Jak zmierzyć pozycję oraz prędkość?

W wielu gałęziach przemysłu pomiar pozycji oraz prędkości daje niezbędną informację na temat aktualnego stanu systemu automatyki, maszyny, robota. Na rynku dostępnych jest wiele urządzeń umożliwiających pomiar tych parametrów. Narzędzia te, nazywane również czujnikami pozycji, różnią się od siebie budową, zasadą działania, parametrami, charakterystyką pomiarów i pracy. Dlatego tak istotny jest dobór czujnika, który będzie odpowiedni do wybranej aplikacji. W celu przeprowadzenia analizy problemu pomiaru pozycji i prędkości wprowadziliśmy podział zagadnienia ze względu na rodzaj ruchu i ze względu na rodzaj pomiaru.

RODZAJ RUCHU

Jako pierwszy zostanie przeanalizowany rodzaj ruchu, który może być mierzony przez czujniki. Zwykle w układach automatyki rozróżnia się ruch liniowy (ruch translacyjny, przesuwny) oraz ruchu obrotowy.

RUCH OBROTOWY

Ruch obrotowy (rotacja) ma miejsce, gdy element maszyny obraca się wokół osi. Rotacja przykładowo zachodzi w ruchu ramion mechanicznych lub zaworów silnikowych. Jednostką mierzonych wielkości jest najczęściej kąt.

Ruch określany jest jako „jednoobrotowy”, gdy nie przekracza 360° (zamyka się w jednym obrocie). W takim przypadku mierzy się orientację systemu względem osi odniesienia. Do wykonania pomiarów tego typu ruchów mogą zostać wykorzystane absolutne enkodery jednoobrotowe lub inklinometry.

Główną zaletą inklinometrów jest możliwość ich montażu w dowolnej pozycji, tzn. nie muszą być połączone z osią obrotu w celu pomiaru nachylenia. Dodatkowo, dzięki kompaktowym wymiarom, są one szczególnie polecane w zastosowaniach, w których niewielkie rozmiary mają szczególne znaczenie.

Jednoobrotowe enkodery absolutne natomiast muszą być połączone z wałkiem maszyny/elementu, z którym mają współpracować. Należy jednak pamiętać, że ich wydajność oraz dokładność są często lepsze niż w przypadku inklinometrów. Obudowy enkoderów zapewniają bardzo dobrą odporność na wstrząsy oraz wibracje, a wersje magnetyczne enkoderów są bardziej kompaktowe i mniej wrażliwe na czynniki środowiskowe (wilgoć, kurz, wstrząsy, czy temperatura). Ogromną zaletą jest również szeroki wybór interfejsów dostępnych dla tych czujników.

Ruch wieloobrotowy, zgodnie z nazwą, obejmuje wiele obrotów. W przypadku tego typu ruchu mierzone jest nie tylko położenie i/lub prędkość obrotu, ale także liczba obrotów. Do pomiaru ruchu wieloobrotowego wykorzystywane są enkodery absolutne wieloobrotowe.

RUCH TRANSLACYJNY

Ruch translacyjny to ruch, który odbywa się wzdłuż osi, równolegle do niej. Spotykamy się również z określeniem ruch liniowy. Pomiar określany jest w jednostkach długości.

Czujniki linkowe, określane również jako enkodery linkowe, składają się z dwóch elementów: enkodera obrotowego oraz mechanizmu linkowego, który przekształca ruch liniowy w ruch obrotowy. Dzięki temu jest to rozwiązanie niezwykle uniwersalne. Linka jest nawijana i zwijana wokół osi, co umożliwia precyzyjny pomiar za pomocą enkodera obrotowego. Jeden z końców linki przymocowany jest do układu, którego przemieszczenie ma być mierzone. Natomiast drugi z końców pozostaje nieruchomy względem odniesienia. Niestety ze względu na stosunkowe duże rozmiary obudowy oraz konieczność prowadzenia linki nie jest to rozwiązanie przeznaczone do wszystkich aplikacji.

Do tego typu aplikacji można zastosować również enkodery liniowe, które składają się z czujnika oraz taśmy magnetycznej, nad którą przemieszcza się rzeczowy czujnik. W ofercie posiadamy liniowe enkodery inkrementalne.

Jeszcze innym rozwiązaniem jest enkoder obrotowy z kołem pomiarowym. Obrót wału jest generowany przez ruch koła pomiarowego, które toczy się np. po badanej powierzchni. Koła pomiarowe są szczególnie polecane, gdy do dyspozycji jest niewielka przestrzeń przeznaczona na ruch liniowy lub w przypadku , gdy ruch jest „nieskończony” (np. w przenośnikach taśmowych).

RODZAJ POMIARU

W tej części analiza opiera się o rodzaj pomiaru, co związane jest z podstawowymi cechami urządzeń pomiarowych. Wymieniono w materiale właściwości czujników, na które należy zwrócić uwagę na podczas doboru sprzętu.

INKREMENTALNE

W niektórych zastosowaniach niezbędny jest pomiar ruchu w porównaniu z sytuacją początkową (tzw. pozycją bazową, bez stałego punktu odniesienia). Ten rodzaj pomiarów może zostać zrealizowany przy pomocy enkoderów inkrementalnych. Dotyczy to nie tylko pomiaru ruchu obrotowego, ale również liniowego. Głównymi zaletami enkoderów inkrementalnych jest ich stosunkowa niska cena oraz kompaktowe wymiary. Jest to rozwiązanie rekomendowane, gdy wymagana jest tylko prędkość i/lub pozycja względna.

ABSOLUTNE

Wybrane systemy sterowania wymagają informacji na temat dokładnej pozycji w stosunku do punktu odniesienia, który nie zmienia się. Enkodery absolutne i inklinometry zostały zaprojektowane tak, by realizować pomiar właśnie w taki sposób. Oczywiście możliwe jest dodanie offsetu i wykonanie resetu w dowolnym momencie. Absolutne urządzenia pomiarowe mierzą pozycję przez cały cykl pracy, nawet po odcięciu zasilania.

Technologia wykorzystywana w enkoderach absolutnych jest niestety bardziej złożona niż w przypadku enkoderów inkrementalnych, co sprawia, że enkodery absolutne są droższe. W tym miejscu warto również zwrócić uwagę na bezbateryjną metodę zliczania obrotów wykorzystywaną w produktach Posital. To rozwiązanie znacznie ogranicza awaryjność i konieczność konserwacji urządzeń pomiarowych.

PODSUMOWANIE: KTÓRY CZUJNIK WYBRAĆ?

Szukając odpowiedzi na pytanie, który czujnik pozycji i/lub prędkości należy wybrać do konkretnej aplikacji, należy w pierwszym kroku przeanalizować, jaki rodzaj ruchu oraz jaki rodzaj pomiaru jest potrzebny, by system sterowania funkcjonował poprawnie. Przy doborze rozwiązania warto temat skonsultować z naszymi specjalistami, którzy pracują z takimi zagadnieniami, posiadają odpowiednie doświadczenie i potrafią wskazać optymalne rozwiązanie.