Érzékelők - kiválasztás és az automatizálási technológia fontossága

Az adatok gyűjtése a modern létesítmények központi eleme, különösen a digitalizáció és az Ipar 4.0 vonatkozásában. Az érzékelők ezt a folyamatot lehetővé teszik. Bemeneti adatokat szolgáltatnak, valamint felügyelik és adaptálják a folyamatokat. De milyen típusú érzékelők léteznek? Hogyan választható ki a megfelelő érzékelő egy adott alkalmazáshoz? Ez a cikk bemutatja a különböző érzékelők hatásmechanizmusát és lehetséges alkalmazásait, valamint a megfelelő érzékelő megtalálásához szükséges kiválasztási kritériumokat.

Mik azok az érzékelők?

Az érzékelőrendszerek a változások mérésére és ellenőrzésére szolgáló érzékelők használatával foglalkoznak, pl. műszaki rendszerekben. Az érzékelők különböző méréseket végeznek, amelyek minőségi és mennyiségi jellegűek is lehetnek. A mérendő értékek lehetnek kémiai (pl. pH érték), biológiai (pl. enzim jelenléte) vagy fizikai (pl. hőmérséklet, páratartalom, áram) értékek. Az érzékelők, más néven detektorok, jelátalakítók vagy szondák egy bemeneti jelet kimeneti jellé alakítanak át. A bemeneti jel általában nem elektromos mérőszám, míg a kimeneti jel elektromos jel, például áram vagy feszültség.

A metrológiával (méréstan) kapcsolatos további információkért olvassa el cikkünket: Mérési technológia - Minőségellenőrzés mérési módszereken keresztül.

Hogyan működik?

Az érzékelők a vezérlőegységekkel együtt működnek a rendszerben. Az érzékelőktől érkező jeleket a rendszer általában egy vezérlőegységhez továbbítja, amely ennek megfelelően elemzi és értékeli az adatokat, és szükség szerint parancsokat küld a vezérlőegységek felé. A működtetőegységek ezután fizikai műveletekkel hajtják végre az utasításokat. Például, ha a hőmérséklet túl magas egy raktárban, a rendszer jelet küld a működtető egységnek. A működtető egység lehet fűtőegység, amely most már le van tekerve, hogy a helyiség a kívánt hőmérsékletre lehűlhessen.

Érzékelők típusai

Aktív és passzív érzékelők léteznek. A mérendő érték meghatározza, hogy az érzékelő aktív vagy passzív érzékelő-e. Az aktív érzékelők (aktív módon) maguk generálnak jelet a mérendő érték felvételéhez. A meghatározott adatok ezután kimeneti jelként kerülnek kiküldésre. Általában tápegységre van szükség a jel generálásához a mérendő érték felvételéhez. Az aktív érzékelők tipikus példái: Lézeres távolságmérők, IR mozgásérzékelők vagy ultrahangos érzékelők.

A passzív érzékelők nem generálnak aktív jelet a mérendő érték mérési adatainak felvételéhez. Olyan passzív elemeket tartalmaznak, amelyek tulajdonsága (pl. vezetőképesség) egy mérendő értékre (pl. hőmérséklet) reagálva változik. Ezért nincs szükség a méréshez szükséges jelet létrehozó tápegységre. A változás rögzítéséhez azonban segédteljesítményre van szükség, mivel a bemeneti és kimeneti jelet összehasonlítják a mérési eredmények meghatározásához. Passzív érzékelőket viszonylag gyakran szerelnek fel, mert alkalmasak statikus mérések végzésére. Példák passzív érzékelőkre: PIR (passzív infravörös) érzékelők, ellenállásmérők vagy feszültségmérők.

Az érzékelők kapcsolási és mérési kategóriákba is sorolhatók a kimeneti jel típusa alapján. A mérőérzékelők folyamatosan rögzítik a fizikai vagy egyéb értékeket, és biztosítják az adatok nyilvántartását a folyamatok részletes monitorozásához. A kapcsolóérzékelők ugyanakkor észlelik, ha egy mérendő érték eltér a célértéktől, és aktív módon reagálnak egy kimenet kapcsolásával, amely pl. egy működtető egységet indít el.

