Obecné informace. Products Elektrické stroje Ultrazvukové snímače Zásady ultrazvukové detekce

Transkript

1 Products Elektrické stroje Ultrazvukové snímače Zásady ultrazvukové detekce Obecné informace 1 / 8

2 Princip činnosti Princip ultrazvukové detekce Ultrazvukový snímač cyklicky vysílá vysokofrekvenční impuls, který se šíří prostorem rychlostí zvuku. Pokud narazí na nějaký předmět, odrazí se od něj a vrací se zpět k snímači jako ozvěna. Z časového intervalu mezi vysláním impulsu a návratem ozvěny odvodí snímač vzdálenost k předmětu. Vzhledem k tomu, že ultrazvukové snímače měří vzdálenost na principu časové odezvy na vyslaný zvukový impuls při konstantní rychlosti šíření zvuku a ne pomocí měření intenzity, mají vynikající schopnost potlačení pozadí. Téměř všechny materiály, které odrážejí zvuk, lze detekovat bez ohledu na jejich barvu. Lze je tedy použít bez problému na průhledné materiály a tenké fólie. Tyto snímače umožňují měřit vzdálenosti od 30 mm do 10 m s přesností 1 mm. Některé snímače mají rozlišení až 0,18 mm. Měří stejně dobře v čistém ovzduší jako i v barevné mlze a jejich spolehlivé funkci nebrání ani tenké nánosy na membráně snímače. Důležitým prvkem výběru je dosah snímače a s tím spojené 3-rozměrné šíření signálu prostorem. Dosah určuje do jaké vzdálenosti může ultrazvukový snímač měřit běžné odrazivé předměty s dostatečnou rezervou spolehlivé funkce. U předmětů s dobrou odrazivostí, lze snímač použít až k jeho mezní hodnotě dosahu. Uvnitř červeného pásma bude detekován předmět s normální odrazivostí (trubka o průměru 10 až 27 mm). Toto je typický pracovní dosah snímačů. Modré pásmo znázorňuje dosah do kterého lze rozpoznat ještě předmět s dobrou odrazivostí (deska 500x500 mm) za předpokladu, že je plošně optimálně umístněn vzhledem k snímači. Mimo modře vyznačené zóny není snímač schopen vyhodnotit přítomnost předmětu. Standardní režim - senzor přiblížení Přiblíží-li se předmět k snímači na vzdálenost menší než nastavenou, dojde k aktivaci výstupu. Detekční vzdálenost je svázána s nastavitelnou hysterezí. Detekce není závislá na barvě předmětu. Pozadí předmětu je zcela potlačeno. Tento režim funguje dobře u aplikací jako je počítání objektů na průmyslových pásech. Vhodné jsou modely řady MIC, LCS, LPC, a Pico. 2 / 8

3 Režim okénkového komparátoru Výstup je aktivován, je-li předmět uvnitř okna definovaného dvěmi mezními hodnotami. Tak lze například kontrolovat správnou velikost lahví v krabicích. Příliš vysoké nebo příliš nízké lahve budou vyloučeny. Senzory řady MIC, LCS, LPC mohou být pro takovou činnost naprogramovány softwarem LinkControl. Vybrané modely řady PICO jsou speciálně navrženy k použití této funkce. Reflexní režim Funkce podobná jako u reflexní optické závory. Snímač pracuje v režimu okénkového komparátoru tak, aby odrazová plocha (např.plech) byla uvnitř okna. Výstup snímače je aktivní, jakmile nějaký předmět plně zakryje odrazovou plochu. Přitom není důležité, zda předmět zvuk plně absorbuje nebo naopak odráží. Tato funkce je využívána zejména u obtížně snímatelných materiálů jako např. pěnových hmot. Režim s potlačeným popředím Potlačení rušivých ozvěn pocházejících z hran ležících mezi snímačem a předmětem. Při plnění lahví a měření maxima hladiny lze takto například potlačit ozvěnu ze zúženého hrdla. Pro takovou činnost jsou vhodné senzory řady MIC, LCS, PICO. 3 / 8

4 Snímače s analogovým výstupem Ultrazvukové snímače s analogovým výstupem mají výstupní signál buď proudový (4 20 ma) nebo napěťový (0 10 V). Typ výstupního signálu je určen hodnotou zatěžovacího odporu. Pro Rz 500 Ω je výstup proudový, pro Rz 10 kω je výstup napěťový. Hodnota výstupního signálu může být přímo úměrná nebo nepřímo úměrná vzdálenosti. Snímače jsou využívány například pro spojité měření výšky hladiny. Ultrazvukové senzory s digitálním výstupem Výsledky měření jsou přenášeny na externí zařízení v podobě bitů. Senzory řady pico+ používají komunikaci IO-link. Pomocí systému IO-Link lze dynamicky měnit parametry připojených senzorů nebo využívat jednotné diagnostické nástroje. Senzory jsou zpětně kompatibilní se staršími snímači a lze je používat ve standardním spínaném režimu, který je výchozím režimem po zapnutí senzorů. Poté, co přijde wake-up signál z řídícího systému, se senzor přepne do režimu IO-Link komunikace. V režimu IO-Link je měřená vzdálenost cyklicky posílána řídícímu systému a získáváme tak náhradu analogového signálu. Při výměně senzoru se nastavení automaticky nahraje z řídícího systému, čímž se snižuje doba prodlevy na minimum. Ultrazvukové senzory dvojitých listů (DBK) Senzory pracují v režimu vysílač - přijímač, detekující dva nebo více náhodně slepených listů. Ultrazvukový vysílač vysílá zvukový signál k listu. Tento list se rozvibruje a tak generuje slabý zvukový signál, který je přijatý ultrazvukovým příjmačem. Pokud je na sobě listů více, signál je zeslaben na nedetekovatelnou úroveň. Systém vysílač - přijímač skenuje papír, fólie, lepenky a tenké plechy. Výstupní signály odpovídají detekci zdvojených a chybějících listů. 4 / 8

