Zastosowanie, montaż i ochrona
|
|
Nawet najnowocześniejsze maszyny, podobnie jak ludzie, nie są doskonałe i niejednokrotnie nawet mały błąd w ich funkcjonowaniu może być przyczyną większej awarii, generując dodatkowe koszty związane z serwisem i utrzymaniem ruchu np. całej linii produkcyjnej. Dlatego tak istotne jest monitorowanie stanu maszyn i kontrola prawidłowości przebiegu wszystkich operacji i procesów realizowanych na liniach produkcyjnych. Nieoceniona okazuje się tu pomoc niewielkich zwykle czujników fotoelektrycznych, budowanych w oparciu o coraz nowsze technologie, zapewniające wysoką precyzję monitoringu, przy stosunkowo niskich kosztach realizacji całego systemu kontroli, instalowanego bezpośrednio na maszynach i urządzeniach linii produkcyjnych.
Czujniki fotoelektryczne wykorzystuje się w automatyce przemysłowej już od z górą 60 lat. To elementy działające na zasadzie detekcji promieni światła widzialnego i niewidzialnego lub też reagujące na zmiany intensywności światła. Od momentu gdy zaczęto je wykorzystywać na liniach produkcyjnych jako moduły wykrywające ruch przetwarzanych czy wytwarzanych elementów, zliczające elementy przesuwające się w określonych obszarach linii, stały się one bardzo istotnym elementem monitoringu procesów produkcyjnych, dostarczającym niezwykle ważne dane o przebiegu całej produkcji. Jednakże dość szybko zauważono, że takie czujniki nie mogą być używane we wszystkich tego typu aplikacjach, gdyż w różnych warunkach cechują się różnym poziomem dokładności i szybkości detekcji.
Dzięki postępującej w elektronice miniaturyzacji współczesne czujniki fotoelektryczne charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami fizycznymi i technicznymi, przy niewielkich rozmiarach. Dzięki temu są znacznie łatwiejsze w montażu, nawet w trudno dostępnych miejscach i w licznych aplikacjach dotychczas dla nich niedostępnych, a przy tym są zwykle tańsze od swoich odpowiedników z poprzednich generacji. To znaczące osiągnięcia, jednak największy postęp dokonał się w konstrukcji samych czujników i technologii stosowanych w nich elementów detekcyjnych. Dlatego też warto przyjrzeć się tej kwestii, gdyż tu najwyraźniej widać, jak współczesne czujniki przewyższają czujniki oferowane wcześniej na rynku dla aplikacji przemysłowych.
Detekcja cieczy w maszynach butelkujących
Najnowszym zastosowaniem czujników fotoelektrycznych są aplikacje na liniach produkcji napojów, płynów butelkowanych, w szczególności do wykrywania obecności oraz poziomu płynów w butelkach. Jednak wraz ze wzrostem popularności aplikacji butelkowania czystej wody mineralnej, stosowanie czujników fotoelektrycznych stało się bardziej kłopotliwe; ze względu na niską kontrastowość tego typu cieczy bardzo trudne jest rozróżnienie wody od struktury samej butelki, w związku z czym aplikacje te stanowią obecnie największe wyzwanie technologiczne konstrukcji odpowiednich czujników. Trudności stwarzają również inne aplikacje w przemyśle produkcji napojów i płynów. Na przykład wykrycie poziomu płynu w butelkach nieprzezroczystych czy częściowo opakowanych wymaga zastosowania specjalnych metod detekcji oraz zwykle silniejszego sygnału z czujnika. Wówczas stosuje się dodatkowe wzmacniacze, podobnie jak przy pracy czujników w środowisku zabrudzonym czy o ograniczonej przejrzystości. W przypadku zbyt słabego sygnału czujnika w takich aplikacjach może się pojawić przekłamanie lub nawet brak odczytu, jednak podobny efekt może mieć również nadmierne wzmocnienie sygnału, który przejdzie przez wykrywane środowisko bez np. załamań i wykrycia obecności wody czy soku.