Az érzékelők további alkategóriákba sorolhatók működési elveik vagy mérési elveik tekintetében, például az alábbiakra:

• Mechanikus: Reagál a mechanikus mozgásra (pl. elhajlás), például: Nyomásérzékelők.
• Ellenállásos: Reagálnak, ha az elektromos ellenállás megváltozik, például: Nyúlásmérők.
• Hőelektromos: Reagálnak, ha olyan hőmérsékletkülönbségek lépnek fel, amelyek elektromos energiává alakulnak át, például: Hőmérséklet-érzékelők.
• Piezoelektromos: Reagálnak a nyomás elektromos energiává alakításával, például: Piezokerámia ultrahangos érzékelőkben.
• Induktív vagy elektromágneses: Reagálnak a mágneses fluxus változására, például: Sebességérzékelők.
• Kapacitív: Reagálnak a kapacitás változásaira, például: Páratartalom-érzékelők.
• Optikai: Reagálnak fényre vagy más optikai jelenségekre/rögzítik azokat, például: Fénysorompók, fotoelektromos érzékelők.
• Akusztikus: Reagálnak a hanghullámokra, például: Zajszint-mérő.
• Vegyi anyagok: Reagálnak a kémiai változásokra, például: pH érzékelők.

Most részletesen áttekintjük néhány kiválasztott érzékelő működési elveit:

Induktív érzékelők

Az induktív érzékelők egy tekercset tartalmaznak, amelyen keresztül áram folyik. A mérési irányban a méréshez elektromágneses mező jön létre. Ezután egy munkadarabot vagy anyagot vezetnek be, ami a mágneses mező megváltozását okozza, és feszültséget indukál a tekercsben. Egy áramkör érzékeli ezt a feszültséget, és megfelelő jelet ad ki. Az induktív érzékelők csak mágneses munkadarabokkal/anyagokkal működnek.

Kapacitív érzékelők

A kapacitás azt jelzi, hogy feszültség rákapcsolásakor mennyi töltést képes felvenni két elektromosan vezető test, amelyeket egy szigetelőközeg választ el egymástól. Ez a kapacitás a mérendő érték függvényében változik.

A kapacitív érzékelő két elektródából áll, amelyek között elektromos mező jön létre. Ez utóbbi akkor változik, amikor egy tárgy közeledik; az érzékelő érintéssel érzékeli az anyagot az aktív zónájában. Ezután az elektromos mezőt elektromos jellé alakítja át.

Közelségérzékelők

A közelségérzékelők észlelik, ha tárgyak vagy emberek vannak a közelükben. Kiküldnek egy sugárnyalábot vagy mezőt, majd megmérik a sugárnyalábban vagy a térben a tárgy vagy személy által visszavert változásokat.   Ez lehetővé teszi számukra a távolságok becslését és a megfelelő kiváltó jelre való reagálást. Az iparban az érzékelők például képesek érzékelni a munkadarabok jelenlétét a szállítószalagokon, és szabályozni a megfelelő működési folyamatokat.

Érzékelők kiválasztása: Mikor milyen érzékelőt használjunk?

Az érzékelők kiválasztásakor bizonyos előzetes szempontokat kell figyelembe venni. Mivel az érzékelők közvetlenül az automatizálási rendszerek vezérlőrendszereibe vannak integrálva, a felhasználónak például ellenőriznie kell, hogy a szükséges interfészek rendelkezésre állnak-e. Az interfészek lehetnek például:

• Analóg interfészek, például analóg kimenetek és bemenetek
• Digitális interfészek, például TTL, RS-232, SPI
• Vezeték nélküli interfészek, például Wi-Fi
• Integrált vagy külső jelfeldolgozás

A környezeti feltételek szintén szerepet játszanak a megfelelő érzékelő kiválasztásában. Az érzékelő szélsőséges hőmérsékletnek van kitéve? Vagy rezgéseknek? Nedves környezetben például az érzékelőnek vízállónak kell lennie, függetlenül annak típusától, és szükség esetén megfelelő védelmi besorolással kell rendelkeznie, például IP67 besorolással. Agresszív vegyi anyagokkal rendelkező környezetben a burkolatokhoz és tömítésekhez használt anyagnak ellenállónak kell lennie ezekkel szemben.

A megfelelő érzékelő azonosítása lépésről lépésre

Az alábbi lista az érzékelő kiválasztásának legfontosabb lépéseit foglalja össze:

• Határozza meg a mérendő értéket és a mérési tartományt: Milyen fizikai mennyiséget kell mérni, és a mérés lefedi-e a maximális és minimális várható értéket és/vagy az érzékelő képes-e ellenállni a maximális értékeknek is?
• Pontosság meghatározása: Magasabb vagy alacsonyabb követelmények vonatkoznak-e a pontosságra?
• Környezeti feltételek elemzése: Milyen körülmények között használja az érzékelőt? Léteznek-e szélsőséges körülmények a hőmérséklet, páratartalom, pornak való kitettség stb. tekintetében? Az érzékelő vegyi anyagoknak ki van-e téve?
• Kimeneti formátum és interfészek kiválasztása: Ennél a teljes vezérlőrendszer szerepet játszik: Milyen típusú jelet lehet feldolgozni (pl. analóg vagy digitális)?
• Vegye figyelembe az adott alkalmazást: Vannak-e az adott alkalmazásból eredő különleges követelmények? Alkalmazandóak-e speciális szabványok? (lásd még a gépészet biztonsági szabványait). Például a tisztatéri érzékelőknek meg kell felelniük a magasabb szintű tisztatéri követelményeknek. Az is előfordulhat, hogy az érzékelőt nehezen elérhető helyre szerelik fel, ezért különösen alacsony karbantartási igényűnek és tartósnak kell lennie. Az érzékelők minőség-ellenőrzésre is használhatók, és meg kell felelniük bizonyos kritériumoknak, lásd még a Mérési technológia - Minőségellenőrzés mérési módszereken keresztül című cikket.
• Válaszadási idő: Milyen gyorsan kell reagálnia az érzékelőnek a változó körülményekre?
• Tartsa be a térre vonatkozó követelményeket: Az érzékelő könnyen integrálható a meglévő rendszerbe, és elegendő hely áll-e rendelkezésre?
• A befogóelemek, szabványosított érzékelősínek vagy érzékelőtartók szintén hasznosak lehetnek az érzékelőnek a meglévő rendszerekbe való optimális integrálásához.

Érzékelőink választéka is inspirálhatja Önt.

Érzékelők az automatizálási technológiában: Intelligens érzékelők

Az érzékelők folyamatos fejlesztését nagymértékben befolyásolta a digitalizált gyártás az Ipar 4.0 keretében. Az úgynevezett okos érzékelők jelentik ennek a kulcsösszetevőit. Ezek az érzékelők az ipari folyamatok felügyeletének és szabályozásának sarokkövei. A működtető egységek és vezérlők átfogó rendszerében az intelligens érzékelők biztosítják a gépek számára az összes olyan információt, amelyre szükségük van ahhoz, hogy a gyártást hatékonyabbá és pontosabbá tegyék. Ennek eredményeként az automatizálási technológia egyre inkább önállóvá vált.

Napjaink érzékelői olyan nagy felbontással, sebességgel és kis mérettel rendelkeznek, hogy közvetlenül használhatók azokon a területeken, ahol fizikai hatások generálódnak. Számos funkciót betöltenek a legmodernebb berendezésekben. Már nem csak az adatok méréséért felelősek, hanem öndiagnosztikai, kommunikációs és jelfeldolgozási feladatokat is el tudnak végezni. Az érzékelők észlelik és korrigálják a rendellenességeket, mielőtt azok a gyártás során problémát okoznának. Ezt a folyamatot érzékelővel vezérelt feldolgozásnak nevezzük. További részletek a Számítógépes numerikus vezérlés – Mi is valójában a CNC? c. blogbejegyzésünkben találhatók.