Manual mecatronica

3. SENZORI DE PROXIMITATE 6

CAPITOLUL 3

3.1. INTRODUCERE

Importana tehnologiei sensorilor.

Creterea deosebit a automatizrii sistemelor de producie necesit folosirea unor compo- nente care s fie capabile s primeasc i s transmit informaii referitoare la procesul de producie. Sensorii indelpinesc aceste funcii i importana lor a crescut n ultimii ani n procesul de msurare i de control al proceselor tehnologice.sensorul furnizeaz informaiile unui controler sub forma unor variabile d eproces. Prin variabile de proces se ineleg mrimi fizice care caracterizeaz procesul tehnologic respectiv:temperatur, presiune, for, lungime, unghi de rotaie, nivel, debit, etc.

Exist sensori pentru majoritatea mrimilor fizice care reacioneaz la una din aceste mrimi i transmit semnale relevante.

Caracteristicile sensorilor:

Un sensor este un convertor care transform o mrime fizic ( de exemplu temperatu- r, distan, presiune) intr-o alt mrime mai uor de evaluat - n mod uzual, o mrime electric.

Un sensor nu trebuie s genereze ntotdeauna un semnal electric. De exemplu o valv pneumatic genereaz un semnal pneumatic la ieir sub forma unei schimbri de presi- une.

Sensorii sunt dispozitive care pot s opereze att cu ajutorul unui contact, de exemplu un comutator, un sensor de for, sau, fr contact, de exemplu barier de lumin, bari- er de aer, sensor magnetic.

Un simplu comutator poate fi un sensor.

Sensorul este un dispozitiv care poate monitoriza un proces prin semnalizarea erorilor analizarea acestora i transmiterea informaiilor ctre alte componente.

Ali termeni utilizai pentru sensori: convertor - converter (englez)

codificator - encoders (englez)

detector - detector (englez)

traductor - transducer (englez)

effector(englez)

Ali termeni utilizai.

- Sensor component - prin sensor component se nelege acea parte a sensorului care prime- te mrimea msurat dar nu permite o utilizare independent a acesteia deoarece este necesa- r o procesare a semnalului.

- Sistem de sensori un sistem de sensori const din componente diferite de msurare i eva- luare al cror numr depinde de funcia semnalelor din procesul respectiv.Componentele sunt adesea realizate modular.

- Sistem multisensor - un sistem de sensori alctuit din sensori de acelai tip sau de tipuri di -ferite.

Exemple:

Un sensor de temperatur i umiditate sau de prsiune i temperatur, fiecare fcnd parte din acelai dispozitiv.

O combinaie de civa sensori de proximitate care sesizeaz mrimea i materialul pieselor de prlucrat.

O combinaie de mai muli sensori chimici pentru gaze prin care sensorii au un rspuns treapt i prin intermediul unei evaluri inteligente furnizeaz mai multe informaii ca ntreg dect ca un sensor individual.

Similar : utilizarea simurilor n timpul preparrii hranei:miros,gust, percepia vizual,

Semnale de ieire tipice, ale sensorilor.

Cunoaterea diferitelor tipuri de semnale electrice de ieire este important pentru utilizarea corct a sensorilor.

Semnal tip A - semnal de ieire binar.

Astfel de sensori sunt cei de proximitate, de presiune, de nivel, de temperatur(bimetal).

De regul aceti sensori pot fi conectai direct la PLC (programmable logical controllers).

Semnal tip B - semnal pulsatoriu

Exemplu: sensori de cretere a lungimii i a unghiului de rotaie.n general sunt compatibili cu PLC cu condiia folosirii unei interfee adecvate.

Semnal tip C - semnal analogic.

Aceti sensori nu au amplificator integrat i nu realizeaz conversia electronic; ele furnizeaz semnale de ieire analogice foarte mici, de ordinul mV, care nu trebuie evaluate imediat sau semnale care se evalueaz numai prin utilizarea unui circuit auxiliar.

Exemple: - sensori piezorezistivi sau piezoelectrici

-celule termoelectrice

-sensor magnetic

- Sonde pentru msurarea pH-ului sau a conductivitii

- Poteniometru linear

Semnale de tip D - semnale analogice care trebuie evaluate imediat.

Acest tip de senzor conine un amplificator integrat i realizeaz conversia electronic.

Valorile tipice ale acestor semnale: 0.....10V

-5.....+5V

1.....5V

0.....20mA

-10....+10mA

4.....20mA

Semnale de tip E

Aceste semnale sunt furnizate de sensori i de sisteme de sensori care furnizeaz semnale de ieire standardizate. De exemplu: RS-232-C, RS-422-A, RS-485 sau cu interfa pentru bus de date cum ar fi field bus (profibus, sensor actuator bus).

Sensorii pot s transforme variaia mrimilor fizice n semnale electrice binare sau analogice.

Sensorii care furnizeaz semnale binare sunt:

sensorii de temperatur,

de proximitate,

de presiune,

de nivel,

valve.

Sensorii analogici furnizeaz la ieire semnale electrice analogice - tensiuni sau cureni.

Exemple de sensori analogici::

Sensori pentru lungime, distan, de deplasare,

Sensori pentru micare linear sau de rotaie

Sensori pentru suprafa, configuraie, geometrie,

Sensori de for,

Sensori de greutate,

Sensori de presiune,

Sensori de cuplu,

Sensori de debit

Sensori de nivel,

Sensori de temperatur

Sensori optici,

Sensori acustici,

Sensori de radiaie

Sensori pentru substane chimice.

SENZORI DE PROXIMITATE

3.1.2.Generaliti.

