Czujniki niezbędnym elementem zarówno cyfryzacji procesów wytwarzania, jak i ich modernizacji w duchu idei Przemysłu 4.0. A to ze względu na realizowaną przez nie funkcję zbierania danych, która – choć niedostrzegalna dla oka – okazuje się mieć duże znaczenie dla sukcesu procesu przejścia od tradycyjnego wytwarzania do inteligentnej fabryki. 

Ponieważ detektory zaś różnią się między sobą zarówno pod względem typu, jak i zasad funkcjonowania, warto choćby pobieżnie prześledzić proces, w jaki czujniki gromadzą dane, a także poznać spektrum możliwych aplikacji charakterystycznych dla każdego z głównych rodzajów tych urządzeń.

Metrologia w aplikacjach przemysłowych 

Choć pojęcie „metrologia” ma szerokie znaczenie, w odniesieniu do pomiarów przemysłowych stosuje się je zwykle do opisu zastosowań czujników w procesach ustalania właściwości fizycznych lub chemicznych danego urządzenia lub procesu. W ujęciu tym czujnik, zwany także detektorem lub miernikiem, definiowany jest jako składowa układu pomiarowego wykorzystywana do mierzenia wartości rzeczywistych i transferu wyników owego pomiaru do celów ich dalszego przetwarzania. Sam czujnik ulokowany jest w określonym punkcie zbierania danych, stanowiąc tym samym interfejs między procesem przetwarzania danych a światem zewnętrznym.

Główne typy czujników

Na obecnym etapie rozwoju metrologii każdemu stanowi fizycznemu można już przyporządkować określony czujnik umożliwiający pomiar owego stanu. Dostępne dziś na rynku czujniki umożliwiają uzyskanie zadziwiających rezultatów pomiarowych, a ich spektrum zastosowań obejmuje m.in. pomiary siły (tensometry, siłomierze), objętości (poziomowskazy), światła (luksomierze, światłomierze), prędkości (prędkościomierze), pola magnetycznego (czujniki zbliżeniowe) i elektromagnetycznego (mierniki częstotliwości radiowych), akustyki (czujniki akustyczne), położenia (czujniki przechyłu, pozycji) oraz warunków atmosferycznych (czujniki wilgotności i barometry). 
Oprócz nich w sprzedaży dostępne są także wysokoczułe detektory chemiczne przeznaczone do realizacji zaawansowanych pomiarów.

Zasada działania czujnika

Duża część czujników pracuje z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego. Pod wpływem ładunku elektrycznego ich cewka ulega namagnesowaniu, dzięki czemu wytwarza określone pole magnetyczne. Mechanizm ten jest wykorzystywany m.in. w czujnikach zbliżeniowych, akcelerometrach, siłomierzach i poziomowskazach.

W przypadku detektorów o dużej czułości zamiast cewki i metalowej płytki stosowane są piezoelektryki, które pod wpływem naprężeń mechanicznych wytwarzają ładunki elektryczne odbierane przez układ pomiarowy.

Piezoelektryki stosowane są także w czujnikach natężenia światła. Wykorzystywane w tym przypadku monokryształy krzemowe pod wpływem oddziaływania światła zmieniają swoją przewodność. Także tu warunkiem przeprowadzenia pomiaru jest wcześniejsze namagnesowanie i podanie prądu elektrycznego.

Pole elektromagnetyczne wykorzystują również czujniki akustyczne. Składają się one z magnesu stałego nawiniętego na cewkę miedzianą z przymocowaną do niej membraną. Cewka zostaje namagnesowana przez podanie niewielkiego ładunku elektrycznego. Sprężone powietrze – docierając do membrany i naciskając na nią – powoduje mechaniczne przemieszczenie cewki wzdłuż magnesu, a w efekcie wytworzenie lub zmianę ładunków elektrycznych.

Czujniki temperatury pracują na innej zasadzie: pod wpływem zmian temperatury znajdujący się w ich wnętrzu bimetal termoelektryczny wygina się w określony sposób, a stopień owego wygięcia wskazuje na wartość temperatury otoczenia. Zwykle bimetalowa spirala połączona jest dodatkowo ze źródłem napięcia, a jej wygięcie powoduje zmianę oporu elektrycznego rejestrowaną przez system jako modyfikacja mierzonego parametru. 

