Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Moderní snímače polohy Bakalářská práce
Vedoucí práce: Dr. Ing. Radovan Kukla
Vypracoval: Tomáš Chlup Brno 2008
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma ,,Moderní snímače polohy‘‘ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
Dne 10.5.2008 podpis bakaláře…………………
Poděkování Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce Dr. Ing. Radovanu Kuklovi, za cenné rady, podnětné připomínky a za odborné vedení při zpracování bakalářské práce.
Abstrakt V mojí bakalářské práci jsem se zabýval snímači polohy a posunutí. V první části jsem se zaměřil na obecný popis a principy jednotlivých snímačů. V další části jsem uvedl možnosti použití jednotlivých snímačů podle jejich základních vlastností. Dále jsem popsal možnosti přenosu dat a jejich zpracování.
Klíčová slova: snímač, poloha, konstrukce
Abstract This bachelor thesis concerns with position and orientation sensors. First part focuses on common description and principles of individual sensors. Next part specifies possible application according to the sensors’ basic properties. Finally, the data transfer and processing is described.
Keywords: sensor, location, construction
1
ÚVOD ........................................................................................................................ 1
2
PRINCIPY SNÍMAČŮ ............................................................................................ 2 2.1 ELEKTROKONTAKTNÍ SNÍMAČE ............................................................................ 2 2.1.1 Konstrukce .................................................................................................... 3 2.2 ODPOROVÉ SNÍMAČE ............................................................................................ 3 2.2.1 Konstrukce .................................................................................................... 4 2.3 INDUKČNÍ SNÍMAČE .............................................................................................. 5 2.3.1 Konstrukce .................................................................................................... 5 2.4 MAGNETICKÉ SNÍMAČE POLOHY ........................................................................... 9 2.4.1 Konstrukce .................................................................................................... 9 2.5 KAPACITNÍ SNÍMAČE POLOHY ............................................................................. 11 2.5.1 Obvody pro zapojení................................................................................... 12 2.6 OPTICKÉ SNÍMAČE POLOHY ................................................................................ 12 2.6.1 Analogové................................................................................................... 13 2.6.2 Číslicové ..................................................................................................... 14 2.7 LUMINISCENČNÍ SNÍMAČE................................................................................... 15 2.7.1 Princip......................................................................................................... 15 2.8 FLUIDIKOVÉ SNÍMAČE ........................................................................................ 16 2.8.1 Odporové .................................................................................................... 16 2.8.2 Proudové ..................................................................................................... 16 2.9 AKUSTICKÉ SNÍMAČE.......................................................................................... 18 2.9.1 Konstrukce .................................................................................................. 18 2.10 KAMEROVÉ SNÍMAČE ...................................................................................... 19 2.10.1 Konstrukce .................................................................................................. 20 2.10.2 Princip......................................................................................................... 20
3
VYUŽITÍ SNÍMAČŮ............................................................................................. 21 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8
4
ODPOROVÉ ......................................................................................................... 21 INDUKČNÍ SNÍMAČE ............................................................................................ 21 KAPACITNÍ SNÍMAČE .......................................................................................... 22 ULTRAZVUKOVÉ SNÍMAČE.................................................................................. 22 OPTICKÉ SNÍMAČE .............................................................................................. 23 MAGNETICKÉ SNÍMAČE ...................................................................................... 23 LUMINISCENČNÍ SNÍMAČE ................................................................................... 24 KAMEROVÉ SNÍMAČE.......................................................................................... 24
PŘENOS A UKLÁDÁNÍ DAT ZE SNÍMAČŮ ................................................... 25 4.1 PŘENOS............................................................................................................... 25 4.1.1 NAMUR výstup .......................................................................................... 25 4.1.2 Sběrnice ...................................................................................................... 25 4.1.3 Kabely......................................................................................................... 26 4.1.4 Proudová smyčka........................................................................................ 27 4.1.5 Bezdrátový přenos ...................................................................................... 28 4.1.6 Ethernet ....................................................................................................... 28 4.2 ZPRACOVÁNÍ DAT ............................................................................................... 30 4.2.1 PLC jednotky .............................................................................................. 30 4.2.2 Univerzální měřiče...................................................................................... 30
5
ZÁVĚR.................................................................................................................... 32
6
SEZNAM LITERATURY ..................................................................................... 33
7
SEZNAM OBRÁZKŮ ........................................................................................... 33
1
ÚVOD Snímače polohy, výchylky a posunutí se v dnešní době hojně využívají
v automatizačních procesech. Zejména při manipulačním pohybu je potřeba znát s dostatečnou přesností lineární i úhlové výchylky. Důležitá je také rychlost měření a odolnost vůči parazitním vlivům jaké jsou například vlhkost, vibrace, teplota, elektromagnetické pole. Snímače používáme k získání spojitého signálu nebo indikaci určité polohy (srovnávací, limitní hodnoty, havarijní polohy). Některé snímače se v hojné míře používají k zabezpečení provozu u strojů se zvýšeným rizikem úrazu, kdy je třeba zajistit bezpečný odstup obsluhy. Snímače polohy lze rozdělit podle různých kritérií, například dle tvaru dráhy na lineární a úhlové, dle typu výstupního signálu na analogové a číslicové, dle způsobu měření na dotykové (kontaktní) a bezdotykové. Snímače využívají různých fyzikálních principů a tudíž je lze dělit i podle tohoto hlediska na snímače odporové, indukční, magnetické, kapacitní, fotoelektrické, akustické, fluidikové, elektrokontaktní, kamerové, luminiscenční. Každý ze snímačů má jiné vlastnosti a tudíž je důležité vědět, na jaký konkrétní účel ho chceme použít a v jakých podmínkách. Při nesprávném výběru by mohlo docházet k častým chybám měření nebo poruchovosti. Jelikož se při zpracovávání signálů využívá zejména číslicové techniky, používají se ve větší míře čidla číslicová. Vzhledem k dnešní době je kladen požadavek na co nejmenší rozměry a velkou výkonnost. Výrobci přicházejí s novými technologiemi, díky kterým se daří konstruovat snímače miniaturních rozměrů. V jednom čipu je například samotný snímač a elektronika pro převod signálu z tohoto snímače nebo dokonce i vyhodnocení dat. [1]
1
2
PRINCIPY SNÍMAČŮ
2.1 Elektrokontaktní snímače Tyto snímače převádějí změnu polohy nebo posunutí na skokovou změnu odporu přepínáním kontaktu. Hlavní částí elektrokontaktního snímače je vlastní kontakt, u něhož se požaduje malý přechodový odpor, stálost při malých proudech, napětích, tlacích a v různých chemických prostředích. Neméně důležité je minimální opotřebení kontaktů. Také přechodový odpor je důležitým parametrem, který je určován zúžením proudových vláken v malé dotykové ploše. Je výrazně ovlivňován povrchovou vrstvou, která se vytváří prakticky na každém kovovém materiálu. Tloušťka této vrstvy je závislá na atmosférických a pracovních podmínkách. Aby došlo k dokonalému propojení kovů, dá se tato vrstva prolomit tlakovým způsobem. Změnou tlaku kontaktů se mění přechodový odpor a na tomto kontaktu vzniká rušivé napětí. Na jeho velikost má vliv chvění kontaktů, jehož působením se mění tlaková síla. Může také docházet k elektrickému opotřebení kontaktů vlivem špatného nastavení velikosti proudu a napětí. Velikost proudu se dá určit z mezního proudu. Je to proud, který dovoluje přerušit kontakty bez vzniku oblouku na nekonečně malou vzdálenost. Velikost tohoto proudu závisí na čistotě materiálu, teplotě místa styku, jakosti povrchu kontaktů, tvaru kontaktů a relativní vlhkosti prostředí. Použijeme-li střídavý proud, zmenší se elektrické opotřebení kontaktů oproti stejnosměrnému proudu. Rušivý vliv má i znečištění kontaktů, které lze omezit chráněním kontaktů krytem. Mechanické a elektrické opotřebení určuje střední dobu života kontaktů, která je dána počtem zapnutí bez zmenšení přesnosti snímače. Jde obvykle o více než 10 6 zapnutí. Velký vliv na hlavní parametry elektrokontaktního snímače má materiál kontaktů. Jako materiál pro výrobu kontaktů se používá zlato, platina, stříbro-platina, platinawolfram a další. [1]
2
2.1.1
Konstrukce
Pro činnost snímače je důležitá konstrukce kontaktů (obr. 2.1). Jejich volbou lze ovlivnit velikost přechodového odporu a rušivého napětí. Uložením kontaktů do krytu nebo skleněné baňky, (jazýčkové kontakty) ve které je vakuum nebo je napuštěna inertním plynem, je možné zvětšit dobu života až na 10 8 zapnutí (obr. 2.2). Princip spočívá v tom, že se dva plíšky z magneticky měkkého materiálu při umístění do magnetického pole zmagnetují a na jejich volných koncích se vytvoří magnetické póly, které se vzájemně přitahují. [1]
Obr. 2.1 Konstrukce kontaktů
Obr. 2.2 Jazýčkový kontakt
2.2 Odporové snímače Jde o snímače, které využívají ke snímání změnu polohy snímače na odporové dráze. Tato změna může být lineární obr. 2.3 nebo skoková. U odporových snímačů jsou důležité zejména tyto vlastnosti: -
Rozlišovací schopnost - udává jaký úhlový, případně délkový přírůstek dokáže potenciometr spolehlivě rozlišit. Nejvyšší rozlišení mají potenciometry vrstvové (až 0,01%), u vinutých potenciometrů je rozlišení dáno skokovou změnou odporu při pohybu jezdce mezi sousedními závity.
