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, który zapewnia faza reference for równoważenie, oraz dostarczyć klawisz 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
Within 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 zamówienia.
- 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 sonda zbliżeniowa systemy — 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.
- Response time: 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.
- Light source: visible red (630–670 nm) jest łatwy do wycelowania; infrared (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. Advantages
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 materialna: 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) odczytywanie rowka wpustowego, co nie wymaga użycia taśmy i nie ma na to wpływu 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. Balans-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 do obliczenia wielkości i kąta każdego waga korekcyjna oraz w celu sprawdzenia 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.
