Senzori pentru automatizări electrice

Automatizari

de Mircea Badut

Senzori pentru automatizări electrice

Pentru cei care se ocupă de automatizări (fie ei implicaţi în proiectarea, fabricarea, comercializarea, implementarea/instalarea, întreţinerea lor) principiile de funcţionare ale diverşilor senzori sunt cunoscute. Însă reiterarea acestora dimpreună cu discutarea unor aspecte de interes tehnic poate fi utilă.

Generic

Am putea privi senzorii ca fiind acele elemente din instalaţiile de automatizare destinate să suplinească vreunul dintre simţurile omului (tactil, vizual, auditiv), doar că ele – graţie originii tehnice – extind drastic gama biologică, exploatând efecte fizico-chimice greu decelabile de către oameni (magnetic, electrostatic, presiune, debit, termic, infraroşu, ultrasunet, pH, concentraţie  etc).

Mulţi dintre senzori seamănă (cel puţin principial) cu elementele sensibile din aparatele de măsură, cu o diferenţă esenţială: de regulă senzorul doar semnalează apariţia (ori schimbarea) unei stări, pe când instrumentul de măsură o evaluează cantitativ (valoric). Din altă perspectivă vom observa că senzorul este destinat să stea de veghe şi să comunice unei instalaţii automate. Deci – raportându-ne la jargonul de acronime profesionale – spunem că senzorii se pretează la aplicări MMI (interacţiune între maşini), pe când instrumentul de măsură mai degrabă la aplicări HMI (intermediere între om şi maşină), deşi dihotomia nu-i atât de categorică cum pare.

 

În instalaţiile electrice, senzorii trebuie să convertească în semnale electrice (tensiune/curent) acele modificări ale stării monitorizate (indiferent de natura acesteia). Aşa că vom întâlni şi termenul de traductor. Reţinem şi faptul că deseori este necesară o preparare a semnalului electric sintetizat de traductor cu scopul de a-l face compatibil cu circuitele electrice din aval (această condiţionare a semna­lului poate presupune amplificare, redresare, modificare frecvenţă, ş.a.). Dacă respectiva instalaţie foloseşte pentru automatizare procesare digitală (aşa cum se întâmplă tot mai des, când logica procesului este implementată chiar şi prin aplicaţii software/firmware încorporate în hardware-ul de proces), atunci semnalul generat de senzor/traductor necesită şi o codificare (transformare din semnal electric analogic în semnal digital, realizată fie cu circuite ADC generice, fie prin concepţia constructivă).

Senzori inductivi

Există mai multe subspecii de senzori ce folosesc efecte electromagnetice pentru a raporta schimbări de poziţie sau viteze (deplasări, rotaţii), multe variante constructive vizând funcţionarea în medii grele (tempera­turi extreme, umezeală, apă, praf, nisip, grăsimi, reziduuri industriale).

Cele mai simple traductoare din această familie se bazează pe acelaşi principiu al inducţiei folosit în transformatoarele şi maşinile electrice, principiu observat de Michael Faraday în urmă cu aproape două secole (apariţia unui curent electric printr-un conductor electric ce se mişcă într-un câmp magnetic).

Dar şi modul de exploatare a acestui principiu a condus la o gamă diversă de concepţii pentru senzori: comutatoare de proximitate, senzori de inductanţă variabilă, senzori de reluctanţă variabilă, senzori „synchro”, transformatoare diferenţiale variabile liniare/rotative (LVDT, RVDT).

Senzor LVDT - principiu

De exemplu, într-un senzor de proximitate (care semnalează deci apropierea unui obiect), dispozitivul este de fapt o bobină alimentată cu curent alternativ, iar apropierea unui obiect feromagnetic determină modificarea impedanţei bobinei (depăşirea unui anumit prag în acest efect declanşează acţiunea pentru care senzorul este prevăzut în instalaţie). Senzorii de proximitate sunt utilizaţi pentru a semnala apropierea sau îndepărtarea unei ţinte metalice: ei se comportă ca un comutator, fiind folosiţi mai ales în aplicaţiile industriale în care prezenţa unui comutator mecano-electric nu ar face faţă din cauza mediului dificil (apă, mizerii).

Un pic mai complicaţi, senzorii de inductanţă (sau de reluctanţă) variabilă generează un semnal electric proporţional cu deplasarea unui obiect feromagnetic (uzual un arbore de oţel) faţă de o bobină (parcursă de curent alternativ). Prin construcţie, ei sunt concepuţi să fie mai sensibili la deplasare (nu doar prin sesizarea pragului, precum senzorii de proximitate), fiind preferaţi în aplicaţii precum monitorizarea deplasării pistoanelor în cilindru (în sistemele pneumatice sau hidraulice), unde bobina poate fi plasată astfel încât chiar pistonul să constituie „miez magnetic”.

