Resolwery

SŁABE PUNKTY

Rys. 3. Tarcza z podziałką jest używana w enkoderach inkrementalnych, a tarcza z kodem dwójkowym lub Graya w enkoderach absolutnych

Najczęstszą przyczyną awarii przetworników optycznych jest rozszczelnienie obudowy, przez które do wnętrza przetwornika przedostają się zanieczyszczenia. Po przeniknięciu do środka unoszą się one wewnątrz, z czasem osiadając na elementach układu pomiarowego. W przypadku oblepienia nimi tarczy, diod lub fotodetektorów przepływ światła między jego źródłem i odbiornikiem zostaje zakłócony, a w efekcie wyniki pomiaru mogą zostać zafałszowane.

Newralgicznym elementem enkoderów optycznych jest też tarcza z podziałką. Dla uzyskania dokładnych i poprawnych wyników pomiarów ważne jest, aby dzielił ją odpowiedniej szerokości odstęp od źródła oraz odbiornika światła (typowo poniżej 0,5 mm). W wyniku wstrząsów oraz uderzeń w obudowę przetwornika tarcza może się jednak przesunąć, dodatkowo ulegając też uszkodzeniu - na przykład pęknięciu, stłuczeniu lub porysowaniu.

Ekstremalnie niskie i wysokie temperatury oraz zaburzenia elektromagnetyczne emitowane przez urządzania pracujące w pobliżu enkodera mogą z kolei negatywnie wpływać na działanie półprzewodnikowych komponentów układu pomiarowego przetwornika, układów elektronicznych przetwarzających sygnał z fotodetektorów oraz okablowania, którym jest on przesyłany dalej.

Problemem w przypadku enkoderów optycznych - podobnie jak i innych typów przetworników z łożyskami - są też duże obciążenia mechaniczne. Jeżeli zostanie przekroczona ich maksymalna dopuszczalna wartość, m.in. skróceniu może ulec czas użytkowania łożysk.

Zastosowania enkoderów

Przykładem branży, w której enkodery są narażone na oddziaływanie wibracji lub uderzeń jest przemysł stalowy. Przetworniki te są w nim wykorzystywane na większości etapów produkcji, gdzie są używane m.in. do pozycjonowania i regulacji systemów transportujących surowce do pieców, na etapie wykonywania odlewów, gdzie znajdują zastosowanie w sterowaniu pracą przenośników w ramach linii walcowania, w tym w regulacji położenia oraz prędkości rolek dociskowych do walcowania oraz przycinania prętów stalowych, a także w regulacji prędkości i ustawień mechanizmów podnoszących pręty na etapie dalszej obróbki.

ENKODERY MAGNETYCZNE

Rys. 4. Główne komponenty enkodera magnetycznego to wirująca tarcza z kodem naniesionym magnetycznie oraz czujnik, który mierzy zmiany pola magnetycznego

Część problemów, jakie występują w przypadku enkoderów optycznych, można wyeliminować, stosując wersje magnetyczne. Dwa najważniejsze komponenty przetworników tego typu to wirująca tarcza z kodem naniesionym magnetycznie oraz czujnik, który mierzy zmiany pola magnetycznego zachodzące w jego otoczeniu (rys. 4).

Najczęściej wykorzystywane są dwa rodzaje sensorów: czujniki Halla oraz czujniki magnetorezystancyjne. W pierwszym wypadku zmiana pola magnetycznego wykrywana jest na podstawie zmiany napięcia czujnika, natomiast w sensorach magnetorezystancyjnych na podstawie zmiany rezystancji elementu pomiarowego. Czujniki wykorzystujące efekt Halla są tańsze, ale nie zapewniają tak dużej precyzji pomiarów jak sensory magnetorezystancyjne.

Dopóki między tarczą z kodem magnetycznym a czujnikiem nie znajdzie się element ferromagnetyczny, jakiekolwiek inne zanieczyszczenia nie wpływają na dokładność pomiarów. Dzięki temu enkodery tego typu są w porównaniu do optoelektronicznych znacznie wytrzymalsze na kurz, zabrudzenia, pyły i wilgoć, które przenikają przez obudowę.

Ponadto mogą one pracować w szerokim zakresie temperatur - nawet od -40 do +100°C - dla porównania typowy zakres pracy enkoderów optycznych wynosi od 0°C do +70°C. Nie ma też zagrożenia uszkodzenia tarczy w wyniku wibracji, uderzeń i wstrząsów.

To ostatnie wynika stąd, że tarcze są wykonywane z wytrzymalszych materiałów niż w enkoderach optycznych. Poza tym przerwa dzieląca tarczę i czujnik jest znacznie większa - może mieć nawet kilka milimetrów. Dzięki temu enkodery magnetyczne charakteryzuje większe dopuszczalne obciążenie wału.

