KONČNA STIKALA. Seminarska naloga Merilni pretvorniki. Aleš Jeglič. Miha Hlebanja

Transcript

1 KONČNA STIKALA Seminarska naloga Merilni pretvorniki Aleš Jeglič Miha Hlebanja

2 Kazalo 1. Uvod Vrste končnih stikal Izbira končnega stikala glede na potrebe in ostale vplive Kapacitivna stikala Kapacitivnost Splošni princip delovanja Razdelitev kapacitivnih stikal MERILNIK VLAGE MERILNIK NIVOJA MERILNIK TLAKA BLIŽINSKO STIKALO Mehanska končna stikala Induktivna končna stikala Tipi in izvedbe Sprememba induktivnosti Sprememba medsebojne induktivnosti Optična stikala Zaključek Viri:

3 1. Uvod V današnjem času ko želimo, da stroji in naprave vedno več zmorejo narediti sami težimo k avtomatizaciji postrojev. To je postopek kjer želimo čim več storiti brez prisotnosti človeka. S tem prihranimo denar in pohitrimo delovni proces. Del sistema avtomatizacije so tudi končna stikala. So nezgrešljiv del sistema, ki nam sporoča kdaj je obdelovanec prišel na mesto za nadaljevanje obdelovalnega procesa. Poleg tega jih srečamo tudi v ostalih raznih aplikacijah kot so določanje nivoja kapljevin, štetje, določanje razmaka med obdelovanci. Pogosto nam zadostuje že informacija, ali je kos obdelovanca dosegel končni položaj ali ne. Za ta namen nam zadostujejo binarne informacije. Dobimo jih iz binarnih dajalnikov položaja. Ti dajalniki se v grobem delijo po tem ali je prišlo do fizičnega kontakta z obdelovancem ali pa ne. Kjer pride do fizičnega stika imamo kontaktne dajalnike položaja, drugače pa so to razna približevalna stikala. Problem kontaktnih končnih stikal je predvsem staranje delov, kar se pozna kot oksidacija in nanos ostalih koščkov umazanije, ki povzroči večjo upornost kontaktnega mesta. 3

4 2. Vrste končnih stikal Stikala se najprej razdelijo na digitalna in analogna. Digitalna stikala iz katerih dobimo enobitno informacijo se delijo na induktivna, kapacitivna, mehanska in optična. Analogna stikala pa imajo več stopen. Prehod med temi stopnjami je zvezen. Induktivna stikala spremenijo izhodno stanje ko pride do spremembe induktivnosti stikala. Kapacitivna stikala so občutljiva na spremembo kapacitivnosti, ki povzroči spremembo končnega položaja. Na videz sta si kapacitivno in induktivno stikalo precej podobni. Glavna prednost v prid kapacitivnih stikal je zaznavanje elementa ( obdelovanca ) iz poljubnega materiala, medtem ko so za induktivna stikala zaznavni le električno prevodni elementi. Mehanska stikala so odvisna od fizičnega stika med stikalom in vplivnim elementom. Optična nam zaznajo nek element na poti signala in s tem preklopijo začetno stanje. Ponovno opazimo prednost kapacitivnih stikal pred optičnimi. Kapacitivna stikala zaznajo elemente z zelo slabo odbojnostjo, kar pa zna biti težava v primeru uporabe optičnega stikala 3. Izbira končnega stikala glede na potrebe in ostale vplive Pri izbiri končnega stikala moramo biti pozorni na potrebe in neželjene vplive, ki nam določajo trajnost in zanesljivost delovanja stikala. Prvi v vrsti je element, ki ga želimo zaznati oz. mu določiti položaj. Pomembne so mnoge lastnosti elementov, ki jih zaznavamo: a) Prevodnost oz. neprevodnost b) Dimenzije c) Enakomernost oblik elementov d) Trdnost e) Agregatna stanja Poleg samih lastnosti elementov, pa so pomembni tudi ostali vplivi: a) Temperatura b) Vlaga c) Hitrost zaznavanja d) Način gibanja elementa e) Najmanjša razdalja med stikalom in elementom zaznavanja f) Življenjska doba stikala g) Cena 4