Senzorii de tip „synchro” urmăresc cuplajul inductiv dintre două bobine aflate în mişcare de rotaţie una faţă de cealaltă, activând  într-o formaţiune de tip rotor-stator (fiind deci aplicabili pentru determinarea unghiului de rotaţie). Gradul crescut de complexitate este justificat (semnalul generat fiind foarte precis) mai ales în aplicaţii de metrologie, sau de control al orientării antenelor, heliostatelor şi telescoapelor. Datorită costului ridicat, ei sunt deseori înlocuiţi de senzori de tip „resolver” (o variantă constructivă  la care doar statorul are înfăşurările alimentate în circuit).

Senzorii de tip LVDT şi RVDT evaluează modificarea cuplajului inductiv dintre bobine (înfăşurarea primară şi cea secundară) determinată direct proporţional de mişcarea unei ţinte cu permeabilitate magnetică (printr-un arbore metalic ca miez magnetic în cazul LVDT, ori ca o piesă de formă rotorică în cazul  RVDT). Aplicări uzuale pentru LDVT şi RVDT: eleroane aviatice servo-hidraulice, controlul alimentării motoarelor cu ardere internă etc. (De fapt, de la RVDT până la senzorii unghiulari inductivi ce codifică rotaţia direct în impulsuri e doar un pas.)

Robusteţea constructivă, precum şi faptul că semnalul electric generat are suficientă putere, sunt argumentele ce fac senzorii inductivi potriviţi pentru lucrul în medii grele şi foarte grele, ne mai necesitând localizarea în strictă vecinătate a circuitelor de prelucrare a semnalelor. De partea cealaltă a balanţei stau (împotrivă) argumente precum: gabarit, greutate sau (în cazul senzorilor sofisticaţi) condiţii deosebite la bobinare şi cost. Desigur, nu sunt aplicabili în medii cu  perturbare eletromagnetică semnificativă.

Deşi generaţiile mai vechi de senzori inductivi purtau specificaţii mai clasice (cu standardizare slabă în privinţa alimentării electrice sau a conexiunii cu circuitele din aval), în ultimii ani ei vin în pachete mai accesibile din perspectiva proiectării/integrării (folosesc PCB-uri mai miniaturale şi electronică digitală în locul circuitelor analogice şi cu transformatoare), iar efervescenţa din acest domeniu (catalizată astfel şi prin relaţii OEM) aduce câştiguri privind precizia, masa, volumul şi costul senzorilor.

Senzori cu ultrasunete

Un dispozitiv cu senzor ultrasonic funcţionează asemănător radarului (sau sonarului): generează unde sonore de frecvenţă înaltă (peste 18kHz) şi apoi evaluează atributele unei ţinte din raza de acţiune interpretând ecoul acelor unde. Dispozitivul determină distanţa până la ţintă calculând intervalul de timp dintre emiterea semnalului şi recepţionarea ecoului. Printre aplicările tipice amintim: senzori de parcare a automobilelor; alarme anti-efracţie; monitorizarea nivelului de lichide din cisterne/tancuri; viteza vântului (anemometre), viteza apei, etc. Dar reţinem că aplicabilitatea acestor senzori este cumva limitată de formele suprafeţelor ţintelor şi de consistenţa materialului acestora.

Domeniul de lucru al senzorilor ultrasonici se întinde de la câţiva centimetri până la 10 metri, iar acurateţea măsurării este foarte bună (precizie tipică de un milimetru), ceea ce îi face recomandabili şi pentru automatizări industriale. De asemenea, mizeria şi praful nu afectează funcţionarea (de fapt, vibraţiile ultrasonice chiar înlătură depunerile de pe suprafaţa senzorului).

 

Intern, senzorul foloseşte un traductor lucrând iniţial ca emiţător (vibraţiile mecanice ale unui cristal piezo-electric ceramic aduc în stare de rezonanţă un strat acustic de dimensiuni/frecvenţă determinate), apoi traductorul comută în regim de receptor (microfon) pentru a prelua semnalul ecou. Urmează amplificarea semnalului electric (tradus de microfon) şi calcularea distanţei de către microcontroller-ul încorporat în senzor. După care ciclul se reia. De regulă, la integrarea acestui gen de senzor într-o instalaţie trebuie să se ţină cont că traductorul ultrasonic este „surd” pe durata transmiterii rafalei ultrasonice, deci va detecta obiecte doar când trece în regimul de microfon (receptor). Acest „timp mort” (care se traduce printr-o „zonă oarbă” în scena supravegheată de senzor, având ~10mm) poate fi minimizat prin artificii constructive (geometria traductorului) sau prin optimizarea amplificării.

 

În sfera aplicărilor industriale probabil că exemplul cel mai elocvent este cel al senzorilor ce monitorizează obiec­tele circulând pe o linie de asamblare (despre ale căror poziţii trebuie permanent să afle roboţii de montare).

 

La aceşti senzori implementarea trebuie să ţină cont de o serie de caracteristici şi cerinţe (aplicabile de fapt şi altor tipuri de senzori):

  • compensarea termică (controller-ul trebuie să ştie să echilibreze eroa­rea de distanţă dată de variaţia temperaturii în mediul de lucru);
  • gradul de protecţie (clasa IP depinzând tot de specificul mediului de lucru);
  • protecţia la interferenţe eletromagnetice în spectrul propriu etc. 

Mircea Băduț este inginer,  consultant CAD/IT



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord