Jakie są rodzaje czujników?

Aby odpowiednio zarządzać procesem produkcyjnym, niezbędne jest wykonywanie precyzyjnych pomiarów. W zautomatyzowanych systemach kontrola parametrów danych obiektów odbywa się stale i automatycznie. Potrzebne jest jednak dobranie odpowiedniego rodzaju czujników do planowanego zastosowania. Najczęściej wykorzystuje się pomiar dyskretny, czyli cyfrowy. Na czym to polega? Jakie typy czujników są najpopularniejsze?

Rola czujników w automatyce

Czujniki przemysłowe stanowią ważny element systemów automatyki. Ich zadaniem jest wykrywanie i rejestrowanie zmian, które są istotne z punktu widzenia algorytmu sterowania. Zaawansowane, inteligentne detektory są połączone z siecią o minimalnych opóźnieniach, aby w czasie rzeczywistym dostarczać niezbędne dane.

Za pomocą różnych rodzajów czujników można mierzyć między innymi:

• pozycję,
• długość,
• wysokość,
• przemieszczenia,
• właściwości fizyczne i chemiczne,
• zmiany natężenia prądu elektrycznego,
• obecność gazu,
• obecność metali,
• obecność płomienia,
• ruch,
• bliskość.

Wykorzystując czujniki, można de facto zmierzyć wszelkie parametry, które są istotne z punktu widzenia danego procesu przemysłowego. W tym celu wykorzystuje się różnego typu technologie, w tym:

• indukcyjną,
• magnetyczno-rezystancyjną,
• ultradźwiękową,
• optyczną,
• pojemnościową.

Wyżej wymienione typy wskazują również na podstawowy podział czujników na poszczególne rodzaje ze względu na metodę działania.

Bardzo istotną kwestią z punktu widzenia procesów przemysłowych jest to, aby czujniki mogły działać w różnorodnych środowiskach – czasami w ekstremalnych warunkach, jeśli wymaga tego stosowana technologia. Detektory muszą być więc przede wszystkim odporne na bardzo wysokie lub bardzo niskie temperatury, wilgotność i wibracje.

Dobieranie czujnika do zastosowania

Nawet najbardziej precyzyjny czujnik nie spełni swojej funkcji, jeśli nie będzie prawidłowo dobrany do swojego zastosowania. Podczas doboru należy wziąć pod uwagę kilka istotnych kryteriów, czyli między innymi:

• zasięg działania detektora,
• histerezę (czyli opóźnienie reakcji na czynnik zewnętrzny),
• częstotliwość przełączania,
• parametry zasilania,
• typ i liczbę wejść,
• przeznaczenie i stopień ochrony.

Szczególną uwagę warto zwrócić na ostatni aspekt, ponieważ bardzo często jest on pomijany podczas projektowania systemów. Stosując czujnik do pracy w agresywnym środowisku, nie można również zapominać o przewodzie zasilającym, który musi cechować się wysoką odpornością. Ważne jest, aby właściwie dobrać materiał, z którego został on wykonany. Powinien cechować się on na przykład podwyższoną odpornością na oleje, lub być przeznaczony do pracy w danym zakresie temperatur. To wszystko ma wpływ na pracę i odporność czujnika.

Rodzaje czujników

Poniżej zostały przedstawione najczęściej wykorzystywane typy czujników. Takie detektory znajdują zastosowanie w wielu różnych branżach: w przemyśle spożywczym, motoryzacyjnym czy energetycznym. Ich dobór powinien być zawsze uzależniony od konkretnych potrzeb, a parametry dopasowane do czynników zewnętrznych, które są najistotniejsze z punktu widzenia procesu produkcyjnego.

Czujniki zbliżeniowe

Takie detektory występują w kilku wariantach. Wyróżnia się czujniki zbliżeniowe:

• optyczne,
• ultradźwiękowe,
• indukcyjne,
• pojemnościowe.

Składają się one z głowicy, wzmacniacza, obwodu detektora i obwodu wyjściowego. Służą do wykrywania kontaktu fizycznego i obecności lub nieobecności danego obiektu. Najczęściej wykorzystywanym rodzajem czujników zbliżeniowych są elementy działające na zasadzie indukcji. Detektor sygnalizuje obecność żelaza, dlatego najskuteczniej wykrywa przedmioty, które go zawierają. Warto zwrócić uwagę, że czujniki, które nie zostały wyposażone w osłonę, mają większy zasięg. Zawsze jednak należy dopasować ten aspekt do określonych potrzeb.

Do wykrywania obiektów niezawierających w składzie żelaza wykorzystuje się pozostałe typy detektorów zbliżeniowych. Są one jednak rzadziej stosowane.