Noiunea de proximitate se refer la gradul de apropiere dintre dou corpuri; n instalaiile tehnice se ntlnesc cazuri n care contrtolul poziiei unui dispozitiv fa de altul face parte din nsi procesul tehnologic. Controlul poziiei dintre dispozitivele aflate n micare , dintre care unul reprezint sistemul de referin se face cu ajutorul senzorilor de preximitate .Acest control se face fr existena unui contact direct ntre corpurile aflate n micare.

Definiie: senzorii de proximitate sunt dispozitive care permit detectarea i semnalizarea prezenei unor obiecte n cmpul lor de aciune fr contact fizic cu obiectele respective Senzorii de proximitate au o caracteristic tip releu - tot sau nimic adic semnalul de ieire reprezint prezena sau absena obiectului controlat.

Senzorii deproximitate au o larg utilizare n toate domeniile industriale datorit avantajelor pe care le ofer:

siguran n funcionare,

posibilitate de reglaj (intern sau extern prin modificarea poziiei),

Fiabilitate mare,

Gabarit extrem de redus

Consum energetic redus

Clasificarea senzorilor de proximitate se face dup principiul de funcionare:

Inductivi

Capacitivi

Magnetici

Optici

3.2 SENZORI DE PROXIMITATE CAPACITIVIPrincipiul de funcionare: funcionarea unui sensor de proximitate capacitiv se bazeaz pe msurarea variaiei capacitii electrice a unui condensator dintr-un circuit rezonant RC datorit apropierii unui material oarecare. Senzorii capacitivi se realizeaz din dou tipuri de condensatoare: plan i cilindric iar n analiza sche- melor echivalente se presupune c rezistena de pierderi este neglijabil fa de reactana capacitiv i unghiul de pierderi este mic.

A

d r r Capacitatea C= unde 0 este permitivitatea vidului, r este permitivitatea relativ a dielectricului, A suprafaa de supra- punere a armturilor iar d, distana dintre armturi, respectiv, grosimea dielectricului..

Pentru un condensator cilindric formula de calcul a

capacitii depinde de permitivitatea dielectricului,

diametrul electrodului exteriorD, diametrul electrodului

interior d i de nlimea de suprapunere a celor doi cilindri, h

h

Capacitatea C=

d Din analiza formulelor de calcul pentru capacitatea condensatoarelor plan D

i cilindric se observ c senzorii capacitivi pot servi la convertirea n va-

riaii de capacitate a oricrei mrimi neelectrice care modific unul din elemente:distana dintre armturi, suprafaa de suprapunere a armturilor, permitivitatea mediului dintre armturi.

Senzorii capacitivi se pot realiza n trei moduri:

cu condensatoare plane cu o armtur fix i una mobil, cu modificarea suprafeei de suprapunere a armturilor cu modificarea dielectricului.La senzorul capacitiv cu o armtur fix i una mobil se modific distana dintre armturi: d + d . Capacitatea va deveni C= d+dSenzorii care funcioneaz prin modificarea suprafeei de suprapunere a armturilor unui condensator sunt alctuii dintr-o armtur plan fix i una mobil care se deplaseaz paralel fa de cea fix.

Capacitatea unui condensator se poate modifica i prin introducerea de dielectrici cu permitiviti diferite ntre armturi sau prin modifi-

carea strii fizice a dielectricului datorit umiditii.Cmpul electrostatic parazit este creat ntre un electrod activ i electrodul de mas. n structura sensorului capacitiv exist adesea un electrod de com pensare care are rolul de compensare a influenei umiditii asupra funcionrii sensorului.Schema bloc a sensorului de proximitate capacitiv este prezentat n figura 1.

Dac n zona activ se imtroduce un obiect 6sau un material (metal, plastic, ap,sticl,

lemn), capacitatea circuitului rezonant se 7modific.

Schimbarea valorii capacitii depinde

distana la care se afl materialul fa de

suprafaa activ, de dimensiunile materia-

lului,i de constanta dielectric a aces-

tuia. 8 9

1 2 3 4 5

Fig.3.2. 1 1.Oscilator; 2Demodulator;3 Trigger; 4 Afiaj; 5Circuit de

ieire; 6 Surs de alimentare extern; 7Sursa de alimentare

intern; 8 Zona activ(capacitor) ; 9 Ieire.

Sensibilitatea majoritii senzorilor de proximitae capacitivi poate fi reglat prin intermediul unui poteniometru.n acest mod este posibil suprimarea deteciei unui alt mediu.de exemplu este posibil determianrea nivelului unei soluii ntr-un recipient. Distana la care comut un senzor este determina- t de o foi de metal legat la pmnt.

n tabelul 3.1 sunt date valorile distan n tabelul 3.2 este prezentat valoarea facto-

elor la care un senzor capacitiv comut rului de reducere pentru diferite materiale n funcie de grosimea materialului .Tipul materialului Factorul de rducere

Toate metalele1,0

Ap1,0

Sticl0,3...0,5

Plastic0.3...0,6

Carton0,3...0,5

Lemn( n funcie de umiditate)

Ulei0,1...0,3

.

Grosimea materialului Distana de comutare

1,5 mm............

3,0 mm0,2 mm

4,5 mm1,0 mm

6,0 mm2,0 mm

7,5 mm2,3 mm

9,0 mm2,5 mm

10,5 mm 2,5 mm

. Tabelul 3.1 Tabelul 3.2

Caracteristicile tehnice ale senzorilor de proximitate capacitivi sunt date n tabelul 3.3.Tabelul 3.3Tensiunea de alimentareTipic: 10...30 V c.c. sau 20..250 V c.a.