-
Životnost - udává počet otočení hřídelkou při zadaných provozních podmínkách. Životnost vinutých typů je řádově 106, vrstvových a hybridních typů 107. [1]
3
Obr. 2.3 Odporový snímač lineární
2.2.1
Konstrukce
Sběrač bývá z drátu ze slitiny platiny a iridia nebo platiny a berylia. Pokud se jedná o ploché sběrače tak ty jsou vyrobeny ze stříbra nebo fosforu. Vinutí bývá vyrobeno nejčastěji z manganinu nebo Konstantanu. Konstrukčně lze rozdělit odporové snímače podle dráhy jezdce: -
lineární
-
kruhové
-
šroubovicové
-
speciální
U lineárních snímačů se jezdec posouvá po přímkové dráze. Vinutí je na válcové nebo deskové podložce. Kruhové snímače mají odporovou dráhu ve tvaru kruhu. Úhlové natočení těchto snímačů bývá až 360°. Šroubovicová čidla mají odporový drát navinut na izolovaném nosném drátu ve tvaru šroubovice. Sběrač pak sleduje vnitřní dráhu této šroubovice. Tyto snímače se vyznačují velkou přesností, která je až 0,01%. Mezi speciální snímače lze zařadit ty, které se vyznačují nějakou speciální vlastností jako je například velká rozlišovací schopnost, spolehlivost. [1]
4
2.3 Indukční snímače Jedná se o rozsáhlou skupinu snímačů, které se používají pro široký rozsah snímání od jednotek mikrometrů po stovky milimetrů. Tyto snímače převádějí posunutí na změnu indukčnosti. Jsou vždy zapojeny do obvodu se střídavým napájením.
2.3.1
Konstrukce
Vlastní snímač je tvořen cívkou nebo systémem cívek bez feromagnetického jádra, s neferomagnetickým nebo feromagnetickým jádrem. Při změně polohy dojde k vzájemnému posunutí těchto částí.
Konstrukčně lze indukční snímače rozdělit takto: a) Snímač s proměnnou vzduchovou mezerou b) Snímač s konstantní vzduchovou mezerou c) Snímač s otevřeným magnetickým obvodem d) Snímač s potlačeným polem e) Snímač bez feromagnetika f) Indukční snímače pro velké výchylky g) Oscilátorové snímače h) Polohový transformátor i) Induktosyn
ad. a)
U tohoto snímače se může měnit velikost vzduchové mezery obr. č. 2.4
nebo její plocha obr. č. 2.5. Závislost změny vzduchové mezery je ze začátku lineární a pak přechází v nelineární, proto se tyto snímače používají pro malé rozsahy. Pokud chceme zvětšit jejich rozsah, zapojíme snímač do diferenčního zapojení. [1]
5
Obr. 2.4 S proměnnou vzduchovou mezerou ad. b)
Obr. 2.5 S proměnnou plochou vzduchové mezery
Tento snímač je řešen jako diferenční. Jeho základní princip je na obr. č.
2.6. Skládá se z budících cívek a pohyblivé cívky. Je-li pohyblivá cívka uprostřed pólových nástavců, je na svorkách této cívky nulové napětí. Pokud dojde k posunutí cívky, mění se dílčí magnetický tok, který prochází cívkou a na svorkách se objeví napětí, které je úměrné velikosti posunutí. Charakteristika čidla je lineární a jeho nevýhodou jsou pohyblivé kontakty cívky. [1]
Obr. 2.6 S otevřeným magnetickým obvodem ad. c)
Princip spočívá v tom, že se do cívky zasouvá pohyblivé feromagnetické
jádro a tím se mění indukčnost této cívky. Cívka je většinou umístěna ve feromagnetickém krytu, aby nedocházelo k ovlivňování z okolí. Citlivost těchto snímačů je 0,01µm a dá se s ním měřit posunutí od 1 µm do 300 mm. [1]
ad. d)
Průchodem proudu cívkou se vytvoří magnetické pole, které indukuje
v elektricky vodivém médiu elektromotorické napětí. Toto napětí zapříčiní vznik vířivých proudů, které vytvoří magnetické pole působící proti poli, jež je vyvolalo. Tím se zmenšuje (potlačuje) intenzita původního pole. Elektricky vodivé médium je měřená
6
část. Při změně polohy snímače se budou měnit geometrické parametry. Cívka bez feromagnetického jádra má malou hmotnost ale také malou citlivost a musí pracovat v obvodu s vyšší frekvencí. Citlivost lze zvýšit použitím feromagnetického jádra. Tyto snímače jsou citlivé na vnější magnetická pole a feromagnetika. Základní typy snímačů jsou na obrázku 2.7.
Obr. 2.7 Indukční snímač s potlačeným polem Snímač může být řešen jako jednoduchý (obr. 2.8) nebo diferenční (obr. 2.9), dále jako impedanční nebo transformátorový. [1]
Obr. 2.8 S potlačeným polem jednoduchý Obr. 2.9 S potlačeným polem diferenční ad. e)
Tento snímač pracuje na principu vzájemné indukční vazby dvou cívek,
kde jedna je pevná a druhá posuvná obr 2.10. Používá se pro snímání malých posunutí. Díky absenci feromagnetické části odpadají parazitní vlivy spojené s feromagnetikem. Tyto snímače se dají použít pro široký rozsah teplot. [1]
Obr. 2.10 Indukční snímač bez feromagnetika 7
ad. f)
Jedná se o snímač polohy měřícího šroubu jak je vidět na obrázku 2.11. Na
střední části magnetického obvodu je budící vynutí. Při pootočení šroubu se posune profil závitu v osovém směru a tím se poruší rovnováha mezi napětím U 1 a U 2 . Kvůli vymezení házení šroubu je dobré použít uspořádání se dvěma jádry. Tímto způsobem lze snímat polohu v rozsahu 1000 mm s přesností ± 2 µm. [1]
Obr. 2.11 Indukční snímač pro velké výchylky ad. g)
Jde o bezdotykový snímač spínacího typu. Využívá se u něj principu
snímače indukčního s potlačeným polem. Základ tohoto snímače je realizován jako oscilátor s rezonančním obvodem, u kterého dojde k zatlumení při přiblížení elektricky vodivého tělesa. Další možností je oscilátor se zpětnou indukční vazbou, která se mění elektricky vodivým tělesem. Amplituda kmitů se může měnit skokem, nebo plynule. Většinou se používají snímače se skokovou změnou amplitudy. Výstupní signál ze snímače je v napájecím obvodu oscilátoru a to napěťový nebo proudový nebo také na výstupu oscilátoru, zesilovače taktéž napěťový nebo proudový. Frekvence oscilátoru snímače se pohybuje v rozmezí jednotek kilohertz až po 200 kHz. Tyto snímače se vyznačují dlouhou životností. [1]
ad. h)
Konstrukcí je tento snímač podobný selsynu. Jeho použití je zejména pro
převod úhlové výchylky na elektrický signál. Zajímavé řešení má takzvaný otočný transformátor. Má jednofázové budící vynutí a jednofázové výstupní vynutí. Magnetický obvod je navržen tak, že výstupní napětí je v určitém rozsahu přímo úměrné výchylce. Přesnost snímání úhlu je ±0,1 až ±0,5 %. Speciální polohový transformátor je fázový měnič, určený jako polohový odměřovací snímač u obráběcích strojů. Nejčastěji má dvoufázové vinutí jak na rotoru, tak i na statoru. V jednom vinutí je natočení rotoru úměrné sinu úhlu a v druhém vinutí je natočení úměrné cosinu úhlu. [1]
8
ad. i)
Jde v podstatě o polohový transformátor, který má zvláštní plošnou
konstrukci (obrázek 2.12). Hodí se k měření lineárních i úhlových výchylek. Je sestaven ze dvou částí, z nichž jedna je pevná (měřítko) a druhá pohyblivá (snímací), která se posouvá nad měřítkem. Obě vinutí jsou vyrobena technikou plošných spojů na podkladových deskách s izolační vrstvou. Snímací část má dvě vinutí, která jsou vzájemně posunuta. Mezi měřítkem a běžcem je zapotřebí dodržet v celém rozsahu mezeru 0,25 mm. Pro počítání jednotlivých kroků se používá čítač a v rámci jednoho kroku měřič fáze. Chyba měření je ±1 µm. [1]
Obr. 2.12 Induktosin
2.4 Magnetické snímače polohy Tato skupina snímačů využívá magnetického pole trvalého magnetu. Nejznámější z této skupiny jsou snímače využívající Hallova jevu.
