Rodzaje przetworników w automatyce – przegląd i zasada działania

Przetwornik pomiarowy to urządzenie, które zamienia mierzoną wielkość fizyczną, na przykład położenie, przemieszczenie, siłę, moment obrotowy lub pole magnetyczne, na sygnał elektryczny możliwy do odczytania przez sterownik. Rodzaje przetworników różnią się zasadą działania, zakresem pomiaru i sygnałem wyjściowym.

Czym jest przetwornik pomiarowy?

Przetwornik pomiarowy stanowi element łączący proces mechaniczny lub fizyczny z układem automatyki. Rejestruje zmianę określonej wielkości i przekształca ją w sygnał, który może zostać przesłany do PLC, sterownika ruchu, regulatora albo systemu akwizycji danych.

W zależności od konstrukcji sygnałem wyjściowym może być:

• napięcie, na przykład 0–10 V,
• prąd, najczęściej 4–20 mA,
• zmiana rezystancji,
• ciąg impulsów,
• sygnał cyfrowy przesyłany przez SSI, CANopen lub inny interfejs,
• częstotliwość proporcjonalna do mierzonej wielkości.

Pojęcia „czujnik” i „przetwornik” są często używane zamiennie, ale nie zawsze oznaczają dokładnie to samo. Czujnik może być elementem reagującym na zmianę wielkości fizycznej, natomiast przetwornik obejmuje również mechanizm jej zamiany na użyteczny sygnał wyjściowy.

Przetwornik inkrementalny – jak działa?

Przetwornik inkrementalny, najczęściej występujący jako enkoder, generuje określoną liczbę impulsów podczas obrotu wału. Liczba zarejestrowanych impulsów określa zmianę pozycji, a ich częstotliwość pozwala obliczyć prędkość.

Typowy enkoder inkrementalny udostępnia:

• kanał A,
• kanał B przesunięty w fazie względem kanału A,
• opcjonalny impuls referencyjny Z,
• sygnały komplementarne w wykonaniach odpornych na zakłócenia.

Przesunięcie fazowe między kanałami A i B umożliwia rozpoznanie kierunku obrotu. Rozdzielczość jest podawana jako liczba impulsów na obrót, a sterownik wyznacza pozycję względną przez ich zliczanie.

Po zaniku zasilania standardowy przetwornik inkrementalny nie zachowuje bezwzględnej informacji o pozycji. Po ponownym uruchomieniu maszyny może być więc konieczne wykonanie bazowania. Nie dotyczy to enkoderów absolutnych, które kodują konkretną pozycję wału.

Dostępne w AMG enkodery inkrementalne mogą być wykorzystywane do pomiaru prędkości, kierunku i względnego położenia w napędach, modułach liniowych oraz maszynach produkcyjnych.

Jak działa przetwornik linkowy i przetwornik drogi?

Przetwornik linkowy mierzy ruch liniowy za pomocą stalowej linki nawijanej na bęben pomiarowy. Przemieszczenie linki powoduje obrót bębna i połączonego z nim enkodera albo potencjometru. Sprężyna powrotna utrzymuje linkę napiętą i zwija ją podczas ruchu powrotnego.

Rozwiązanie to pozwala zamienić długi ruch liniowy na łatwy do pomiaru ruch obrotowy. Jest stosowane tam, gdzie bezpośredni montaż liniowego czujnika byłby trudny, kosztowny lub niemożliwy.

Typowe zastosowania obejmują:

• pomiar wysunięcia siłownika lub wysięgnika,
• kontrolę pozycji wózka,
• pomiar wysokości platformy,
• nadzorowanie ruchu bramy,
• pomiar skoku stołu liniowego,
• kontrolę położenia suwnicy,
• pomiar poziomu lub zwisu.

Przetworniki linkowe TWK dostępne w AMG obejmują rozwiązania do pomiarów od około 1 do kilkudziesięciu metrów. Ruch linki może być rejestrowany przez enkoder inkrementalny, absolutny albo układ analogowy.

Na co zwrócić uwagę przy montażu przetwornika linkowego?

Linka powinna być wyciągana możliwie prostopadle do bębna i bez nadmiernego odchylenia bocznego. Nie może ocierać o krawędzie, gwałtownie wracać do obudowy ani pracować ze zwisem.

Należy także sprawdzić:

• maksymalną prędkość wysuwu,
• dopuszczalne przyspieszenie,
• siłę sprężyny powrotnej,
• zakres temperatury,
• trwałość mechanizmu,
• klasę szczelności obudowy i wejścia linki,
• kompatybilność z wybranym enkoderem.

Czym jest przetwornik momentu obrotowego?

Przetwornik momentu obrotowego mierzy skręcenie elementu pomiarowego wywołane momentem działającym na wał. Najczęściej wykorzystuje tensometry naklejone na odpowiednio zaprojektowany korpus.

Pod wpływem obciążenia wał ulega bardzo małemu odkształceniu. Powoduje ono zmianę rezystancji tensometrów, która jest następnie wzmacniana i przeliczana na wartość momentu w Nm.