Distana nominal de activare Tipic:5.....20 mm maxim 60 mm ( de obicei este variabil i reglabil prin poteniometru)

MaterialeToate materialele cu o constant dielectric 1

Curentul de activare Max. 500 mA c.c.

Temperatura ambiant de lucru -250 C........+700 C

Sensibilitatea la impuritisensibil

Durata de viaFoarte lung

Frecvena de comutare Pn la 300 Hz.

DesignCilindric

APLICAII

De reinut:

Ca i senzorii de poziie inductivi, senzorii de proximitate capacitivi ,ncastrai sau nencastrai sunt diferii.

Sensorii de proximitate capacitivi sunt uor de contaminat.

Sensibilitatea lor n ceea ce privete umiditatea este foarte ridicat datorit constantei dielectrice a apei - =81.

Pot fi folosii la detectarea obiectelor aflate n incinte cu perei nemetalici. Grosimea pereilor n acest caz poate fi mai mic de 4 mm iar constanta dielectric a materialului care trebuie detectat ar putea fi de 4 ori mai mare dect a pereilor incintei.

Abilitate de reacie la o mare varietate de materiale.

Datorit sensibilitii lor la umiditate, muli productori introduc un electod auxiliar pentru reducerea acestei influene.

Consideraii generale pentu utilizare:

Din motive de costuri, folosirea senzorilor inductivi pentru detecia obiectelor metalice este n general preferat n comparaie cu folosirea celor capacitivi. Utilizarea senzorilor optici este recomandabil pentru detecia obiectelor nemetalice. Exist un domeniu de aplicaii deosebite unde utilizarea senzorilor de proximitate capacitivi przint avantaje deosebite: monitorizarea nivelului de ncrcare n containere , detecta rea materialelor nemetalice.

Exemple: 1.Detecia obiectelor mate sau negre.

Aceste obiecte pot fi realizate din cauciuc, plastic, piele (figura 3.2.2.) sau alte materiale care nu sunt detectate prin difuzia senzorilor optici iar senzorii de proximitate ultrasonici sunt prea scumpi.

Fig.3.2.2.2.Detecia nivelului de ncrcare a fluidelor ntr-un container. n cazul detectrii nivelului de fluid prin pereii

unui recipient de plastic sau de sticl grosimea

peretelui trebuie s fie limitat aa nct senzorul

de proximitate capacitiv s fie capabil s rspund

numai coninutului din recipient.

n figura 3.2.3. a, este folosit un senzor de proxi-

mitate capacitiv ncapsulat n cuar sau n mate

rial plastic.

n figura fig.3.2.3.b, nivelul lichidului este detec-

tat prin intermediul unui senzor plasat n dreptul

unui tub de plastic sau de sticl. a b Fig.3.2.3.3.Detectarea nivelului de ncrcare a unui material granular.4. Monitorizarea bobinrii firelor sau cablurilor electrice.

Senzorii de proximitate capacitivi reacioneaz la

cantitatea de cupru pe care o conin firele sau cablurile

cu un diametru mic n timp ce senzorii inductivi au n acst caz o distan foarte mica de activare.

Pentru aceast aplicaie pot fi folosii i senzori

optici.

Fig. 3.2.4.5.Verificarea coninutului pachetelor prin pereii cutiei de carton.

Poate fi verificat nivelul de umplere cu lichid ntr-un

recipient sau existena unui material solid n interiorul unei

cutii. n figura 3.2.5.este artat cum se verific dac ntr-o cutie

nu lipsete o sticl dup operaia de mpachetare automat. Prin plasarea a patru senzori capacitivi.Fig.3.2.5.Exerciii.

3.1 Intenionai s monitorizai nivelul de ncrcare cu gru ntr-un siloz. Ce trebuie s avei n vedere?

3.2 Ce trebuie s avei n vedere cnd folosii un senzor de proximitate capacitiv ntr- o instalaie exterioar n deosebi primvara i toamna?

3.3 Intenionai s folosii un senzor de proximitate capacitiv pentru detectarea unor cutii de carton a cror grosime variaz. Realizai legtura ntre:

a) grosimea materialului pentru a stabili distana de comutare

b) Tipul materialului pentru stabilirea factorului de reducere

c) Eventuala umiditate a cartonului care este higroscopic.

d) Caracteristicile tehnice ale senzorilor de proximitate capacitivi

Este adecvat folosirea unui astfel de senzor?

3.4 ntr-o fabric pentru produse alimentare se folosesc colete de carton care au practicat o fereastr realizat dintr-un material transparent.Ce argumente avei pentru utilizarea unui senzor de proximitate optic, cu ultrasunete sau capacitiv?

Cutie de carton

Film transparent3.5 Ce principiu se folosete pentru funcionarea senzorului capacitiv utilizat la detecia nivelului de lichid din recipientul desenat n fig. 3.2.3.b ?3.3 SENZORI DE PROXIMITATE INDUCTIVIPrincipiul de funcionare.

Funcionarea se bazeaz pe proprietatea potrivit creia mrimea de msurat produce o vari- aie a inductivitii unei bobine care face parte din circuitul oscilant RL al senzorului. Inductivitatea proprie sau mutual a zonei active a senzorului (8)este modificat de acele elemente care in flueneaz geometria - lungimea ntrefierului, aria seciunii ntrefierului sau permeabilitatea - a circuitului magnetic.

Inductivitatea unei bobine alctuit di N spire dispuse pe un miez magnetic de permeabilitate relativ r ,suprafaa seciunii transversale A i lungimea l este dat de relaia:

L= .

tiind c R = este reluctana magnetic atunci inductivitatea L= . Cum numrul de spire al bobinei senzorului odat realizat nu poate fi modificat, soluia pentu realizarea senzorului cu variaie a inductivitii este de a produce modificri ale reluctanei magnetice.n acest sens se realizeaz circuite magnetice cu armtura mobil n care caz mrimea neelectric determin poziia armturii fa de restul circuitului magnetic.Schema bloc este przentat n figura3.3.1. 6

Cmpul magnetic care este direcio-

nat spre ieire, este generat de o bobin 7

cu un miez de ferit deschis.

.Cnd senzorul este alimentat, circuitul osci-

lant genereaz un curent.

Dac n zona activ se introduceun obiect

bun conductor de electricitate, apare o

variaie a inductivitii care duce la 9

modificarea curentului de ieire

1 2 3 4 5

Figura nr. 3.3.1

1.Oscilator; 2.Demodulator; 3 Trigger; 4.Afiaj de stare; 5.Circuit

de ieire cu protecie; 6.Tensiune extern; 7.Surs de alimentare

intern; 8. Zona activ ( miezul de ferit); 9 Ieirea senzorului

Principala caracteristic a senzorilor inductivi este dimensiunea bobinei: cu ct aceasta este mai mare cu att distana de comutare este mai mare. Traductoarele inductive pot pune n eviden deplasri de sute de milimetri.

Pentru determinarea corect a distanei de comutare, n alctuirea senzorilor de proximitate inductivi exist un electrod de calibrare, realizat din oel moale de 1mm grosime, standardi- zat

De reinut: numai materialele conductoare de electricitate pot fi detectate prin intermediul senzorilor de proximitate inductivi.

Folosirea diferitelor materiale conduce la o reducere a distanei de comutare efectiv.Valoarea factorului de reducere pentru diferite materiale. este prezentat n tabelul nr 3.3Tipul de materialFactor de reducere

Oel moale1,0

Crom nichel0,70..0,90

Alam0,35.0,50

Aluminiu0,35..0,50

Cupru0,25..0,40

Se observ c cele mai mari valori ale facto- rului de reducere l dau materialele magnetice.

Distanele de comutare pentru alam, cupru, aluminiu, sunt foarte mici.

Tabelul nr.3.3Caracteristicile tehnice ale ale senzorilor inductivi sunt prezentate n tabelul nr 3.4.

Tabelul nr.3.4Obiect materialMetale

Tensiunea de alimenatreTipic: 10V.30V

Distana nominal de activareTipic 0,8.10mm; max.250mm

Curentul de activare maxim75mA.400mA

Temperatura de lucru-250 C.+700 C

Vibraii1050Hz

Sensibilitatea la perturbaiiInsensibil

Durata de viaFoarte lung

Frecvena de comutareTipic 105000Hz., max.20kHz..

Designcilindric

MrimeM8x1,M12x1,M18x1; 4mm 30mm25mmx40mmx80mm

Muli dintre senzorii de proximitate inductivi sunt construii n aa fel nct s confere siguran operaiilor:

Protecie la inversarea polaritii( mpotriva avariilor rezultate din conexiuni inversate);

Protecie la scurt circuit

Protecie la supratensiuni

Protecie mpotriva efectelor ntreruperii firelor( Ieirea este blocat dac alimentarea este deconectat).

Exerciii.3.1 Numrul, distana i direcia de transport a containerelor cu materiale se pot verifica pe o band transportoare. n scopul marcrii, transportul containerelor se realizeaz cu o band de aluminiu.Ce trebuie s avei n vedere cnd folosii un senzor inductiv n acest scop?

Cum realizai cea mai mare distan de comutare posibil pentru un senzor cu diametru dat?

Pentru ce trebuie s acordai o atenie deosebit n acest caz?

3.2. Mai muli cilindri de oel sunt transportai pe o band transportoare ca in figura 3.3.2. Cilindrii sunt numrai cu ajutorul unui senzor de proximitate care poate fi legat la un PLC. Datorit vibraiilor conveiorului, cilindrii de oel au o micare de vibraie cu amplitudinea a.Este folosit un senzor de proximitate.

Ce probleme pot aprea la numrarea cilindrilor?

Fig. 3.3.2.

3.3 SENZORI DE PROXIMITATE OPTICIGENERALITI.Senzorii optici de proximitate folosesc dispozitive optice i electronice pentru detecia obiectelor.n acest scop este folosit lumina roie sau infraroie. Ca surse de lumin roie sau infraroie sunt folosite LED-urile. Acestea au dimensiuni mici, au o durat de via mare i pot fi uor modulate.Fotodiodele i fototranzistoarele pot fi folosite ca receptoriFolosirea senzorilor optici cu lumin roie are avantajul c aceasta se afl n spectrul vizibil.Cablurile realizate din fibre optice pot fi de asemenea folosite n zona lungimii d eund a luminii roii datorit atenurii reduse a luminii.

Spectrul infrarou care nu este vizibil este folosit n cazurile n care creterea performanelor luminii roii este necesar n afar de aceasta, lumina infraroie este mai puin susceptibil la la interferene cu lumina ambiental.

Cu ambele tipuri de senzori optici , presiunea adiional cauzat de influena luminii externe este realizat prin intermediul modulrii semnalului optic.

Principiul de funcionare - se bazeaz pe prelucrarea unui semnal electric care apare ca urmare a intreruperii sau reflectrii unui flux luminos produs de un dispozitiv electrolumi- niscent de ctre un element de comutaie.Schema bloc este prezentat n figura nr.3.3.1. Fig.3.3.1.1Oscilator; 2Emitor fotoelectric; 3Receptor fotoelectric;4Preamplificator; 5Operator logic; 6 Convertor digital analog; 7Afiaj de stare; 8 Ieire cu circuit de protecie; 9 Surs de alimentare extern; 10 Surs de tensiune constant intern; 11 Distana optic de comutare; 12 Ieirea de comutare.