2.4.1
Konstrukce
Princip Hallova jevu spočívá v tom, že příčné magnetické pole působí na polovodič, jímž prochází elektrický proud (obrázek 2.13). Jako polovodič se používají materiály Ge, Si, InAs, InSb a další. Magnetická indukce se většinou vytváří pomocí permanentních magnetů. Doplníme-li Hallův element vyhodnocovací elektronikou, která nejen zesiluje, upravuje a standardizuje výsledné Hallovo napětí, ale i reguluje a stabilizuje napájecí napětí elementu pro generování konstantního proudu, vznikne kompletní snímač. Udržení konstantního proudu je totiž základní podmínkou pro to, aby se změna Hallova napětí rovnala pouze změně hodnoty indukce magnetického pole. Protože je výstupní napětí malé (v řádu 30 mikrovoltů) a diferenční, je nutné jej připojit na vstupy diferenčního nízkošumového zesilovače s velkým vstupním odporem. [2]
9
Obr. 2.13 Princip Hallova jevu Poloha se takto může snímat dvěma způsoby:
•
Pohybem hallova článku v nehomogenním magnetickém poli se mění hallovo napětí v závislosti na změně polohy. Charakteristiku lze linearizovat diferenčním uspořádáním. Tyto snímače lze použít pro rozsahy jednotek milimetrů.
•
Hallův článek je v poli permanentního magnetu (obrázek 2.14). Pokud se v blízkosti rozptylového pole permanentního magnetu pohybuje feromagnetické těleso, dojde k narušení magnetické indukce procházející hallovým článkem a změní se napětí na výstupu. Tento snímač lze využít zejména pro bezdotykové snímání polohy.
Obr. 2.14 Hallův článek v poli permanentního magnetu Na měření velkých úhlových a lineárních výchylek se používá magnetické měřítko. Podstatou tohoto snímače je, že na feromagnetické podložce je vytvořen s požadovanou přesností magnetický záznam elektrického signálu. U měření úhlové výchylky jde o kotouč, na jehož obvodu je vytvořen magnetický záznam harmonického signálu o celistvém počtu vln. Pro snímání tohoto záznamu se používají snímače pracující se změnou magnetické indukce jako například indukční, Hallův snímač a podobně. [1]
10
2.5 Kapacitní snímače polohy Základem je kondenzátor skládající se minimálně ze dvou elektrod, z nichž alespoň jedna musí být pohyblivá. Tyto snímače se vyznačují jednoduchostí, malými rozměry a malou hmotností.
Lze je rozdělit do tří základních skupin:
•
snímače využívající změnu plochy elektrod
•
snímače využívající změnu vzdálenosti elektrod
•
snímače s proměnlivou tloušťkou nebo plochou dielektrika
U každé této skupiny lze použít jednoduché nebo diferenciální uspořádání. Snímače mají i různý tvar elektrod a lze je tedy také rozdělit na snímače s rovinnou elektrodou a válcovou elektrodou. Snímače mohou být realizovány analogově a to pro rozsahy jednotek mikrometrů až po stovky milimetrů, nebo číslicově a to dvěma způsoby přírůstkově a absolutně. Vzhledem k poměrně malé kapacitě snímačů, která se pohybuje od jednotek pikofaradů, až po stovky pikofaradů je problém spojení snímače s měřícím obvodem, jelikož je jejich kapacita srovnatelná s kapacitou přívodů. Nejjednodušším řešením kapacitního snímače je jednoduchý kondenzátor s proměnlivou mezerou mezi elektrodami (obr. 2.15). Z důvodu ochrany proti zkratu elektrod se používá snímač s izolační vrstvou. Pro snímání polohy se používá souosého uspořádání elektrod, kde se mění plocha překrytí (obr. 2.16). Výhodou je jednoduché konstrukční řešení a lineární charakteristika. [1]
Obr. 2.15 Kondenzátor s proměnlivou mezerou Obr. 2.16 Kondenzátor se souosím uspořádáním
11
2.5.1
Obvody pro zapojení
Jak jsem již uvedl, parazitní vliv přívodů výrazně ovlivňuje vlastnosti kapacitních snímačů. Nejčastěji používaná zapojení snímače v měřícím obvodu jsou realizována pomocí: a) zpětnovazebního děliče napětí b) můstku c) rezonančního obvodu U zpětnovazebního zapojení (obr. 2.17) je výhodou potlačení parazitního vlivu přívodů. Můstkové zapojení se nejvíce využívá pro připojení diferenčních kapacitních snímačů. K potlačení parazitního vlivu přívodů se používá transformátorový můstek (obr. 2.18). Hlavní požadavek je, aby měl transformátor co nejmenší rozptylovou indukčnost a jeho vnitřní odpor byl malý. Musí platit, že frekvence generátoru, kterým je můstek napájen, je menší než rezonanční frekvence obvodu. Rezonanční obvod se při měření pomocí kapacitních čidel používá dvojím způsobem: a) jako dělič napětí, jehož nevýhodou je požadavek na stabilitu frekvence generátoru a parazitní vliv ostatních členů obvodu. b) zapojením kapacitního snímače do rezonančního obvodu. Toto zapojení je vhodné především do prostředí s velkým rušením. [1]
Obr. 2.17 Zpětnovazební zapojení
Obr. 2.18 Transformátorový můstek
2.6 Optické snímače polohy Díky vysoké citlivosti těchto snímačů a možnosti realizace v malých rozměrech jsou tyto snímače velmi výhodné. Pro snímače polohy se používají prakticky všechny typy snímačů světelného a infračerveného záření. Základní rozdělení je podle typu výstupního signálu na snímače analogové a snímače číslicové.
12
2.6.1
Analogové
Na výstupu je spojitý signál úměrný poloze. Základním snímačem této skupiny je velkoplošná fotodioda v generátorovém režimu (obr. 2.19). Na jedné straně křemíkové desky je vrstva vodivosti typu P s rovnoměrným odporem a na koncích této plochy jsou elektrody A a B. Z druhé strany této desky je vytvořena vrstva typu N a na ní je společná elektroda. V místě dopadu světla na PN přechod je generován fotoelektrický proud a ten se rozdělí na proud procházející k jednotlivým elektrodám ( I A a I B ). Tyto proudy jsou přímo úměrné velikosti dopadajícího světla a nepřímo úměrné odporu vrstvy. Pokud je odporová vrstva dostatečně rovnoměrná, jsou odpor a délka vrstvy přímo úměrné.
