Zrozumienie czujników fotoelektrycznych
A czujnik fotoelektryczny to optyczne urządzenie wykrywające, w którym źródło światła — dioda LED, laser lub emiter podczerwieni — współpracuje z fotodetektorem w celu wykrywania obecności, braku lub położenia obiektu lub znaku na zasadzie przepuszczania, odbicia lub przerwania wiązki światła. W przypadku maszyn wirujących czujniki te najczęściej pełnią funkcję tachometry: wykrywają one pozycję wału raz na obrót w celu pomiaru prędkości i generują impuls synchronizacyjny występujący raz na obrót, co oznacza, że pojawia się faza odniesienia, która umożliwia równoważenie, a także zapewniają keyphasor funkcjonalność systemów zabezpieczeń maszyn o znaczeniu krytycznym.
Ich zalety to bezkontaktowa praca, bardzo szybka reakcja, odporność na pola magnetyczne oraz możliwość wykrywania materiałów nieżelaznych. To połączenie sprawia, że są one wszechstronnymi narzędziami do pomiaru prędkości i położenia w praktycznie każdym rodzaju urządzeń obrotowych — a także stanowią podstawę tachometry optyczne oraz tachometry laserowe stosowane w przenośnych zestawach do wyważania.
1. Tryby pracy
Czujniki fotoelektryczne występują w trzech wariantach konstrukcyjnych, różniących się rozmieszczeniem nadajnika i odbiornika oraz sposobem, w jaki obiekt zakłóca przebieg wiązki światła.
Czujnik przelotowy (tryb przeciwległy)
Źródło światła i fotodetektor umieszczone są w oddzielnych obudowach, skierowanych ku sobie, a wykrycie następuje, gdy obiekt przerywa wiązkę światła przechodzącą przez szczelinę. Zasięg jest duży — możliwe są odległości rzędu metrów — a niezawodność jest najwyższa spośród wszystkich trybów działania, ponieważ system ten jest najbardziej odporny na zanieczyszczenia i zmiany ustawienia. Typowe zastosowania to zliczanie ostrzy oraz wykrywanie obiektów na przenośnikach taśmowych.
Tryb odblaskowy
Nadajnik i odbiornik mieszczą się w jednej obudowie, a po przeciwnej stronie zamontowany jest reflektor; obiekt jest wykrywany, gdy przerywa drogę światła odbitego. Zasięg jest umiarkowany (kilka metrów), a montaż z jednej strony jest wygodny, co sprawia, że rozwiązanie to nadaje się do zliczania części i wykrywania większych obiektów.
Tryb odbicia rozproszonego — najczęściej wybierany w tachometrii
Również w tym przypadku nadajnik i odbiornik znajdują się w tej samej obudowie, ale czujnik wykrywa światło odbijające się bezpośrednio od powierzchni obiektu. Zasięg jest niewielki — zazwyczaj wynosi od 5 do 500 mm — a konfiguracja polega po prostu na wycelowaniu i wykryciu obiektu. Jest to tryb stosowany do wykrywania taśma odblaskowa do pomiaru prędkości i fazy oraz działania tachometrów laserowych.
2. Zastosowania w monitorowaniu drgań
Wewnątrz analiza drgań ten sam czujnik pełni kilka różnych funkcji:
- Pomiar prędkości: urządzenie oblicza, wykrywając taśmę odblaskową lub element wału raz na obrót i zliczając impulsy obr./min, stale monitoruje prędkość i weryfikuje ją podczas pomiarów.
- Odniesienie fazowe: Impuls występujący raz na obrót określa punkt odniesienia 0°, który ma kluczowe znaczenie dla obliczeń wyważania, umożliwiając pomiary z synchronizacją fazową oraz synchronizację śledzenie rzędów (order tracking).
- Funkcja Keyphasor: stały czujnik fotoelektryczny może pełnić funkcję czujnika fazowego, wykrywając co obrót znacznik na wale, szczelinę lub inny element, aby zapewnić odniesienie fazowe dla systemów typu sonda zbliżeniowa — niezbędne do monitorowania turbomaszyn w ramach API 670.
- Wyzwalanie zdarzeń: impuls może uruchomić zbieranie danych w określonym położeniu wału, wywołać stroboskop do oglądania w trybie zatrzymanego obrazu lub w inny sposób zsynchronizować pomiary z obrotem.
3. Najważniejsze parametry techniczne
O tym, czy czujnik będzie działał prawidłowo w danej instalacji, decydują trzy czynniki.
- Czas reakcji: od mikrosekund do milisekund – musi być wystarczająco szybki, by sprostać najwyższej zmierzonej prędkości. Wał obracający się z prędkością 10 000 obr./min mija swój punkt odniesienia z częstotliwością około 167 Hz, więc czysty impuls wymaga czasu reakcji poniżej milisekundy.
- Zasięg wykrywania: Każdy model ma minimalną i maksymalną odległość roboczą, która zależy od współczynnika odbicia obiektu; czujniki pracujące w trybie rozproszonym zazwyczaj działają w zakresie 50–300 mm.
- Źródło światła: czerwone widzialne (630–670 nm) jest łatwy do wycelowania; podczerwień (850–950 nm) działa lepiej w jasnym świetle otoczenia; a laser zapewnia wąską wiązkę światła, większy zasięg i bardziej precyzyjne wyzwalanie.
4. Instalacja i konfiguracja
Niezawodne wyzwalanie zależy przede wszystkim od starannego zamontowania. Czujnik powinien być skierowany prostopadle do powierzchni odbijającej aby uzyskać jak najsilniejszy sygnał, należy ustawić urządzenie w odległości zgodnej z instrukcją, zamontować je sztywno, tak by drgania nie spowodowały zmiany kierunku wiązki, oraz zabezpieczyć przed uszkodzeniami mechanicznymi. Równie ważne jest samo miejsce pomiaru: należy przykleić taśmę odblaskową w odpowiednim miejscu na oczyszczonej powierzchni wału i upewnić się, że jeden znak na obrót (drugi element odbijający światło powoduje podwójne zliczenie) oraz upewnij się, że znacznik jest dobrze zamocowany i nie odpadnie podczas pracy z dużą prędkością. Na koniec wyceluj w znacznik, sprawdź na diodzie LED czujnika, czy sygnał jest stabilny, zablokuj pozycję i przetestuj urządzenie, wykonując pełny obrót, aby upewnić się co do niezawodności wykrywania, zanim będziesz polegać na odczytach.
5. Zalety
Zasada działania bezkontaktowego systemu optycznego ma kilka zalet:
- Brak kontaktu mechanicznego: brak tarcia i obciążenia wału, brak zużycia, bezpieczna praca z dala od obracających się elementów oraz możliwość stosowania przy dowolnej prędkości.
- Niezależność od materiału: Działa zarówno na metalach żelaznych, jak i nieżelaznych, a także na tworzywach sztucznych, materiałach kompozytowych i drewnie — wystarczy tylko kontrast optyczny.
- Szybka i wyraźna odpowiedź: nadaje się do zastosowań wymagających dużej prędkości, generując wyraźne impulsy cyfrowe o dokładnym czasowaniu.
6. Ograniczenia
Ta sama zasada optyczna nakłada kilka ograniczeń, które warto uwzględnić podczas planowania:
- Wrażliwość na czynniki środowiskowe: Jasne światło otoczenia może powodować zakłócenia, a kurz i mgła olejowa osadzające się na elementach optycznych pogarszają wydajność, dlatego obiektyw wymaga okresowego czyszczenia, a w trudnych warunkach może być konieczne zastosowanie osłony ochronnej.
- Właściwe ustawienie ma kluczowe znaczenie: czujnik musi być stale skierowany na cel, a wibracje lub osiadanie mogą spowodować jego przesunięcie — to kolejny powód, dla którego konieczne jest stabilne zamocowanie.
- Zależność od celu: musi być obecny element lub przedmiot odbijający światło, zmiany współczynnika odbicia wpływają na wynik pomiaru, a taśma może z czasem odklejać się.
W sytuacjach, gdy zastosowanie stałego czytnika optycznego jest niepraktyczne, inżynierowie często sięgają po rozwiązania nieoparte na technologii optycznej, takie jak sonda zbliżeniowa (prądów wirowych) odczytująca rowek wpustowy, co nie wymaga użycia taśmy i na co nie wpływają ani brud, ani światło.
7. Czujniki fotoelektryczne w praktycznym wyważaniu terenowym
W przypadku urządzeń przenośnych tachometr laserowy z odbiciem rozproszonym stanowi standardowy czujnik fazowy właśnie dlatego, że nie wymaga żadnego przygotowania wału poza przyklejeniem paska taśmy. Balanset-1A jest wyposażony właśnie w taki optyczny tachometr laserowy: uruchamia się on na widok niewielkiego fragmentu taśmy odblaskowej, działa w szerokim zakresie odległości i generuje impuls występujący raz na obrót, który jest potrzebny oprogramowaniu, aby obliczyć wielkość i kąt, jaki powinien mieć każdy ciężarek korekcyjny oraz aby sprawdzić niewyważenie resztkowe po korekcie. Krótko mówiąc, szybka reakcja czujnika fotoelektrycznego, jego niezależność od rodzaju materiału oraz bezkontaktowa praca sprawiają, że jest to idealny tachometr, który doskonale uzupełnia akcelerometry w ramach kompleksowego systemu monitorowania stanu i wyważania.
