Enkodery do zadań specjalnych

Istnieje wiele kryteriów klasyfikacji enkoderów. Oprócz podziału na liniowe i kątowe wyróżnia się także, w zależności od rodzaju czujnika, przetworniki optoelektroniczne oraz magnetyczne, a ze względu na sposób pomiaru enkodery inkrementalne oraz absolutne.

Enkodery mogą być jedno- i wieloobrotowe, występują jako wersje z wałem lub z otworem. Jeszcze innym kryterium podziału enkoderów jest stopień ich odporności na ekstremalne warunki pracy - i na tych ostatnich skupiamy się w artykule.

Zastosowania enkoderów

Enkodery, jako elementy systemu sterowania ruchem maszyn, są powszechnie wykorzystywane w różnych branżach. Na przykład używane w przemyśle papierniczym w systemach sterowania ruchem różnego typu podajników, przenośników transportujących przykładowo ścierniwo oraz bębnów, na które nawijane są gotowe arkusze papieru.

Czynnikiem, który w tym zastosowaniu ma największy wpływ na funkcjonowanie tych przetworników, jest zapylenie powietrza. W tym przypadku często konieczne jest skorzystanie z wersji heavy duty.

ENKODERY DO PRACY W WARUNKACH EKSTREMALNYCH

Rys. 1. Główne komponenty enkodera optycznego

Najmniej wytrzymałe przetworniki są wykorzystywane głównie w urządzeniach elektroniki użytkowej, takich jak kopiarki, faksy oraz akcesoria komputerowe. Oddzielną grupę stanowią enkodery dostosowane do uciążliwych warunków występujących w konkretnych zastosowaniach. Przykładem są przetworniki montowane w silnikach.

Ich charakterystyczne cechy to odpowiednio mały rozmiar oraz duża odporność na wibracje, wstrząsy i wysoką temperaturę. W ich przypadku nie ma natomiast potrzeby stosowania dodatkowych uszczelnień, ponieważ przetworniki te są izolowane od otoczenia przez obudowę silnika.

Innym przykładem są enkodery w wykonaniu przeciwwybuchowym wykorzystywane m.in. w przemyśle naftowym, chemicznym oraz wszędzie tam, gdzie występują wybuchowe pyły i opary (na przykład farb). W przetwornikach tego typu największy nacisk jest położony na konstrukcję obudowy. Powinna ona pozostać nienaruszona, jeżeli we wnętrzu enkodera nastąpi wybuch.

Przez jej otwory i złącza na zewnątrz nie mogą się też przedostawać płomienie oraz iskry. Do pracy w warunkach przemysłowych, w których może występować jednocześnie wiele różnych niekorzystnych czynników zewnętrznych, przeznaczone są z kolei tzw. enkodery heavy duty.

Do najbardziej uciążliwych czynników, na które muszą one być odporne, zalicza się duże zapylenie lub zaparowanie powietrza, kontakt z wodą, olejami lub środkami chemicznymi, wibracje o dużej amplitudzie i częstotliwości, wstrząsy, silne uderzenia, skrajnie wysokie i niskie temperatury, duże obciążenia mechaniczne oraz zaburzenia elektromagnetyczne. Rozmaite słabe punkty w konstrukcji standardowych enkoderów uniemożliwiają ich użytkowanie w takich warunkach. Najwięcej ich mają enkodery optoelektroniczne.

Zastosowania enkoderów

W przemyśle spożywczym, kosmetycznym oraz farmaceutycznym enkodery są wykorzystywane przede wszystkim w układach sterowania ruchem przenośników - na przykład na liniach napełniania pojemników żywnością lub lekarstwami oraz ich paczkowania lub butelkowania.

Ze względów sanitarnych wymagane jest regularne mycie oraz dezynfekcja takich instalacji, co realizowane jest przykładowo przez ich spłukiwanie gorącą wodą pod dużym ciśnieniem lub odkażanie przez rozpylanie strumienia pary wodnej. W trakcie tych zabiegów nieunikniony jest kontakt enkoderów z wodą oraz różnego rodzaju środkami chemicznymi.

