Pomiar położenia. Rozwiązania do maszyn mobilnych

Firma Hydac, biorąc udział w pracach rozwojowych, zarówno jako producent czujników oraz dostawca rozwiązań systemowych, pozyskała rozległe kompetencje oraz szerokie doświadczenie w omawianym zakresie. W artykule prezentujemy czujniki do pomiaru położenia i ruchu w maszynach mobilnych oraz omawiamy aplikacje bazujące na tych doświadczeniach.

WIĘCEJ NIŻ STANDARD

Tabela 1. Czujnik przemieszczenia liniowego do integracji wewnątrz cylindra hydraulicznego

Czujniki położenia powstałe w ostatnich latach w oparciu na nowe technologiach charakteryzują się bardzo wysokimi parametrami pod względem dokładności, dynamiki i wytrzymałości mechanicznej. Rozwiązania, w których wymagany jest pomiar drogi i ruchu, obejmują np. tłumienie drgań, ograniczanie momentu, zautomatyzowanie funkcji, ograniczenie obszaru pracy, kontrolę prędkości i położenia.

Te typowe zastosowania występują w maszynach rolniczych, budowlanych, komunalnych oraz w podnośnikach i transporcie. Zgodnie z oceną ryzyka wiele funkcji roboczych musi spełniać podwyższony poziom bezpieczeństwa funkcjonalnego. Oznacza to, że oprócz wersji standardowej czujników wymagane są również rozwiązania w wersji o podwyższonym poziomie bezpieczeństwa (redundantne).

Biorąc pod uwagę, że wymagania dotyczące dokładności pomiaru i dynamiki mogą się różnić, a aplikacje wymagają różnych opcji montażu, oczywiste jest, że nie ma idealnego czujnika pomiaru położenia, który pasowałby do wszystkich tych zastosowań. Z szerokiej gamy produktów o różnych metodach pomiarowych, z których każdy ma swoje mocne i słabe strony, obecnie zalecane są przede wszystkim czujniki przemieszczenia liniowego zintegrowane z cylindrem, czujniki kąta oraz nachylenia, przy czym wszystkie mają indywidualne wady i zalety przy zastosowaniu w wyżej wymienionych aplikacjach.

JAKIE SĄ RÓŻNICE?

Tabela 2. Czujniki kąta HAT 1000 / HAT 3000

Zasady działania poszczególnych czujników zostały przedstawione poniżej z porównaniem charakterystyki działania wg kryteriów związanych z ich zastosowaniem.

Czujniki drogi są głównie integrowane z cylindrami hydraulicznymi, przy czym zalecany jest montaż w opcji pełnej integracji (cały czujnik znajduje się wewnątrz cylindra), ponieważ zapewnia to jego większą odporność mechaniczną. Sygnał pomiarowy jest przesyłany na zewnątrz poprzez połączenie kablowe lub wtyczkę kołnierzową zamontowaną na cylindrze.

W ramach pomiaru stosowane są różne metody. Obecnie w czujnikach przemieszczenia liniowego dla różnych funkcji stosowane są głównie metody magnetostrykcyjne, magnetyczne, magnetoindukcyjne lub indukcyjne. Większe długości pomiarowe (np. 3 m) mierzone są zazwyczaj za pomocą magnetostrykcyjnych czujników przemieszczenia liniowego.

W przypadku mniejszych długości a także małych cylindrów o małych średnicach najbardziej odpowiednie są przede wszystkim metody magnetoindukcyjne lub magnetyczne (np. pomiar oparty na czujnikach Halla) (tabela 1). Czujniki oparte na potencjometrycznych zasadach pomiaru mają tendencję do zużywania się i z roku na rok są coraz mniej popularne ze względu na niewystarczającą żywotność.

Tabela 3. Czujnik nachylenia (IMU) HIT 1500

Czujniki kąta działają głównie na zasadzie pomiaru potencjometrycznego, wzrokowego lub magnetycznego. Również w tym przypadku czujniki działające na zasadzie potencjometrycznej stają się coraz mniej popularne ze względu na zastrzeżenia co do braku wytrzymałości. Także wizualne metody pomiarowe często się nie sprawdzają ze względu na warunki atmosferyczne/środowiskowe (np. kondensacja).

Bardzo wytrzymałe okazały się czujniki kąta z magnetyczną metodą pomiaru, wykorzystujące elementy czujnika Halla. Czujniki tego typu oferują w standardzie rozdzielczość w zakresie od 12 do 14 bitów. Dla bardziej wymagających aplikacji obecnie dostępne są czujniki z 16-bitową i większą rozdzielczością, co w przeszłości było możliwe tylko przy zastosowaniu czujników wizualnych (tabela 2).