Obr. 2.19 Velkoplošná fotodioda Snímače pro měření dvou souřadnic jsou ve dvou provedeních. Jedním z nich je provedení s rovnoměrnou vrstvou na jedné straně křemíkové destičky plošného tvaru. Na této vrstvě jsou dva páry elektrod, jejichž osy jsou kolmé (obr. 2.20). Na druhé straně desky je společná elektroda. Po dopadu světla se generovaný proud rozdělí na
čtyři dílčí proudy a z nich lze určit souřadnice světelné stopy. Dalším je provedení s rovnoměrnou odporovou vrstvou na obou stranách křemíkové destičky a na každé z nich je jeden pár elektrod (obr. 2.21). Společná elektroda tu není a generovaný proud se dělí na dva v každé vrstvě. U tohoto provedení je citlivost dvojnásobná oproti předchozímu a nedochází k vzájemnému ovlivňování elektrod v blízkosti jejich konců. Výhodou uvedených snímačů je spojitý výstupní signál. Spektrální charakteristika je dána materiálem fotodiody. Polohové rozlišení snímače je omezeno šumem. [1]
13
Obr. 2.20 S odporovou vrstvou na jedné straně 2.6.2
Obr. 2.21 s odporovou vrstvou na obou stranách
Číslicové
Používají se pro přesné odměření souřadnic. Jejich výhodou je možnost přímého zpracovávání informace. Tyto snímače lze rozdělit do dvou základních skupin na snímače přírůstkové a absolutní. Dále je lze rozdělit na snímače lineární a kruhové. Nejjednodušší způsob převedení délkové nebo úhlové míry na číslo je rozdělení této míry na určitý počet stejně velkých dílů. Snímač snímá jednotlivé díly a každému dílu odpovídá jeden impuls. Každá poloha je dána počtem jednotkových impulsů z polohy předcházející. Tento způsob měření se nazývá přírůstkový nebo také relativní. Při pohybu v jednom směru čítač impulsy přičítá a v druhém směru odečítá. Přírůstkové snímání může být prosvětlovací nebo odrazové. Prosvětlovací snímač se může skládat z posuvného měřítka, na kterém jsou vytvořeny značky a z pevné části na které jsou dvě skupiny značek vzájemně posunuté. Světelný tok prochází přes posuvné měřítko na pevnou část, optickou část a na fotoelektrické čidlo (obr. 2.22). Nejjemnější dělení je až 0,8 µm a pro větší odměřovací délky (nad 1200 mm) se měřítka skládají. Kruhový snímač s prosvětlovacím měřítkem na obrázku 2.23 má výhodu v tom, že teplotní roztažnost materiálu nemá vliv na úhlové dělení. Pro dosažení větší citlivosti se používá diferenční uspořádání fotoelektrických snímačů. Výhodou prosvětlovacích snímačů je jednoduché optické řešení, ale nevýhodou je skleněné měřítko, které znamená velkou možnost znečištění nebo poškození. Naopak u odrazového snímání je pohyblivá část měřítka vyrobena z oceli a pevná
část je skleněná. Pro využití hrubšího dělení měřítka se využívá elektrické dělení. To spočívá v tom, že dva signály jsou posunuté o 90° , upraveny na obdélníkový tvar a derivovány. Tímto se dosáhne dělení v poměru 1:4. Absolutní snímače využívají binárního nebo Bratova kódu, kde počet stop závisí na měřené délce. Každá stopa se snímá samostatně, avšak výstupní signál z jednotlivých 14
fotoelektrických snímačů je zpracováván společně. Absolutní snímač je spolehlivější, ale jeho celková konstrukce je složitější a dražší než u snímače přírůstkového. [1]
Obr. 2.22 Prosvětlovací snímač
Obr. 2.23 Prosvětlovací snímač kruhový
2.7 Luminiscenční snímače Mimo běžně používané optické snímače patří i méně běžné luminiscenční snímače. Ty umožňují detekovat materiály pod vrstvou materiálů jiných, jako například přítomnost lepidla. Využívají totiž luminiscence objektu ozářeného UV zářením.
2.7.1
Princip
Luminiscenční snímače pracují na principu přeměny UV záření jimi vyslaném na viditelné světlo, které je dle fyzikálního principu luminiscence převedeno detekovaným objektem. Zpět k snímači vrácené světlo je pak přijato a vyhodnoceno. Zdrojem UV záření je v dnešní době UV LED dioda a pro větší vzdálenosti UV Laser. Pro detekci se využívá fotodiody nebo případně někdy fototranzistoru. Tyto snímače jsou schopny měřit v rozsahu od 0 mm do 200 mm. V souvislosti s vzdáleností měření je i jejich citlivost, která s rostoucí vzdáleností klesá. [2]
15
2.8 Fluidikové snímače Fluidikový snímač převádí měřenou neelektrickou veličinu a změnu parametrů tekutiny. Tyto snímače ke své činnosti využívají aerohydrodynamických principů. Fluidikové snímače většinou neobsahují pohyblivé mechanické části. Jsou vhodné pro velmi těžké pracovní podmínky jako například vysoké teploty, vibrace, silná elektromagnetická pole, výbušná prostředí a podobně. Tyto snímače doplňují ostatní snímače jako například elektrické, mechanické. Fluidikové snímače lze rozdělit do několika základních skupin a to na pasivní a aktivní, dále pak na proudové a odporové, ale také na analogové, číslicové a s frekvenčním výstupem. [1]
2.8.1
Odporové
Jejich konstrukce je patrna z obrázku 2.24, kde 1 je část s konstantním odporem, 3
část s proměnným odporem (dýza) a 2 je měřící komora. Plyn proudí přes konstantní odpor do měřící komory a přes proměnný odpor vytéká do vnějšího prostředí. Výstupní tlak je úměrný vzdálenosti od měřeného tělesa 4. Proměnný odpor může mít různý tvar. Výhodou je velká citlivost umožňující měřit posunutí až 0,1 µm. Díky přetlaku se kterým snímač pracuje, odpadá nebezpečí usazování nečistot. Mezi nevýhody patří závislost na napájecím tlaku a malý rozsah měření. [1]
Obr. 2.24 Fluidikový snímač odporový 2.8.2
Proudové
Tenký paprsek proudu vytváří proudové pole, jehož tvar se mění se změnou polohy. Toto pole je snímáno přijímací dýzou (pitotovou trubicí) v jednoduchém nebo
16
vícenásobném uspořádání (obr. 2.25). Tlak v měřící dýze se mění v závislosti na vzdálenosti, úhlovém natočení, posunutí a clonění proudového pole. Pro měření malé úhlové výchylky se používá uspořádání, které je na obr. 2.26. Měřící dýzy jsou připojeny k měřiči diferenčního tlaku. Další možností je snímač s plošným uspořádáním proudu, u nějž je dosahovaná citlivost 1 µm (obr. 2.27). Do této skupiny patří také reflexní proudové snímače, které se vyznačují větším měřícím rozsahem. Tento rozsah je řádově roven průměru napájecí dýzy (2 mm až 50 mm). Tyto snímače jsou v širokém rozsahu nezávislé na kolísání vstupního tlaku. Pro měření větších lineárních výchylek se používají snímače s laminárním fluidikovým odporem. Na posuvném pístu je v závitovém tvaru vytvořen kapilární odpor. Hodnota tohoto odporu se mění v závislosti na posunutí pístku ve válci. Snímač s vírovým proudem je založen na deformaci vírového pole (obr. 2.28). Hlavní částí je vírová komora, do které se přivádí tekutina v tangenciálním směru otvorem 1. Komora je na jednu stranu otevřená v osovém směru a na druhou stranu je výstup tlakového signálu. Tekutina proudící do komory vytvoří vír, jehož působením se dostane do vířivého pohybu i tekutina na otevřené straně komory. Tlak v ose víru je závislí na zpětném proudění, které se mění v závislosti na vzdálenosti měřené části. Tyto snímače jsou vhodné pro měření větších hodnot posunutí. [1]
Obr. 2.25 Fluidikový snímač proudový
Obr. 2.26 Fluidikový snímač proudový pro měření úhlové výchylky
17
Obr. 2.27 Fluidikový snímač proudový
Obr. 2.28 Fluidikový snímač
s plošným uspořádáním proudu
proudový s vírovým proudem
2.9 Akustické snímače Tyto snímače využívají ke své funkci akustický signál. Využívá se především horní hranice zvukového spektra a hlavně ultrazvuku. Činnost akustických snímačů závisí na vlastnostech prostředí, ve kterém se signál šíří. Jsou to rychlost šíření, teplotní závislost, útlum a další parazitní vlivy.