5 Zaradi vseh naštetih vplivov so v ponudbi končna stikala kjer navajamo njihove značilne lastnosti: a) Vrsta napajanja b) Maksimalne električne obremenitve ( max. tok) c) Najvišja obratovalna temperatura d) Dimenzije e) Razred zaščite pred vlago f) Vpliv prahu g) Vpliv elektromagnetnih motenj h) Zanesljivost i) Območje delovanja j) Največje število zaznavanj na časovno enoto k) Čas od zaznave do preklopa l) Cena m) Tip priključnih sponk n) Preklopna histereza o) Možnost združevanja več tipal 4. Kapacitivna stikala 4.1. Kapacitivnost Definicija kapacitivnosti je, da je to snovno geometrijska lastnost kondenzatorja. Snovna lastnost vpliva predvsem z dielektričnostjo materiala ki se nahaja med elektrodama. Geometrija pa vpliva s površino elektrod in medsebojno razdaljo. Ta definicija je podkrepljena z enačbo : (4.1) C kapacitivnost [F] S površina elektrod [m 2 ] d razdalja med elektrodama [m] E dielektričnost, ki se razdeli na Er relativna dielektričnost E0 dielektričnost praznega prostora [As/Vm] 5

6 4.2. Splošni princip delovanja Princip delovanja temelji na merjenju spremembe kapacitivnosti, zaradi približevanja elementa. Med aktivno elektrodo in maso je ustvarjeno elektrostatično polje. Ob prihodu elementa v to polje se spremeni kapacitivnost in s tem frekvenca oscilatorja, ki nam ustvarja to elektrostatično polje. To pa je že dovolj, da stikalo preklopi svoje stanje na izhodu. V odvisnosti od dielektrične konstante merjenca pa se spreminja razdalja na kateri ga zaznamo. Večja kot je dielektrična konstanta na večji razdalji lahko zaznamo merjeni element. Prav tako na večji razdalji lahko zaznamo prevodne elemente v primerjavi z neprevodnimi. Obstaja tudi možnost da nastavimo razdaljo na kateri zaznamo merjeni element. Slika 4.1: Sestava kapacitivnega približevalnega stikala 4.3. Razdelitev kapacitivnih stikal Razdelimo jih po namenu merjenja: a) Merilnik tlaka 6

7 b) Merilnik nivoja kapljevine c) Merilnik vlage d) Bližinsko stikalo Slika 4.2: Primer kapacitivnih stikal MERILNIK VLAGE Kot kapacitivni merilnik vlage lahko uporabljamo kondenzator z dielektrikom iz zraka. V odvisnosti od vlažnosti zraka se nam spreminja njegova dielektričnost. Spremembo dielektričnosti v odvisnosti od vlage v zraku izrazimo kot: (4.2) T absolutna temperatura izražena v Kelvinih P pritisk vlage v zraku P S pritisk vlage v zraku pri temperaturi T in nasičenju zraka H relativna vlažnost v procentih Drugi primer je merjenje vlage v trdnih snoveh. Tu nam spremenljiva dielektričnost spreminja frekvenco oscilatorja. Izbran material damo med dve plošči, ki predstavljata kondenzator. Tak kondenzator še z dodano tuljavo priključimo na oscilator. Problem netočnosti pri takšnih kondenzatorjih nam predstavlja rob kondenzatorja, če ta v celoti ni zapolnjen z merjenim elementom. Slika4.3: Shema merilnika vlage za trdne snovi 7

8 Vse tovrstne merilnike se uporablja v proizvodnji zdravil, rastlinjakih in pri vremenskih opazovanjih MERILNIK NIVOJA Princip merjenja temelji na električnih lastnostih medija. Merilnik je oblikovan v sondo, ki je potopljena v material. Ta material mora biti tekoč oziroma v prašni izvedbi da lahko vanj pomočimo sondo. Pri prevodnih medijih je sonda v dielektriku, zunaj njega pa je kovinska cev, ki jo objema prevoden medij. Spreminjanje nivoja prevodnega medija pa nam spreminja površino kondenzatorja in s tem velikost kapacitivnosti. Če je medij neprevoden pa se lahko nahaja direktno med sondo in kovinsko cevjo. Preostali del med sondo in kovinsko cevjo, ki ni zapolnjen z medijem pa objema zrak. V odvisnosti razmerja zraka in medija, ki imata različni dielektričnosti se nam spreminja kapacitivnost. Kot vidimo je osnovni pogoj pri tovrstnih meritvah poznavanje dielektričnosti medija, kar pa zna biti velik problem pri raznih mešanicah katerim merimo nivo. Dodatna težava z dielektričnostjo je njena odvisnost od temperature, ki navadno pada z naraščanjem temperature. Pogreške nam povzročajo mediji, ki so viskozni, saj kljub znižanju nivoja ostanejo na površini sonde. Slika 4.4: Skica merilnika nivoja Skupna kapacitivnost je vsota delnih kapacitivnosti pomočenega in ne-pomočenega dela. 8