Emiterul poate fi:

a) n cazul n care conexiunea se realizeaz fr fibr optic GaAlAs infrarou lungimea de und 880nm( spectrul invizibil)

b) ) n cazul n care conexiunea se realizeaz cu fibr optic GaAlAs infrarou lungimea de und 660nm( spectrul vizibilReceptorul poate fi un fototranzistor cu siliciu sau fotodiod cu siliciu.

Senzorii de proximitate optici obinuii au ntotdeauna n construcia lor elemente de protecie:

protecie la inversarea polaritii,

protecia ieirii la scurtcircuit, protecia la vrfuri de tensiune.

Funciile de comutare se clasific astfel:

-Metoda de comutare la lumin ieirea comut, (se inchide) cnd n calea fascicolului de lumin se afl un obiect - contact normal deschis.

-Metoda de comutare la ntuneric ieirea este deschis (nu comut) cnd n calea fascico- lului luminos se afl un obiect - contact normal nchis.

Construcia unui senzor optic de proximitate

Un senzor optic de proximitate este alctuit din dou pri principale:emitorul i receptorul.n funcie de utilizare, sunt necesare reflectoare i cabluri cu fibre optice.

Emiterul i receptorul pot fi instalate ntr-o incint comun n cazul senzorilor de difuzie sau retroreflexivi sau n incinte separate ca n cazul senzorilor cu fascicol luminos. n emiter se afl sursa care emite lumin roie sau infraroie i care conform legilor opticii poate fi rspndit n linie dreapt, poate fi deviat, focalizat, intrerupt, reflectat sau direc- ionat. Este acceptat de receptor, separat de lumina extern i evaluat electronic. Senzorul de proximitate este prevzut cu un scut interior separat de incint. Componentele electronice sunt ncapsulate iar la ieire se afl un poteniometru pentru reglajul sensibilitii. De obicei un senzor include i un LED care semnalizeaz cnd ieirea comut.acest LED serveta ca mijloc de semnalizare i de reglare.

Funcionarea senzorului optic

Dac un corp C oarecare (de exemplu tija pistonului care se deplaseaz in corpul unui cilindru este aezat n dreptul razei de lumin emis de LED, aceasta este reflectat i receptat de fotocelul care se excit i emite un semnal ctre etajul de sincronizare.

Figura 3.3.1. Figura 3.3.2. Acest etaj verific dac semnalul provine de la sursa proprie de lumin sau este un semnal perturbator.

Dac semnalul este acceptat , el este amplificat i devine semnal de comand pentru elemen tul de comutaie.n figura 3 este prezentat o variant de senzor optic la care receptorul - foto celula- este un element separat , legat de emitor prin conductori electrici CE. n absena unui corp C ntre emitor i receptor, etajul de comutaie nu este activat. Dac un corp intr n raza de aciune a emitorului, raza de lumin emis nu mai este receptat de fotocelul i etajul de comutaie este activat, deci senzorul semnalizeaz prezena corpului.

O alt variant a senzorului opto-electronic, unde emitorul i receptorul sunt n aceeai carcas, este prezentat schematic n fig. 4.

n acest caz, raza de lumin este reflectat de o oglind O plasat, de exemplu, de cealalt parte a tijei cilindrului a crui micare trebuie semnalizat. Etajul de comutaie este activat atunci cnd la receptor nu mai ajunge raza de lumin emis de dioda luminiscent.

Fig.3.3.3

Simbolul senzorului optic:

n funcie de tipil de senzor, comutarea se produce astfel:

a) Metoda de comutare la lumin - Ieirea este nchis cnd fascicolul luminos nu este perturbat de un obiect - contact normal deschis.n cazul unui senzor cu fascicol lumi- nos, receptorul de ieire este comutat dac nu exist un obiect dreptul fascicolului.

b) Metoda de comutare la ntuneric Ieirea este deschis (nu comut) cnd fascicolul luminos nu este perturbat de un obiect - contact normal nchis.n acest caz receptorul de ieire comut dac in n dreptul fascicolului luminos se afl un obiect. Limitri n funcionare

Un senzor optic de proximitate poate fi expus n timpul funcionrii la contaminare cu praf, achii,lubrefiani, ceea ce conduce la perturbri n funcionare. O contaminare puternic n fascicolul de lumin poate cauza o intrerupere a acestuia.aceasta poate simula prezena unui obiect.n cazul unui senzor cu difuzie , contaminarea puternic a sistemului de lentile poate fi evaluat ca prezen a unui obiect i lumina emis este reflectat napoi la receptor ca rezultat al contaminrii lentilelor. Contaminarea obiectului insui poate conduce la evaluarea absenei obiectului dac este reflectat mai puin lumin ca rezultat al contaminrii.

Pentru sigurana operaiilor trebuie luate urmtoarele msuri:

Folosirea de senzori optici cu toleran suficient de operare;

Folosirea senzorilor cu undispozitiv ajuttor de exemlu un LED care s funcioneze n zonele marginale.

Folosirea senzorilor cu semnal de pericol de contaminare.

Senzorii optici au limita sigur de operare , respectiv raportul dintre puterea semnalului optic de la intrare PR i puterea semnalului optic detectabil la pragul de comutare PT ,

=. Factorul depinde de distana dintre emitor i receptor n cazul unui senzor cu fascicol luminos, de distana dintre emitor i reflector n cazul unui senzor retroreflexiv, sau de distana dintre senzorul de proximitate i obiect n cazul unui senzor de difuzie.