Przetworniki momentu stosuje się między innymi w:

• stanowiskach testowych silników,
• badaniach przekładni,
• narzędziach montażowych,
• kontroli procesów dokręcania,
• testach serwonapędów,
• układach kontroli jakości,
• badaniach sprawności maszyn.

Przetwornik mierzy rzeczywisty moment mechaniczny na wale. Wartość ta może różnić się od momentu szacowanego na podstawie prądu silnika ze względu na tarcie, straty przekładni, temperaturę oraz zmienne warunki pracy.

Przetwornik tensometryczny – jaka jest zasada działania?

Przetwornik tensometryczny wykorzystuje zmianę rezystancji tensometru wywołaną jego rozciąganiem lub ściskaniem. Tensometry są mocowane do sprężystego elementu, który odkształca się pod wpływem siły.
Najczęściej są połączone w mostek Wheatstone’a. Układ ten pozwala zamienić bardzo małą zmianę rezystancji na mierzalne napięcie wyjściowe. W pełnym mostku stosuje się zazwyczaj cztery tensometry rozmieszczone tak, aby zwiększyć czułość i częściowo kompensować wpływ temperatury.

Przetworniki tensometryczne są stosowane do pomiaru:

• siły ściskającej,
• siły rozciągającej,
• nacisku,
• masy,
• naprężenia,
• momentu obrotowego,
• obciążeń działających na konstrukcję.

Sygnał z mostka ma zazwyczaj niewielką amplitudę, dlatego wymaga wzmacniacza pomiarowego, stabilnego zasilania oraz właściwego ekranowania przewodów.

Jak działa przetwornik Halla?

Przetwornik Halla zamienia pole magnetyczne na sygnał elektryczny. Element Halla wytwarza napięcie zależne od wartości i kierunku pola, a zintegrowana elektronika wzmacnia i przetwarza ten sygnał.

Przetwornik może działać jako:

• przełącznik reagujący na przekroczenie progu pola,
• zatrzask magnetyczny,
• liniowy czujnik natężenia pola,
• jedno- lub wieloosiowy czujnik położenia,
• element układu pomiaru prędkości.

W automatyce wykorzystuje się go do bezkontaktowego wykrywania pozycji, obrotu, obecności magnesu oraz komutacji silników. Czujniki liniowe mogą generować napięcie proporcjonalne do mierzonego pola magnetycznego.

Zaletą tej technologii jest brak mechanicznego styku między czujnikiem a mierzonym elementem. Dokładność pomiaru zależy jednak również od geometrii i jakości magnesu, szczeliny roboczej, temperatury oraz zewnętrznych pól magnetycznych.

Czym jest przetwornik fotoelektryczny?

Przetwornik fotoelektryczny reaguje na zmianę natężenia światła i zamienia ją na sygnał elektryczny. Może wykorzystywać diodę LED lub laser jako nadajnik oraz fotodiodę albo fototranzystor jako odbiornik.
W enkoderze optycznym tarcza z przezroczystymi i nieprzezroczystymi polami obraca się między nadajnikiem a odbiornikiem. Okresowe przesłanianie wiązki generuje impulsy odpowiadające zmianie położenia.

Technologia fotoelektryczna występuje również w:

• czujnikach refleksyjnych,
• barierach optycznych,
• czujnikach odbiciowych,
• systemach światłowodowych,
• układach odczytujących znaczniki.

Jej zaletą może być wysoka rozdzielczość i szybka reakcja. Wymaga jednak uwzględnienia wpływu zabrudzeń, kondensacji, pyłu oraz ustawienia elementów układu optycznego.

Czym są przetworniki elektromagnetyczne?

Przetworniki elektromagnetyczne wykorzystują zmianę pola magnetycznego, indukcyjności albo strumienia magnetycznego do wytworzenia sygnału odpowiadającego mierzonej wielkości.

Do tej grupy można zaliczyć między innymi:

• indukcyjne przetworniki drogi,
• czujniki z ruchomym rdzeniem,
• prądnice tachometryczne,
• resolwery,
• przetworniki magnetoindukcyjne.

W liniowym czujniku indukcyjnym ruch metalowego rdzenia zmienia indukcyjność cewek. Elektronika przekształca tę zmianę na sygnał analogowy lub cyfrową wartość położenia. Tak działają oferowane przez AMG indukcyjne przetworniki położenia.

Co to jest przetwornik sygnału?

Przetwornik sygnału nie musi bezpośrednio mierzyć wielkości mechanicznej. Jego zadaniem jest zamiana jednego sygnału elektrycznego na inny, zgodny z wejściem urządzenia docelowego.

Może na przykład przetwarzać:

• 0–10 V na 4–20 mA,
• 4–20 mA na 0–10 V,
• częstotliwość na sygnał analogowy,
• impulsy enkodera na wartość prądową,
• sygnał rezystancyjny na standard przemysłowy.

