Témata
Reklama

Senzorika pro strojírenství

20. 10. 2010

Se zrychlujícím se tempem výzkumu a vývoje průmyslových výrobků se zvýšenou kvalitou funkce a při rostoucím objemu jejich výroby jsou v mnoha případech senzory mechanických veličin dominantními prvky technického pokroku. Umožňují to jejich rozsáhlé a jedinečné informační funkce a v posledních letech i řídicí funkce docílené především vestavěnou mikroelektronikou a softwarovými technologiemi. Vzájemné propojování informačních technologií a technologií automatického řízení funkce výrobku je rozhodujícím dlouhodobým trendem v oblasti průmyslové automatizace a ve zdokonalování dalších funkcí vyvíjených výrobků.

Senzory transformují nejčastěji používané mechanické veličiny ve strojírenství na velikostí a tvarem odpovídající elektrický signál a metodami běžnými v elektronice umožňují jeho změření, vizualizaci a případně jeho potřebné zpracování, které nemusí být vždy automatické.

Reklama
Reklama
Reklama
Optoelektronické snímače BOS 23K od firmy Balluff nasazené v oblasti průmyslové automatizace

Charakteristiky senzorů

Senzor je charakterizován metrologickou charakteristikou definující hlavní parametry jeho funkce: měřenou veličinu, amplitudový a frekvenční rozsah, citlivost měření, stálost metrologické charakteristiky s časem, citlivost senzoru na působení parazitních fyzikálních veličin (nejčastěji teploty, hluku, magnetického pole). V řadě případů jeho charakteristiku vymezují jeho hmotnost a rozměry.

V praxi se vedle nejčastějších senzorů s jednou měřicí osou uplatňují konstrukčně upravené senzory, které měří žádanou veličinu v několika směrech, v rovině či v prostoru. To se týká například měření parametrů kmitavého pohybu, síly, tlaku, deformace. Někdy jsou senzory dvou nebo i více rozdílných veličin koncentrovány do jednoho místa, například pro měření tlaku a teploty.

Nejčastěji používané senzory mechanických veličin využívají klasické principy, jejichž vhodnost pro daný případ měření byla vícekrát pozitivně ověřena. Jde o senzory mechanických veličin využívající tyto principy: induktivní, indukční, piezoelektrický, kapacitní, kovové tenzometry, křemíkové tenzometry a v posledních letech také optoelektronické systémy včetně laserové techniky, ultrazvukový princip a tzv. lankové senzory a potenciometry pro měření vzdálenosti. Přehled nejpoužívanějších principů transformace mechanických veličin na elektrický signál je uveden v tabulce.

V posledních letech se nově uplatňují tzv. rotační snímače, které měří úhlovou odchylku od zvolené nuly nebo od její absolutní polohy. Jsou konstruovány jako senzory jednootáčkové nebo víceotáčkové. Princip měření je zpravidla optoelektronický. Změřená úhlová výchylka je určena počtem pulzů, případně počtem datových slov. Rotační snímače se vyznačují vysokou přesností, dlouhodobou životností a rozmanitým provedením umožňujícím aplikace těchto senzorů k mnoha účelům, počínaje různými výrobními technologiemi až po řízení některých pohybových mechanismů při pilotování letadel.

Testování senzorů

Pro uživatele senzorů je důležitý přístup k zařízením či metodám umožňujícím testovat senzory v podmínkách jejich exploatace a ověřovat platnost zaručovaných metrologických parametrů po dobu záruky v prostředí definovaném výrobcem.

Nejvýznamnějším prvním příkladem rozsáhlého využití senzorů bylo experimentální vyšetřování dopravního letadla Concorde na počátku šedesátých let. Za letu bylo měřeno více než 8 000 signálů z kovových tenzometrů, a tak bylo zjišťováno rozložení mechanických namáhání na trupu a křídlech Concordu. Měřicí signály byly telemetricky přenášeny do pozemní laboratoře a tam off-line zpracovány.

Snímač řady Micropulse pro lineární absolutní odměřování od firmy Balluff

Senzory a průmyslová automatizace

Rozhodujícím trendem v provozu moderních strojírenských výrobků je automatizace jejich provozu vynucená aktuálními požadavky diktovanými konkurenčním prostředím světového trhu. Již bylo zdůrazněno, že tyto požadavky jsou plněny účelným propojováním nových informačních technologií s technologiemi automatického řízení, což je rozhodujícím motivem pokroku v průmyslové automatizaci. V uvedených technologiích dominují senzory soustavně zdokonalované mikroelektronikou zlepšující jejich metrologické charakteristiky a umožňující ovládat podle velikosti měřených signálů aktuální funkce řízeného objektu či provozu, jako je například programové spouštění různých řídicích či regulačních obvodů, výstražných signálů atd.

Senzory s informačními, regulačními a řídicími obvody jsou významně zhodnocovány prostřednictvím softwaru. Urychlují pokrok nejnovějších automatizačních technologií a jsou jedním ze základních prvků moderní informatiky. Tyto inteligentní systémy jsou využívány například v automatizované výrobě strojních součástí, v automatické navigaci dopravních prostředků či v přístrojích s plně automatizovanými náročnými provozními funkcemi. Například u vyvažovacích strojů umožňují automaticky vypočítávat přípustnou toleranci rozváženého rotoru a jeho provoz.

Diagnostika

V průmyslové automatizaci se často uplatňuje mechatronika - obor integrující poznatky z mechaniky, elektroniky a informatiky tak, aby konstrukční řešení nového výrobku bylo jednodušší a s nižší hmotností a zároveň dokonalejšími funkcemi. To je směr, kterým se řídí výzkum a vývoj moderních automatizovaných výrobků a jejich částí. Typickým závažným případem takových řešení je zavedená diagnostika funkčních řešení letových vlastností letadel.

Zvyšování kvality výrobku se často opírá o včasnou diagnostiku funkce jejich klíčových prvků (motorů, čerpadel, řídicích systémů apod.). Podstatně se zvyšuje kvalita funkce různých výrobků automatizací řady jejich dílčích funkcí podílejících se na nové kvalitě objektu. Kupříkladu optimální řízení spalovacího procesu v automobilových motorech znatelně zvyšuje jejich výkon, snižuje spotřebu paliva a zvyšuje spolehlivost jízdy. Senzory jako primární zdroje informací jsou zpravidla instalovány v místech charakterizujících sledovaný či řízený proces, tedy často v nepříznivých podmínkách pro sledovanou funkci, a jsou proto nejzranitelnějšími prvky automatizačních zařízení.

Pro potřeby automatizace se rychle rozšířily nové laserové senzory k bezdotykovému měření mechanického kmitání některých součástí pohonů strojů i z větší vzdálenosti, a to nikoliv jen v jednom směru, ale i v prostoru (3D). Taková měření nelze dosud s využitím jiných principů uskutečnit.

Budoucnost senzoriky

Řešení problematiky senzorů je předmětem značné pozornosti zejména ve vyspělých průmyslových státech, protože využívání nových senzorů modernizuje vyvíjené výrobky a přináší značné ekonomické efekty, zejména jejich uplatněním na světovém trhu. V Německu, které je největším výrobcem moderních senzorů, sdružuje Oborový svaz pro senzoriku přibližně 800 firem (!) vyrábějících senzory převážně s integrovanou mikroelektronikou za odhadovanou částku 20 mld. eur ročně. K rychlejšímu prosazování senzorů jako součástí „inteligentních mikromodulů" dochází sjednocováním standardů pro jejich rozhraní a funkce. Situace je charakteristická tím, že vyrobit vyhovující měřicí mikroelektronické obvody, jakož i  vyvinout software pro zpracování měřicích signálů dokáže více firem. Jen pokrok ve zdokonalování metrologických vlastností řady měřicích systémů vlastních senzorů je pomalejší.

Senzorika je oborem, jehož význam se bude nadále zvětšovat. Nepochybně se budou nadále měnit konstrukce senzorů s využitím nových mikroelektronických prvků. Na trhu trvale zůstává volný prostor pro tyto high-tech výrobky. Je žádoucí, aby tento obor úspěšně zakotvil i v České republice pro moderní české výrobky, jejichž produkce je nedostatečná a výrazně omezuje ekonomickou zdatnost našeho průmyslu. Chce to znalosti, odvahu, investiční prostředky a podporu tohoto záměru státem.

Ing. Jiří Černohorský, DrSc.

cernohorsky.jiri@gmail

Reklama
Vydání #10
Kód článku: 101053
Datum: 20. 10. 2010
Rubrika: Trendy / Měření
Autor:
Firmy
Související články
Délkové snímače pro automatickou kontrolu

Linková montáž mění výrazně charakter kontroly. Do linek jsou integrovány automatické kontrolní stanice pro 100 % kontrolu s taktem v řádu sekund a s přesností běžnou donedávna jen u laboratorní měřicí techniky.

Převratná novinka pro povrchy

Novinku pro měření vlastností a jakosti povrchu nazvanou TALYScan 280 představila Společnost Taylor Hobson. Jedná se o bezkontaktní, optický přístroj navržený pro rychlou a přesnou 3D kontrolu povrhu v dílenském prostředí.

Měření v rámci celého výrobního řetězce

Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

Související články
Měřicí technologie pro Průmysl 4.0 v Nitře

Průmysl 4.0 závisí na propojení systémů schopných spolu komunikovat, schopných získávat, vyhodnocovat a sdílet data a na takto zpracované informace reagovat v reálném čase. Údaje z měření jsou nezbytné pro shromažďování informací, které mají být použity při inteligentním rozhodování za účelem zabránit nežádoucím procesním změnám.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Měřicí přístroje pro efektivní výrobu

Jestliže jsou nástroje přesně zaměřeny a seřízeny ještě před samotným obráběním mimo obráběcí stroj, lze následně zkrátit vedlejší neproduktivní časy na stroji a zvýšit tak celkovou efektivitu výroby. Přístroje pro měření a seřizování nástrojů mohou v samotném procesu třískového obrábění zajistit zvýšení produktivity až o 25 %, a to při velmi dobrém poměru cena/výkon. Úspěšné obrábění tedy vyžaduje nejen výkonné stroje, ale i přesně seřízené nástroje.

Měřicí technika se stává součástí výrobních strojů

Vzhledem k tomu, že jednou z aktivit České metrologické společnosti, z. s., je mimo jiné také sledování prezentace aktuálních metrologických novinek, trendů vývoje a zastoupení metrologie na veletrzích pořádaných v České republice i v zahraničí, navštívili jsme mimo jiné veletrh Toolex 2017, který se již po desáté konal v polském městě Sosnowiec na třetím největším výstavišti v Polsku – Expo Silesia.

Velmi přesný měřicí stroj pro výpočetní tomografii

Nový model TomoCheck S HA (High Accuracy) 200 společnosti Werth Messtechnik GmbH se senzorem pro výpočetní tomografii je aktuálně nejpřesnějším souřadnicovým měřicím strojem na světě.

Konfirmace měřidel

Příspěvek se zabývá problematikou zajištění návaznosti měření a rozebírá obvyklé metrologické čin-nosti, které jsou za tím účelem prováděny. Zákon o metrologii i běžná praxe zmiňují jako základní postupy kalibraci nebo ověření stanovených měřidel. Kalibrace je postup vedoucí k dosažení způsobilého měřidla ve dvou logických krocích podle definice VIM. Vždy musí být zjištěn aktuální stav měřidla – provádí se zkouškou, která ověří, zda je měřidlo způsobilé plnit dané specifikace, či nikoliv. Nezpůsobilé měřidlo se musí kalibrovat nebo vyřadit. O výsledku je vydán doklad (kalibrační certifikát), jímž je potvrzena způsobilost z dřívější kalibrace nebo způsobilost dosažená kalibrací novou. Zvláštní pozornost je věnována kalibraci měřidel řízených softwarem, např. u souřadnicových měřicích strojů.

CT měřicí technika - nový způsob zobrazování i nový nástroj měření

Mezi rychle se rozvíjející zobrazovací techniky patří počítačová nebo také výpočetní tomografie – Computed (axial) Tomography, zkráceně CT. Tento způsob softwarového zpracování energie procházející hmotou (například rtg. záření) se začal vyvíjet jako diagnostická metoda v medicíně. Brzy se však přišlo na rozsáhlé možnosti využití v technických oborech.

Ochrana provozních měřidel tlaku před mechanickým namáháním

Při měření tlaku v potrubních systémech a v nádobách se setkáváme s nepříznivými mechanickými vlivy, které mají původ v měřeném procesu. Jedná se o tlakové rázy, pulzace, otřesy či vibrace, a někdy také o přetížení nad rámec měřicího rozsahu přístroje. Pulzace tlaku v potrubí zpravidla pochází od čerpadel, případně od rotujících míchadel v nádobách. Tlakové rázy jsou způsobovány setrvačností sloupce kapaliny pohybující se v potrubí; na jejich vzniku se podílí i činnost ventilů a škrticích orgánů. Destruktivní účinky mohou mít i bubliny par a plynů v tekutině proudící přes ventily. Otřesy a vibrace jsou způsobovány zpravidla rotujícími částmi strojů, prouděním tekutin, pulzacemi a tlakovými rázy v potrubí. Tento článek si klade za cíl shrnout způsoby, jak lze tlakoměry před uvedenými vlivy ochránit.

Vestavné přístroje pro měření v silnoproudé síti

Řadou vestavných přístrojů SIRAX se doplňují přístroje s vysokým výkonem SINEAX a završují tak portfolio v této oblasti. Přístroje série SIRAX se vyznačují základní funkčností převodníku elektrických veličin za dodržení velmi dobrého poměru cena/výkon. Přístroje BM1200 a BM1400 představují jednoduché a cenově výhodné monitory silnoproudé sítě. Pro vyšší stupeň vizualizace a komfortnější koncept obsluhy jsou vhodné multifunkční monitorovací přístroje, které byly označeny MM1200 a MM1400, jsou vybaveny TFT displejem a lze je na základě přehledného menu též konfigurovat.

Průmysl 4.0 v měření aneb Kvalita 4.0

V souvislosti s postupující mírou digitalizace a automatizace výroby se často hovoří o Průmyslu 4.0 neboli čtvrté průmyslové revoluci. Tento trend se pochopitelně nevyhýbá ani oboru měření. Objevuje se dokonce nový pojem – Kvalita 4.0. Co si pod tím představit?

Měření energie je důležité ve všech oborech

Spotřeba a ve velké míře i kvalita energií je v poslední době stále více sledovanou veličinou. Měřicími systémy od přehledových měřičů spotřeby až po systémy, kde je měření, zobrazování, ukládání a grafické prezentování veličin integrováno do větších systémů lze získávat přehled o spotřebě kdykoli je to potřeba.

Revoluční linka pro měření kvality

Je to takový český "americký sen". Začínal jako soustružník, dnes Miroslav Dušek vlastní strojírenskou firmu s mnohamilionovým obratem. Láska k poctivému řemeslu se u něj potkává s vynalézavostí, která ho nyní dovedla k vývoji revoluční linky pro měření kvality.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit