Grundlagen1-Loesungen_e ab

Mechatronika
Moduł 6: Systemy i funkcje
mechatroniczne
Instrukcja
(Koncepcja)
Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej
Błażejewski
Politechnika Wrocławska, Instytut
Technologii Maszyn i Automatyzacji,
Wrocław, Polska
Matthias Römer
Uniwersytet Techniczny w Chemnitz,
Instytut Obrabiarek i Procesów
Produkcyjnych
Projekt UE Nr 2005-146319 „MINOS“, Realizacja od 2005 do 2007
Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji
Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji
przemysłowej.
Ten projekt został zrealizowany przy
wsparciu finansowym Komisji Europejskiej.
Projekt lub publikacja odzwierciedlają
jedynie stanowisko ich autora i Komisja
Europejska nie ponosi odpowiedzialności za
umieszczoną w nich
zawartość
www.minos-mechatronic.eu
Partners for the creation, evaluation and dissemination of the MINOS and the MINOS**
project.
- Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production
Processes, Germany
- np – neugebauer und partner OhG, Germany
- Henschke Consulting, Germany
- Corvinus University of Budapest, Hungary
- Wroclaw University of Technology, Poland
- IMH, Machine Tool Institute, Spain
- Brno University of Technology, Czech Republic
- CICmargune, Spain
- University of Naples Federico II, Italy
- Unis a.s. company, Czech Republic
- Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic
- Tower Automotive Sud S.r.l., Italy
- Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany
- Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany
- Euroregionala IHK, Poland
- Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen
- Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland
- Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary
- Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary
- Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary
- Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany
- Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden
Zawartość Szkolenia
Minos:
moduły 1 – 8 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla):
Podstawy/ Kompetencje międzykulturowe, zarządzenie projektem/ Fluidyka / Napędy
Elektryczne i Sterowanie / Elementy Mechatroniki/ Systemy i Funkcje Mechatroniki/
Logistyka, Teleserwis, Bezpieczeństwo/ Zdalne Zarządzanie, Diagnostyka
Minos **:
moduły 9 – 12 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla):
Szybkie Prototypowanie / Robotyka/ Migracja/ Interfejsy
Wszystkie moduły dostępne są w następujących językach:
Polski, Angielski, Hiszpański, Włoski, Czeski, Węgierski i Niemiecki
W celu uzyskania dodatkowych informacji proszę się skontaktować z
Chemnitz University of Technology
Dr.-Ing. Andreas Hirsch
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz
phone: + 49(0)371 531-23500
fax: + 49(0)371 531-23509
e-mail: [email protected]
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch or www.minos-mechatronic.eu
Systemy i funkcje mechatroniczne – Instrukcja
Minos
1
Czujniki indukcyjne
1.2
Konstrukcja podstawowa
Zadanie 1 Co stanowi część aktywną czujnika indukcyjnego?
Część aktywną czujnika indukcyjnego stanowi cewka nawinięta na ferrytowym rdzeniu kubkowym, wytwarzająca zmienne pole magnetyczne. Zadaniem rdzenia kubkowego, o otwartym obwodzie magnetycznym, jest wzmocnienie strumienia magnetycznego cewki oraz skierowanie go w kierunku strefy pomiarowej czujnika.
Jak czujnik indukcyjny ocenia odległość przedmiotu wykrywanego od
cewki?
Układ elektroniczny czujnika określa odległość przedmiotu od cewki,
na podstawie stopnia tłumienia amplitudy i generuje sygnał wyjściowy.
Najczęściej jest to sygnał dwustanowy: obiekt jest w zasięgu czujnika
lub go nie ma. Może tez być to sygnał analogowy, wówczas jest on
odwrotnie proporcjonalny do odległości przedmiotu.
Co to jest histereza?
Histereza jest różnicą odległości, przy której czujnik reaguje na zbliżanie i oddalanie metalu od jego czoła. Wtedy stan wyjścia zmienia się
z OFF na ON lub z ON na OFF. Wartość histerezy zależy od rodzaju i
wielkości czujnika i nie przekracza 20% zakresu pomiarowego.
Dlaczego wskazane jest, aby czujnik indukcyjny posiadał pewną histerezę?
Poza częścią detekcyjną w skład układu elektronicznego czujnika
wchodzi komparator z histerezą i układ wyjściowy. Dzięki histerezie
unika się zakłóceń, które mogłyby się pojawić na wyjściu czujnika w
chwili przełączania oraz w przypadku niestabilnego położenia albo też
drgań wykrywanego przedmiotu oraz zakłóceń wywołanych wahaniami
napięcia zasilania i temperatury otoczenia.
Z jakimi częstotliwościami pracują czujniki indukcyjne?
Generatory LC w czujnikach indukcyjnych wytwarzające zmienne pole
magnetyczne, są generatorami wysokiej częstotliwości (HF) o typowych zakresach 100kHz – 1 MHz. Ze wzrostem średnicy cewki maleje
maksymalna częstotliwość pracy czujnika.
Jak duży może być zasięg działania czujników indukcyjnych i jakie mają one obudowy?
Zasięg działania typowych czujników indukcyjnych nie przekracza
60mm. Czujniki mają zróżnicowane obudowy zarówno cylindryczne
metalowe, jak i prostopadłościenne wykonane z tworzyw sztucznych.
Umożliwia to optymalne zamocowanie czujników w miejscach pomiaru.
3
Systemy i funkcje mechatroniczne – Instrukcja
Minos
Jak charakteryzuje się nominalną strefę działania czujnika?
Nominalna strefa działania czujnika Sn jest zdefiniowana jako odległość od czoła czujnika, przy której następuje przełączenie obwodu
wyjściowego. Właśnie ta wartości podawana jest w danych katalogowych.
Dla jakiego przedmiotu podawana jest w katalogach Nominalna strefa
działania czujnika?
Nominalną strefę działania czujnika wyznacza się zgodnie z Normą EN
60947-5-2, dla kwadratowej płytki stalowej (ST37) o boku równym
średnicy czujnika i grubości 1mm.
Co to jest Rzeczywista strefa działania czujnika?
Rzeczywista strefa działania Sr ustalana jest w procesie wytwarzania
czujnika i może odbiegać nieco od wartości Sn. Zwykle mieści się ona
w przedziale: 0,9Sn ≤ Sr ≤ 1,1Sn.
Co to jest Robocza strefa działania czujnika?
Robocza strefa działania czujnika wyznacza bezpieczny przedział odległości metalu od czujnika, w którym zapewniona jest prawidłowa praca czujnika, niezależnie od ustawionej przez producenta rzeczywistej
strefy działania. Zalecaną strefą jest Strefa robocza Sa ≤ 0.8Sn.
Od czego zależy zakres działania czujnika indukcyjnego?
Zakres działania czujnika zależy od średnicy obudowy, a dokładniej od
średnicy cewki i własności rdzenia ferromagnetycznego. Czujniki w
małych obudowach mają mniejszą strefę działania niż te o większych
gabarytach. Są też wykonania specjalne czujników o zwiększonym zakresie działania.
Jaka rolę odgrywają współczynniki korekcyjne w pomiarach czujnikami
indukcyjnymi??
Materiały takie jak: złoto, miedź czy aluminium, o większej przewodności elektrycznej niż stal St37 mniej tłumią oscylacje obwodu rezonansowego. Te różnice można skompensować zmniejszając odległość
przedmiotu od czujnika. Spowoduje to ograniczenie strefy, w której następuje wykrycie przedmiotu. I tak – jeżeli wykrywanym metalem jest
mosiądz to strefę działania, wyznaczoną dla przedmiotu ze stali St37
należy skorygować mnożąc ją przez współczynnik korekcyjny dla mosiądzu –0,5 x Sn.
Jaki wpływ ma konstrukcja czujnika na jego czułość?