2.9.1
Konstrukce
Pro ultrazvukový signál desítek kilohertzů až 20 MHz se využívá piezoelektrické konstrukce jak pro zdroj signálu, tak i pro snímač signálu. Tato konstrukce je jednoduchá a lze ji realizovat v malých rozměrech. Někdy jsou obě části sloučeny v jeden celek. Tento celek se označuje jako ultrazvukový měnič (sonda), který zajišťuje obousměrný převod ultrazvukového signálu na signál elektrický. Základním materiálem takového měniče jsou piezoelektrické krystaly, které však kvůli vysoké ceně nahradila piezokeramika. Ta má tu vlastnost, že při přiložení napětí změní své geometrické rozměry, tedy mění elektrickou energii na mechanickou. V provedení snímače (měničů) jde o keramický kotouček slepený se stejně velkým kovovým kotoučkem nebo kotoučkem směsi sklo – pryskyřice. Tato kombinace se nazývá rovná membrána a proti ostatním typům membrán ji lze zapouzdřit. Přiložením napětí změní piezokotouček svůj průměr, vzniknou příčné síly a dojde k prohnutí celého systému s velkou amplitudou. [2] Měniče se liší podle šířky frekvenčního pásma, které zpracovávají na úzkopásmové (selektivní) nebo širokopásmové.
18
Úzkopásmové měniče nejsou tlumeny a jsou nastaveny do rezonance. Aby se zlepšila akustická vazba s prostředím a dosáhlo se požadované směrové charakteristiky, používají se tvarované nástavce. Širokopásmové měniče jsou používány především v impulsovém režimu u snímačů ultrazvukových signálů v širokém pásmu (např. 100 kHz až 2 MHz). Aby se dosáhlo širokopásmovosti měniče, používá se řada konstrukčních řešení, jako jsou šikmé řezy, tvarované piezoelektrické členy a podobně.
Často se používá zatlumení piezoelektrického rezonátoru. Signál projde přes ochrannou desku na piezoelektrický člen, na němž je tlumič. Tlumič je většinou vyroben z pryskyřice, která je naplněna kovovým práškem. Důležitým parametrem je vyzařovací charakteristika. Ke konstrukci elektroakustických měničů lze také využít kapacitního nebo elektrodynamického principu. Tyto konstrukce však nelze realizovat v miniaturních provedeních a to z důvodu citlivosti a odolnosti vůči parazitním vlivům. Měnič vyšle v časovém okamžiku t0 několik impulsů, které se šíří daným prostředím rychlosti zvuku. Narazí-li tato dávka na nějaký předmět, část vlnění se odrazí, a dojde po době t1 k návratu zpět do senzoru. Odezva je pak detekována stejným měničem (snímačem) a vyhodnocovací elektronika může z doby zpoždění (t1 - t0) spočítat vzdálenost předmětu. Nevýhoda tohoto systému s jedním měničem je, že po vyslání impulsu až k možnému přijmu odezvy, musí senzor nečinně čekat (mrtvý čas) po dobu, kdy měnič dokmitává (doznění). Až poté může být odezva zjištěna. Následkem tohoto mrtvého času mají ultrazvukové měniče u senzoru nefunkční pásmo, nazývané mrtvá nebo slepá zóna, v němž nemůže být žádná odezva detekována. [1]
2.10 Kamerové snímače V současné době jsou CMOS čipy a algoritmy pro zpracování obrazu na vysoké úrovni a je tedy možné vyrábět kompaktní kamerové systémy. Celý kamerový systém je napěchován v malé krabičce, kde na spínaném výstupu již získáváme informaci o shodnosti nebo odlišnosti aktuálně skenovaného výrobku od referenčních obrazů. Výrobky lze třídit podle jejich barvy, tvaru, na výrobku vytištěném textu nebo třeba data a času spotřeby. Současné systémy se již plně obejdou bez použití PC. Vše je již implantováno v malé řídící jednotce. [2] 19
2.10.1 Konstrukce Kompaktní kamerové systémy se vyznačují tím, že v jednom pouzdře obsahují integrované všechny potřebné komponenty jako je optika a osvětlení z bílých LED, miniaturní CMOS kamera, elektronika pro zpracování a porovnání obrazů, paměť pro referenční naučené obrazy, vyhodnocovací elektronika s digitálními a spínanými výstupy. Systém je tak plně samostatný že ke své funkci již nepotřebuje žádné další zařízení. [2]
2.10.2 Princip Při své běžné práci si nasnímaný obraz CMOS kamerou porovnávají s uloženými správnými předlohami podle určitých dominantních znaků. Pokud se uvedené znaky obrazu shodují nebo jsou si do určitého zadaného stupně blízké, vyhodnotí se kontrolovaný objekt (produkt, materiál, věc) jako správný nebo špatný a výsledkem je nebo není signál pro regulaci (např. vyřazení objektu z linky, přesunutí na jiný pás). Po namontování senzoru se musí provést jeho naučení, které probíhá systémem postupného předkládání správných vyráběných produktů. Tyto snímače fungují na vzdálenost 30 až 270 mm a napájecí napětí je 12 až 24 V. [2]
20
3
VYUŽITÍ SNÍMAČŮ Snímače polohy mají široké uplatnění, od bezpečnostních prvků po provozní účely.
Každý typ snímače má jisté výhody které se dají využít ve specifických prostředích jako je například prostředí s nebezpečím výbuchu, prašná prostředí, …
3.1 Odporové Tyto snímače jsou vhodné především ke snímání úhlů. Díky své jednoduchosti a velkému sortimentu se dají využít u manipulačních zařízení. Jejich hlavní nevýhodou je díky pohyblivé části sběrače opotřebení a vliv vibrací.
3.2 Indukční snímače Prakticky veškerý mechanický pohyb, lze detekovat a řídit s použitím indukčních snímačů polohy, ať již s analogovým nebo číslicovým výstupem. Proti jiným metodám a senzorům se indukční senzory vyznačují hlavně velkou odolností proti nepříznivým okolním pracovním podmínkám, jako jsou prach, olej, voda, vlhkost, elektromagnetické rušení, teplota. Proto je lze přímo, bez přídavné izolace apod., použít na exponovaných místech vystavených nepříznivým podmínkám například v dopravních prostředcích, výrobních provozech těžkého strojírenství, venkovní provozy apod. [2] Lze je použít například v těchto aplikacích: •
Strojní průmysl - obráběcí stroje, řízení svářecích robotů, dopravníků, detekce posunu, dorazy.