Piotr Baluta

Eltron

Enkodery w wykonaniu heavy duty pracują zazwyczaj w szczególnie trudnych warunkach - narażone są na niesprzyjające warunki środowiskowe, takie jak różnego rodzaju zanieczyszczenia, ekstremalne temperatury, przeciążenia wału czy wibracje. Jedynym sposobem na zapewnienie długiej bezawaryjnej pracy enkodera jest zastosowanie odpowiednio wytrzymałych obudów, elektroniki oraz tarcz kodowanych.

Aby zapewnić szczelność, producenci stosują obudowy odlewane oraz uszczelnienia labiryntowe. Obudowy wykonywane są z materiałów niekorodujących, takich jak aluminium bądź stal nierdzewna lub pokrywane warstwą galwaniczną. Zastosowanie nadwymiarowych łożysk ceramicznych, oprócz zwiększenia wytrzymałości na obciążenia osiowe i promieniowe, gwarantuje zwiększoną żywotność w porównaniu do enkoderów standardowych.

Innym ciekawym rozwiązaniem proponowanym przez niektórych producentów jest zastosowanie sprzęgieł magnetycznych. Takie bezstykowe połączenie kompensuje wibracje przekazywane na wał enkodera oraz ryzyko uszkodzenia tradycyjnych sprzęgieł. W aplikacjach, gdzie występują duże wibracje oraz niezbędne jest zastosowanie połączenia z wałem za pomocą tradycyjnego sprzęgła mieszkowego, producenci proponują pewne rozwiązania modułowe.

Wałek wewnątrz enkodera składa się z dwóch osi połączonych sprzęgłem - osi wyjściowej oraz osi z tarczą kodowaną. Całość jest zamknięta w jednej ob udowie enkodera.

W wypadku uszkodzenia sprzęgła bądź łożysk do ich wymiany lub kontroli służy specjalny otwór rewizyjny. Tradycyjne tarcze kodowane plastikowe bądź szklane zastępowane są metalowymi, a jeszcze częściej magnetycznymi. Takie rozwiązanie oprócz znacznie większej trwałości - np. przy wysokich temperaturach, umożliwia również generowanie napięcia zasilającego enkoder.

RESOLWERY

Rys. 5. Schemat budowy resolwera

W aplikacjach wymagających od enkodera dużej odporności na trudne warunki zewnętrzne alternatywą dla przetworników optycznych są też resolwery. Przetworniki tego typu składają się z uzwojonego wirnika oraz stojana (rys. 5). Ten pierwszy wytwarza zmienne pole magnetyczne, które w uzwojeniach stojana indukuje napięcia o wartościach proporcjonalnych do sinusa i kosinusa kąta obrotu.

Niestety resolwery mają jedną istotną wadę, która ogranicza możliwości ich wykorzystania. Chodzi o sygnał wyjściowy, który jest analogowy i w związku z tym w większości przypadków, aby móc go wykorzystać, należy go przetworzyć do postaci cyfrowej. W tym celu niezbędny jest dodatkowy komponent w postaci przetwornika R/D (Resolver to Digital) oraz okablowanie do transmisji sygnału wyjściowego z enkodera do tego układu.

Zwiększa to koszty oraz komplikuje tworzenie systemów z tego typu przetwornikami. Oprócz tego z resolwerów, jak również z enkoderów magnetycznych lepiej nie korzystać tam, gdzie mogą być one narażone na oddziaływanie bardzo silnego pola magnetycznego, które zakłócałoby pomiary. W przemyśle o takie warunki nietrudno - zaburzenia elektromagnetyczne emitowane są przez różne maszyny.

Stąd w wielu przypadkach jedynym rozwiązaniem pozostaje zastosowanie enkodera optycznego w wykonaniu specjalnym. W konstrukcjach tego typu stosowane są różne rozwiązania wzmacniające konstrukcję przetwornika (rys. 6).

Zastosowania enkoderów

Komponentami narażonymi na kontakt z wodą są enkodery pracujące na zewnątrz budynków lub w atmosferze o dużej wilgotności. W drugim z przypadków, jeżeli w otoczeniu zachodzą duże wahania temperatur, para wodna może się skroplić.

Przykładem instalacji na dworze, których niezbędnym komponentem są enkodery, są elektrownie wiatrowe. Przetworniki kąta obrotu są w nich wykorzystywane m.in. do kontroli prędkości obrotowej wirnika oraz w systemach regulacji ustawień łopatek wirnika i gondoli turbiny w celu ich dostosowania do aktualnej siły oraz kierunku wiatru.