Wybór odpowiedniego czujnika w automatyce przemysłowej to nie tylko kwestia technologii, ale przede wszystkim dobrania rozwiązania do konkretnego zadania oraz warunków pracy, i dlatego może sprawiać kłopot. Tym bardziej że do dyspozycji mamy wiele innych czujników, na przykład indukcyjne, optyczne, pojemnościowe oraz ultradźwiękowe, a każdy z nich ma swoje mocne strony, ale też ograniczenia.
Kiedy zatem warto postawić na czujniki ultradźwiękowe? Przyjrzyjmy się temu bliżej, porównując je z pozostałymi typami sensorów.
Jak działa czujnik ultradźwiękowy? Zasada działania i schemat
Czujniki ultradźwiękowe działają na zasadzie emisji i odbioru fali dźwiękowej o częstotliwości powyżej zakresu słyszalnego dla człowieka (powyżej 20 kHz, najczęściej 20–400 kHz). Nadajnik wysyła impuls, który po napotkaniu przeszkody odbija się i wraca do odbiornika. Elektronika czujnika mierzy czas, jaki upłynął od wysłania do odebrania sygnału i na podstawie pomiaru oblicza odległość do obiektu.
Symbol czujnika ultradźwiękowego na schemacie zazwyczaj przedstawia nadajnik i odbiornik w jednej obudowie, czasem z zaznaczoną strefą detekcji.
Do czego służy czujnik ultradźwiękowy? Zastosowania
Czujniki ultradźwiękowe są niezwykle uniwersalne i najczęściej używane są jako:
- Ultradźwiękowy czujnik poziomu cieczy: bezkontaktowe monitorowania poziomu w zbiornikach, silosach i rurociągach, niezależnie od koloru czy przezroczystości medium.
- Ultradźwiękowy czujnik odległości: precyzyjny pomiar dystansu do powierzchni obiektów o różnych kształtach, z różnych materiałów, także przezroczystych lub błyszczących.
- Ultradźwiękowy czujnik ruchu: detekcja obecności i ruchu obiektów w automatyce magazynowej, na liniach produkcyjnych i w systemach bezpieczeństwa.
- Kontrola średnicy szpul, wykrywanie pustych etykiet, monitorowanie poziomu materiałów sypkich o nieregularnych kształtach (np. nasiona, ziemniaki).
Czujniki ultradźwiękowe a czujniki indukcyjne, optyczne i pojemnościowe. Kiedy je wybrać?
Czujniki ultradźwiękowe a czujniki indukcyjne
Czujniki indukcyjne służą głównie do wykrywania obiektów metalowych. Są odporne na zabrudzenia, oleje i pyły, mają bardzo krótkie czasy reakcji oraz praktycznie nieograniczoną liczbę cykli roboczych. Ich głównym ograniczeniem jest jednak mały zasięg detekcji (od ułamków milimetra do kilkudziesięciu milimetrów) oraz brak możliwości wykrywania materiałów niemetalowych.
Jeśli konieczne jest wykrywanie tworzyw sztucznych, szkła, cieczy lub materiałów sypkich, należy wybrać czujnik ultradźwiękowy. Ponadto czujnik ultradźwiękowy sprawdzi się, gdy obiekt znajduje się w większej odległości oraz tam, gdzie niezbędny jest pomiar bezkontaktowy i odporność na zabrudzenia.
Czujniki ultradźwiękowe a czujniki optyczne
Czujniki optyczne są bardzo szybkie i precyzyjne, ale ich skuteczność maleje w przypadku przezroczystych, błyszczących lub ciemnych obiektów oraz w zapylonym środowisku. Są też wrażliwe na warunki oświetlenia, co może być problematyczne w niektórych zastosowaniach przemysłowych.
Ultradźwiękowy czujnik odległości nie jest wrażliwy na kolor, przezroczystość, ani właściwości odbiciowe powierzchni i jest w stanie wykryć zarówno butelkę PET, jak i czarną skrzynkę z siatki. Jest też odporny na zakłócenia świetlne i mgłę, co sprawia, że jest bardzo przydatny w trudnych warunkach przemysłowych.
Czujniki ultradźwiękowe a czujniki pojemnościowe
Czujniki pojemnościowe świetnie sprawdzają się przy wykrywaniu poziomu cieczy i materiałów sypkich, ale wymagają skalibrowania do konkretnego medium i są bardziej podatne na zakłócenia pochodzące od obiektów niemetalowych lub zmiany wilgotności. Mają też ograniczony zasięg, a precyzja może spadać w obecności większych zakłóceń elektromagnetycznych.
Ultradźwiękowy czujnik poziomu cieczy działa niezależnie od właściwości materiału, nie wymaga kontaktu i jest łatwiejszy w utrzymaniu.
Wady czujników ultradźwiękowych
Nie ma czujnika idealnego i dlatego także czujniki ultradźwiękowe mają swoje ograniczenia:
- Wpływ warunków otoczenia: na prędkość dźwięku w medium mają wpływ zmiany temperatury oraz wilgotności, co może obniżać dokładność pomiaru. Rozwiązaniem jest wówczas kompensacja temperaturowa czujnika.
- Problemy w otwartych przestrzeniach, ponieważ silny wiatr, deszcz lub mgła mogą rozpraszać fale ultradźwiękowe.
- Ograniczona precyzja przy bardzo małych lub pochłaniających dźwięk obiektach. Mogą wówczas pojawić się „martwe strefy” pomiarowe.
- Brak informacji o kształcie czy kolorze obiektu. Czujnik ultradźwiękowy mierzy tylko odległość do najbliższej przeszkody.
| Typ czujnika | Zasada działania | Zalety | Ograniczenia/kiedy nie stosować | Typowe zastosowania |
| Ultradźwiękowy | Wysyła i odbiera fale dźwiękowe o częstotliwości powyżej 20 kHz |
|
|
Detekcja niemetali, cieczy, materiałów sypkich, pomiar odległości |
| Indukcyjny | Reaguje na zmiany pola elektromagnetycznego |
|
|
Detekcja elementów metalowych |
| Optyczny | Wykorzystuje wiązkę światła (np. diodę LED, laser) |
|
|
Liczenie, pozycjonowanie, kontrola jakości |
| Pojemnościowy | Wykrywa zmiany pojemności elektrycznej |
|
|
Kontrola poziomu cieczy, wykrywanie materiałów sypkich |
Czujniki ultradźwiękowe to rozwiązanie uniwersalne, które sprawdza się tam, gdzie zawodzą inne technologie, a zwłaszcza w przypadku detekcji obiektów o nietypowych właściwościach optycznych, na większych odległościach lub w trudnych warunkach środowiskowych. Są idealne, jeśli konieczne jest wykrywanie szerokiego spektrum materiałów, niezależnie od ich koloru, przezroczystości czy kształtu.
Przeczytaj również: Co to jest automatyka przemysłowa?
