Snímače – výběr a důležitost automatizační technologie

Shromažďování dat je ústředním aspektem moderních zařízení, zejména v kontextu digitalizace a Průmyslu 4.0. Senzory to umožňují. Poskytují vstupní data a monitorují a přizpůsobují procesy. Ale jaké typy senzorů existují? Jak lze vybrat správný snímač pro konkrétní aplikaci? Tento článek představuje fungování a možné aplikace pro různé senzory a kritéria výběru pro nalezení správného senzoru.

Co jsou to senzory?

Senzorové systémy se zabývají používáním senzorů pro měření a řízení změn, např. v technických systémech. Senzory získávají různé měřené veličiny, které mohou být kvalitativní a také kvantitativní povahy. Měřené veličiny mohou být chemické (např. hodnota pH), biologické (např. přítomnost enzymů) nebo fyzické (např. teplota, vlhkost, proud). Snímače, také nazývané detektory, převodníky nebo sondy, převádějí vstupní signál na výstupní signál. Vstupní signál obvykle není elektrická metrika, zatímco výstupní signál je elektrický signál, jako je proud nebo napětí.

Více informací o metrologii najdete v našem článku: Technologie měření – kontrola kvality pomocí měřicích metod.

Jak to funguje

Snímače pracují v systému společně s regulátory. Signály ze snímačů jsou obvykle přesměrovány do řídicí jednotky, která analyzuje a vyhodnocuje data odpovídajícím způsobem a podle potřeby odesílá příkazy do regulátorů. Regulátory pak implementují pokyny fyzickým jednáním. Například signál je odeslán do regulátoru, pokud je teplota ve skladu příliš vysoká. Regulátorem může být ohřívač, jehož nastavená hodnota je nyní snížena, aby se místnost mohla ochladit na požadovanou teplotu.

Typy senzorů

Existují aktivní a pasivní senzory. Metoda akvizice měřené veličiny určuje, zda je senzor aktivní nebo pasivní. Samotné aktivní senzory (aktivně) generují signál pro získání měřené veličiny. Stanovená data jsou pak výstupním signálem. Obecně platí, že ke generování signálu pro získání měřené veličiny je nutný napájecí zdroj. Typické příklady aktivních senzorů jsou: Laserové měřiče vzdálenosti, IR detektory pohybu nebo ultrazvukové snímače.

Pasivní senzory negenerují aktivní signál pro získání dat měření měřené veličiny. Obsahují pasivní prvky, jejichž vlastnost (např. vodivost) se mění v reakci na měřenou veličinu (např. teplotu). Napájecí zdroj pro generování signálu potřebného pro měření proto není nutný. K zaznamenání změny je však zapotřebí pomocné napájení, protože vstupní a výstupní signál je porovnáván pro stanovení výsledků měření. Pasivní senzory se instalují relativně často, protože jsou vhodné pro pořizování statických měření. Mezi příklady pasivních senzorů patří: PIR (pasivní infračervené) snímače, odporové teploměry nebo tenzometrická měřidla.

Snímače jsou dále na základě typu výstupního signálu rozděleny mezi přepínací a měřicí. Měřicí senzory nepřetržitě zaznamenávají fyzické nebo jiné hodnoty a poskytují datové záznamy pro podrobné monitorování procesů. Přepínací senzory na druhou stranu detekují, kdy se měřená veličina odchyluje od cílové hodnoty, a aktivně reagují přepnutím výstupu, který např. spouští regulátor.

Senzory mohou být dále rozděleny s ohledem na jejich provozní princip nebo princip měření, například:

• Mechanické: Reakce na mechanický pohyb (např. vychýlení), příklad: Snímače tlaku.
• Odporové: Reagují při změně elektrického odporu, například: Tenzometrická měřidla.
• Termoelektrické: Reagují, když existují rozdíly v teplotě, které jsou převedeny na elektrickou energii, například: Snímače teploty.
• Piezoelektrické: Reagují přeměnou tlaku na elektrickou energii, například: Piezokeramika v ultrazvukových snímačích.
• Indukční nebo elektromagnetické: Reagují na změnu magnetického toku, například: Snímače rychlosti.
• Kapacitní: Reagují na změny kapacitance, například: Snímače vlhkosti.
• Optické: Reagují/zaznamenávají světlo nebo jiné optické jevy, například: Světelné bariéry, fotoelektrické snímače.
• Akustické: Reagují na zvukové vlny, například: Měřič hladiny hluku.
• Chemické: Reagují na chemické změny, například: snímače pH.

Nyní se podrobně podíváme na provozní principy některých vybraných senzorů:

Indukční snímače

Indukční snímače obsahují cívku, přes kterou proudí proud. Pro měření ve směru měření je generováno elektromagnetické pole. Poté je zaveden obrobek nebo materiál, který způsobuje změnu magnetického pole a vyvolává napětí v cívce. Obvod toto napětí detekuje a generuje odpovídající signál. Indukční snímače fungují pouze s magnetickými obrobky/materiály.