Variante de senzori optici de proximitate

Senzori cu fascicol luminos

Un senzor cu fascicol luminos este alctuit dintr-un emitor i un receptor. Obiectul ar putea permite o minim ptrundere a luminii dar ar putea reflecta orice cantitate de lumin.

Fig.3.3.4 Principiul senzorului cu fascicol de luminCaracteristicile tehnice sunt prezentate n tabelul 3.3.1Tabelul 3.3.1 Tensiunea de alimentare1030V cc sau 20250V ca.

Distana de activareMax 1m pn la 100m (de obicei ajustabil)

Materialul obiectuluiOrice fel de material. Probleme pot crea obiectele realizate din material transparent

Curentul de activareMax100500mA

Temperatura ambiant de lucru0o C..60o C sau -25o C.80o C

Sensibilitate la impuritisensibil

Durata de via Aprox. 100000 ore

Frecvena de comutare20.10000 Hz.

Note pentru aplicaiiAvantajele senzorilor cu fascicol luminos

Pot fi detectate obiecte mici la mare distan

Sunt indicate pentru medii periculoase

Obiectele pot fi translucide, lefuite

Dezavantajele senzorilor cu fascicol luminos. Cele dou module separate emitorul i receptorul, necesit conexiuni electrice separate.

Nu pot fi folosite pentru obiecte complet transparente.n cazul obiectelor complet transparente este posibil reducerea puterii emitorului cu ajutorul unui poteniometru pn la limita la care receptorul este dezactivat..Starea emitorului este evaluat ca obiect prezent .APLICAII

Un exemplu de aplicaie este verificarea burghi-

ului de bormain ( se verific starea burghiului).Aceast metod este folosit la varificarea inte-

gritii acelor de cusut la mainile de cusut au-

tomat (care funcioneaz fr supraveghere

uman).

Fig.3.3.5Senzori retroreflexivi (cu fascicol de lumin convergent)Emitorul i receptorul de lumin sunt instalai n aceeai incint; de aceea este necesar un reflector ntreruperea luminii de ctre obiect este evaluat Semnal

de prezen a piesei. n acest caz obiectele transparente, strlucitoare nu sunt detectate.Obiectele lefuite trebuie poziionate astfel nct fascicolul reflectat s ajung la receptor.

Principiul de funcionare al senzorului retroreflexiv este prezentat

n figura 3.3.6.Un LED emite un semnal luminos ctre un reflector

care, transmite la rndul su semnalul reflectat ctre receptor (un fototranzistor sau o diod) . Fig. 3.3.6 Un corp este detectat dac acesta intersecteaz Principiul senzorului retroreflexivfascicolul luminos reflectat.Defectarea emitoruluiface ca receptorul s considere piesa prezent.De aceea trebuie luate msuri de precauie la proiectare.Caracteristicile tehnice ale senzorilor retroreflexivi sunt prezentate n tabelul 3.3.2.Tabelul 3.3.2

Tensiunea de alimentareTipic 10...30Vc.c. sau 20...250V c.a.

Distana de activare(dependent de reflector)Pn la 10m (de obicei este reglabil)

Obiecte Orice fel de obiecte .Probleme exist la obiectele reflectorizante

Curentul de activare100...500ma c.c

Temperatura de lucru0o C...60o C sau -25o C.....80o C

Sensibilitatea la impuritiSensibil

Durata de viaAproximativ 100000 ore

Frecvena de comutare10.....1000Hz

Gama de rspuns este n interiorul liniilor care formeaz

deschiztura ntre emitor i receptori deschiztura

reflectorului. De regul gama de rspuns n apropierea reflectorului este mai mic dect seciunea trasversal a reflectorului, fiind dependent de distana de la senzorul de proximitate i poteniometru.Fig. 3.2.7

Gama de rspuns Emisie Reflector Fig.3.3.7.

Avantajele senzorilor retroreflexivi.

Creterea siguranei datorit luminii permanente pe durata nefuncionrii Instalare i ntreinere simpl.

Obiectele pot fi rflectorizante, lefuite sau transparente atta timp ct un procentaj suficient de mare de lumin este n mod cert absorbit.

n majoritatea cazurilor, o distan mai mare dect senzorii de difuzieDezavantajele senzorilo retroreflexivi:

Obiectele transparente, foarte strlucitoare pot fi nedetectate.

De reinut: n cazul obiectelor transparente, fascicolul de lumin strbate obiectul de dou ori i rezultatul este atenuat. Detectarea obiectelor de acest tip se poate face in poteniometru adecvat.. Obiectele reflectorizante trebuie aranjate n aa fel nct s se asigure ca unda reflectat s nu ajung la receptor.

Pentru obiectele foarte mici, un orificiu n fascicolul de lumin poate ameliora eficiena.

Reflectorii se pot deteriora datorit duratei mari de funcionare i datorit impuritilor. La temperatura de peste 80o cfuncionarea poate fi afectat permanent iar eficiena este redus considerabil.

Absena emitorului este interpretat ca Obiect Prezent

APLICAII Sistemul se foloseste in industria hartiei, tesaturilor, peste tot acolo unde este necesara derularea/rularea unor materiale de acest tip pentru ambalare/mpachetare n vederea expeditiei sau pentru procesul de productie; pentru a se realiza o anumit tensiune in materialul bobinat, deci o anumit densitate de bobinare, se lasa o astfel de bucla (a crei mrime se contro-

leaz n acest caz cu senzori ) pentru a se Fig 3.3.8putea controla ct de strns se bobineaz.Senzori de difuzie (senzori cu fascicol de lumin divergent)Emitorul i receptorul se gsesc n aceeai capsul Obiectul reflect un procent din lumina emis activnd astfel rceptorul. n funcie de modul de construcie al receptorului, ieirea este activat (normal deschis) sau nu (normal nchis).Distana de comutare depinde de capacitatea de reflectare a obiectului Mrimea, suprfaa, densitatea, forma,i culoarea obiectuluiprecum i unghiul de inciden, determin intensitatea fascicolului rspndit aa nct de regul, numai distanele mici de ordinul a civa decimetri pot fi detectate.Mediul trebuie s absoarb sau s devieze fascicolul luminos, de exemplu cnd un obiect nu este prezent, fascicolul de lumin trebuie s fie clar Acest tip de senzor se folosete cnd se detecteaz un corp cu supra fa lucioas su deschis la culoarepentru a reflecta fascicolul incident. Fig.3.3.9 Principiul senzorului cu fascicol de lumin divergentCaracteristicile tehnice ale senzorilor de difuzie sunt prezentate n tabelul 3.3.3Tabelul 3.3.3

Tensiunea de alimentareTipic 10...30Vc.c. sau 20...250V c.a.

Distanade activare (dependent de reflector)Maxim 50mm pn la 2m (de obicei este reglabil)

Materialul din care sunt confecio nate obiectele Orice fel de material .

Curntul de activare100...500ma c.c

Temperatura de lucru-25o C.....80o C

Sensibilitatea la impuritiSensibil

Durata de viaAproximativ 100000 ore

Frecvena de comutare10Hz.....2000 Hz

Avantajele senzorilor de difuzie. Datorit reflexiei nu este necesar un reflector suplimentar

Obiectele pot fi reflectorizante, lefuite, transparente sau translucide atta timp ct un procent suficient de mare de lumin reflectat.

Permit detecia frontal .

n funcie de poziia senzorului de difuzie, obiectele pot fi detectate selectiv De reinut: Mrimea,forma, suprafaa,densitatea i culoarea obiectului determin intensitatea luminii difuzate deci scara real de sensibilitate. Sensibilitatea dat n foile de catalog este msurat folosind partea alb a hrtiei fotografice de testare standard, Kodac. Mediul trebuie s absoarb sau s reflete emisia de lumin, de exemplu n absena unui obiect, lumina reflectattrebuie s fie efectiv pragul de rspuns alreceptorului.

Absena emitorului este interpretat ca Obiectul nu este prezent

Comportarea unui senzor n prezena unui obiect lefuit este prezentaz n figura 3.3.10a i 3.3.10 b

Fig 3.3.10 bn figura 3.3.5 a sunt sugerate condiiile n care pot fi detectate obiecte din sticl, plexiglas transparent sau film transparent. Obiectele confecionate din aceste materiale au suprafee netede, care reflect lumina. Condiia este ca ele s fie poziionate vertical i pe direcia fascicolului luminos.Obiectele care reduc reflexia luminii sunt:sunt:plastic mat negru, cauciuc negru, suprafee neprelucrate din materiale nchise la culoare,materiale textile nchise la culoare, oel lustruit. Senzorii de difuzie nu reacioneaz la astfel de materiale sau pot raciona la distane foarte mici.n acest caz se pot folosi senzori retroreflexivi sau senzori cu fascicol luminos, pentru intrri laterale i senzori capacitivi pentru intrri frontaleExerciii3.3.1.

Realizai o comparaie ntre senzorii de proximitate optici cu fascicol convergent i cei cu fascicol convergent care s aib n vedere, asemnri i deosebiri funcionale,avantaje i dezavantaje.3.3.2Ce trebuie s avei n vedere cd folosii un senzor de proximitate optic ntr-un mediu cu mult praf? Sugerai soluii de rezolvare a problemei.

3.3.3. Trebuie detectate obiecte care se afl intr-un loc foarte greu accesibil n care temperatura ambiant poate crete pn la 1000 C.Se propune utlizarea unui senzor optic.Care este soluia optim n acest caz? Ce trebuie avut n vedere pentru selectarea senzorului adecvat?3.3.4.3.4 SENZORI DE PROXIMITATE MAGNETICI

Principiul de funcionare. Senzorii de proximitate magnetici reacioneaz la cmpuri magnetice ale magneilor perma neni sau ale electromagneilor. n cazul unor senzori magnetici reed paleta cu contacte realizat din material feromagnetic

- permalloy (fier +nichel)este sigilat ntr-un tub de sticl.(fig. 3.4.1.).

Acest tub este plin cu un gaz inert - nitrogen.Dac n apropierea senzoruluid e proximitate se afl un cmp magnetic, paletele sunt atrase i se realizeaz un contact electric.

Fig. 3.4.1.

n tabelul de mai jos sunt prezentate cele mai importante caracteristici tehnice ale senzorilor magnetici .

Tabelul 3.4.

Tensiunea de alimentare12V27Vccsau ca

Sensibilitatea + 0,1 mm

40W

Inducia magnetic de interferen maxim0,16 mT

Frecvena maxim de comutare500Hz.

Timpul de comutare( 2 ms

Conductana0,1(

Durata de via cu circuit de protecie5*106 cicluri de comutare

Clasa de protecie al IEC529, DIN 40050IP66

Temperatura de lucru-200 C ..+600 C

BN(1) +24V Senzorii de magnetici reed au n construcie

un LED care indic starea de operare .n figura 3.4.2. sunt prezentate conexiunile BK(4)

interne i externe. Diodele electrolumonis-

cente conectate n serie cu rezistorul R, au rolul de circuit de protecie pentru sarcina L1 RL inductiv. 0V

R L1 Fig. 3.4.2.NOTE PENTRU APLICAII

Cnd se instaleaz un tip de senzor reed, este important sa ne asigurm c nu exist un cmp magnetic de interferen n apropierea senzorului mai mare de 0,16mT.n cazul n care acesta exist atunci senzorul trebuie s fie protejat corespunztor.