•
Potravinářský průmysl - míchací stroje, balící stroje, plnící stroje, posuvné dopravníky
•
Dřevoobráběcí stroje
•
Montážní linky
•
Textilní stroje
•
Automobilový průmysl - detekce pohybu kol automobilů (ABS, ESP)
•
Bezdotykové koncové spínače na strojích 21
•
Detekce natočení a otáčení,
•
Měření a detekce přiblížení kovového předmětu, detekce vyosení
•
Detekce pohybu a posuvu – dopravníky, soustruhy
3.3 Kapacitní snímače Mají podobné uplatnění jako ty indukční. •
Typicky pro snímání polohy nekovových materiálů
•
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, detekce tloušťky materiálu
•
Potravinářský průmysl - míchací stroje, balící stroje, plnící stroje, posuvné dopravníky
•
Dřevoobráběcí stroje
•
Montážní linky - nastavení pozice
•
Textilní stroje
•
Sledování a detekce úrovně hladiny materiálu (sypké, kapalné, pevné) např. v zásobníku
•
Detekce pohybu a posuvu, přesné nastavení pozice - dopravníky
•
Detekce malých kovových plošek (lepší citlivost než indukční senzory)
3.4 Ultrazvukové snímače Ultrazvukové snímače mohou pracovat v kapalinách i plynech. Jejich rozsah je omezen dosahem ultrazvukových vln v pracovním médiu. Přesnost měření závisí na tvaru a kvalitě měřeného tělesa, od kterého se signál odráží. V úvahu je také třeba brát kolísání teplot, tlaku ale také vlhkosti. Všeobecně lepší podmínky jsou v kapalinách. Zde jsou tyto snímače využívány především v lodních aplikacích. [1]
•
Snímání a detekci polohy libovolných materiálů
•
Detekce průhledných předmětů
•
Nasazení v prašném nebo vlhkém prostředí
•
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu
•
Dřevoobráběcí stroje
•
Montážní linky - nastavení pozice
•
Textilní stroje 22
•
Sledování a detekce úrovně hladiny materiálu (sypké, kapalné, pevné) např. v zásobníku
•
Detekce pohybu a posuvu, přesné nastavení pozice - dopravníky
3.5 Optické snímače •
Dnes již pro snímání a detekci polohy téměř libovolných materiálů (pro průhledné materiály jsou obvykle speciálně určené senzory)
•
Detekce na vzdálenosti až desítek metrů
•
Detekce obrovských i malých objektů
•
Snímání pohybujících se předmětů i různých teplot
•
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, kontrola kvality
•
Montážní linky - nastavení pozice, počítání dílů
•
Textilní stroje - zjišťování množství materiálu na odvíjené roli
•
Potravinářský průmysl - např. zjišťování přítomnosti pečiva na výrobní lince, kontrola obsahu krabic, kontrola velikosti cukrářských výrobků
•
Sledování a detekce otvorů ve výrobcích
•
Kontrola velikosti předmětů
•
Kontrola naplnění různých zásobníků
•
Zjišťování chybných etiket
3.6 Magnetické snímače •
Identifikace objektu skrz nádobu z umělé hmoty
•
Identifikace objektu v agresivním prostředí přes teflonovou stěnu
•
Identifikace objektu v oblasti vysokých teplot
•
Rozpoznání daného magnetu prostřednictvím kódování
•
V elektromechanických, jeřábových, manipulačních systémech
•
Měření otáček, detekce natočení a otáčení (velmi rychle reagovat na změnu stavu)
•
Měření limitů, hladin, polohy apod.
•
Indikaci polohy v oblasti vysokých teplot - magnetické pole je možné přenášet magnetickými vodiči a vlastní indikaci provádět ze vzdálených míst. 23
•
Snímaní poloh pneumatických a hydraulických válců
3.7 luminiscenční snímače V praxi se vyskytují některé i poměrně běžné látky, jako jsou guma nebo lepidlo, které po ozáření UV světlem vracejí (vyzařují zpět) světlo viditelné. Toho se často využívá při inspekčních mechanismech. Typickým příkladem luminiscenčních senzorů je zjišťování přítomnosti kolků na krabičkách cigaret a na alkoholu. Zachycení zpětné radiace lepidla pod kolkem je nejspolehlivější způsob jak zjistit jeho přítomnost při rychlém projíždění na dopravníku. [2] •
Detekce lepidla
•
Detekce dřeva
•
Detekce přítomnosti gumy a pryže
•
Papírenský průmysl
•
Potravinářské provozy
•
Balicí linky
3.8 Kamerové snímače S rychlým vývojem CMOS obrazových čipů, procesorů a hlavně algoritmů pro zpracování obrazu je možné dnes již vyrábět kamerové senzory pro kontrolu, detekci a třídění výrobků.
•
Kontrola nalepení správné etikety na správný výrobek
•
Kontrola zavřené láhve
•
Hlídání data spotřeby na výrobcích
•
Kontrola etiket a označení na výrobcích
•
Zjištění kompletnosti výrobku
•
Změna směru dopravy výrobků dle etiket, barvy, tvaru nebo textu
24
4
PŘENOS A UKLÁDÁNÍ DAT ZE SNÍMAČŮ
4.1 Přenos Pro přenos dat ze snímačů se dá použít mnoha způsobů, od vedení pomocí kabelů až k bezdrátovému přenosu. Někdy je třeba signál před přenosem upravit, k tomuto se používají pomocné obvody, jako jsou zesilovače, galvanické oddělovače, bezpečnostní prvky a další.
4.1.1
NAMUR výstup
V prostorách s nebezpečím výbuchu, označovaných jako ATEX, se používá takzvaný NAMUR výstup. Tento výstup zajišťuje napěťově, proudově a i s ohledem na jiskření bezpečný výstup. Výstup NAMUR tvoří dva vodiče, které jsou jak napájecí tak signálové. Tohoto výstupu se dá využít například u indukčních snímačů, kde je koncový zesilovací stupeň galvanicky oddělen a umístěn v bezpečném prostředí. Jsou dva typy výstupu NAMUR a to NO (Normally Open) kdy prochází vodiči stabilně proud maximálně 4 mA. Pokud snímač zareaguje, poklesne tento proud na 1mA. Dalším typem je NC (Normally Closed) kdy protéká v klidovém stavu proud ≤1 mA a pokud dojde k reakci snímače, zvedne se tento proud maximálně na hodnotu 4 mA. Napájecí napětí bývá 8 V. NAMUR výstup se typicky využívá v chemickém průmyslu, v prašném uhelném prostředí dolů a elektráren, nebo někdy ve dřevozpracujícím průmyslu v provozech s pilinami či štěpkami, kde hrozí velké nebezpečí výbuchu nebo snadného vznícení i při náhodném přeskočení jiskry. Výstup NAMUR se používá i u jiných typů snímačů jako jsou kapacitní, magnetické a další. [2]
4.1.2
Sběrnice
Základním typem sběrnice je RS – 485 nebo RS – 422. Jedná se o sériovou komunikaci. U obou typů může jít o komunikaci po dvouvodičovém stíněném kabelu, kdy jsou jednotlivé stavy reprezentovány rozdílovým napětím mezi oběma vodiči. 25
Jednotlivé vodiče jsou označeny buď jako A / B nebo - / +, kde A (-) označuje tzv. invertovaný vodič a B (+) jako neinvertovaný vodič. Logický stav 1 (někdy označený jako OFF), reprezentuje napěťový rozdíl A - B < - 0.3 V, zatímco logický stav 0 (ON) reprezentuje rozdíl A - B > + 0.3 V. Přenos pomocí rozdílového napětí snižuje vliv naindukovaného rušivého napětí vztaženého k nulovému potenciálu (zemi), protože se na obou vodičích naindukuje stejná velikost napětí. Vysílač by měl generovat na výstupu úrovně + 2 V a - 2 V a přijímač by měl být ještě schopen rozlišit úroveň + 200 mV a - 200 mV jako platný signál. RS – 422 přenáší signál pouze jednosměrně na velké vzdálenosti. Pomocí této sběrnice lze přenášet signál od jednoho vysílače až k 10 přijímačům. RS – 485 přenáší signál obousměrně a lze jedním párem vodičů propojit až 32 zařízení. Jelikož nelze po jednom páru vodičů přenášet data oběma směry je důležití