Czujniki radiowe i radarowe

Czujniki radiowe i radarowe wykazują się bardziej złożoną budową niż popularne mierniki elektromagnetyczne. Mimo to ich szeroka popularyzacja sprawiła, że ich ceny – zwłaszcza w sprzedaży hurtowej – nie należą dzisiaj do wygórowanych. Dzięki temu mogą być one z powodzeniem stosowane m.in. w samochodach, gdzie w trybie ciągłym mierzą odległość pojazdu od innych obiektów w przestrzeni.

W procesie tym czujnik radarowy emituje kilka tysięcy sygnałów elektromagnetycznych na sekundę, jednocześnie mierząc czas do otrzymania sygnału zwrotnego (echa). Tym samym – w przeciwieństwie do typowych czujników elektromagnetycznych – jest on komponentem aktywnym działającym wedle schematu akcja-reakcja: wytwarza on bowiem własne sygnały, zamiast oczekiwać na nadejście sygnału z zewnątrz.

Szerokie zastosowanie 

W najprostszej postaci czujniki radarowe występują na tylnym zderzaku, ułatwiając kierowanie pojazdem podczas cofania. W bardziej rozbudowanych wersjach wyposażenia czujniki takie montowane są także z przodu, umożliwiając autonomiczne parkowanie samochodu z wykorzystaniem asystenta parkowania. Aby w pełni wykorzystać ich potencjał, coraz częściej integruje się je również z systemem awaryjnego hamowania, który pozwala na automatyczne zatrzymanie samochodu w przypadku zbyt szybkiego zbliżania się do przeszkody.

Znacznie istotniejszą rolę te czujniki odgrywają w lotnictwie oraz szeroko pojętej wojskowości. Skokowy wzrost ich popularności odnotowała jednak w ostatnich latach przede wszystkim branża logistyczna.

Aby szybko i efektywnie dostarczać duże ilości towarów, konieczna jest inwestycja w wydajny system ich śledzenia. Takie rozwiązanie zapewnia możliwość bieżącego sprawdzania lokalizacji produktu. W tej dziedzinie metrologia okazała się wyjątkowo płodna, oferując cały szereg rozwiązań z zakresu aktywnego pomiaru wartości. Wszystkie one zaliczają się do grupy czujników radiowych emitujących i odbierających sygnały z otoczenia, a ich dobór na potrzeby danej danej aplikacji zależy przede wszystkim od zastosowanego systemu radiowego.

W magazynach oraz systemach antywłamaniowych stosuje się przede wszystkim technologię RFID. Składają się na nią małe, niewymagające zasilania etykiety umieszczane na towarze lub pojemniku. Aby czujnik mógł zlokalizować dany produkt na podstawie takiego sygnału, musi być jedynie wyposażony w odpowiednio czuły odbiornik.

Technologia RFID nie może być natomiast stosowana w przypadku kontenerów na statkach. Tutaj konieczne jest wdrożenie dużo wydajniejszych systemów śledzenia towarów, takich jak popularne w tej branży nadajniki GPS i odpowiednio wyposażone czujniki.

Zakres wykorzystania czujników w pojazdach

Rolę czujników w zapewnieniu optymalnego i niezakłóconego funkcjonowania tego typu systemów można prześledzić na przykładzie samochodu, który dziś ma prędkościomierz, obrotomierz, czujnik poziomu paliwa, czujnik naładowania akumulatora, przepływomierz powietrza, a także czujniki ciężaru, przechyłu, temperatury i odległości.

Większość układów regulacji pracuje bez wiedzy kierowcy, podejmując odpowiednie kroki zaradcze w ramach trzech wspomnianych wcześniej grup reakcji. Najłatwiej prześledzić to na przykładzie czujnika temperatury, którego układ regulacji składa się z trzech zasadniczych komponentów. Po uruchomieniu silnika środek chłodzący krąży początkowo w tzw. krótkim obiegu chłodzenia. Dzięki temu szybko uzyskuje on zadaną temperaturę pracy, co z kolei stanowi sygnał wywoławczy do otwarcia drugiego obiegu chłodzenia.