PRZETWORNIKI OPTOELEKTRONICZNE

Rys. 2. Sygnał kwadraturowy umożliwia określenie kierunku obrotów enkodera

Główne komponenty kątowych inkrementalnych przetworników tego typu to: szklana, okrągła płytka pokryta naniesionymi naprzemiennie przezroczystymi oraz nieprzezroczystymi prążkami stanowiącymi podziałkę oraz układ optyczny. Tworzy go źródło światła (dioda LED) i soczewka skupiająca z jednej strony tarczy oraz detektor (fotodioda) po drugiej stronie (rys. 1).

Tarcza zamontowana jest na wale i gdy się wraz z nim obraca, przecina promienie świetlne, które są blokowane przez nieprzezroczyste pola podziałki lub, przenikając przez płytkę, padają na fotodetektor. W zależności od ilości światła docierającego do elementu światłoczułego zmienia się natężenie jego prądu wyjściowego. Sygnał wyjściowy enkodera ma w efekcie postać ciągu impulsów zero-jedynkowych, które są zliczane w układzie elektronicznym przetwornika.

Odnosząc uzyskany w ten sposób wynik do liczby impulsów przypadających na jeden pełny obrót, można wyznaczyć kąt obrotu. Jeżeli na przykład 1000 impulsów odpowiada obrotowi o 360°, to każdy zliczony impuls oznacza obrót wału o 0,36°. By móc określić kierunek ruchu układ optyczny uzupełnia się o drugi detektor, dzięki któremu uzyskuje się dwa ciągi impulsów przesunięte w fazie (sygnał kwadraturowy).

Na podstawie analizy tego, który z nich jest opóźniony, wyznacza się kierunek obrotu (rys. 2). Zasadnicza różnica między enkoderami inkrementalnymi i absolutnymi dotyczy rodzaju generowanego przez nie sygnału wyjściowego. W pierwszym przypadku jest to sygnał impulsowy, natomiast w przetwornikach absolutnych wynik pomiaru ma postać słowa kodowego.

Wynika to stąd, że podziałka tarczy wykonywana jest w formie kodu dwójkowego naturalnego lub kodu Graya. Ponadto enkodery tego typu w przeciwieństwie do przyrostowych po ponownym załączeniu zasilania zachowują informację o ostatnim położeniu kątowym zmierzonym przed jego odłączeniem (rys. 3).

Wersje heavy duty, wykonania specjalne i przeciwwybuchowe - przykłady

Przetworniki optyczne firmy Eltra inkrementalne z wałem EX 80 A / D

Wersje w wykonaniu przeciwwybuchowym (ATEX EExdIIC T6), przeznaczone do pracy w miejscach, w których występują gazy wybuchowe (oprócz kopalń, gdzie występuje metan), w klasie temperaturowej T6 (maksymalna temperatura powierzchni enkodera to 85°C). Charakteryzuje je: odporność na wstrząsy 50 g (z tarczą plastikową), 20 g (z tarczą szklaną), maksymalne obciążenia wału 200 N (osiowe i promieniowe) oraz żywotność łożysk powyżej 109 obrotów.

Przetworniki optyczne inkrementalne z otworem XC77 firmy Lika

Elementy z certyfikatem ATEX Ex d IIC T6, przeznaczone do wykorzystania w przemyśle chemicznym, górniczym, w silnikach oraz maszynach lakierniczych i podobnych aplikacjach. Charakteryzuje je minimalna żywotność optoelektroniki wynosząca 100 tys. godzin, odporność na wstrząsy 50 g przez 11 ms (zgodne z EN 60068-2-27), odporność na wibracje 10 g (zgodne z EN 60068-2-6), stopień ochrony IP65, maksymalne obciążenie wału (osiowe i promieniowe) 60 N oraz żywotność łożysk powyżej 109 obrotów. Mogą one pracować w temperaturach od -25°C do +85°C. Przetworniki mają kołnierz i obudowę odporne na korozję wykonane z EN AW-6082 (UNI EN 573) oraz łożyska ABEC 5.

Enkodery inkrementalne optyczne z wałem typu Sendix Heavy Duty H100 firmy Kübler

Dostępne w trzech wersjach: z mechanicznym ogranicznikiem prędkości lub bez ogranicznika oraz jako enkodery podwójne. Enkodery przystosowane są do dużych obciążeń wałka, mają certyfikat ATEX II 3G 3D Eex nA T4, mogą pracować w temperaturach powierzchni obudowy od -40°C do 100°C. Charakteryzuje je maksymalne obciążenie wału: promieniowe 400 N, osiowe 300 N, odporność na wstrząsy <300 g przez 1 ms zgodnie z EN 600068-2-27, odporność na wibracje <10 g zgodnie z EN60068-2-27. Enkodery mają wał wykonany ze stali nierdzewnej, obudowę w postaci odlewu z aluminium z powłoką odporną na wodę morską, odporny na wodę morską kołnierz wykonany z aluminium oraz kabel ekranowany w osłonie poliuretanowej.

Przetworniki magnetyczne (z czujnikiem Halla) absolutne z CANopen w wykonaniu heavy duty od Posital Fraba

Odporne na chemiczne czyszczenie, spłukiwanie wodą pod dużym ciśnieniem oraz wpływ czynników korozyjnych (ich kołnierz, obudowę i wał wykonano ze stali nierdzewnej). Charakteryzuje je stopień ochrony IP69K, maksymalne obciążenie wału to 270 N (osiowe) i 270 N (promieniowe), a odporność na wstrząsy ≤ 300 g przez 6 ms (według EN 60068-2-27), ≤ 30 g przez 16 ms (EN 60028-2-29), wibracje ≤ 30 g (EN 60068-2-6). Enkodery mogą pracować w temperaturach od -30°C do +85°C.

Enkodery optyczne Lika inkrementalne z wałem IT 65

Wykonane w obudowie o podwyższonej trwałości, przystosowane do dużych obciążeń wałka. Charakteryzuje je żywotność optoelektroniki powyżej 100 tys. godzin, odporność na wstrząsy 100 g przez 6 ms (zgodne z MIL STD 202F), odporność na wibracje 10 g (zgodne z MIL STD 202F), stopień ochrony IP65. Elementy mogą pracować w temperaturach od -20°C do +70°C, mają kołnierz i obudowę odporne na korozję, łożyska ABEC 5 oraz wał ze stali nierdzewnej niemagnetycznej.

Przetworniki magnetyczne Eltra inkrementalne z wałem EMI 63 AX / DX

Wykonywane w obudowach ze stali nierdzewnej, przeznaczone do wykorzystania w przemyśle spożywczym, maszynach i sprzęcie ciężkim (dźwigi, wciągarki), w warunkach morskich (odporne na spłukiwanie oraz czynniki korozyjne). Zostały zaprojektowane zgodnie z normą IEC 61000-6-2, IEC 61000-6-3 w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Charakteryzuj je stopień ochrony IP54 (standard), IP66 (opcja), odporność na wstrząsy 50 g oraz odporność na wibracje 10 g. Mogą pracować w temperaturach od -20°C do +85°C

Enkodery optyczne inkrementalne z wałem z serii 9000 firmy Kübler

Dostępne w wersji heavy duty oraz z konstrukcją wzmocnioną w wykonaniu ze stali nierdzewnej (wał i obudowa). Te pierwsze przeznaczone są do wykorzystania m.in. w przemyśle stalowym, papierniczym oraz w sprzęcie ciężkim, natomiast drugie - w branży spożywczej, farmaceutycznej (na przykład w maszynach do pakowania, liniach butelkowania) oraz w przemyśle chemicznym.

Enkodery dopuszczone są do użytku w strefach zagrożonych wybuchem 2 i 22 ATEX, mogą pracować w temperaturach od -20°C do +85°C. Charakteryzuje je odporność na wstrząsy zgodnie z IEC 68-2-27 1000 m/s2 6 ms, odporność na wibracje zgodnie z IEC 68-2-6 100 m/s2; maksymalne obciążenie wału to: promieniowe 140 N i osiowe 70 N. W przetwornikach zastosowano kabel o dużej elastyczności w odpornej na środki chemiczne osłonie poliuretanowej.