VJEŽBA V23 · MODUL 4 · ELEKTROPNEUMATIKA

Vježba V23 · 2 sata

Beskontaktni senzori

Na mjernom stolu ispituju se četiri vrste beskontaktnih senzora: induktivni, kapacitivni, optički i magnetski na cilindru. Mjeri se stvarna sklopna udaljenost za različite materijale i boje, histereza i širina područja uključivanja.

Moći ću:

spojiti trožični PNP senzor na napajanje i trošilo te prepoznati vodiče po bojama
izmjeriti sklopnu udaljenost i histerezu induktivnog senzora za pet metala i izračunati redukcijske faktore
usporediti odziv kapacitivnog i optičkog senzora na različite materijale i površine
izmjeriti širinu područja uključivanja magnetskog senzora na cilindru
odabrati prikladan senzor i sigurnu udaljenost ugradnje za zadani materijal

O vježbi

Vježba V23Trajanje: 2 sataModul 4

Prije vježbe proći gradivo: 4.4 Beskontaktni senzori.

Pitanja i zadaci na ovoj stranici su bez odgovora. Rješenje s postupkom otvara se gumbom Prikaži rješenje ispod svakog pitanja, a upute za nastavnika nalaze se na dnu stranice.

Zadatak

Na liniji za sortiranje kutija s dijelovima treba prepoznati što prolazi ispred senzora: čelične i aluminijske poklopce, plastične posude napunjene tekućinom i kartonske kutije. Prije izbora senzora za liniju na mjernom stolu se ispituju četiri vrste beskontaktnih senzora s napajanjem 24 V DC i PNP izlazom:

induktivni senzor M18, ugradbeni (u ravnini s nosačem), nazivne sklopne udaljenosti S_n = 5 mm;
kapacitivni senzor M18, neugradbeni, s potenciometrom osjetljivosti, S_n = 8 mm;
optički difuzni (refleksijski na predmet) senzor dometa 200 mm na bijelom papiru;
magnetski senzor na utoru cilindra Ø32 mm s magnetskim prstenom na klipu.

Za svaki senzor treba izmjeriti udaljenost uključivanja pri primicanju mjerne pločice i udaljenost isključivanja pri odmicanju, zatim izračunati redukcijski faktor u odnosu na referentni materijal i histerezu. Na kraju se za liniju predlaže senzor i sigurna udaljenost ugradnje. Brojevi u primjerima mjernog zapisa niže su primjer; vaši će se razlikovati ovisno o senzoru i pločicama.

Oprema i pribor

mjerni stol s vodilicom, klizačem i mjernom urom ili digitalnim pomičnim mjerilom (razlučivost 0,01 mm);
četiri navedena senzora s držačima i priključnim kabelima;
mjerne pločice 18 × 18 × 1 mm: konstrukcijski čelik S235, nehrđajući čelik, mjed, aluminij, bakar;
uzorci za kapacitivni senzor: plastična bočica s vodom, suho drvo, PVC ploča, karton, staklo;
uzorci za optički senzor: bijeli, sivi i crni papir, sjajni aluminijski lim;
dvoradni cilindar Ø32 mm s magnetskim prstenom, izvučen ručno (bez tlaka), s ravnalom uz klipnjaču;
modul napajanja 24 V DC, signalna žaruljica ili ulazni modul, multimetar.

Mjesto za sliku V23.1a

Fotografija mjernog stola: senzor M18 u držaču, klizač s mjernom pločicom i mjerna ura; vidljive LED senzora.

Sigurnost pri radu

Pažnja

Senzore spajajte samo bez napona. Zamjena smeđeg i plavog vodiča ili spoj crnog (izlaznog) vodiča izravno na +24 V bez trošila može trajno oštetiti izlazni tranzistor, iako mnogi senzori imaju zaštitu od kratkog spoja. Optički senzori s laserskim izvorom ne smiju se usmjeravati u oči. Cilindar za mjerenje magnetskog senzora ne priključujte na zrak — klip se pomiče rukom.

Shema

Slika V23.1 — Lijevo: spoj trožičnog PNP senzora — smeđi (BN) na +24 V, plavi (BU) na 0 V, crni (BK) izlaz koji pri uključenju spaja +24 V na trošilo H1. Desno: mjerni stol za ispitivanje sklopne udaljenosti s.

Kod PNP senzora izlaz „dovodi plus“: trošilo je spojeno između izlaza i 0 V. Kod NPN senzora izlaz „dovodi minus“, pa se trošilo spaja između +24 V i izlaza. Upravljački moduli u Europi uglavnom imaju ulaze za PNP senzore. Oznaka dometa na senzoru, nazivna sklopna udaljenost S_n, određuje se s normiranom pločicom od konstrukcijskog čelika debljine 1 mm i stranice jednake promjeru aktivne plohe (ili 3 · S_n, ako je to veće). Sigurna sklopna udaljenost S_a ≤ 0,81 · S_n je udaljenost na kojoj senzor sigurno uključuje uz sva odstupanja izrade, napona i temperature.

