Wykorzystywane w automatyce przemysłowej czujniki zbliżeniowe są ważnym, a w rzeczywistości nieodzownym elementem składowym większości maszyn oraz linii produkcyjnych. Bez nich procesy produkcyjne praktycznie byłyby niemożliwe, a z pewnością nie byłoby mowy o odpowiednim poziomie wydajności. Ich rola będzie stale rosła, zwłaszcza w dobie wdrażania rozwiązań Internetu Rzeczy oraz Przemysłu 4.0. Kontrola położenia, przemieszczania się i poziomu oraz rejestrowanie podstawowych parametrów to najważniejsze zadania, jakie są stawiane przed tego typu urządzeniami. Tym samym czujniki zbliżeniowe odgrywają niezwykle ważną rolę także w układach kontrolnych oraz systemach bezpieczeństwa.

Różne typy czujników zbliżeniowych

Jak już zostało wspomniane na wstępie, grupa czujników zbliżeniowych obejmuje bardzo zróżnicowane produkty, różniące się często wieloma cechami. Według najczęściej spotykanego podziału w tej grupie produktów można wyróżnić czujniki indukcyjne, optyczne oraz pojemnościowe, jednak z całą pewnością taka kategoryzacja nie oddaje w pełni różnorodności czujników zbliżeniowych. W ofercie licznych producentów można spotkać jeszcze wiele innych typów czujników zbliżeniowych, w tym np. magnetyczne, ultradźwiękowe, radarowe czy termiczne.

Wciąż najbardziej rozpowszechnionym rodzajem czujników zbliżeniowych w zastosowaniach przemysłowych są wersje indukcyjne. Stosowane są one głównie do kontroli położenia, przemieszczeń i ruchu całych obiektów bądź części maszyn. Przy ich zastosowaniu jesteśmy w stanie dokonać pomiaru np. grubości blachy, prędkości lub przyspieszenia poruszającego się elementu, a nawet obecności np. kapsla na butelce. Czujniki indukcyjne monitorują otoczenie i reagują na pojawienie się metalu (dowolnego rodzaju), który powoduje zmiany pola elektromagnetycznego, jakie jest indukowane w momencie przepływu prądu przez cewkę czujnika. Zasięg działania (tzw. strefa robocza) zależy od wielkości zastosowanego elementu detekcyjnego, tj. cewki. Zazwyczaj jest proporcjonalny do wymiarów czujnika, a konkretnie – do jego długości. Do ich podstawowych zalet można zaliczyć wysoką precyzję pomiaru, niezawodność oraz dużą trwałość użytkową i odporność na trudne warunki pracy.

Innym popularnym rodzajem czujników zbliżeniowych są wersje pojemnościowe, które są w stanie dokonywać pomiaru także elementów innych niż metalowe, np. cieczy, granulatów, drewna, szkła czy tworzyw sztucznych. Umożliwiają one detekcję obiektów ukrytych, np. w zbiorniku, kontenerze bądź za osłoną. Wykorzystywane są również do kontroli poziomu napełnienia i zasilania mediami. Ich nazwa pochodzi od tego, że tworzący je kondensator zmienia swoją pojemność w czasie przybliżenia do badanego obiektu. Są odporne na zakłócenia wywołane zarówno przez zanieczyszczenia pojawiające się w ich otoczeniu, jak i oddziaływanie elektromagnetyczne.

Trzecią najważniejszą grupą czujników zbliżeniowych są czujniki optyczne, nazywane również fotoelektrycznymi. Rozwój stosowanych w nich technologii pozwala na uzyskanie bardzo dobrych parametrów technicznych, dzięki czemu mogą skutecznie zastąpić czujniki pojemnościowe lub indukcyjne, a w wielu aplikacjach okazują się wręcz niezastąpione. Czujniki fotoelektryczne wykorzystują elektroniczne detektory światła i emitery wiązek świetlnych do wykrywania obecności obiektów w określonym obszarze. Ich działanie opiera się nie na zmianach pola, jak w przypadku czujników indukcyjnych, ale na transmisji energii.

Jak wyjaśnia Piotr Szopiński, kierownik Działu Technicznego w firmie ifm electronic, najważniejszą kwestią podczas doboru jakiegokolwiek czujnika jest określenie jednoznacznie, jaki obiekt ma być wykryty i w jakich warunkach. Bardzo często można spotkać się z sytuacją, w której użytkownik stosuje coraz większe i coraz droższe czujniki indukcyjne tam, gdzie z powodzeniem można zastosować czujnik optyczny. – Z drugiej strony spotykam się też często z walką o jeszcze lepszy czujnik optyczny, kiedy znacznie lepiej jest zastosować czujnik innego typu. Warunki, w jakich pracuje dany czujnik, również są bardzo istotne – mówi przedstawiciel firmy ifm electronic i dodaje, że dobrym przykładem jest różnica pomiędzy pracą w typowym zakładzie produkcji spożywczej, czyli mycie gorącą chemią pod ciśnieniem, a detekcją elementu obrabianego w obrabiarce, gdzie czujnik oblewany jest cały czas chłodziwem na bazie olejów. – W powyższych przypadkach muszą zostać zastosowane kompletnie różne materiały uszczelnień – podkreśla Piotr Szopiński.

Coraz popularniejsze rozwiązania optyczne

Wprawdzie nie są jeszcze najpowszechniej stosowaną kategorią czujników zbliżeniowych, jednak ich popularność stale rośnie, głównie za sprawą dobrych parametrów technicznych i niewykluczone, że niebawem to one będą najbardziej rozpowszechnione w praktyce inżynierskiej. Również w przypadku tej kategorii czujników mamy do czynienia z wieloma ich rodzajami. Podział na różne typy czujników optycznych można przeprowadzić np. wg sposobu ich działania lub w zależności od zastosowanego światła.

Refleksyjne czujniki optyczne posiadają nadajnik i odbiornik w jednej obudowie. Czujnik zadziała, kiedy emitowana przez niego wiązka światła natrafi na jakiś obiekt (zostanie przez niego przesłonięta). W przypadku czujników odbiciowych nadajnik i odbiornik również znajdują się w jednej obudowie i analizują wiązkę pulsującego światła odbitego od obiektu. Natomiast czujnik optyczny typu bariera składa się z osobnego nadajnika i odbiornika, które są usytuowane po obu stronach kontrolowanej przestrzeni. Bariery wykrywają obiekty znajdujące się pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Jedną z wersji czujników typu bariera są czujniki szczelinowe, które mają zastosowanie np. w procesach produkcyjnych do wykrywania znaków na taśmie. 

Czujniki fotoelektryczne znajdują zastosowanie w takich aplikacjach jak rozpoznawanie towarów na liniach produkcyjnych czy też detekcja elementów ruchomych, np. robotów i części maszyn. Mogą też służyć do zliczania, pozycjonowania, wymiarowania oraz określania poziomu materiałów sypkich i własności fizycznych obiektów. Czujniki optyczne są też często używane w systemach bezpieczeństwa, kontrolując np. zamknięcie drzwi w pomieszczeniach czy też obecność człowieka w kontrolowanej strefie.

– Czujniki zbliżeniowe optyczne najczęściej stosuje się do wykrywania różnego rodzaju ruchomych obiektów, wszędzie tam, gdzie czujniki indukcyjne mają za krótkie zasięgi, czujniki ultradźwiękowe zbyt szerokie pole wykrywania, a czujniki innych typów, jak np. radarowe są zwyczajnie za drogie – dodaje Piotr Szopiński.

Czujniki zbliżeniowe – nowe trendy

Czujniki, podobnie jak i inne obszary automatyki przemysłowej, podlegają ciągłym zmianom. W ostatnim czasie motorem napędowym tych zmian są głównie wdrażane rozwiązania i związane z tym wymogi z obszaru czwartej rewolucji przemysłowej oraz Internetu Rzeczy, w których czujniki będą odgrywać kluczową rolę. Poza typowymi zadaniami czujników Przemysł 4.0 stawia przed nimi nowe wyzwania związane nie tylko z rejestracją określonych informacji i przekazywaniu ich do jednostki sterującej, ale również z wymianą ich pomiędzy czujnikami (maszynami). W ten sposób powstają tzw. inteligentne czujniki, które są wyposażane w mikroprocesor lub mikrokontroler oraz interfejs komunikacyjny umożliwiający dwukierunkową bezprzewodową wymianę informacji. Do tej komunikacji mogą być wykorzystywane różne technologie, np. radiowe, sieci GSM lub podczerwień.

– Coraz łatwiej jest nam komunikować się z czujnikiem i zamiast informacji binarnej: widzę lub nie widzę, można przesłać znacznie więcej danych, np. w jakiej odległości jest obiekt, ile światła odbija, co pozwala na jednoznaczną detekcję obiektu, a zarazem na diagnostykę maszyny – tłumaczy Piotr Szopiński. Drugim bardzo ważnym czynnikiem jest coraz łatwiejszy dostęp do coraz lepszych procesorów przetwarzających dane i ich coraz niższe ceny. Parę lat temu ze względu na prędkości przetwarzania nasze czujniki optyczne 3D pracowały ze sztucznie obniżoną rozdzielczością. – Obecnie – nie zwiększając znacząco ceny – możemy pracować wykorzystując 4 razy więcej punktów na matrycy 3D – dodaje Piotr Szopiński.

Istotnym trendem w rozwoju czujników jest także wszechobecna miniaturyzacja. Nowe generacje czujników mają coraz bardziej kompaktowe rozmiary, żeby zajmować jak najmniej miejsca, a przy tym mają realizować nie tylko dotychczasowe, ale również szereg nowych funkcji. Mniejsze rozmiary oraz niższa ich masa pozwalają zmieścić w danej instalacji więcej czujników, dzięki czemu możliwa jest kontrola większej ilości obszarów. Niższa masa czujników przekłada się także na większą ich efektywność energetyczną. Zmianom podlegają także sposoby zasilania czujników. Nie dość, że w większości są to już urządzenia bezprzewodowe (brak kabli pozwolił wygospodarować więcej miejsca), to obecnie coraz częściej do zasilania wykorzystują one ogólnodostępne źródła energii elektrycznej. Może to być energia pochodząca ze światła słonecznego, wiatru, energii cieplnej, a także pozyskiwana z fal elektromagnetycznych lub wibracji.

Dobór czujnika

Przy wyborze czujnika do konkretnej instalacji powinno się przeanalizować wszystkie parametry, jakie będzie musiał on spełniać, miejsce jego pracy, sposób montażu oraz warunki, w jakich czujnik będzie pracować. Niezwykle ważnymi elementami pracy czujnika są przede wszystkim zasięg działania oraz strefa czułości, będąca maksymalną odległością od czoła czujnika, przy której następuje przełączenie obwodu wyjściowego czujnika. Z kolei histereza przełączania to różnica odległości obiektu od czujnika, przy których czujnik zmienia stan obwodu wyjściowego. Ogromny wpływ na poprawną pracę czujników ma również wspomniane zasilanie – np. dla czujników optycznych istotne jest odpowiednie zabezpieczenie zasilanie chroniące przed uszkodzeniem w wyniku krótkotrwałego i ciągłego przeciążenia lub zwarcia wyjścia. Niezwykle istotne są również czynniki zewnętrzne, takie jak: temperatura pracy, wibracje oraz zapylenie.