Dodatkowe funkcje mogą obejmować separację galwaniczną, filtrowanie, skalowanie oraz diagnostykę przerwania obwodu. Przetwornik pozwala dzięki temu połączyć urządzenia, które nie są bezpośrednio zgodne elektrycznie.

Przetworniki linkowe AMG – porównanie SWG, SWP, SWF i SWH

Model SWP udostępnia bezpośredni sygnał analogowy lub potencjometryczny. Modele SWH, SWG i SWF współpracują z odpowiednio dobranym enkoderem, dzięki czemu typ wyjścia może zostać dopasowany do systemu sterowania.

Jak dobrać przetwornik pomiarowy do aplikacji?

Dobór należy rozpocząć od określenia mierzonej wielkości oraz sposobu wykorzystania wyniku. Inny przetwornik będzie potrzebny do kontroli pozycji osi, inny do pomiaru siły, a jeszcze inny do oceny momentu na wale.

1. Określ mierzoną wielkość

Należy ustalić, czy system ma mierzyć:

• położenie liniowe,
• położenie kątowe,
• prędkość,
• moment obrotowy,
• siłę,
• obecność obiektu,
• pole magnetyczne.

2. Dobierz zakres pomiarowy

Zakres powinien obejmować pełny ruch lub obciążenie wraz z odpowiednim zapasem. Nie powinien być jednak niepotrzebnie duży, ponieważ może to ograniczyć użyteczną rozdzielczość.

3. Sprawdź dokładność i rozdzielczość

Trzeba rozróżniać:

• dokładność,
• liniowość,
• powtarzalność,
• rozdzielczość,
• histerezę.

Wysoka liczba impulsów enkodera nie gwarantuje sama w sobie wysokiej dokładności całej maszyny. Wynik zależy również od luzów, odkształceń, montażu i jakości elementów mechanicznych.

4. Wybierz sygnał wyjściowy

Sygnał musi być zgodny z wejściem sterownika:

• 4–20 mA dobrze sprawdza się przy dłuższych przewodach,
• 0–10 V ułatwia prostą integrację analogową,
• impulsy A/B pozwalają mierzyć ruch względny,
• enkoder absolutny przekazuje konkretną pozycję,
• interfejs cyfrowy może udostępniać również diagnostykę.

5. Uwzględnij dynamikę i środowisko

Należy sprawdzić:

• maksymalną prędkość i przyspieszenie,
• temperaturę pracy,
• klasę IP,
• wibracje i udary,
• wilgotność i zapylenie,
• możliwość kontaktu z olejem lub chłodziwem,
• kompatybilność elektromagnetyczną,
• trwałość mechaniczną.

Dobór przetwornika powinien obejmować cały tor pomiarowy

Prawidłowy dobór nie kończy się na wyborze technologii pomiarowej. Trzeba uwzględnić również sposób montażu, przewody, wejście sterownika, częstotliwość odczytu, filtrowanie oraz zachowanie systemu po zaniku zasilania.
W aplikacjach wymagających pomiaru długiego ruchu liniowego warto sprawdzić przetworniki linkowe. Gdy potrzebny jest sygnał impulsowy opisujący ruch wału, właściwym rozwiązaniem mogą być enkodery inkrementalne.

Przekazanie dostawcy informacji o zakresie, prędkości, wymaganej dokładności, interfejsie i warunkach pracy pozwala dobrać nie tylko sam przetwornik, ale kompletny i kompatybilny tor pomiarowy.

FAQ

Czym jest przetwornik inkrementalny i jak działa?

Przetwornik inkrementalny generuje impulsy podczas ruchu wału. Ich liczba odpowiada zmianie pozycji, a częstotliwość pozwala obliczyć prędkość. Kanały A i B umożliwiają również rozpoznanie kierunku ruchu.

Czym różni się przetwornik momentu obrotowego od czujnika momentu?

W praktyce nazwy te często odnoszą się do tego samego urządzenia. Określenie „przetwornik” podkreśla jednak, że odkształcenie wału jest zamieniane na określony sygnał elektryczny możliwy do wykorzystania w systemie pomiarowym.

Jak działa przetwornik tensometryczny?

Siła odkształca element sprężysty z przyklejonymi tensometrami. Ich rezystancja się zmienia, a mostek Wheatstone’a przekształca tę zmianę na napięcie proporcjonalne do obciążenia.

Jak dobrać przetwornik pomiarowy do aplikacji?

Należy określić mierzoną wielkość, zakres, dokładność, rozdzielczość, dynamikę, rodzaj sygnału oraz warunki środowiskowe. Trzeba też sprawdzić zgodność mechaniczną i elektryczną z maszyną.

Jakie rodzaje przetworników stosuje się w automatyce przemysłowej?

Do najczęściej spotykanych należą przetworniki położenia, drogi, prędkości, siły, momentu, ciśnienia, temperatury, Halla, fotoelektryczne, indukcyjne oraz przetworniki sygnałów analogowych i cyfrowych.