Dac un cilindru pneumatic este instalat cu un senzor de proximitate, este necesar o distan minim de 60 mm ntre senzor i pereii exteriori ai cilindrului. Dac aceste distane sunt reduse va avea loc o deplasare n punctul de comutare., Cu senzorii reed, curentul maxim de urmrire trebuie redus.Altfel, aceasta poate con- duce la apariia unui arc electric n timpul pornirii sau opririi, ceea ce ar produce ar- derea lamelelor de contact. Cnd sunt comutate sarcini inductive,apare un vrf de tensiune n momentul opririi. Din acest motiv senzorul de proximitate trebuie prevzut cu un circuit de protecie dac acesta nu face parte din construcia lui.

Circuitul de protecie poate fi un circuit RC, o diod corespunztoare sau un varistor. (fig.3.4.3.) +24V RL L +24V RL L

Fig. 3.4.3. Circuite de protecie pentru contactele reed. RL rezistena de sarcin; L inductana de sarcin; R rezistor de protecie C condensator de protecie; D diod sau varistor de protecie

Valorile electrice ale acestor componente depind de urmtoarele componente de putere releu, contactor,etc. Dac trebuie acionat un releu sau un contactor, datele tehnice ale releului sau contactorului trebuie respectate.Puterea de tragere a unui releu sau contactor este de 8-10 ori mai mare dect cea de meninere. De aceea este bine ca puterea de pull-in s fie luat ca referin. APLICAIIPrin folosirea senzorilor magnetici de proximitate mangnetici o mare parte a problemelor pot fi rezolvate dac obiectul care trebuie

detectat este prevzut cu un magnet, ca de exemplu: -msurarea vitezei de rotaie a unei piese confecionate din orice fel de material;

-selectarea unei piese dintr-o serie de piese similare

-numrarea pieselor -poziionarea obiectelor

Un senzor magnetic poate fi folosit pentru

detectarea sfritului cursei unui cilindru

cu o lungime a cursei pistonului de 10mm.

( fig.3.4.4.) Fig.3.4.4.

n figura 3.4.5 este prezentat principiul

de funcionare al unui senzor de proxi-

mitate magnetic care detecteaz pozi- ia pistonului ntr-un cilindru. n acest caz contactul este deschis iar senzorul nu este acionat(LED-ul este stins)

Cnd pistonul a ajuns n dreptul senzorului,

cmpul magnetic al magnetului acioneaz lamelele contactului i LED-ul se aprinde . Fig.3.4.5. Exerciii

3.4.1.

Descriei comportarea senzorului reed din figura 3.4.2. cu tensiunea de alimentare inversat.

Aceasta poate perturba funcionarea senzorului?

3.5ALEGEREA SENZORILOR

MRIMI CARACTERISTICE I CRITERII DE ALEGEREPentru alegerea unui senzor de proximitate trebuiesc cunoscute principalele caracteristici de funcionare i de alimentare. Cele mai importante dintre acestea sunt prezentate n continuare. Valori numerice detaliate se regsesc n cataloagele firmelor productoare.

a) Distane de sesizare, fig. 3.5.1:

distana de comutare nominal, Sn: este o valoare caracteristic senzorului pentru care nu se iau n considerare abaterile date de temperatura si tensiunea de alimentare. De asemenea nu se iau n considerare nici abaterile de msurare ale senzorului;

distana de comutare real, Sr: se definete pentru temperatura de funcionare de 20oC i pentru o tensiune de alimentare corect (nominal). Poate avea o abatere de ( 10% fa de distana de comutare nominal, Sn;

distana de comutare util, Su: este distana pentru care senzorul va comuta garantat dac temperatura i tensiunea au valori n limitele de funcionare normal prescrise de fabricant. Poate fi diferit cu (10% fa de distan de comutare real;

distana de comutare sigur, Sa: este distana pentru care senzorul va comuta garantat dac temperatura i tensiunea au valori n limitele de funcionare permise prescrise de fabricant.

b) Limite permise pentru tensiunea de alimentare: pentru senzorii ce funcioneaz n curent continuu intervalul uzual este ntre 10 V i 30 V dac tensiunea nominal este de 24 V;

pentru senzorii care funcioneaz n curent alternativ intervalul poate fi ntre 20 V i 265 V dac tensiunea nominal este de 230 V. n plus, frecvena reelei poate oscila ntre 45 i 65 Hz.

c) Curentul de ieire nominal: este curentul maxim care poate trece prin sarcina conectat la senzor i pe care senzorul l poate suporta pentru un regim continuu de funcionare. Dac acest curent este depit, senzorii fr protecie la scurtcircuit se defecteaz.

d) Curentul minim de sarcin: este cel mai mic curent necesar pentru ca circuitele electronice ale senzorului s poat funciona. Pentru cazul senzorilor de curent continuu cu 3 fire curentul minim de sarcin este 0 mA. Pentru senzorii de curent alternativ cu 2 fire este de 5 mA.

e) Cderea de tensiune pe senzor: este diferena dintre tensiunea de alimentare a circuitului ce include comutatorul senzorului i tensiunea msurat la bornele sarcinii (de exemplu releu). Pe comutatorul nchis al senzorilor de curent continuu cu 3 fire cderea de tensiune este < 3,2 V. Pentru senzorii de curent alternativ cu 2 fire este