Postupak

Spojite induktivni senzor prema slici V23.1 i uključite napajanje. Primaknite pločicu rukom: LED na senzoru i žaruljica H1 moraju zasvijetliti.
Postavite čeličnu pločicu na klizač dalje od senzora, a mjernu uru na nulu kad pločica dodiruje aktivnu plohu. Polako primičite pločicu i zapišite udaljenost pri kojoj se senzor uključi (s_uk).
Polako odmičite pločicu i zapišite udaljenost pri kojoj se senzor isključi (s_isk). Svako mjerenje ponovite tri puta i upišite srednju vrijednost.
Ponovite korake 2 i 3 za nehrđajući čelik, mjed, aluminij i bakar.
Zamijenite senzor kapacitivnim. Potenciometrom namjestite da se na čeličnu pločicu uključuje na 8 mm i više ga ne dirajte. Izmjerite s_uk za sve uzorke iz popisa.
Postavite optički difuzni senzor okomito na uzorak i izmjerite domet za bijeli, sivi i crni papir te za sjajni lim, najprije okomito, a zatim pod kutom od oko 15°.
Pričvrstite magnetski senzor na sredinu utora cilindra. Rukom pomičite klipnjaču i uz ravnalo zapišite položaje u kojima se senzor uključuje i isključuje, u oba smjera gibanja.
Izračunajte redukcijske faktore i histereze, popunite tablice i isključite napajanje.

Mjerni zapis (primjer)

Vrijednosti u tablicama su primjer mjerenja kakvo se može očekivati; u zapisnik upisujete svoje vrijednosti.

Induktivni, S_n = 5 mm	s_uk / mm	s_isk / mm	Redukcijski faktor	Histereza
čelik S235	5,10	5,50	1,00	7,8 %
nehrđajući čelik	3,70	4,00	0,73	8,1 %
mjed	2,50	2,70	0,49	8,0 %
aluminij	2,20	2,38	0,43	8,2 %
bakar	1,80	1,95	0,35	8,3 %

Slika V23.2 — Redukcijski faktori induktivnog senzora iz primjera mjernog zapisa: što je metal bolji električni vodič i što je slabije magnetičan, to je sklopna udaljenost manja.

Kapacitivni (namješten na 8 mm za čelik)	s_uk / mm	Optički difuzni	Domet / mm
voda u plastičnoj bočici	7,4	bijeli papir	200
staklo	4,3	sivi papir	118
suho drvo	3,6	crni papir	45
PVC ploča	3,0	sjajni lim, okomito	260
karton	2,1	sjajni lim, pod 15°	40

Magnetski senzor, primjer: pri gibanju klipa naprijed senzor se uključio na 42,0 mm i isključio na 53,5 mm očitano na ravnalu; pri gibanju natrag uključio se na 52,0 mm i isključio na 40,5 mm.

Pitanja i zadaci

1. Računski zadatak: iz primjera mjernog zapisa izračunajte redukcijski faktor za aluminij i histerezu za čelik S235.

Prikaži rješenje

Redukcijski faktor k = s_uk(Al) / s_uk(čelik) = 2,20 / 5,10 = 0,43. Histereza H = (s_isk − s_uk) / s_uk = (5,50 − 5,10) / 5,10 = 0,078 = 7,8 %. Histereza sprječava „treperenje“ izlaza kad predmet stoji točno na granici sklapanja.

2. Računski zadatak: na kojoj najvećoj udaljenosti smijete ugraditi induktivni senzor S_n = 5 mm za pouzdano prepoznavanje aluminijskog poklopca?

Prikaži rješenje

Sigurna udaljenost za čelik: S_a = 0,81 · 5 = 4,05 mm. Za aluminij: S_a,Al = 4,05 · 0,43 ≈ 1,74 mm. Senzor treba ugraditi na najviše oko 1,7 mm od poklopca, što je na liniji s tolerancijama vođenja kutija teško održivo. Bolje je izabrati senzor većeg S_n ili senzor s faktorom 1 za sve metale.

3. Zašto kapacitivni senzor prepoznaje vodu u plastičnoj bočici gotovo jednako dobro kao čelik, a karton loše?

Prikaži rješenje

Kapacitivni senzor reagira na promjenu kapaciteta, dakle na relativnu dielektričnost materijala i na vodljive predmete. Voda ima relativnu dielektričnost oko 80, pa jako mijenja polje; stijenka bočice je tanka i gotovo ne smeta. Suhi karton ima dielektričnost oko 2, bliskom zraku, pa ga senzor osjeti tek izbliza. Vlažan karton prepoznao bi se dalje — kapacitivni je senzor zato osjetljiv i na vlagu i prljavštinu.

4. Objasnite zašto je domet optičkog difuznog senzora za sjajni lim pod kutom od 15° pao na 40 mm, iako je okomito bio veći nego za bijeli papir.

Prikaži rješenje

Difuzni senzor prima svjetlo koje predmet rasprši natrag. Bijeli papir raspršuje svjetlo na sve strane. Sjajni lim reflektira zrcalno: okomito vraća gotovo sve svjetlo u prijamnik, a već pod malim kutom svjetlo odlazi mimo prijamnika. Za sjajne predmete bolji su senzori s reflektorom i polarizacijskim filtrom ili senzori s potiskivanjem pozadine.