Zatem projektowanie czujników dla tego typu aplikacji wymaga nowego podejścia do formowania wiązki świetlnej dla czujników fotoelektrycznych. Na przykład przy wykorzystaniu wiązki podczerwonej o długości fali 1450 nm woda może wchłonąć z niej ponad 1000-krotnie większą energię niż w przypadku fal światła widzialnego. W efekcie powstaje aplikacja czujnika o wysokim kontraście, z możliwością detekcji czystej wody w butelkach, bowiem wiązka wysłana w kierunku detektora w cieczy tej ulega znacznemu „wchłonięciu”, dzięki czemu możliwe jest precyzyjne stwierdzenie jej obecności i poziomu. To samo rozwiązanie technologii czujnika fotoelektrycznego sprawdza się doskonale w aplikacjach detekcji cieczy, płynów w zbiornikach czy butelkach zamrożonych lub kolorowych. Tu podobnie jak we wspomnianej wcześniej aplikacji, dobrze „przygotowana” wiązka świetlna zapewnia wysoki kontrast detekcji cieczy obecnej w zbiorniku czy butelce. Identyfikowane mogą być również inne substancje o odpowiednich parametrach nieprzezroczystości.
Detekcja niewielkich obiektów z dużej odległości
Wykrycie i identyfikacja bardzo małych elementów, np. na poruszającym się obiekcie i przy dużej odległości od czujnika, jest zwykle nie lada wyzwaniem dla technologii czujników fotoelektrycznych. W wielu jednak aplikacjach instalacja czujników w bezpośredniej bliskości obserwowanych obiektów nie jest możliwa np. ze względów czysto praktycznych – ograniczenie przestrzenne, brak miejsca na montaż, wysoki poziom zaburzeń elektromagnetycznych, występowanie iskier i drobinek rozpryskowych od spawania i inne. Wówczas jedynym rozwiązaniem jest instalacja czujników w bezpiecznej odległości od obsługiwanego procesu, tak jednak, by identyfikowane obiekty znajdowały się w zasięgu wiązki świetlnej. Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów czujników do tego typu aplikacji, jednak w praktyce najczęściej spotykane są moduły z widoczną (czerwoną) wiązką laserową. Wykrywają one przedmioty i substancje znajdujące się w zdefiniowanej strefie czułości, całkowicie ignorując obiekty pojawiające się poza nią. Wyeliminowanie wpływu tła na dokładność pracy czujnika pozwala na jego stosowanie w wymagających aplikacjach, tam gdzie niemożliwe jest użycie układów nadawczo-odbiorczych lub z wykorzystaniem odbicia fal. Promień lasera jest znacznie węższy od alternatywnych promieni generowanych przez układy LED, co czyni tego typu czujniki idealnym rozwiązaniem w detekcji niewielkich obiektów, a widoczność wiązki świetlnej sprzyja dobremu ustawieniu i skalibrowaniu, przy znacznych odległościach czujnika od wykrywanych obiektów.
Czujniki do zadań specjalnych
Dla większości współczesnych czujników fotoelektrycznych woda i chemikalia nie są już tak wielkim zagrożeniem, jak to bywało w latach poprzednich, kiedy czujniki dedykowane do takich aplikacji musiały być traktowane w szczególny sposób, włącznie ze stosowaniem specjalistycznych osłon lub usuwaniem z miejsca montażu, na czas prowadzenia prac np. związanych z czyszczeniem maszyn itp. Obecnie znane są już i stosowane odpowiednie techniki konstrukcji czujników dedykowanych do pracy przy obecności wody i różnorodnych środków chemicznych, a ponadto odpornych na wysokie temperatury, kurz i inne zabrudzenia mechaniczne. Podstawowym elementem jest tu wysoka klasa szczelności obudów czujników pracujących w warunkach wysokiej wilgotności, dlatego też większość współczesnych tego typu elementów realizowanych jest w klasie szczelności IP 67, 68, a nawet IP 69K. Najwyższą wartością pierwszej cyfry w tym oznaczeniu jest 6 – co implikuje całkowitą odporność na kurz i inne rodzaje zabrudzeń, występujące zwykle w środowisku przemysłowym. Cyfra druga wskazuje na odporność obudowy na przenikanie wilgoci i wody; IP 67 – odporność na okresowe zanurzenie w wodzie (np. na okres 30 minut, na głębokość do 1 m); IP 68 – odporność na zanurzenie długookresowe i przy większych ciśnieniach, IP 69K – obudowy specjalizowane do zastosowań w aplikacjach sanitarnych – odporność na wysokie ciśnienia i polewanie strumieniami wody o bardzo wysokim ciśnieniu (ok. 8 MPa, 82 atm). Innym rozwiązaniem, zapewniającym wysoki poziom odporności czujników fotoelektrycznych na działania czynników zewnętrznych w środowisku przemysłowym, jest ich przyklejanie lub całkowite zalewanie w żywicy perfluoroalkoksylowej (PFA). Materiał ten cechuje się wysoką odpornością na działanie wszelkich kwasów obecnych w przemysłowych substancjach chemicznych, jak również żrących środków chemicznych, stosowanych w czyszczeniu maszyn, urządzeń itp. Powłoka żywiczna przylega ściśle do powierzchni obudowy czujnika, chroniąc go również przed korozją i kontaktem z wilgocią.