Kapacitní snímače

Kapacitance uvádí, kolik náboje mohou absorbovat dvě elektricky vodivá tělesa, která jsou od sebe oddělena izolačním médiem, když je aplikováno napětí. Tato kapacitance se mění jako funkce měřené veličiny.

Kapacitní senzor se skládá ze dvou elektrod, mezi nimiž je vytvořeno elektrické pole. Posledně jmenované se změní, když se přiblíží objekt; senzor bezkontaktním způsobem detekuje materiál v aktivní zóně. Poté převede elektrické pole na elektrický signál.

Senzory přiblížení

Senzory přiblížení detekují, když jsou v jejich blízkosti předměty nebo osoby. Vysílají paprsek nebo pole a poté měří změny v paprsku nebo poli odražené objektem nebo osobou.   To jim umožňuje odhadnout vzdálenosti a spustit příslušný spouštěč. V průmyslu mohou senzory například detekovat přítomnost obrobků na pásech dopravníku a řídit odpovídající provozní procesy.

Výběr snímačů: Kdy používat jaký senzor?

Při výběru senzorů je třeba vzít v úvahu některé předběžné aspekty. Protože jsou snímače v automatizačních systémech integrovány přímo do řídicích systémů, musí uživatel například ověřit, zda jsou k dispozici požadovaná rozhraní. Rozhraní mohou být například:

• Analogová rozhraní, jako jsou analogové výstupy a vstupy
• Digitální rozhraní jako TTL, RS-232, SPI
• Bezdrátová rozhraní, jako je Wi-Fi
• Integrované nebo externí zpracování signálu

Při výběru vhodného snímače hrají roli také podmínky prostředí. Je senzor vystaven extrémním teplotám? Nebo vibracím? Například ve vlhkém prostředí by měl být snímač vodotěsný bez ohledu na typ a v případě potřeby by měl mít odpovídající stupeň ochrany, například IP67. V prostředí s agresivními chemikáliemi musí být materiál použitý na pouzdra a těsnění vůči těmto chemikáliím odolný.

Identifikace správného senzoru krok za krokem

Následující seznam obsahuje souhrn nejdůležitějších kroků pro výběr senzoru:

• Určete měřenou veličinu a rozsah měření: Jaká fyzikální veličina se má měřit a je maximální a minimální očekávaná hodnota pokrytá měřením a/nebo dokáže senzor také vydržet maximální hodnoty?
• Určení přesnosti: Vztahují se na přesnost vyšší nebo nižší požadavky?
• Proveďte analýzu podmínek prostředí: Za jakých podmínek se snímač používá? Vyskytují se extrémy z hlediska teploty, vlhkosti, vystavení prachu atd.? Je senzor vystaven chemikáliím?
• Vyberte výstupní formát a rozhraní: Zde hraje roli celý řídicí systém: Jaký typ signálu lze zpracovat (např. analogový nebo digitální)?
• Zvažte konkrétní použití: Existují nějaké zvláštní požadavky, které vyplývají z konkrétní aplikace? Platí zvláštní normy? (viz také Bezpečnostní normy ve strojírenství). Například senzory v čistých prostorách musí splňovat zvýšené požadavky na čisté prostory. Je také možné, že snímač je nainstalován na obtížně přístupném místě, a proto by měl být obzvláště nízkoúdržbový a odolný. Senzory lze také použít pro kontrolu kvality a musí splňovat určitá kritéria, viz také článek Technologie měření – kontrola kvality pomocí měřicích metod.
• Doba odezvy: Jak rychle musí senzor reagovat na měnící se podmínky?
• Dodržujte prostorové požadavky: Lze snímač snadno integrovat do stávajícího systému a je k dispozici dostatek místa?
• Upínací prvky, standardizované kolejnice na senzory nebo držáky senzorů mohou být také užitečné pro optimalizovanou integraci senzoru do stávajících systémů.

Můžete se také nechat inspirovat naším výběrem senzorů.

Snímače v automatizačních technologiích: Chytré senzory

Neustávající vývoj snímačů byl také výrazně ovlivněn digitalizovanou výrobou v kontextu Průmyslu 4.0. Hlavními složkami tohoto systému jsou tzv. chytré senzory. Tyto snímače jsou základním kamenem pro monitorování a řízení průmyslových procesů. V celkovém systému pohonů a ovládacích prvků poskytují inteligentní snímače strojům veškeré informace, které potřebují k tomu, aby byla výroba efektivnější a přesnější. Automatizační technologie se v důsledku toho stávají stále autonomnějšími.

Dnešní senzory mají tak vysoké rozlišení, rychlost a malou velikost, takže je lze použít přímo v oblastech, kde vznikají fyzické efekty. Přebírají mnoho funkcí ve špičkovém vybavení. Neodpovídají pouze za měření dat, ale nyní dokáží také provádět vlastní diagnostiku, komunikaci a úlohy zpracování signálu. Senzory mohou detekovat a opravit abnormality dříve, než se stanou problémem ve výrobě. Tento proces se nazývá zpracování řízené senzorem. Další podrobnosti naleznete v našem článku na blogu Počítačové řídicí systémy – Co je vlastně CNC?