řízení směru přenosu. [2] Sběrnice CAN byla navržena koncem 80. let firmou BOSH. Tato sběrnice je tvořena dvouvodičovým vedení, jehož signálové vodiče jsou označeny CAN_H a CAN_L, a zakončovacími rezistory 120 Ω. K této sběrnici se připojují jednotlivé komunikační uzly. Počet těchto uzlů může být až 110. Sběrnicí se přenášejí dva logické stavy, aktivní a pasivní. Aktivní stav představuje log. 0 a pasivní log. 1. Sběrnice je aktivní, je-li alespoň jeden její uzel v aktivním stavu. V pasivním stavu je rozdíl napětí mezi vodiči CAN_H a CAN_L nulový. V aktivním stavu je na vodiči CAN_H napětí 3,5 až 5 V a na vodiči CAN_L 0 až 1,5 V. Maximální rychlost přenosu je 1Mbit/s při délce sběrnice do 40m. Při délce 130m klesá na 500kbit/s, pro délku 560m na 125kbit/s a při délce 3,3km je její hodnota jen 20kbit/s. Komunikace na sběrnici CAN probíhá tak, že každý uzel může za určitých okolností využívat sběrnici pro vysílání svých zpráv. Zpráva vysílaná po sběrnici obsahuje identifikační číslo vysílajícího uzlu. Identifikátor definuje nejen obsah zprávy, ale i prioritu přístupu na sběrnici. Tímto způsobem je možno zaslat zprávu z jednoho uzlu do jiného uzlu nebo několika jiných uzlů současně. Tato sběrnice je levná, neustále s rozvíjející, spolehlivá s vysokou přenosovou rychlostí. [3]
4.1.3
Kabely
V největší míře se pro přenos signálů používají kabely. Je však důležité použít správný typ kabelu, aby nedocházelo k rušení popřípadě ztrátě dat. Pro přenos binárního signálu s delšími impulsy (100 ms a déle) se může použít obyčejných kabelů i 26
v zarušeném prostředí. Pokud se jedná o vedení do 100 m, postačí průřez 0,5 mm 2 , pro větší vzdálenosti pak 0,75 mm 2 . Při krátkých impulsních signálech na větší vzdálenosti a v rušivém prostředí se používají kabely s kroucenými páry a stíněné. Na délku kabelu může mít vliv typ sběrnice. U RS – 485 či RS – 422 by délka kabelu neměla přesáhnout 200m a kabel by měl mít kroucené páry a být celkově stíněný. U vícepárových kabelů lze po jednom páru vést i napájení, v tom případě závisí průřez na velikosti proudu. Pro některé typy sběrnic se vyrábějí speciální kabely, které mají přesně dané parametry (kapacita indukčnost, odpor, a podobně). [2]
4.1.4
Proudová smyčka
Přenos signálu ze snímačů je možný také po proudové smyčce. Toto zapojení má několik výhod. Pro propojení snímače a přijímače stačí dva vodiče a přenos lze realizovat na velké vzdálenosti i v prostředí s elektromagnetickým rušením. Lze u ní snadno detekovat přerušení, pokud proud poklesne k 0 mA. Dále je možné provádět napájení připojených komponent přímo prostřednictvím smyčky. Proudová smyčka se používá zejména pro přenos analogového signálu, ale lze pomocí ní přenášet i digitální signál. Přenos analogového signálu je realizován pomocí proudového rozmezí 4 – 20 mA. U digitálního signálu je log. 0 vyjádřena 0 mA nebo 4 mA a log. 1 má hodnotu 20 mA. Do smyčky mohou být zapojeny dva typy komponentů a to aktivní (vkládají do smyčky zdroj napětí), nebo pasivní (vzniká na nich úbytek napětí). Smyčka je typicky složena z těchto částí: Snímač – ten převádí neelektrickou veličinu na změnu napětí. Převodník napětí – převádí napětí na proud v rozmezí 4 – 20 mA. Napájecí zdroj smyčky – napájí vysílač a přijímač nebo i jiné komponenty. Napětí je většinou 24 V. V případě připojení k počítači 12 V. Přijímač – převádí zpět proud na napětí, případně vyhodnocení a zobrazení. Princip tohoto přenosu je velmi jednoduchý. Výstupní napětí generované snímače je nejdříve převedeno na proud, kdy hodnotě 4 mA odpovídá například nulová hodnota měřené veličiny a hodnotě 20 mA odpovídá maximální rozsah snímače. Přijímač provede převod proudu opět na napěťový signál, který pak může být libovolně zpracováván analogovým nebo digitální zpracováním signálu. 27
Proudová smyčka může být realizována pomocí dvou, tří nebo čtyřvodičové varianty. Dvouvodičová varianta je popsána výše a používá pouze dvou vodičů. Třívodičová varianta využívá vlastního vodiče k zemnění vysílače. Čtyřvodičová varianta má dva páry vodičů, z nichž je jeden využíván k napájení a druhý pár je využíván k přenosu proudového signálu. [5]
4.1.5
Bezdrátový přenos
Pro bezdrátový přenos informací nebo řízení a regulaci se používá tranceiverů. Nejčastěji je využívána frekvence 868 MHz, což je bezlicenční frekvenční pásmo. Je nabízena široká nabídka modulů, které obsahují všechny komponenty a stačí je jen připojit k napájení a snímači. Spotřeba těchto zařízení je velice malá a tudíž je lze napájet z baterií. Před použitím je nutné je naprogramovat a to prostřednictvím PC. Tímto způsobem je možný přenos menšího objemu dat. Pro větší množství dat se používá WiFi sítě. Jde o síť určenou primárně k náhradě kabelového ethernetu v bezlicenčním pásmu. Klíčovou roli hraje identifikátor SSID (Service Set Identifier), což je řetězec až 32 ASCII znaků, kterými se jednotlivé sítě rozlišují. Typická infrastrukturní bezdrátová síť obsahuje jeden nebo více přístupových bodů (AP – Access Point), které vysílají své SSID. Několik přístupových bodů může mít stejný SSID identifikátor. Výhodou je nízká pořizovací cena. Naopak nevýhodou je volné bezlicenční pásmo 2,4 GHz, které je v některých místech téměř vyčerpáno a dochází tak k silnému rušení. [2]
4.1.6
Ethernet
Jedná se o lokální síť, která se dnes hojně využívá. Ethernet používá sběrnicovou topologii – tedy sdílené médium, kde všichni slyší všechno, a v každém okamžiku může vysílat jen jeden. Jednotlivé stanice jsou na něm identifikovány svými hardwarovými adresami (MAC adresa). Když stanice obdrží paket s jinou než vlastní adresou, zahodí jej. Stanice, která potřebuje vysílat, naslouchá co se děje na přenosovém médiu. Pokud je v klidu, začne tato stanice vysílat. Může se stát (v důsledku zpoždění signálu), že dvě stanice začnou vysílat přibližně ve stejný okamžik. Jejich signály se pochopitelně navzájem zkomolí. Tato situace se nazývá kolize a vysílající stanice ji poznají podle toho, že během svého vysílání zároveň zjistí příchod cizího signálu. Stanice, která detekuje kolizi, vyšle krátký signál. Poté se 28
všechny vysílající stanice odmlčí a později se pokusí o nové vysílání. Ke kolizi může dojít jen v době, která uplyne od začátku vysílání do okamžiku, kdy signál vysílaný stanicí obsadí celé médium. Tento interval se nazývá kolizní okénko a musí být kratší, než je doba vysílání nejkratšího rámce. Jednotlivé varianty protokolu se značí např. 10Base5, 100Base-TX a podobně. První
číslice určuje maximální přenosovou rychlost v megabitech za sekundu. Následuje označení pásma a určení druhu přenosového média. Jako přenosového média se používalo koaxiálního kabelu. Propojovací kabely se zakončují BNC konektory, mezi ně se vkládají odbočky ke stanicím BNC-T konektory. Ty se připojují přímo na síťovou kartu, nebo adaptérem na AUI port. Délka segmentu je maximálně 185 metrů, ve speciálních případech až 300 - 400 metrů. Dále se v dnešní době využívá kroucené dvojlinky. Topologie sítě se změnila ze sběrnicové na hvězdicovou, v jejímž středu je rozbočovač (hub) a na koncích jednotlivých spojů připojené počítače. Hub kopíruje signál přicházející z jednoho rozhraní do všech ostatních. Data vysílaná jednou stanicí jsou proto rozšířena všem ostatním, stejně jako v případě jejich přenosu po sdílené sběrnici. Kabel s dvojlinkou ale obsahuje celkem čtyři kroucené páry, tedy osm vodičů. Část z nich lze vyčlenit pro přenos dat ve směru k počítači a část pro směr opačný. Signál může tedy kabelem protékat obousměrně, každý z účastníků má své pevně přidělené vodiče, do nichž může vysílat kdykoli. Odpadá sdílení média a s ním i důvody kolizí. Tento režim provozu se nazývá plný duplex (full duplex). Délka jednoho spoje je maximálně 100 metrů. Ethernet používající kroucenou dvojlinku se označuje příponou T nebo TX. Další možností je optické vlákno. Používají se jednovidová i mnohovidová vlákna v závislosti na požadované rychlosti a vzdálenosti. Vybudování optické trasy je dražší, než strukturovaná kabeláž, ale umožňuje přenos na vyšší vzdálenosti. Další výhodou je, že spojení je odolné proti elektromagnetickému rušení a koncové body spoje jsou galvanicky oddělené. Skleněná vlákna jsou zakončena takzvanými media konvertory, které převedou optický signál na elektrický. Pro každý spoj se použijí dvě vlákna, pro každý směr jedno. Lze použít také jen jedno, kdy se využívá dvou vlnových délek pro přenos informací. V praxi se pokládá vždy několik vláken navíc jako rezerva pro rozšíření nebo poruchu. Délka optického spoje bývá od stovek metrů až po mnoho kilometrů. Rychlost přenosu může být od 10 Mbit/s až po gigabitové rychlosti. Optický Ethernet se označuje v příponě písmenem F či FX. [2]
29
4.2 Zpracování dat
4.2.1
PLC jednotky
Pro zpracování dat se často používají takzvané PLC řídící jednotky. PLC (Programmable Logic Controler), v češtině označované jako programovatelné automaty, jsou základem automatického měření a regulace. Funkce celého PLC i ovládání připojených prvků je řízeno uloženým programem, který lze snadno vytvořit pomocí výrobcem dodávaného grafického vývojového softwaru pro běžná PC a operační systém Windows. Ten umožňuje mimo programování i průběžnou grafickou simulaci a po připojení PLC k PC pomocí USB či RS-232 kabelu i reálné zkoušení a testování. Pro přenos dat ze snímačů je možné použít drátové i bezdrátové komunikace. PLC se díky svým malým rozměrům hodí pro centrální řízení jednodušších aplikací ale také pro řízení jednotlivých procesů. Lze je použít pro řízení výrobních strojů, balících a plnících strojů, zobrazení informací, zpracování signálu přímo na místě měření. PLC je typicky složeno ze základní řídící jednotky, která obsahuje zdroj, procesor, komunikační rozhraní a několik binárních/logických vstupů a výstupů. K základní řídící jednotce je možno připojit rozšiřující moduly, které mohou obsahovat další vstupy či výstupy, různé komunikační sběrnice atd. Každý PLC systém musí mít vždy alespoň jednu základní řídící/CPU jednotku, která provádí samotné vykonávání uloženého programu, číslicové zpracování signálů a digitální komunikaci s okolím. Tato jednotka je obvykle vybavena tak, aby byla plně soběstačná, to znamená, že v jednodušších aplikacích může pracovat samostatně bez jakýchkoliv dalších přidaných prostředků. Pro tento účel bývá vybavena i několika vstupy a výstupy, obvykle jen logickými/spínanými, umožňující připojení tlačítek či signalizace, zapínání/vypínání zařízení a přivedení několika řídících signálů. [4]
4.2.2
Univerzální měřiče
Jsou jedním z možných a v celku jednoduchých řešení pro potřeby základního měření analogových signálů z různých senzorů a snímačů bez potřeby jakéhokoliv programování, které je nutné například u malých PLC či podobných složitějších systémů. Zde se vše nastavuje pomocí menu postupně zobrazovaného na displeji. 30
Mimo měřících analogových vstupů, které mohou být buď napěťové v mV nebo V rozsazích či proudové v mA, mohou být měřiče vybaveny komparátory se spínanými výstupy (250 VAC/30 VDC, 3 A), analogovými výstupy (0…2/5/10 V, 0…5 mA, 0/4…20 mA) či rozhraním sériové datové komunikace R2-232/RS-485, které mohou pracovat s protokoly ASCII, MESSBUS, MODBUS, nebo PROFIBUS. Ještě může být přítomno galvanicky oddělené a plynule nastavitelné pomocné napětí 5 až 24 V, které je vhodné pro napájení různých snímačů a převodníků. Umožňují i záznam naměřených hodnot dle nastaveného interního časování vzorkování. Přitom lze použít režimy FAST (rychlý), který slouží k rychlému ukládání všech naměřených hodnot rychlostí 80 zápisů/s a až do 8 000 záznamů, a RTC, kde je záznam dat řízený reálným časem, to je ukládáním ve zvoleném časovém úseku a periodě. Do paměti přístroje je možné uložit až 250 000 hodnot. [2]
31
5
Závěr Během psaní mé závěrečné práce jsem se dozvěděl spoustu zajímavých věcí. Díky
mé praxi v jedné firmě zabývající se výrobou leteckých simulátorů jsem se měl možnost seznámit s praktickým použitím některých snímačů. Šlo především o lineární odporové snímače, které se využívají k měření polohy řídící páky.Dále také o magnetické snímače využívající Hallova jevu, k bezkontaktnímu snímání. V dnešní době se hojně využívají snímače magnetické ale také i optické, u kterých se jako zdroje záření používá laser. Tyto optické snímače mají v některých případech paměť, která je využívána k nastavení tolerancí. Optických snímačů se využívá také jako bezpečnostních prvků, kdy z nich můžou být tvořeny celé sítě paprsků nebo jako jednoduché snímače polohy prstů obsluhy stroje. Provedení jednotlivých snímačů je na vysoké úrovni jak po stránce kvalitativní, tak po stránce rozměrové. Snímače jsou často zapouzdřeny v jednom pouzdře spolu s elektronikou na zpracování signálu. Pro přenos dat se využívá zejména kabelového spojení pomocí různých protokolů, jako je RS 422 nebo především v automobilovém průmyslu využívaná sběrnice CAN. Pokud bychom chtěli přenášet signál na velké vzdálenosti a zároveň snížit riziko rušení je vhodné použít optický kabel. Ten však nelze použít vždy, hlavně pro to že je náchylný k mechanickému poškození a nedá se lehce opravit. Základní principy snímačů se vesměs nemění, ale dají se vylepšovat. Díky konkurenčnímu boji je dosahováno velké spolehlivosti ale také přesnosti za příznivou cenu. V zemědělství mají tyto snímače široké uplatnění. Od snímání množství hmoty v silech po využití v mobilní a stacionární technice. Dochází díky nim k přesnější a tím i efektivnější práci. Také v jiných odvětvích se kvůli zefektivnění práce používají automatické linky, u kterých se snímače polohy používají.
32
6
Seznam literatury 1. ZEHNULA, K. Čidla robotů. 1. vyd. Praha: SNTL, 1990. 370 s. Automatizace a robotizace. ISBN 80-03-00563-9 2. http://automatizace.hw.cz/ 3. http://hw.cz/Rozhrani/ART1111-CAN---popis-struktury.html 4. http://automatizace.hw.cz/co-se-skryva-pod-oznacenim-plc 5. http://automatizace.hw.cz/mereni-a-regulace/ART199-proudova-smycka420ma.html
7
Seznam obrázků
Obr. 2.1 Obr. 2.2 Obr. 2.3 Obr. 2.4 Obr. 2.5 Obr. 2.6 Obr. 2.7 Obr. 2.8 Obr. 2.9 Obr. 2.10 Obr. 2.11 Obr. 2.12 Obr. 2.13 Obr. 2.14 Obr. 2.15 Obr. 2.16 Obr. 2.17 Obr. 2.18 Obr. 2.19 Obr. 2.20 Obr. 2.21 Obr. 2.22 Obr. 2.23 Obr. 2.24 Obr. 2.25 Obr. 2.26 Obr. 2.27 Obr. 2.28
Konstrukce kontaktů Jazýčkový kontakt Odporový snímač lineární Indukční snímač s proměnnou vzduchovou mezerou Indukční snímač s proměnnou plochou vzduchové mezery Indukční snímač s otevřeným magnetickým obvodem Indukční snímač s potlačeným polem Indukční snímač s potlačeným polem jednoduchý Indukční snímač s potlačeným polem diferenční Indukční snímač bez feromagnetika Indukční snímač pro velké výchylky Induktosin Princip Hallova jevu Hallův článek v poli permanentního magnetu Kondenzátor s proměnlivou mezerou Kondenzátor se souosím uspořádáním Zpětnovazební zapojení kapacitního snímače Transformátorový můstek Velkoplošná fotodioda Fotodioda pro měření dvou souřadnic s odporovou vrstvou na jedné straně Fotodioda pro měření dvou souřadnic s odporovou vrstvou na obou stranách Prosvětlovací snímač Prosvětlovací snímač kruhový Fluidikový snímač odporový Fluidikový snímač proudový Fluidikový snímač proudový pro měření úhlové výchylky Fluidikový snímač proudový s plošným uspořádáním proudu Fluidikový snímač proudový s vírovým proudem
33