5 5 / 8

6 Zásady instalace Zásady instalace ultrazvukových senzorů Ultrazvukové senzory je možno libovolně instalovat a jediným doporučením výrobce je ochrana senzoru před mechanickým poškozením a znečištěním. Malé množství prachu nebo barvy nemá vliv na přesnost senzoru zatímco páry nebo kapky chladící kapaliny nebo oleje mohou výsledky zkreslit. Při kontrole objektů s plochými a hladkými povrchy by měl být senzor namontován v úhlu 90 ± 3 směrem k povrchu. Při výběru snímače je třeba vzít v úvahu jeho rozsah a strukturu snímaného materiálu. V případě porézních nebo vlnitých povrchů je signál částečně rozptýlen a proto je nutné použít snímač s větším dosahem. Úhel čidla pro tyto plochy se stanovuje experimentálně. Výběr snímače se zvětšeným rozsahem je nezbytně nutný při detekci zvukově útlumových materiálů jako je vlna, bavlna nebo pěna. Naopak je tomu u kapalin nebo tvrdých povrchů, které jsou ideálními reflektory. Zásady montáže vícesenzorového systému V následující tabulce jsou uvedeny vzdálenosti, které musí být zachovány mezi nesynchronizovanými senzory k zajištění přesnosti měření. V případě montáže snímačů v jiném úhlu než 90 se vzdálenost mezi sousedními senzory může změnit a měla by být ověřena experimentálně. Senzory Odchýlení signálu Zvukový paprsek lze bez významných ztrát odchýlit a to pomocí reflexního prvku. V nabídce firmy MICROSONIC jsou doplňky, které umožní odrazit paprsek pod úhlem 90 což je důležité v aplikacích, kde není možná kolmá montáž senzorů. Rozlišení 6 / 8

7 Rozlišení je rozdíl mezi skutečnou vzdáleností snímače a detekovaného bodu a vzdáleností naměřenou senzorem. Rozlišení závisí na odrazové vlastnosti měřeného objektu a na šíření zvuku ve vzduchu. Předměty se špatnou odrazivostí nebo velkou povrchovou drsností snižují rozlišení a konečný rozměr je pak průměrem několika měření. Teplota vzduchu Největší vliv na rychlost zvuku a na rozlišení má teplota okolí (0,17% / K). Většina senzorů firmy MICROSONIC je systémově vybavena kompenzací teploty okolí. Nicméně doporučujeme udělat sérii zkušebních měření u známých vzdáleností s cílem ověřit vliv teploty na výsledek. Kompenzací teploty je možné dosáhnout až o 2% lepšího rozlišení. Okolní tlak Okolní tlak nemá vliv na rychlost zvuku, ale na dosah. Při přetlaku se dosah senzorů zvyšuje. Pro aplikace při zvýšeném tlaku do max 6 barů se používají senzory řady HPS. Relativní vlhkost Vliv vlhkosti na rozlišení je zanedbatelný ve srovnání s vlivem teploty a může být ignorován. Opakovatelná přesnost Opakovatelnost určuje stupeň odchylky více měření provedených za určité časové období za konstantních podmínek. Opakovatelná přesnost senzorů MICROSONIC je max. ± 0,15%. 7 / 8

8 Oblast detekce Oblast detekce ultrazvukových senzorů Důležitým prvkem výběru je dosah snímače a s tím spojené 3-rozměrné šíření signálu prostorem. Dosah určuje do jaké vzdálenosti může ultrazvukový snímač měřit běžné odrazivé předměty s dostatečnou rezervou spolehlivé funkce. U předmětů s dobrou odrazivostí, lze snímač použít až k jeho mezní hodnotě dosahu. Uvnitř červeného pásma bude detekován předmět s normální odrazivostí (trubka o průměru 10 až 27 mm). Toto je typický pracovní dosah snímačů. Modré pásmo znázorňuje dosah, do kterého lze rozpoznat ještě předmět s dobrou odrazivostí (deska 500x500 mm) za předpokladu, že je plošně optimálně umístněn vzhledem k snímači. Mimo modře vyznačené zóny není snímač schopen vyhodnotit přítomnost předmětu. Oblast detekce je zóna stanovena individuálně pro každý senzor a informuje o rozsahu jeho optimálního výkonu. V případě detekce dobře odrazivých materiálů tak může pracovat na maximální rozsah. Útlum zvuku Útlum zvuku je závislý na teplotě, tlaku a vlhkosti. Útlum se zvyšuje s rostoucí teplotou a vlhkostí a klesá, když tyto faktory také klesají. V případě vysokých teplot a vysoké vlhkosti vzduchu je vhodné zvolit senzor s větším rozsahem protože se tyto podmínky zhoršují. Bylo experimentálně prokázáno, že senzor při teplotách pod 0 C zvýší svůj dosah téměř dvojnásobně. Nárůst atmosférického tlaku snižuje útlum. Šíření zvuku ve vakuu není možné. 8 / 8