care au practicată o fereastră realizată dintr-un material transparent.Ce argumente aveţi pentru utilizarea unui senzor de proximitate optic, cu ultrasunete sau capacitiv?

Cutie de carton Film transparent

8

3. SENZORI DE PROXIMITATE

3.5 Ce principiu se foloseşte pentru funcţionarea senzorului capacitiv utilizat la detecţia nivelului de lichid din recipientul desenat în fig. 3.2.3.b ?

3.3 SENZORI DE PROXIMITATE INDUCTIVI Principiul de funcţionare. Funcţionarea se bazează pe proprietatea potrivit căreia mărimea de măsurat produce o vari- aţie a inductivităţii unei bobine care face parte din circuitul oscilant RL al senzorului. Inductivitatea proprie sau mutuală a “zonei active a senzorului “ (8)este modificată de acele elemente care in fluenţează geometria - lungimea întrefierului, aria secţiunii întrefierului sau permeabilitatea - μ a circuitului magnetic. Inductivitatea unei bobine alcătuită di N spire dispuse pe un miez magnetic de permeabilitate relativă μr ,suprafaţa secţiunii transversale A şi lungimea l este dată de relaţia:   N2A L= 0 r . l l N2 Ştiind că R = este reluctanţa magnetică atunci inductivitatea L= . Cum 0 r A  numărul de spire al bobinei senzorului odată realizată nu poate fi modificat, soluţia pentu realizarea senzorului cu variaţie a inductivităţii este de a produce modificări ale reluctanţei magnetice. În acest sens se realizează circuite magnetice cu armătura mobilă în care caz mărimea neelectrică determină poziţia armăturii faţă de restul circuitului magnetic. Schema bloc este przentată în figura3.3.1. 6 Câmpul magnetic care este direcţionat spre ieşire, este generat de o bobină cu un miez de ferită deschis. .Când senzorul este alimentat, circuitul oscilant generează un curent. Dacă în zona activă se introduceun obiect bun conducător de electricitate, apare o variaţie a inductivităţii care duce la modificarea curentului de ieşire

7

9

G G 1

2

3 4 Figura nr. 3.3.1

5

1.Oscilator; 2.Demodulator; 3 Trigger; 4.Afişaj de stare; 5.Circuit de ieşire cu protecţie; 6.Tensiune externă; 7.Sursă de alimentare internă; 8. Zona activă ( miezul de ferită); 9 Ieşirea senzorului Principala caracteristică a senzorilor inductivi este dimensiunea bobinei: cu cât aceasta este mai mare cu atât distanţa de comutare este mai mare. Traductoarele inductive pot pune în evidenţă deplasări de sute de milimetri.

9

3. SENZORI DE PROXIMITATE

Pentru determinarea corectă a distanţei de comutare, în alcătuirea senzorilor de proximitate inductivi există un electrod de calibrare, realizat din oţel moale de 1mm grosime, standardizat De reţinut: numai materialele conductoare de electricitate pot fi detectate prin intermediul senzorilor de proximitate inductivi. Folosirea diferitelor materiale conduce la o reducere a distanţei de comutare efectivă. Valoarea factorului de reducere pentru diferite materiale. este prezentată în tabelul nr 3.3 Se observă că cele mai mari valori ale factorului de reducere îl dau materialele magnetice. Distanţele de comutare pentru alamă, cupru, aluminiu, sunt foarte mici.

Tipul de material Oţel moale Crom nichel Alamă Aluminiu Cupru

Factor de reducere 1,0 0,70…..0,90 0,35….0,50 0,35…..0,50 0,25…..0,40

Tabelul nr.3.3 Caracteristicile tehnice ale ale senzorilor inductivi sunt prezentate în tabelul nr 3.4. Tabelul nr.3.4 Obiect material Tensiunea de alimenatre Distanţa nominală de activare Curentul de activare maxim Temperatura de lucru Vibraţii Sensibilitatea la perturbaţii Durata de viaţă Frecvenţa de comutare Design Mărime