Ów samoregulujący się system nie wymaga stosowania skomplikowanych czujników: jego trzon tworzy zawór termostatyczny rozdzielający długi i krótki obieg chłodzenia, który składa się z mieszka wypełnionego woskiem i sprężyny z bimetalu. Gdy środek chłodzący wystarczająco się nagrzeje, topi wosk, co powoduje naprężenie sprężyny i otwarcie zaworu. W efekcie środek chłodzący może swobodnie przepływać przez chłodnicę, a jego temperatura obniża się.

System ten pracuje niezawodnie od dziesięcioleci i od momentu jego wprowadzenia na rynek w latach 20. XX wieku niemal nie podlegał modyfikacjom. Wadą takiego typowo manualnego układu regulacji jest jednak brak informacji o ewentualnej awarii termostatu.

• Poziom 1: samoregulacja

Z tego względu termostat nie może być traktowany jako niezawodne narzędzie regulacji temperatury silnika, zwłaszcza że podlega on także innym ograniczeniom związanym z jego budową: jego otwarcie umożliwia co prawda połączenie obiegu chłodzenia silnika z chłodnicą, ale nie stanowi gwarancji, że temperatura otoczenia obniży się do optymalnego poziomu. Dlatego układy chłodzenia w samochodzie wyposażone są dodatkowo w wentylator z napędem elektrycznym, który odprowadza nadmiar ciepła ze środka chłodzącego.

Wentylator nie pracuje w trybie ciągłym, gdyż niepotrzebnie zwiększałoby to zużycie paliwa. Jego pracą steruje silnik elektryczny połączony z układem regulacji. Układ ten składa się z trzech elementów: czujnika temperatury, silnika elektrycznego i sterownika. Jeśli temperatura środka chłodzącego jest zbyt wysoka, pierwszy z nich, zintegrowany z obiegiem chłodzenia, wysyła sygnał do sterownika, który włącza silnik.

• Poziom 2: alarm

W takim układzie jedynymi czynnikami, które mogą uniemożliwić odpowiednie schłodzenie systemu, jest zbyt wysoka temperatura otoczenia lub usterka pojazdu. Sterownik wysyła wówczas sygnał ostrzegawczy wyświetlany na desce rozdzielczej samochodu, informując kierowcę o możliwości przegrzania silnika.

• Poziom 3: wyłączenie silnika

Sterownik nie ma fizycznej możliwości odcięcia dopływu prądu zapłonowego lub paliwa, gdyż takie działanie stwarzałoby zbyt duże zagrożenie dla kierowcy i pasażerów. Dlatego też – ze względów bezpieczeństwa – silnik oraz zintegrowany z nim system chłodzenia są tak skonstruowane, aby ulec kontrolowanej awarii w punktach o mniej istotnym znaczeniu dla integralności konstrukcji. Przeważnie pierwszym elementem, który ulega uszkodzeniu, jest przewód doprowadzający chłodziwo, co powoduje silną emisję pary, trudną do zignorowania przez kierowcę. Na tym etapie czujniki zrobiły już wszystko, co w ich mocy, aby zapobiec całkowitemu zniszczeniu układu.

Zalety i wyzwania stojące przed czujnikami

Czujniki zapobiegają powstawaniu szkód, zwiększają wydajność, ograniczają zużycie paliwa, wydłużają żywotność poszczególnych komponentów i zapewniają niezawodną pracę całego systemu. Co więcej, ich możliwości rosną - najnowsze generacje czujników odległości mają wpływ na podniesienie poziomu czynnego bezpieczeństwa pojazdu.

Zobacz też: Czuniki grafenowe

Wyzwaniem przy konstruowaniu układów czujników jest duża złożoność całego systemu i wysoka czułość poszczególnych detektorów. Im więcej danych pomiarowych przetwarzanych jest w systemie, tym bardziej narażony jest on na awarie i zakłócenia. Aby im przeciwdziałać, stosuje się praktykę zapisywania wartości nietypowych w pamięci błędów systemu, aby następnie na tej podstawie zidentyfikować źródło ewentualnej awarii.

Jako że czujniki stanowią łącznik ze światem zewnętrznym, są poddawane ciągłemu oddziaływaniu sąsiednich układów, powietrza zewnętrznego, zmiennych warunków atmosferycznych, a także innych czynników fizycznych, które przyspieszają ich zużycie. Dlatego też należy stale monitorować i regularnie wymieniać najbardziej wrażliwe komponenty układów pomiarowych.