Kolejnym istotnym czynnikiem oddziałującym na czujniki fotoelektryczne jest wysoka temperatura, która może doprowadzić do bezpośredniego uszkodzenia elementu przetwornika. Dlatego też w takich środowiskach zwykle stosuje się tzw. czujniki zdalne – korzystające ze światłowodów i zewnętrznych modułów wzmacniaczy. Światłowody są bowiem odporne na działanie wysokich temperatur, wilgoci, zaburzeń elektromagnetycznych, wibracji i uderzeń mechanicznych. Współpracują one z modułami wzmacniającymi, umieszczonymi zwykle w bezpiecznej odległości od groźnego środowiska (np. w szafach sterowniczych), przetwarzającymi sygnał pomiarowy. Tego typu rozwiązania doskonale sprawdzają się również w strefach zagrożenia wybuchowego i innych, szczególnie niebezpiecznych.
Wspomniany wcześniej system stopni ochronności obudów urządzeń – IP, wskazuje, jaki jest ich poziom odporności na działanie różnych czynników zewnętrznych (wilgotność, cząstki stałe itp.), jednakże w niektórych przypadkach w środowiskach, gdzie jednocześnie i silnie oddziałuje na czujnik kilka rodzajów czynników środowiskowych, w połączeniu z wysoką temperaturą, nawet urządzenia o bardzo wysokim stopniu ochronności IP mogą działać nieprawidłowo. Przyczyną takiego stanu są zaburzenia elektromagnetyczne i tłumienie sygnału pomiarowego z czujnika. Wówczas jedynym rozwiązaniem jest zastosowanie czujników o znacznie wyższych parametrach sygnału wyjściowego oraz wiązki fal detekcyjnych, która będzie miała możliwość dotarcia do obserwowanych obiektów. Najlepiej sprawdzają się tu czujniki, w których nadajnik i odbiornik fali umieszczone są w osobnych obudowach, naprzeciw siebie.
Wykorzystanie fal ultrafioletowych
W przykładzie omawianym wcześniej w tekście fala podczerwieni o dł. 1450 nm wykorzystana była w detekcji przezroczystej wody w przezroczystej butelce. Jeszcze bardziej jednak wymagającą aplikacją jest wykrycie lub identyfikacja przezroczystego materiału na innej, nieprzezroczystej powierzchni o określonym kolorze. Dla niektórych takich materiałów dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie czujników luminescencyjnych UV, które mają możliwość detekcji substancji-luminoforów, stanowiących składnik niektórych produktów petrochemicznych (lub też luminoforów celowo dodanych do wybranych substancji) oraz detekcji wcześniej naniesionych na powierzchnię przedmiotów znaków fluorescencyjnych. W momencie gdy wiązka promieni UV padnie na znak luminescencyjny, „pobudza” elektrony na luminoforze, wskutek czego emitowane jest światło widzialne, które z kolei prowadzi do wygenerowania sygnału z czujnika potwierdzającego detekcję. Typowymi aplikacjami dla tego rodzaju czujników są: nadzór nad procesami produkcji tarcicy, desek itp., detekcja różnego rodzaju plomb i oznaczeń towarowych – niewidocznych ludzkim okiem, detekcja wycieków różnych substancji chemicznych i inne.
Czujniki fotoelektryczne we współczesnych aplikacjach przemysłowych spełniają bardzo ważną rolę. Ich znaczenie wzrosło wraz z poprawą technologii konstrukcji samych detektorów, jak również obudów i elementów montażowych, zwiększeniem niezawodności transmisji sygnałów z czujników do modułów koncentratorów lub sterowników itd. W efekcie tych działań współczesne czujniki fotoelektryczne to elementy o wysokim poziomie niezawodności i precyzji, przy stosunkowo niewielkich kosztach zakupu i montażu w aplikacjach przemysłowych. Skutecznie wpływają one na możliwości zwiększenia wydajności i dokładności produkcji lub procesów przetwórczych w przemyśle.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza – AGH Kraków
Autor: Greg Knutson – Banner Engineering