Metale Tipic: 10V…….30V Tipic 0,8…….10mm; max.250mm 75mA…….400mA -250 C….+700 C 10…50Hz Insensibil Foarte lungă Tipic 10…5000Hz., max.20kHz.. cilindric M8x1,M12x1,M18x1; Ф4mm… Ф30mm 25mmx40mmx80mm

Mulţi dintre senzorii de proximitate inductivi sunt construiţi în aşa fel încât să confere siguranţă operaţiilor:  Protecţie la inversarea polarităţii( împotriva avariilor rezultate din conexiuni inversate);  Protecţie la scurt circuit  Protecţie la supratensiuni  Protecţie împotriva efectelor întreruperii firelor( Ieşirea este blocată dacă alimentarea este deconectată). Exerciţii. 3.1 Numărul, distanţa şi direcţia de transport a containerelor cu materiale se pot verifica pe o bandă transportoare. În scopul marcării, transportul containerelor se realizează cu o bandă de aluminiu.

10

3. SENZORI DE PROXIMITATE

Ce trebuie să aveţi în vedere când folosiţi un senzor inductiv în acest scop? Cum realizaţi cea mai mare distanţă de comutare posibilă pentru un senzor cu diametru dat? Pentru ce trebuie să acordaţi o atenţie deosebită în acest caz?

3.2. Mai mulţi cilindri de oţel sunt transportaţi pe o bandă transportoare ca in figura 3.3.2. Cilindrii sunt număraţi cu ajutorul unui senzor de proximitate care poate fi legat la un PLC. Datorită vibraţiilor conveiorului, cilindrii de oţel au o mişcare de vibraţie cu amplitudinea “a”. Este folosit un senzor de proximitate. Ce probleme pot apărea la numărarea cilindrilor?

Fig. 3.3.2.

11

3. SENZORI DE PROXIMITATE

3.3 SENZORI DE PROXIMITATE OPTICI GENERALITĂŢI. Senzorii optici de proximitate folosesc dispozitive optice şi electronice pentru detecţia obiectelor.În acest scop este folosită lumina roşie sau infraroşie. Ca surse de lumină roşie sau infraroşie sunt folosite LED-urile. Acestea au dimensiuni mici, au o durată de viaţă mare şi pot fi uşor modulate.Fotodiodele şi fototranzistoarele pot fi folosite ca receptoriFolosirea senzorilor optici cu lumină roşie are avantajul că aceasta se află în spectrul vizibil.Cablurile realizate din fibre optice pot fi de asemenea folosite în zona lungimii d eundă a luminii roşii datorită atenuării reduse a luminii. Spectrul infraroşu care nu este vizibil este folosit în cazurile în care creşterea performanţelor luminii roşii este necesară În afară de aceasta, lumina infraroşie este mai puţin susceptibilă la la interferenţe cu lumina ambientală. Cu ambele tipuri de senzori optici , presiunea adiţională cauzată de influenţa luminii externe este realizată prin intermediul modulării semnalului optic. Principiul de funcţionare - se bazează pe prelucrarea unui semnal electric care apare ca urmare a intreruperii sau reflectării unui flux luminos produs de un dispozitiv electrolumi- niscent de către un element de comutaţie. Schema bloc este prezentată în figura nr.3.3.1. 9 10

11

 1

2

3

12

4 5 6 7 8 Fig.3.3.1. 1Oscilator; 2Emitor fotoelectric; 3Receptor fotoelectric;4Preamplificator; 5Operator logic; 6 Convertor digital analog; 7Afişaj de stare; 8 Ieşire cu circuit de protecţie; 9 Sursă de alimentare externă; 10 Sursă de tensiune constantă internă; 11 Distanţa optică de comutare; 12 Ieşirea de comutare. Emiterul poate fi: a) în cazul în care conexiunea se realizează fără fibră optică – GaAlAs infraroşu lungimea de undă 880nm( spectrul invizibil) b) ) în cazul în care conexiunea se realizează cu fibră optică – GaAlAs infraroşu lungimea de undă 660nm( spectrul vizibil Receptorul poate fi un fototranzistor cu siliciu sau fotodiodă cu siliciu. Senzorii de proximitate optici obişnuiţi au întotdeauna în construcţia lor elemente de protecţie:  protecţie la inversarea polarităţii,