9 MERILNIK TLAKA Merilniki tlaka so zelo razviti in imajo široko področje uporabe. Največ se uporabljajo v avtomobilski industriji, pri kontroli industrijskih procesov, hidravličnih sistemih in mikrofonih. Osnovo nam daje ne propustna membrana, ki je zmožna zdržati zelo visoke tlake (do 700 Bar-ov). Membrana se pod tlačno obremenitvijo premika. Če je na to membrano priključena ena elektroda kondenzatorja se tudi ta z njo giblje in nam spreminja razdaljo z drugo elektrodo, ki je fiksna. Sprememba razdalje pa nam pomeni spremembo kapacitivnosti. Slika4.5: Presek membrane in način raztezanja pod tlakom BLIŽINSKO STIKALO Princip delovanja temelji na merjenju spremembe kapacitivnosti ob približevanju merjenca. Med aktivno elektrodo in maso je neko elektrostatično polje, ki se spremeni ob prihodu elementa s tem pa se spremeni frekvenca oscilatorja. To pa je že dovolj, da spremenimo izhodno stanje. Materiali, ki imajo zelo majhno dielektrično konstanto morajo biti zadosti debeli da jih senzor zazna. 9

10 5. Mehanska končna stikala Slika5.1: Primer mehanskega stikala Mehanska končna stikala sodijo med klasične načine ugotavljanja doseženega položaja. Pri teh stikalih pride do mehanske sklenitve kontaktov, ko opazovani predmet pride na opazovani položaj. Ob stiku z opazovanim delom, se sklene delovni kontakt (NO Normally Open) ali razklene mirovni kontakt (NC Normally Closed) med priključnima sponkama. Glavne pomanjkljivosti mehanskih končnih stikal so: Obraba mehanskih delov, Oksidacija kontaktov, Zmanjšanje prevodnosti kontakta(zaradi oksidacije in umazanije) 6. Induktivna končna stikala Induktivno končno stikalo je tipalo, ki zazna kovinske predmete brez da bi se jih dotaknil. Uporabljajo se kot detektorji kovin, v avtopralnicah in v avtomatiziranih industrijskih procesih. Ker senzor ne potrebuje fizičnega stika, je še posebej koristno za izvajanje aplikacij, kjer dostop predstavlja izziv. Preklopna razdalja je le redko večja od 6 cm. V osnovi gre za zelo preprost transformator. Vezje ki je integrirano v tipalu, preko oscilatorja ustvarijo izmenično, navzven usmerjeno elektromagnetno polje. Ko se opazovani kovinski predmet približa, se v njem inducira napetost, ki v njem požene vrtinčne tokove, in povzroči obremenitev senzorja. Tako se zmanjša primarno polje, kar zaznava prožilno vezje v tipalu. Stikalo se vklopi, ko napetost pade pod neko določeno mejo. Napetostni nivo deaktiviranja 10

11 stikala je nastavljeno na nekoliko višjo vrednost kot nivo aktivacije. Tako stikalo preklaplja v histereznem režimu. Sestavni elementi preprostega induktivnega senzorja: 1. Senzor polja 2. Oscilator 3. Demodulator 4. Flip flop 5. Izhod Prednosti induktivnih končnih stikal: Shema 6.1: Elementi induktivnega senzorja Delujejo v širokem temperaturnem območju, Dosegajo relativno dobro točnost in ločljivost, Cenovno so ugodni elementi. Slabosti induktivnih končnih stikal: So razmeroma velikh dimenzij, Potrebujejo izmenično napajanje, Dalši odzivni čas v primerjavi z mehanskimi stikali. Slika 6.2: Primer induktivnih stikal 11