5. Računski zadatak: iz primjera za magnetski senzor izračunajte širinu područja uključivanja i histerezu. Cilindar se giba brzinom 0,5 m/s — koliko traje signal senzora kad klip prolazi pored njega? Je li to dovoljno za ulaz s vremenom odziva 10 ms?

Prikaži rješenje

Širina područja pri gibanju naprijed: 53,5 − 42,0 = 11,5 mm. Histereza: 42,0 − 40,5 = 1,5 mm (i 53,5 − 52,0 = 1,5 mm). Trajanje signala: t = 11,5 mm / 500 mm/s = 0,023 s = 23 ms. To je više od 10 ms, pa ga ulaz može prepoznati, ali s malom pričuvom; pri 1 m/s signal bi trajao samo 11,5 ms. Za brze prolaze senzor se postavlja u krajnji položaj, gdje klip stoji.

6. Dopunite shemu sa slike V23.1: nacrtajte spoj istog trošila H1 na NPN senzor. Između kojih je točaka trošilo spojeno?

Prikaži rješenje

Smeđi vodič ostaje na +24 V, plavi na 0 V. Unutarnja sklopka NPN senzora spaja izlaz BK s plavim vodičem (0 V). Trošilo H1 spaja se između +24 V i izlaza BK: kad senzor uključi, struja teče od +24 V kroz H1 i kroz senzor na 0 V.

7. Računski zadatak: izlaz senzora podnosi najviše 200 mA. Smijete li na njega izravno spojiti žaruljicu 24 V / 2 W, a smijete li svitak razvodnika 24 V / 4,5 W?

Prikaži rješenje

Žaruljica: I = 2 / 24 = 0,083 A = 83 mA < 200 mA — smije. Svitak: I = 4,5 / 24 = 0,19 A = 188 mA, tik ispod granice i bez pričuve; svitak je i induktivno trošilo koje pri isključivanju daje prenapon. Ispravno je signal senzora voditi na relej ili ulaz upravljačkog modula, a svitak uključivati preko releja.

8. Koji biste senzor predložili za prepoznavanje čeličnih i aluminijskih poklopaca, a koji za plastične posude s tekućinom? Obrazložite.

Prikaži rješenje

Za metalne poklopce induktivni senzor, jer ne reagira na karton i plastiku; zbog aluminija treba senzor većeg dometa (npr. M30, S_n 10–15 mm) ili senzor s jednakim faktorom za sve metale. Za posude s tekućinom kapacitivni senzor, koji tekućinu „vidi“ i kroz stijenku. Optički senzor prepoznaje sve predmete, ali ne razlikuje materijal i ovisi o boji i sjaju površine.

Za nastavnika

Otvori upute za nastavnika

Priprema

Pripremite pločice istih dimenzija i debljine (1 mm); kod tanjih folija od aluminija ili bakra redukcijski faktor raste, što je zanimljivo, ali zbunjuje usporedbu. Provjerite da su držači senzora nemagnetični ili da je ugradbeni senzor ugrađen u ravnini s metalnim nosačem kako je propisano. Ako mjernog stola nema, dovoljno je pomično mjerilo učvršćeno na ploču i držač senzora. Vježbu organizirajte kao rad na četiri stanice (po jedan senzor) s rotacijom skupina svakih 15–20 minuta.

Tijek sata

Uvod: načela rada, PNP i NPN, boje vodiča, pojmovi S_n i S_a (15 min).
Rad na stanicama: induktivni, kapacitivni, optički, magnetski senzor, po 15 min (60 min).
Računanje faktora i histereze, rasprava o izboru senzora za liniju (15 min).

Očekivani rezultati

Studenti dobivaju redukcijske faktore u redoslijedu čelik > nehrđajući čelik > mjed > aluminij > bakar i histereze reda 3–15 %. Kapacitivni senzor najdalje vidi vodu i metal, optički pokazuje jaku ovisnost o boji i kutu. Širina područja magnetskog senzora reda je 8–15 mm, histereza 1–2 mm. Za liniju se predlaže induktivni senzor većeg dometa za poklopce i kapacitivni za posude.

Česte pogreške

Pločica se primiče brzo pa se udaljenost očitava s kašnjenjem; mjerenje treba izvoditi polako i ponavljati.
Nula mjerne ure ne postavlja se na dodir s aktivnom plohom senzora.
Kapacitivnom senzoru mijenja se osjetljivost između mjerenja pa rezultati nisu usporedivi.
Trošilo kod PNP senzora spojeno između izlaza i +24 V — žaruljica nikad ne svijetli.
Histereza se računa kao razlika u milimetrima bez svođenja na s_uk.

Vrednovanje

Kriterij	Bodovi
Ispravan spoj senzora i prepoznavanje vodiča	3
Potpun mjerni zapis za sva četiri senzora	6
Točni redukcijski faktori, histereze i sigurna udaljenost	5
Obrazložen izbor senzora za liniju	4
Sigurnost i red na radnom mjestu	2
Ukupno	20