12

3. SENZORI DE PROXIMITATE

 protecţia ieşirii la scurtcircuit,  protecţia la vârfuri de tensiune. Funcţiile de comutare se clasifică astfel: -Metoda de comutare la lumină – ieşirea comută, (se inchide) când în calea fascicolului de lumină se află un obiect - contact normal deschis. -Metoda de comutare la întuneric – ieşirea este deschisă (nu comută) când în calea fascico- lului luminos se află un obiect - contact normal închis. Construcţia unui senzor optic de proximitate Un senzor optic de proximitate este alcătuit din două părţi principale:emitorul şi receptorul.În funcţie de utilizare, sunt necesare reflectoare şi cabluri cu fibre optice. Emiterul şi receptorul pot fi instalate într-o incintă comună în cazul senzorilor de difuzie sau retroreflexivi sau în incinte separate ca în cazul senzorilor cu fascicol luminos. În emiter se află sursa care emite lumină roşie sau infraroşie şi care conform legilor opticii poate fi răspândit în linie dreaptă, poate fi deviată, focalizată, intreruptă, reflectată sau direcţionată. Este acceptată de receptor, separată de lumina externă şi evaluată electronic. Senzorul de proximitate este prevăzut cu un scut interior separat de incintă. Componentele electronice sunt încapsulate iar la ieşire se află un potenţiometru pentru reglajul sensibilităţii. De obicei un senzor include şi un LED care semnalizează când ieşirea comută.acest LED serveşta ca mijloc de semnalizare şi de reglare. Funcţionarea senzorului optic Dacă un corp C oarecare (de exemplu tija pistonului care se deplasează in corpul unui cilindru este aşezat în dreptul razei de lumină emisă de LED, aceasta este reflectată şi receptată de fotocelulă care se excită şi emite un semnal către etajul de sincronizare. F D

D C

CE

C

F

Figura 3.3.1. Figura 3.3.2. Acest etaj verifică dacă semnalul provine de la sursa proprie de lumină sau este un semnal perturbator. Dacă semnalul este acceptat , el este amplificat şi devine semnal de comandă pentru elemen tul de comutaţie.În figura 3 este prezentată o variantă de senzor optic la care receptorul - foto celula- este un element separat , legat de emiţător prin conductori electrici CE. În absenţa unui corp C între emiţător şi receptor, etajul de comutaţie nu este activat. Dacă un corp intră în raza de acţiune a emiţătorului, raza de lumină emisă nu mai este receptată de fotocelulă şi etajul de comutaţie este activat, deci senzorul semnalizează prezenţa corpului. O altă variantă a senzorului opto-electronic, unde emiţătorul şi receptorul sunt în aceeaşi carcasă, este prezentată schematic în fig. 4. În acest caz, raza de lumină este reflectată de o oglindă O plasată, de exemplu, de cealaltă parte a tijei cilindrului a cărui mişcare trebuie semnalizată. Etajul de comutaţie este activat atunci când la receptor nu mai ajunge raza de lumină emisă de dioda luminiscentă.

13

3. SENZORI DE PROXIMITATE

C

F D

O

Fig.3.3.3 Simbolul senzorului optic:

În funcţie de tipil de senzor, comutarea se produce astfel: a) Metoda de comutare la lumină - Ieşirea este închisă când fascicolul luminos nu este perturbat de un obiect - contact normal deschis.În cazul unui senzor cu fascicol luminos, receptorul de ieşire este comutat dacă nu există un obiect dreptul fascicolului. b) Metoda de comutare la întuneric – Ieşirea este deschisă (nu comută) când fascicolul luminos nu este perturbat de un obiect - contact normal închis.În acest caz receptorul de ieşire comută dacă in în dreptul fascicolului luminos se află un obiect. Limitări în funcţionare Un senzor optic de proximitate poate fi expus în timpul funcţionării la contaminare cu praf, aşchii,lubrefianţi, ceea ce conduce la perturbări în funcţionare. O contaminare puternică în fascicolul de lumină poate cauza o intrerupere a acestuia.aceasta poate simula prezenţa unui obiect.În cazul unui senzor cu difuzie , contaminarea puternică a sistemului de lentile poate fi evaluată ca prezenţă a unui obiect şi lumina emisă este reflectată înapoi la receptor ca rezultat al contaminării lentilelor. Contaminarea obiectului insuşi poate conduce la evaluarea absenţei obiectului dacă este reflectată mai puţină lumină ca rezultat al contaminării. Pentru siguranţa operaţiilor trebuie luate următoarele măsuri: Folosirea de senzori optici cu toleranţă suficientă de operare; Folosirea senzorilor cu undispozitiv ajutător de exemlu un LED care să funcţioneze în zonele marginale. Folosirea senzorilor cu semnal de pericol de contaminare. Senzorii optici au limita sigură de operare β, respectiv raportul dintre puterea semnalului optic de la intrare PR şi puterea semnalului optic detectabil la pragul de comutare PT , PR β= . Factorul β depinde de distanţa dintre emitor şi receptor în cazul unui senzor cu PT fascicol luminos, de distanţa dintre emitor şi reflector în cazul unui senzor retroreflexiv, sau de distanţa dintre senzorul de proximitate şi obiect în cazul unui senzor de difuzie. Variante de senzori optici de proximitate

14

3. SENZORI DE PROXIMITATE

Senzori optici de proximitate Senzori cu Senzori cu fascicol luminos fascicol luminos

Senzori cu Senzoriluminos cu fascicol fascicol luminos

Se Se proiectează proiectează cu cu cablu cablu cu cu fibra fibra optică optică

Senzori cu Senzoriluminos cu fascicol fascicol luminos

Se Se proiectează proiectează cu cu cablu cablu cu cu fibra fibra optică optică

Senzori cu fascicol luminos Un senzor cu fascicol luminos este alcătuit dintr-un emitor şi un receptor. Obiectul ar putea permite o minimă pătrundere a luminii dar ar putea reflecta orice cantitate de lumină.

Fig.3.3.4 Principiul senzorului cu fascicol de lumină Caracteristicile tehnice sunt prezentate în tabelul 3.3.1 Tabelul 3.3.1 Tensiunea de alimentare Distanţa de activare Materialul obiectului

10…30V cc sau 20…250V ca. Max 1m până la 100m (de obicei ajustabilă) Orice fel de material. Probleme pot crea obiectele realizate din material transparent Curentul de activare Max100…500mA Temperatura ambiantă de 0o C…..60o C sau -25o C….80o C lucru Sensibilitate la impurităţi sensibil Durata de viaţă Aprox. 100000 ore Frecvenţa de comutare 20….10000 Hz. Note pentru aplicaţii Avantajele senzorilor cu fascicol luminos Pot fi detectate obiecte mici la mare distanţă Sunt indicate pentru medii periculoase Obiectele pot fi translucide, şlefuite

15

3. SENZORI DE PROXIMITATE

Dezavantajele senzorilor cu fascicol luminos. Cele două module separate – emitorul şi receptorul, necesită conexiuni electrice separate. Nu pot fi folosite pentru obiecte complet transparente.În cazul obiectelor complet transparente este posibilă reducerea puterii emitorului cu ajutorul unui potenţiometru până la limita la care receptorul este dezactivat..Starea emitorului este evaluată ca “obiect prezent” . APLICAŢII Un exemplu de aplicaţie este verificarea burghiului de bormaşină ( se verifică starea burghiului). Această metodă este folosită la varificarea integrităţii acelor de cusut la maşinile de cusut automat (care funcţionează fără supraveghere umană).

Fig.3.3.5 Senzori retroreflexivi (cu fascicol de lumină convergent) Emitorul şi receptorul de lumină sunt instalaţi în aceeaşi incintă; de aceea este necesar un reflector Întreruperea luminii de către obiect este evaluată “Semnal de prezenţă a piesei”. În acest caz obiectele transparente, strălucitoare nu sunt detectate. Obiectele şlefuite trebuie poziţionate astfel încât fascicolul reflectat să ajungă la receptor. Principiul de funcţionare al senzorului retroreflexiv este prezentat în figura 3.3.6.Un LED emite un semnal luminos către un reflector care, transmite la rândul său semnalul reflectat către receptor (un fototranzistor sau o diodă) . Fig. 3.3.6 Un corp este detectat dacă acesta intersectează Principiul senzorului retroreflexiv fascicolul luminos reflectat. Defectarea emiţătoruluiface ca receptorul să considere piesa prezentă.De aceea trebuie luate măsuri de precauţie la proiectare. Caracteristicile tehnice ale senzorilor retroreflexivi sunt prezentate în tabelul 3.3.2. Tabelul 3.3.2 Tensiunea de alimentare Tipic 10...30Vc.c. sau 20...250V c.a. Distanţa de activare(dependentă Până la 10m (de obicei este reglabilă) de reflector) Obiecte Orice fel de obiecte .Probleme există la obiectele reflectorizante Curentul de activare 100...500ma c.c Temperatura de lucru 0o C...60o C sau -25o C.....80o C Sensibilitatea la impurităţi Sensibil Durata de viaţă Aproximativ 100000 ore Frecvenţa de comutare 10.....1000Hz

16

3. SENZORI DE PROXIMITATE

Gama de răspuns este în interiorul liniilor care formează deschizătura între emitor şi receptorşi deschizătura reflectorului. De regulă gama de răspuns în apropierea reflectorului este mai mică decît secţiunea trasversală a reflectorului, fiind dependentă de distanţa de la senzorul de proximitate şi potenţiometru.Fig. 3.2.7 Gama de răspuns

Emisie

Reflector

Fig.3.3.7. Avantajele senzorilor retroreflexivi. Creşterea siguranţei datorită luminii permanente pe durata nefuncţionării Instalare şi întreţinere simplă. Obiectele pot fi rflectorizante, şlefuite sau transparente atâta timp cât un procentaj suficient de mare de lumină este în mod cert absorbită. În majoritatea cazurilor, o distanţă mai mare decât senzorii de difuzie Dezavantajele senzorilo retroreflexivi: Obiectele transparente, foarte strălucitoare pot fi nedetectate. De reţinut:  În cazul obiectelor transparente, fascicolul de lumină străbate obiectul de două ori şi rezultatul este atenuat. Detectarea obiectelor de acest tip se poate face in potenţiometru adecvat..  Obiectele reflectorizante trebuie aranjate în aşa fel încât să se asigure ca unda reflectată să nu ajungă la receptor.  Pentru obiectele foarte mici, un orificiu în fascicolul de lumină poate ameliora eficienţa.  Reflectorii se pot deteriora datorită duratei mari de funcţionare şi datorită impurităţilor. La temperatura de peste 80o cfuncţionarea poate fi afectată permanent iar eficienţa este redusă considerabil.  Absenţa emitorului este interpretată ca „Obiect Prezent” APLICAŢII Sistemul se foloseste in industria hartiei, tesaturilor, peste tot acolo unde este necesara derularea/rularea unor materiale de acest tip pentru ambalare/împachetare în vederea expeditiei sau pentru procesul de productie; pentru a se realiza o anumită tensiune in materialul bobinat, deci o anumită densitate de bobinare, se lasa o astfel de bucla (a cărei mărime se controlează în acest caz cu senzori ) pentru a se

Fig 3.3.8

3. SENZORI DE PROXIMITATE

17

putea controla cât de strâns se bobinează. Senzori de difuzie (senzori cu fascicol de lumină divergent) Emitorul şi receptorul se găsesc în aceeaşi capsulă Obiectul reflectă un procent din lumina emisă activând astfel rceptorul. În funcţie de modul de construcţie al receptorului, ieşirea este activată (normal deschis) sau nu (normal închis).Distanţa de comutare depinde de capacitatea de reflectare a obiectului Mărimea, suprfaţa, densitatea, forma,şi culoarea obiectuluiprecum şi unghiul de incidenţă, determină intensitatea fascicolului răspîndit aşa încât de regulă, numai distanţele mici de ordinul a câţiva decimetri pot fi detectate.Mediul trebuie să absoarbă sau să devieze fascicolul luminos, de exemplu cînd un obiect nu este prezent, fascicolul de lumină trebuie să fie clar Acest tip de senzor se foloseşte când se detectează un corp cu supra faţă lucioasă su deschis la culoarepentru a reflecta fascicolul incident.

Fig.3.3.9 Principiul senzorului cu fascicol de lumină divergent Caracteristicile tehnice ale senzorilor de difuzie sunt prezentate în tabelul 3.3.3 Tabelul 3.3.3 Tensiunea de alimentare Tipic 10...30Vc.c. sau 20...250V c.a. Distanţade activare (dependentă Maxim 50mm până la 2m (de obicei este reglabilă) de reflector) Materialul din care sunt confecţio Orice fel de material . nate obiectele Curntul de activare 100...500ma c.c Temperatura de lucru -25o C.....80o C Sensibilitatea la impurităţi Sensibil Durata de viaţă Aproximativ 100000 ore Frecvenţa de comutare 10Hz.....2000 Hz Avantajele senzorilor de difuzie. Datorită reflexiei nu este necesar un reflector suplimentar Obiectele pot fi reflectorizante, şlefuite, transparente sau translucide atâta timp cât un procent suficient de mare de lumină reflectată. Permit detecţia frontală . În funcţie de poziţia senzorului de difuzie, obiectele pot fi detectate selectiv De reţinut: Mărimea,forma, suprafaţa,densitatea şi culoarea obiectului determină intensitatea luminii difuzate deci scara reală de sensibilitate. Sensibilitatea dată în foile de catalog este măsurată folosind partea albă a hârtiei fotografice de testare standard, Kodac. Mediul trebuie să absoarbă sau să reflete emisia de lumină, de exemplu în absenţa unui obiect, lumina reflectatătrebuie să fie efectiv pragul de răspuns alreceptorului.

3. SENZORI DE PROXIMITATE

18

Absenţa emitorului este interpretată ca Obiectul nu este prezent” Comportarea unui senzor în prezenţa unui obiect şlefuit este prezentază în figura 3.3.10a şi 3.3.10 b Fig 3.3.10 b Receptor Emitor

Receptor Emitor

În figura 3.3.5 a sunt sugerate condiţiile în care pot fi detectate obiecte din sticlă, plexiglas transparent sau film transparent. Obiectele confecţionate din aceste materiale au suprafeţe netede, care reflectă lumina. Condiţia este ca ele să fie poziţionate vertical şi pe direcţia fascicolului luminos. Obiectele care reduc reflexia luminii sunt:sunt:plastic mat negru, cauciuc negru, suprafeţe neprelucrate din materiale închise la culoare,materiale textile închise la culoare, oţel lustruit. Senzorii de difuzie nu reacţionează la astfel de materiale sau pot racţiona la distanţe foarte mici.În acest caz se pot folosi senzori retroreflexivi sau senzori cu fascicol luminos, pentru intrări laterale şi senzori capacitivi pentru intrări frontale Exerciţii 3.3.1. Realizaţi o comparaţie între senzorii de proximitate optici cu fascicol convergent şi cei cu fascicol convergent care să aibă în vedere, asemănări şi deosebiri funcţionale,avantaje şi dezavantaje. 3.3.2Ce trebuie să aveţi în vedere câd folosiţi un senzor de proximitate optic într-un mediu cu mult praf? Sugeraţi soluţii de rezolvare a problemei. 3.3.3. Trebuie detectate obiecte care se află intr-un loc foarte greu accesibil în care temperatura ambiantă poate creşte până la 1000 C.Se propune utlizarea unui senzor optic.Care este soluţia optimă în acest caz? Ce trebuie avut în vedere pentru selectarea senzorului adecvat? 3.3.4.

19

3. SENZORI DE PROXIMITATE

3.4 SENZORI DE PROXIMITATE MAGNETICI Principiul de funcionare. Senzorii de proximitate magnetici reacţionează la câmpuri magnetice ale magneţilor perma nenţi sau ale electromagneţilor. În cazul unor senzori magnetici reed paleta cu contacte realizată din material feromagnetic - permalloy –(fier +nichel)este sigilată într-un tub de sticlă.(fig. 3.4.1.). Acest tub este plin cu un gaz inert - nitrogen. S Dacă în apropierea senzoruluid e proximitate se află un câmp magnetic, paletele sunt atrase şi se realizează un contact electric. Fig. 3.4.1. În tabelul de mai jos sunt prezentate cele mai importante caracteristici tehnice ale senzorilor magnetici . Tabelul 3.4. Tensiunea de alimentare Sensibilitatea Inducţia magnetică de interferenţă maximă Frecvenţa maximă de comutare Timpul de comutare Conductanţa Durata de viaţă cu circuit de protecţie Clasa de protecţie al IEC529, DIN 40050 Temperatura de lucru

12V…27Vccsau ca + 0,1 mm 40W 0,16 mT 500Hz.  2 ms 0,1 5*106 cicluri de comutare IP66 -200 C …..+600 C

BN(1) Senzorii de magnetici reed au în construcţie un LED care indică starea de operare . În figura 3.4.2. sunt prezentate conexiunile interne şi externe. Diodele electrolumoniscente conectate în serie cu rezistorul R, au rolul de circuit de protecţie pentru sarcina inductivă.

+24V

BK(4) L1

RL 0V

R Fig. 3.4.2.

L1

20

3. SENZORI DE PROXIMITATE

NOTE PENTRU APLICAŢII Când se instalează un tip de senzor reed, este important sa ne asigurăm că nu există un câmp magnetic de interferenţă în apropierea senzorului mai mare de 0,16mT.În cazul în care acesta există atunci senzorul trebuie să fie protejat corespunzător. Dacă un cilindru pneumatic este instalat cu un senzor de proximitate, este necesară o distanţă minimă de 60 mm între senzor şi pereţii exteriori ai cilindrului. Dacă aceste distanţe sunt reduse va avea loc o deplasare în punctul de comutare., Cu senzorii reed, curentul maxim de urmărire trebuie redus.Altfel, aceasta poate conduce la apariţia unui arc electric în timpul pornirii sau opririi, ceea ce ar produce arderea lamelelor de contact. Când sunt comutate sarcini inductive,apare un vârf de tensiune în momentul opririi. Din acest motiv senzorul de proximitate trebuie prevăzut cu un circuit de protecţie dacă acesta nu face parte din construcţia lui. Circuitul de protecţie poate fi un circuit RC, o diodă corespunzătoare sau un varistor. (fig.3.4.3.) +24V

RL

L

+24V

RL

L

Fig. 3.4.3. Circuite de protecţie pentru contactele reed. RL rezistenţa de sarcină; L – inductanţa de sarcină; R – rezistor de protecţie C –condensator de protecţie; D – diodă sau varistor de protecţie Valorile electrice ale acestor componente depind de următoarele componente de putere – releu, contactor,etc. Dacă trebuie acţionat un releu sau un contactor, datele tehnice ale releului sau contactorului trebuie respectate.Puterea de tragere a unui releu sau contactor este de 8-10 ori mai mare decît cea de menţinere. De aceea este bine ca puterea de pull-in să fie luată ca referinţă. APLICAŢII Prin folosirea senzorilor magnetici de proximitate mangnetici o mare parte a problemelor pot fi rezolvate dacă obiectul care trebuie detectat este prevăzut cu un magnet, ca de exemplu: -măsurarea vitezei de rotaţie a unei piese confecţionate din orice fel de material; -selectarea unei piese dintr-o serie de piese similare -numărarea pieselor -poziţionarea obiectelor

21

3. SENZORI DE PROXIMITATE

Un senzor magnetic poate fi folosit pentru detectarea sfârşitului cursei unui cilindru cu o lungime a cursei pistonului de 10mm. ( fig.3.4.4.)

FESTO

FESTO

Fig.3.4.4. În figura 3.4.5 este prezentat principiul de funcţionare al unui senzor de proximitate magnetic care detectează poziţia pistonului într-un cilindru. În acest caz contactul este deschis iar senzorul nu este acţionat(LED-ul este stins)

Când pistonul a ajuns în dreptul senzorului, câmpul magnetic al magnetului acţionează lamelele contactului şi LED-ul se aprinde . Fig.3.4.5.

Exerciţii 3.4.1. Descrieţi comportarea senzorului reed din figura 3.4.2. cu tensiunea de alimentare inversată. Aceasta poate perturba funcţionarea senzorului?

3. SENZORI DE PROXIMITATE

22

3.5ALEGEREA SENZORILOR MĂRIMI CARACTERISTICE ŞI CRITERII DE ALEGERE Pentru alegerea unui senzor de proximitate trebuiesc cunoscute principalele caracteristici de funcţionare şi de alimentare. Cele mai importante dintre acestea sunt prezentate în continuare. Valori numerice detaliate se regăsesc în cataloagele firmelor producătoare. a) Distanţe de sesizare, fig. 3.5.1: - distanţa de comutare nominală, Sn: este o valoare caracteristică senzorului pentru care nu se iau în considerare abaterile date de temperatura si tensiunea de alimentare. De asemenea nu se iau în considerare nici abaterile de măsurare ale senzorului; - distanţa de comutare reală, Sr: se defineşte pentru temperatura de funcţionare de 20 oC şi Placă metalică pentru o tensiune de alimentare corectă (nominală). Poate avea o abatere de  10% Sens de mişcare faţă de distanţa de comutare nominală, Sn; Su max Su max - distanţa de comutare utilă, Su: este distanţa Sr max Sr max pentru care senzorul va comuta garantat dacă Sn Sn temperatura şi tensiunea au valori în limitele Sr min Sr min S de funcţionare normală prescrise de u min Su min fabricant. Poate fi diferită cu 10% faţă de Senzor de proximitate distanţă de comutare reală; - distanţa de comutare sigură, Sa: este distanţa pentru care senzorul va comuta garantat dacă temperatura şi tensiunea au valori în limitele de funcţionare permise prescrise de fabricant. b) Limite permise pentru tensiunea de Fig.3.5.1. Distanţe de sesizare ale unui alimentare: senzor de proximitate. Pentru mişcările de - pentru senzorii ce funcţionează în curent sens opus distanţele sunt diferite datorită continuu intervalul uzual este între 10 V şi fenomenului de histerezis al senzorului. 30 V dacă tensiunea nominală este de 24 V; - pentru senzorii care funcţionează în curent alternativ intervalul poate fi între 20 V şi 265 V dacă tensiunea nominală este de 230 V. În plus, frecvenţa reţelei poate oscila între 45 şi 65 Hz. c) Curentul de ieşire nominal: este curentul maxim care poate trece prin sarcina conectată la senzor şi pe care senzorul îl poate suporta pentru un regim continuu de funcţionare. Dacă acest curent este depăşit, senzorii fără protecţie la scurtcircuit se defectează. d) Curentul minim de sarcină: este cel mai mic curent necesar pentru ca circuitele electronice ale senzorului să poată funcţiona. Pentru cazul senzorilor de curent continuu cu 3 fire curentul minim de sarcină este 0 mA. Pentru senzorii de curent alternativ cu 2 fire este de 5 mA. e) Căderea de tensiune pe senzor: este diferenţa dintre tensiunea de alimentare a circuitului ce include comutatorul senzorului şi tensiunea măsurată la bornele sarcinii (de exemplu releu). Pe

23

3. SENZORI DE PROXIMITATE

comutatorul închis al senzorilor de curent continuu cu 3 fire căderea de tensiune este < 3,2 V. Pentru senzorii de curent alternativ cu 2 fire este