Czujniki położenia i prędkości

Pomiary wykonywane za pomocą takich detektorów są niezbędne wszędzie tam, gdzie wykorzystuje się pętle sprzężenia zwrotnego, pozycjonowanie i sterowanie prędkością. Najprostszym rodzajem takich czujników są potencjometry, które służą do określania odległości i położenia obiektu w ruchu obrotowym lub liniowym.

Bardziej specjalistycznymi czujnikami są przetworniki obrotowo-impulsowe. Zamieniają one ruch obrotowy na sygnały, które pozwalają określić dokładne położenie kątowe, liczbę obrotów czy prędkość obrotową. Można wyróżnić enkodery inkrementalne (przyrostowe) i absolutne. Różnica polega na tym, że enkoder absolutny pozwala zapamiętywać aktualną pozycję nawet po wyłączeniu napięcia zasilania.

Kolejnym przykładem są tachometry, które znajdują zastosowanie w systemach zautomatyzowanych, gdzie wraz z układami autoregulacji odgrywają ważną rolę w wielu gałęziach przemysłu. Tachometr mierzy prędkość obrotową tarczy lub wału w dowolnej maszynie. To urządzenie wykorzystuje skalibrowane pokrętło analogowe do wyświetlania obrotów na minutę (RPM), choć wyświetlacze cyfrowe stają się coraz bardziej powszechne.

Wśród czujników położenia i prędkości można wyróżnić także enkodery optyczne. Są one powszechnie używane do dostarczania informacji zwrotnej o położeniu siłowników. Czujniki te są wykonane ze szklanego lub plastikowego dysku obracającego się między źródłem światła (LED) a parą fotodetektorów. Obroty dysków wytwarzają impulsy, które są zliczane, by określić pozycję obrotową.

Kontraktrony

Kontaktrony to czujniki magnetyczne. Są prostymi, ale bardzo użytecznymi urządzeniami mającymi szeroki zakres zastosowania. Składają się z dwóch elementów: magnesu oraz czujnika kontaktronowego. W momencie, gdy magnes oddziałuje na czujnik, styki znajdujące się w czujniku zwierają się, natomiast gdy czujnik oddali się od magnesu, styki się rozwierają i następuje rozwarcie obwodu.

Takie detektory są powszechnie stosowane w systemach alarmowych oraz automatyce budynków Podstawowym zadaniem kontaktronów jest w tym przypadku dostarczanie informacji o tym, czy okna lub drzwi są zamknięte, czy otwarte. Odbywa się to w ten sposób, że jedną część (magnes) montuje się na skrzydle okna lub drzwi, natomiast drugą część (czujnik kontaktronowy) w ramie. Jeśli okno lub drzwi zostaną otwarte, kontraktron wyśle sygnał, który może być przekazany użytkownikowi na przykład za pomocą aplikacji wykorzystywanej do obsługi domu inteligentnego.

Czujniki temperatury i wilgotności

To bardzo popularny typ detektorów. Informacje na temat warunków zewnętrznych, takich jak poziom wilgotności czy temperatury, są niezbędne w wielu branżach – od sterowania systemami ogrzewania budynków po zaawansowane procesy technologiczne. Bardzo często czujniki temperatury i wilgotności są ze sobą połączone. W zależności od tego, gdzie się je stosuje, wykorzystuje się różne typy detektorów. Do najbardziej popularnych należą:

• termometry,
• termopary,
• rezystancyjne czujniki temperatury (RTD),
• termistory,
• czujniki wykorzystujące podczerwień.

Zasada ich działania opiera się na zbieraniu informacji związanych z temperaturą z określonego źródła, a następnie przetwarzaniu ich w postać możliwą do odczytania przez obserwatora lub dowolne urządzenie.

Takie detektory wykorzystuje się między innymi w przemyśle, gdzie wykrywają ewentualne przegrzanie, które mogło wystąpić i podejmują działania naprawcze w celu jego zatrzymania bez interwencji człowieka.

Inne rodzaje czujników

Wymienione rodzaje czujników to jedynie część bardzo szerokiej grupy detektorów wykorzystywanych w wielu branżach. Pomiary danych czynników są niezbędne praktycznie wszędzie – od zastosowań codziennych (np. termometr domowy lub licznik obrotów w pojeździe) po bardzo wymagające dziedziny, w których detektory muszą dostarczać niezwykle szczegółowych danych.

Oprócz opisanych typów czujników warto wspomnieć także o detektorach:

• przyspieszenia i akceleracji,
• monitorowania drgań,
• ciśnienia,
• siły.