W oparciu na nowych technologiach w ostatnich latach opracowano wysokowydajne czujniki nachylenia, dzięki którym można uzyskać znaczącą poprawę jakości w wielu zastosowaniach np. przy tłumieniu drgań. Nowe podzespoły elektroniczne, takie MEMS (Micro-Electro Mechanical System, układ mikroelektromechaniczny), które są również używane w smartfonach i samochodach, zrewolucjonizowały czujniki nachylenia pod względem ceny i rozmiaru.

Zintegrowanie czujników - przykładowo połączenie czujników przyśpieszenia z żyroskopem, doprowadziło do powstania IMU (bezwładnościowych jednostek pomiarowych), które oprócz sygnałów kątowych kompensowanych dodatkowo dostarczają informacji o dynamicznym stanie ruchu.

W porównaniu z poprzednimi układami tłumiącymi, takimi jak czujniki kątowe z wahadłem lub wypełnione cieczą z czujnikiem pojemnościowym, czujniki nachylenia oparte na układach MEMS cechują się znacznie lepszą charakterystyką dynamiczną (tabela 3).

APLIKACJA DECYDUJE

Tabela 4. Porównanie jakości typowych cech/funkcji

Przy wyborze odpowiedniego czujnika do wykrywania pozycji lub ruchu decydujące znaczenie ma odpowiednie zastosowanie i związane z nim wymagania, takie jak dokładność lub dynamika pomiaru.

Aby dokonać najlepszego wyboru, ważne jest porównanie cech technicznych i handlowych czujników: drogi zintegrowanego z cylindrem, kąta lub czujnika nachylenia. Jeśli wymagane jest zwiększone bezpieczeństwo funkcjonalne, dostępne są wersje czujników w architekturze Cat2 lub Cat3. Tabela zawiera porównanie jakości typowych charakterystyk.

Pod względem mechanicznej odporności czujnika, na przykład na odłamki kamieni, czujnik położenia zintegrowany z cylindrem jest najlepszy ze względu na swoje idealne "opakowanie". Jeśli chodzi o dokładność, to czujniki przemieszczenia liniowego i czujniki kąta osiągają najlepsze wyniki. Największą dokładność pomiaru dla ruchów obrotowych zapewniają czujniki kąta.

W przypadku, gdy muszą być zapewnione lub wykluczone pewne aspekty wynikające z konkretnego zastosowania, jak np. wpływ kinematyczny, ugięcie lub luz mechaniczny, czujniki nachylenia są najlepszym wyborem (pod warunkiem, że można je zamontować we właściwym miejscu).

Czujniki nachylenia mają dodatkową zaletę w kontekście modernizacji lub użycia jako części zamienne (plug-and-play).

Kwestia kosztów jest tematem złożonym. Projektanci często opierają swoje decyzje wyłącznie na podstawie ceny samego czujnika. Proces decyzyjny powinien jednak uwzględniać globalne koszty, w tym koszty podłączenia lub integracji czujnika. Podczas gdy czujniki drogi oraz kąta mogą początkowo wydawać się tańsze od czujników nachylenia, w niektórych przypadkach mogą jednak wymagać kosztownych prac mechanicznych lub projektowych, eliminując tym samym wstępne oszczędności w ramach zakupu.

NIE MA UNIWERSALNEGO ROZWIĄZANIA

Podsumowując, nie brakuje nowoczesnych i wydajnych czujników do pomiaru położenia lub ruchu, które spełniają wymagania maszyny czy konkretnej funkcji. Obecnie preferowanymi czujnikami są czujniki przemieszczenia liniowego zintegrowane z cylindrem, czujniki kąta oraz czujniki nachylenia. Jako że nie ma uniwersalnego rozwiązania w szerokim zakresie funkcji, maszyn i warunków zabudowy, kwestia, który czujnik najlepiej spełnia wymagania techniczne i kosztowe, musi być rozpatrywana indywidualnie dla konkretnej aplikacji.

Podczas zbliżających się targów producenci chcą pokazać odwiedzającym innowacyjne maszyny o bardziej precyzyjnych funkcjach, które są szybsze, wydajniejsze i przyjazne dla użytkownika w kontekście Precision Farming - rolnictwa precyzyjnego lub Smart Construction - inteligentnej konstrukcji. Pomiar pozycji i ruchu odgrywa kluczową rolę w łańcuchu kontroli tych funkcji.

Wszystkich odwiedzających targi Automaticon 2018 serdecznie zapraszamy do odwiedzenia firmy Hydac w hali 1 stoisko A17, aby dowiedzieć się więcej o naszej szerokiej gamie czujników jak też innych produktów.

Hydac
www.hydac.com.pl