Są dwie podstawowe konstrukcje czujników w obudowach cylindrycznych: osłonięte - cewka jest schowana wewnątrz tulei, i nieosłonięte cewka jest wysunięta i umieszczona w kapturku plastikowym. Czujniki
nieosłonięte (z wysuniętą cewką) charakteryzują się większą czułością
i jednocześnie większą wrażliwością na obecność innych obiektów metalowych w ich otoczeniu niż czujniki osłonięte.
4
Systemy i funkcje mechatroniczne – Instrukcja
Minos
Jakie wymagania powinny być spełnione, gdy czujniki osłonięte montowane są blisko siebie?
Osłonięty czujnik cylindryczny jest niewrażliwy na otaczające go elementy metalowe z wyjątkiem strefy od strony czoła czujnika. Dlatego
czujniki te mogą być osadzane w całości w elementach metalowych.
Wolną strefę od strony czoła czujnika wyznacza odległość 3Sn. Aby
uniknąć wzajemnej interferencji czujników usytuowanych obok siebie
minimalna odległość między nimi powinna być większa od dwóch
średnic czujnika.
Jakie wymagania powinny być spełnione, gdy czujniki nieosłonięte
montowane są blisko siebie?
Nieosłonięty czujnik cylindryczny jest wrażliwy na elementy metolowe
otaczające go z trzech stron. Dlatego czujnik musi być częściowo wysunięty, aby wolna strefa obejmowała również boczne powierzchnie
czujnika. W tym przypadku dla uniknięcia interferencji od sąsiednich
czujników, odległość między nimi powinna być większa niż trzy średnice czujnika.
Co wyraża maksymalna częstotliwość przełączania wyjścia czujnika?
Maksymalna częstotliwość przełączania wyjścia czujnika, podawana w
opisie technicznym każdego czujnika, wyraża liczbę przełączeń wyjścia czujnika w ciągu sekundy. Wyznacza się ja przy cyklicznym wchodzeniu i wychodzeniu przedmiotów wykonanych ze stali St37, z pola
czułości czujnika. Przy jej wyznaczaniu obowiązują ustalone wymagania techniczne, określone przez normę EN 50 010/IEC 60947-5-2.
Jakich należy oczekiwać wartości maksymalnych częstotliwości przełączeń, gdy używa się przedmiotów różnych od płytki wzorcowej?
Wynik pomiaru zawsze będzie zależał od wielkości przedmiotu tłumiącego cewkę, odległości od czoła czujnika i szybkości przedmiotu. Używając przedmiot mniejszy od płytki standardowej, dla określonego sensora, albo stosując mniejszą przerwę między występami, można oczekiwać redukcji maksymalnej częstotliwość przełączania wyjścia.
5
Systemy i funkcje mechatroniczne – Instrukcja
Minos
1.2
Specjalne czujniki indukcyjne
Zadanie 2 Jaka jest zasada pracy indukcyjnego czujnika pierścieniowego
Zasada pracy indukcyjnego czujnika pierścieniowego oparta jest na
oscylatorze wysokiej częstotliwości, który wytwarza elektromagnetyczne pole wewnątrz otworu czujnika. Stosuje się w nich rdzenie toroidalne proszkowe o wyższym współczynniku dobroci od rdzeni ferrytowych. Obecność przedmiotu metalowego aktywuje czujnik powodując
spadek amplitudy oscylacji. Jest to rozpoznawane przez komparator i
po przekroczeniu wartości progowej stan wyjścia jest przełączany.
Czy są ograniczenia dotyczące wielkości przedmiotów wykrywanych
przez indukcyjny czujnik pierścieniowy?
W przypadku zbyt małych przedmiotów poziom wprowadzanego przez
nie tłumienia może okazać się niewystarczający. Z tego powodu dla
każdej wielkości czujnika istnieje minimalna długość lub średnica wykrywanego przedmiotu, poniżej której czujnik może nie działać poprawnie.
Czy są ograniczenia dotyczące wielkości trajektorii, po której porusza
się przedmiot wewnątrz indukcyjnego czujnika pierścieniowego?
Zaletą czujników pierścieniowych jest to, że nie wymagają by wykrywany przedmiot poruszał się dokładnie po tej samej trajektorii. Pierścieniowa aktywna powierzchnia czujnika pozwala wykrywać przedmioty niezależnie od ich orientacji w przestrzeni, np. spadające grawitacyjnie wewnątrz rurki plastikowej.
Jakie mogą być negatywne skutki oddziaływania silnych pól magnetycznych na czujniki indukcyjne?
Umieszczenie czujnika indukcyjnego w strefie działania silnych pól
magnetycznych (np. w pobliżu urządzeń spawalniczych) wiąże się z
ryzykiem niekontrolowanego przełączania stanu wyjścia czujnika. Może to być wynikiem przejścia rdzenia w stan nasycenia lub indukowania się w cewce dodatkowego napięcia. To dodatkowe napięcie zakłóca pracę oscylatora i również może spowodować przypadkowe przełączenie wyjścia czujnika.
Jak można zapobiegać oddziaływaniom silnych pól magnetycznych na
pracę czujników indukcyjnych?
Czujniki odporne na silne pola magnetyczne muszą posiadać specjalną konstrukcję układu elektronicznego oraz rdzeń o małej przenikalności magnetycznej, które nasycają się w strumieniu magnetycznym o
gęstości kilka razy większej niż typowy rdzeń ferrytowy. Najwyższą
odporność na działanie zewnętrznych pól magnetycznych maja czujniki całkowicie pozbawione rdzenia. W takich rozwiązaniach cewki nawinięte są na niemagnetycznych szpulach plastikowych.
6
Systemy i funkcje mechatroniczne – Instrukcja
Minos
Proszę wymienić przykładowe typy czujników przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach.
Mogą to być czujniki odporne na: wysokie ciśnienia, temperatury, środowisko agresywne chemicznie, olej, wilgoć oraz czujniki miniaturowe
do pracy w miejscach trudnodostępnych.
Jakie cechy powinny posiadać czujniki indukcyjne do pracy w warunkach dużych ciśnień?
Czujniki pracujące np. w warunkach dużych ciśnień muszą posiadać
wytrzymałą i szczelną obudowę, aby zapobiec uszkodzeniom wewnętrznych elementów elektronicznych. Cewka i rdzeń czujnika powinny byc chronione grubą tarczą np. ceramiczną, odporną na zużycie. Niezbędne są też pewne modyfikacje układu oscylatora, aby mimo
grubej tarczy ceramicznej zakres działania czujnika nie był zbyt mały.
Jaka jest zasada działania indukcyjnych czujników NAMUR?
Czujniki indukcyjne NAMUR są 2-przewodowymi czujnikami, których
wewnętrzna rezystancja zmienia się w wyniku wykrycia metalu. Mała
rezystancja czujnika odpowiada sytuacji – „brak przedmiotu metalowego”, a duża rezystancja – „przedmiot metalowy wykryty”.
Czym charakteryzują się indukcyjne czujniki NAMUR?
Indukcyjne czujniki NAMUR charakteryzują się ściśle określonym obszarem dopuszczalnym prądu wyjściowego, wynoszącym zgodnie z
normą EN 60947-5-6 od 1,2 do 2,1 mA. Wszystkie czujniki NAMUR,
zasilane ze wzmacniacza prądu stałego, maja taką samą charakterystykę prądową i cechują się ściśle określoną histerezą przełączania
równa 0,2mA.
Do jakich warunków szczególnie przystosowane są czujniki NAMUR?
Czujniki NAMUR, w połączeniu z iskrobezpiecznym wzmacniaczem
przełączającym, mogą pracować w instalacjach przeciwwybuchowych
lub w strefach zagrożonych wybuchem (strefa I lub II),. Możliwa jest
też współpraca tych czujników ze wzmacniaczami wzmacniacze przekaźnikowe (niespełniającymi norm bezpieczeństwa), lecz wówczas
wzmacniacz musi być umieszczony poza strefą zagrożoną wybuchem.
Czym różnią się czujniki z wyjściem analogowe od czujników z wyjściem dwu stanowym?
W czujnikach z wyjściami dwu stanowymi identyfikowane są tylko stany wykrycia przedmiotu lub jego nie wykrycia. Indukcyjne czujniki z
wyjściem analogowym rejestrują natomiast położenie przedmiotu w całym zakresie pomiarowym czujnika.
Jak zbudowane są indukcyjne czujniki analogowe?
Indukcyjne czujniki analogowe składają się z głowicy z cewką, generatora, układu linearyzacji oraz układu wyjściowego o zakresie 0-20mA.
7
Systemy i funkcje mechatroniczne – Instrukcja
Minos
1.3
Zasilanie i łączenie czujników
Zadanie 3 Jakie są dopuszczalne wahania napięcia stałego zasilającego czujniki
indukcyjne?
Czujniki zasilane prądem stałym współpracują najczęściej z zasilaczami, których napięcie wyjściowe jest napięciem tętniącym. Zbyt duże
wahania amplitudy chwilowych wartości tego napięcia mogą spowodować nieprzewidywalne zachowanie czujnika indukcyjnego. Dla zapewnienia prawidłowej pracy czujników, wahania napięcia zasilającego
muszą być utrzymane w zakresie nieprzekraczającym 10% średniej
wartości napięcia zasilania.
W jakich konfiguracjach wykonywane są wyjścia czujników zasilanych
prądem stałym?
Wyjścia czujników zasilanych prądem stałym wykonywane są w konfiguracji NPN lub PNP. Dla konfiguracji NPN oznacza to, że obciążenie
włączane jest pomiędzy wyjściem czujnika a plus (+) zasilania, a dla
PNP pomiędzy wyjściem a minus (-) zasilania.
Jaka jest różnica pomiędzy czujnikami w wykonaniu NO i NC
Czujniki zasilane prądem stałym w konfiguracji PNP i NPN wykonane z
funkcją wyjściową NO (normalnie otwarty) włączają. Czujniki z funkcja
NC (normalnie zamknięty) wyłączają prąd w obciążeniu dołączonym
do wyjścia czujnika.
Od czego zależy dopuszczalna liczba czujników łączonych szeregowo?
Maksymalna liczba połączonych szeregowo czujników zależy od wielkości napięcia zasilania, spadków napięć na wyjściu czujników i parametrów dołączonego obciążenia. Napięcie zasilania układu, pomniejszone o sumę spadków napięć na wyjściu czujników, musi być zawsze
wyższe od minimalnego napięcia pracy przy dołączonym obciążeniu.
Czy czujniki zasilane prądem przemiennym można podłączać bezpośrednio do źródła zasilania?
Czujniki indukcyjne w wersji AC nie mogą być podłączane bezpośrednio do zasilacza prądu zmiennego. Takie podłączenie może spowodować zniszczenie wewnętrznych układów elektronicznych czujnika.
Zasilanie tych czujników może nastąpić dopiero po dołączeniu obciążenia połączonego szeregowo z czujnikiem.
W jakim celu można łączyć czujniki w grupy?
Szeregowe lub równolegle łączenie kilku czujników stwarza możliwość
realizacji różnych strategii funkcjonowania urządzeń, które mogą być
włączone w obwodzie zewnętrznym jako obciążenie. W wyniku odpowiedniego łączenia czujników mogą być realizowane funkcje logiczne,
takie jak AND, OR lub NOR.
8
Systemy i funkcje mechatroniczne – Instrukcja
Minos
1.4
Bezpieczeństwo i zabezpieczenia
Zadanie 4 Przed jakimi niepożądanymi skutkami zabezpieczane są wyjścia czujników zasilanych prądem stałym?
W większości czujników stałoprądowych wyjścia zabezpieczone są
przed następującymi skutkami:
- odwrotnego podłączenia napięcia zasilania,
- przepięć na wyjściu, powstających przy wyłączaniu obciążeń,
- wystąpieniem krótkich i niecyklicznych impulsów od strony zasilania,
- przekroczenia dopuszczalnego prądu wyjściowego lub zwarcia.
Czy zwarcia na wyjściu czujnika zasilanego prądem stałym są dla niego niebezpieczne?
Zwarcia w obwodzie elektrycznym z czujnikami stałoprądowymi nie
powodują uszkodzenia czujnika. Mogą one występować wielokrotnie i
przez dłuższy okres czasu. Podczas zwarcia nie działają diody w czujniku, a po jego usunięciu czujnik pracuje poprawnie.
Kiedy wymagane jest uziemienie obudowy czujnika?
Czujniki w obudowach metalowych, jeśli są zasilane napięciami niebezpiecznymi dla zdrowia człowieka, wymagają dodatkowego przewodu uziemiającego.
Jak można się zabezpieczyć przed skutkami pojawiania się prądu
upływu w obwodzie elektrycznym czujnika?
Kiedy czujnik zbliżeniowy jest w stanie niewłączonym (OFF), w obwodzie pojawia się prąd upływu. Może to spowodować jego nieprawidłową pracę czujnika, np. trwałe pozostawanie w stanie OFF. Aby zapobiec takim zjawiskom stosuje się dodatkowy rezystor, włączony równolegle do obciążenia. Odprowadza on prąd upływu tak, aby prąd płynący przez obciążenie był mniejszy niż minimalna wartość prądu wymagana przez obciążenie.
9
Systemy i funkcje mechatroniczne – Instrukcja
Minos
2
Czujniki pojemnościowe
2.1
Zasada działania czujnika pojemnościowego
Zadanie 1 Z jakich materiałów przedmioty mogą być wykrywane przez czujniki
pojemnościowe?
Czujniki pojemnościowe mogą oprócz obiektów metalowych wykrywać,
też obiekty nieprzewodzące np. tworzywa sztuczne. Czujnik pojemnościowy jest także w stanie reagować na obiekty znajdujące się za nieprzewodzącą warstwą, co czyni go klasycznym czujnikiem do wykrywania obecności płynów czy granulatu poprzez ścianki pojemnika. Są
one używane zazwyczaj jako czujniki zbliżeniowe, choć mogą generować również sygnał proporcjonalny do odległości przedmiotu od czoła
czujnika
Z jakich elementów składa się czujnik pojemnościowy?
Głównymi składnikami czujnika pojemnościowego są: głowica z elektrodami, potencjometr, oscylator, układ detekcji i układ wyjściowy.
Co stanowi aktywny element w czujniku pojemnościowym?
Aktywnymi elementami czujnika pojemnościowego są dwie metalowe
elektrody, tworzące kondensator otwarty. Gdy obiekt zbliża się do
czujnika to jego pojemność zmienia się. Całkowita pojemność kondensatora, od której zależy poziom sygnału wyjściowego, jest sumą podstawowej pojemności czujnika i zmiany pojemności, spowodowanej
działaniem obiektu wykrywanego.
Który z przedmiotów i dlaczego jest łatwiej wykrywany przez czujnik
pojemnościowy - przewodzący czy nieprzewodzący?
Łatwiej wykrywane przez czujnik pojemnościowy są przedmioty przewodzące od nieprzewodzących. Przedmioty nieprzewodzące takie jak
tworzywa, papier czy szkło, zwiększają tylko pojemność własną czujnika, poprzez oddziaływanie na jego stałą dielektryczną. Wzrost tej pojemności, uzależniony od wartości stałej dielektrycznej obiektu, jest
jednak niewielki i dlatego odległość działania jest również mała. W
przypadku przedmiotów przewodzących, nieuziemionych tworzą się
dwa dodatkowe kondensatory ułożone szeregowo, jeden między
obiektem a elektrodą czujnika i drugi między obiektem a elektrodą zewnętrzną. Odległość działania czujnika jest w tym przypadku znacznie
większa.
Czy uziemienie przedmiotu wykrywanego ma znaczenie dla pracy
czujnika?
Tak – zwiększa zakres działania czujnika. Największą odległość działania uzyskuje się, gdy obiekt wykrywany jest przewodnikiem i jednocześnie jest uziemiony. Wówczas dodatkowa pojemność, między
obiektem i elektrodą, tworzy połączenie równoległe z pojemnością
własną czujnika.
10