12 6.1. Tipi in izvedbe Merjenje premikov lahko pretvorimo v merjenje induktivnosti. Induktivnost tuljave je podana z enačbo: (6.1) Kjer je N število ovojev, R m magnetne upornost, l dolžina in A presek magnetne poti, µ pa permeabilnost, ki je odvisna tudi od mehanskih napetosti v materialu. Izvedbe induktivnih tipal se delijo glede na fizikalni pojav, ki ga izkorišča: Sprememba induktivnosti Sprememba medsebojne induktivnosti 6.2. Sprememba induktivnosti S premikanjem jedra v tuljavi spreminjamo magnetno upornost in s tem posledično tudi induktivnost, kajti poteka več ali manj silnic po železu ali po zraku. Sprememba ΔL ni v linearni povezavi s potjo. Sprememba odjema Primeri izvedbe: Tipalo pomika Tipalo kota Induktivni delilnik Frekvenčno območje: 12

13 0 do 50 Hz Sprememba zračne reže Primeri izvedbe: Tipalo s prečno kvoto za merjenje pomika in kota Diferencialna izvedba Merilno območje: 0 do 5 mm Ločljivost: 0,1 µm Frekvenčno območje: 0 do 10 khz Linearnost in občutljivost sta slabi. Sprememba lege jedra Primeri izvedbe: Tipalo s potopnim jedrom Diferencialno tipalo s potopnim jedrom Merlino območje: 0 do 2000 mm Ločljivost: 10 nm Frekvenčno območje: 0 do 10 khz Linearnost: 1% Občutljivost: 1 V / mv 13

14 6.3. Sprememba medsebojne induktivnosti Z uporabo mostične vezave lahko pretvorimo ΔL v električno napetost. Ko naredimo primerno obliko dobimo linearno odvisnost med ΔL in A, kar je zagotovljeno na razdalji do 70% dolžine tuljave. Sprememba medsebojne lege Primeri izvedbe: Dolžinski premik Prečni premik Javljalnik vrtenja Merilno območje: 360 Frekvenčno območje: 0 do 1 khz Linearnost: Nelinearno Sprememba lege jedra Primeri izvedbe: Enostavna izvedba Diferencialna izvedba Diferencialno tipalo kota Merilno območje: 0 do 20 mm 14

15 Ločljivost: <10-4 mm Frekvenčno območje: 0 do 10 khz Linearnost: 1 do 5 Občutljivost: 250 mv / mm 7. Optična stikala To so stikala kjer zaznamo spremembo stanja brez fizičnega kontakta. Osnova je svetlobni tok, ki ga daje oddajnik in sprejema sprejemnik. Če se na poti svetlobnega toka pojavi telo, nam sprejemnik to zazna in prek pretvornika pretvori v električni signal, ki preklopi izhodno stanje. Značilna sta dva tipa lege oddajnika in sprejemnika. Oddajnik in sprejemnik sta lahko v enem ohišju in signal se odbija preko svetlobnega odbojnika. Tak način zaznavanja imenujemo odbojno zajemanje signala. Drug tip pa je direktno zajemanje. Tu se na enem koncu nahaja oddajnik na drugem pa sprejemnik. Predmet, ki pride na pot svetlobnega toka, ga prekine in ponovno dobimo spremembo signala na izhodu. Problem odbojnega zajemanja se pojavi pri zelo svetlečih predmetih. Na poti svetlobnega toka se pojavi svetleč predmet, ki lahko odbije svetlobni tok, ki je na poti v svetlobni odbojnik. Senzor nam tako ne zazna predmeta in ne odreagira pravilno. Ta problem rešimo s filtri, ki nam obrnejo svetlobni tok in ga v povratku na sprejemnik ne sprejmejo, če ni šel skozi filter tudi v svetlobem odbojniku. 15

16 Slika 7.1: Uporaba filtrov pri odbojnem zajemanju svetlobnega toka 8. Zaključek Končna stikala so napredek, ki nam je pocenil ter pohitril proizvodnjo. Brez uporabe teh stikal si strojev sploh ne moremo zamislit, saj bi bilo čudno in neekonomično, da bi ob vsaki postaji obdelovalnega cikla stal človek in s potrjevanjem položaja obdelovanca sprožal nadaljevanje procesa. V prihodnosti lahko pričakujemo še več končnih stikal, saj vsako podjetje, ki želi biti v konkurenci mora posodabljati svojo strojno opremo. 16

17 9. Viri: Internetni: Knjižni: Uvod v programirljive krmilne sisteme, David Nedeljković, 2005 Praktični vidiki uporabe gradnikov v sistemih vodenja, Janko Petrovčič, 2002 Procesna merilna tehnika, Anton Jeglič,