Anturin nimellisen mittausalueen tulee olla vähintään yhtä suuri kuin suurin mahdollinen mitattava arvo voi olla.

Transkriptio

1 ANTURIT H. Honkanen KÄSITTEITÄ Antureiden tehtävänä on kerätä tietoa prosessin ja koneen tilasta. Anturiin kuuluu: -Tuntoelin(sensor),johon mitattava ilmiö vaikuttaa -Mittamuunnin(transducer),joka muuntaa mitattavan suureen arvot eli mittausarvot mittausviestiksi -Mittalähetin(transmitter),joka muuntaa mittausarvot standardin mukaiseksi lähtöviestiksi useimmiten käytetään 4mA 20mA virtaviestiä Koneen ohjausjärjestelmä muuntaa vastaanottamansa lähtöviestin mittaustulokseksi,jota käytetään prosessin ohjaamiseen. Anturin nimellisen mittausalueen tulee olla vähintään yhtä suuri kuin suurin mahdollinen mitattava arvo voi olla. Mittaustuloksesta pyritään saamaan mahdollisimman tarkka. Korjaamaton mittaustulos sisältää systemaattisia ja satunnaisia virheitä. Korjatusta mittaustuloksesta on poistettu systemaattiset virheet. Mittausepävarmuus ilmoitetaan yleensä prosentteina koko mittausalueesta.mittausepävarmuus sisältää tuntemattomat systemaattiset virheet ja satunnaisvirheet,tunnetut systemaattiset virheet on yleensä jo poistettu(eli kyse on korjatusta mittaustuloksesta) Mittausepävarmuus on anturin tarkkuuden mitta ja sisältää myös seuraavaksi mainitut virheet: -Epälineaarisuus ilmaisee lähtöviestin poikkeaman ideaalisuorasta -Hystereesi tarkoittaa mittausarvojen eroa mitattavan arvon nousu- ja laskusuunnassa -Toistettavuus ilmaisee anturin kykyä pitää tarkkuutensa koko ajan. -Resoluutio(erotustarkkuus) on anturin pienin askelmuutos -Erotuskynnys on pienin mittausarvon muutos,joka saa aikaan lähtöviestin muutoksen. Aikavakio kertoo,kuinka nopeasti lähtöviesti saavuttaa 63.2% loppuarvostaan. Kaistanleveys kertoo anturin kyvyn käsitellä eritaajuisia signaaaleja. Anturit tyypeittäin: -Älyanturi -Esim konenäkö -Kaksitilainen asema-anturi -Jatkuva asemamittaus: -Inkrementtianturi, laskee muutoksen lähtöasemasta -Absoluuttianturi, tietää koko ajan asemansa, siis ei vaadi käyntiä 0-pisteessä -Nopeusanturit -Nopeus vaidaan laskea usein myös asematiedon muutoksesta -Kiihtyvyys,Voima ja Vääntömomentti mitataan yleensä epäsuorasti materiaalien muodonmuutoksen avulla

2 1. KAKSITILAISET ANTURIT Mekaaninen rajakytkin -Mekaanisia rajakytkimiä käytetään yleisesti turvakytkiminä niiden perusluotettavuuden ansiosta. -Sallittu kytkentätaajuus on vain 1 3 kytkentää sekunnissa. -Tilanvaihtoon kuluva aika on pitkähkö, 2ms 10ms. -Ilmoitettu elinikä yleensä alueella 10 miljoonaa 30 miljoonaa kytkentää. -Käyttöjännite jopa 250VAC ja 500VDC asti. -Kuormitusvirta maksimissaan suuri, 4A 16A. -Lämpötila-alueet (saatavilla): 40C +200C. -Vaatii selvän kosketuksen toimiakseen. -Vaatii toimiakseen minimissään vain kaksi johdinta. Induktiivinen kytkin -Tunnistaa luotettavasti vain metalleja. -Kytkentätaajuus jopa 5000Hz. -Toiminta perustuu yleensä värähtelypiiriin,jossa mittakelan induktanssi muuttuu tunnistettavan kappaleen aiheuttaman permeabiliteetin muutoksen vuoksi,jolloin myös värähtelytaajuus muuttuu. -Kosketukseton anturi,täten mekaanisesti erittäin kestävä. -Ilmoitetaan yleensä nimellistunnistusetäisyys,josta luotettavaksi arvioidaan 80%.Tavallisesti se on 2mm 20mm,erikoismalleja jopa 70mm saakka. -Vaatii minimissään kolme johdinta,käyttöjännite,maa ja ulostulo. -Virrankesto 100mA 700mA. -Suurimmat käyttöjännitteet: 24 50VDC ja 250VAC. Kapasitiivinen kytkin -Kytkentäetäisyys riippuu tunnistettavan materiaalin dielektrisyysvakiosta siten,että tunnistusetäisyys kasvaa dielektrisyysvakion kasvaessa. (käytännössä 10mm 40mm). -Kytkentätaajuus 1000Hz 1500Hz. -Voidaan havainnoida esimerkiksi muovi tahi lasiastian läpi,jos mitattavan nesteen dielektrisyysvakio on riittävän suuri. -Tämänkin toiminta perustuu yleensä värähtelypiirin,missä kapasitanssin muutos aiheuttaa taajuusmuutoksen. -Vaatii minimissään kolme johdinta,käyttöjännite,maa ja ulostulo. -Virrankesto 100mA 400mA. -Suurimmat käyttöjännitteet: 24 50VDC ja 250VAC. -Säädettävä herkkyys. Optinen kytkin, valokenno, valokytkin -Tunnistusetäisyys jopa 8 m. -Taajuusalue ulottuu nollasta 100Hz 10kHz:iin saakka. -Lämpötila-alueet 40C - +70C. -Virrankesto 100mA 400mA. -Suurimmat käyttöjännitteet: 24 50VDC ja 250VAC. -Toimintahäiriöt johtuvat yleensä anturien likaantumisesta tahi runsaasta hajavalosta. -Voidaan jakaa neljään perusluokkaan: -Vastaanotinperiaate:Kappale itse toimii lähettimenä,esim kuuma metalli säteilee infrapunavaloa. -Lähetin-vastaanotinperiaate:Tunnistettava kappale katkaisee valonsäteen kulun. -Suoraan heijastava periaate:tunnistettavan kappaleen takana heijastin,kappale katkaisee valonkulun. -v-heijastava periaate:tunnistettava kappale heijastaa valonsäteen takaisin.

3 Kuitukaapelikytkin, optinen -Kuitukaapelikytkimet ovat pienikokoisia optisia antureita, jotka lähettävät ja vastaanottavat valosignalin valokuitua pitkin. -Soveltuvat hyvin pienten ja tarkkojen kappaleiden tunnistamiseen. REED-kytkin, magneettikytkin -Toiminta perustuu suljettuun koteloon ( tyhjiöön ) suljetusta ferromagneettisesta kosketinparista. Kosketinpari saadaan johtavaksi ulkoisella magneettikentällä. -Kytkentäetäisyys maksimissaan: 4mm 40mm -Toimintataajuus maksimissaan: 1000Hz -Kytkentä- ja avautumisajat: 0.3ms 0.6ms -Virrankesto 0.5A 3A ( suuri kokoonsa nähden ) HALL-Kytkin -Kytkentä tapahtuu magneettikentän ohjaamana. -Suuri toimintataajuus,jopa 100kHz. -Pieni kuormitusvirta,max.vain n. 40mA. -Käyttöjännitekin max. 24 VDC. -Käyttölämpötila-alue 40C C. -Suosittu varsinkin pyörimisnopeustunnistimissa. -Kolme rakennesovellusta: -Kytkentä tapahtuu ulkoisen magneettikentän ohjaamana. -Kytkin ja magneetti ovat hahlon laidoilla,hahlossa liikkuva metalli hoitaa magneettikentän siirron. -Vastaa ulkoisesti mekaanista kytkintä,vipu liikuttaa magneettia hall-elementin luona. Ultraäänikytkin -Suurin tunnistusetäisyys 0.1m 3m. -Tässäkin kaksi periaatetta: -Mitattava aine heijastaa ultraäänen. -Mitattava aine katkaisee ultraäänen kulun lähettimestä vastaanottimeen. 2. KIERTYMÄÄ MITTAAVAT ASEMA-ANTURIT -Inkrementtianturi, laskee muutoksen lähtöasemasta -Absoluuttianturi, tietää koko ajan asemansa, siis ei vaadi käyntiä 0-pisteessä Potentiometri -Absoluuttianturi. -Perusrakenteeltaan säätövastus. -Käyttöikä laadusta riippuen on miljoonasta kierroksesta jopa sataan miljoonaan kierrokseen. -Erittäin hyvä tarkkuus, tarkkuuspotentiometrillä päästään selvästi alle 0.5 asteen mittaustarkkuuteen. -Lämpötila-alue 50C C -Yleensä mittausalue on astetta,saatavana myös monikierrosmalleja aina 40 kierrokseen saakka -Sallittu liikenopeus maksimissaan astetta sekunnissa

4 Valosähköinen pulssianturi -Saatavissa sekä absoluutti- että inkrementtianturina. -Lämpötila-alue 40C C -Käyttöikä luokkaa miljardi kierrosta -Inkrementtianturi: -Vaatii minimissään kolme tunnistusvyöhykettä, Yksi asematiedolle,toinen asematietoanturi vaihesiirron saamiseksi,josta saadaan pyörimissuunta ja kolmas nolla-aseman määrittämiseksi -Normaali mittaustarkkuus astetta -Suurin sallittu liikenopeus on kääntäen verrannollinen taajuuteen,koskapa pulssitaajuus on rajoittava tekijä. -Sallittu pulssitaajuus on alueella 10kHz 100kHz, tässä täytyy myös huomioida, että ohjausjärjestelmälläkin on rajalliset kapasiteetit käsitellä nopeita pulssijonoja. -Toimii automaattisesti myös nopeusanturina,pulssitaajuudesta voi lukea nopeuden. -Absoluuttianturi: -Jokaista asemapistettä vastaa oma bittikombinaationsa koodikiekossa. -Koodikiekossa 6 20 vyöhykettä, tämä määrittää suoraan, moniko bittinen informaatio anturista tulee. -Aseman koodaukseen käytetään kolmea tapaa: -Luonnollinen binäärikoodi -Binäärikoodattu desimaaliluku (BCD) -GRAY koodi (Tässä tilanmuutoksessa vain yksi bitti kerrallaan muuttuu, paras,mutta vaatii ohjausjärjestelmältä laskentakykyä enemmän kuin edellämainitut) Edellisten valoantureiden tyyppiset anturit voidaan rakentaa myös sähköisiksi, perustumaan johtaviin liuskoihin tahi magneettiseen periaatteeseen perustuviksi, sähkömekaaninen kuluu ja magneettinen on kalliimpi valmistaa. Resolverit -Käytetään erityisesti hankalissa ympäristöolosuhteissa -Käyttölämpötila-alue on 55C C -Tarkkuus luokaa 0.3 astetta,parhailla jopa 7 kulmasekuntia,eli siis hyvin tarkka. -Toiminta perustuu sisäkkäin oleviin käämeihin, joista sisemmät kääntyy mittausakselin mukana. -Syöttövertailujännitteenä käytetään yleensä siniaaltoa, ja virta viedään sisäkäämiin induktiivisesti. Ulos saadaan mittasignaalina eri voimakkuuksista ja vaiheista siniaaltoa eri kentistä. -Saatavissa valmiita muunninyksiköitä, jotka antavat asematiedon ulos suoraan binäärilukuna 3. LINEAARILIIKKEEN ANTURIT Kiertymää mittaavat anturit soveltuvat myös lineaariliikkeen mittaamiseen, kun vain suoraviivainen liike muutetaan kiertoliikkeeksi esimerkiksi hammaskehällä tahi hammashihnalla. Valosähköinen mitta-asteikko -Toimintaperiaatteelleen aivan sama, kuin vastaava kiertoliikkeen anturi,eli: -Saatavissa sekä absoluutti- että inkrementtianturina. -Lämpötila-alue 40C C -Inkrementtianturi: -Vaatii minimissään kolme tunnistusvyöhykettä, Yksi asematiedolle,toinen asematietoanturi vaihesiirron saamiseksi,josta saadaan liikesuunta ja kolmas nolla-aseman määrittämiseksi -Suurin sallittu liikenopeus on kääntäen verrannollinen taajuuteen,koskapa pulssitaajuus on rajoittava tekijä. -Sallittu pulssitaajuus on alueella 10kHz 100kHz, tässä täytyy myös huomioida, että ohjausjärjestelmälläkin on rajalliset kapasiteetit käsitellä nopeita pulssijonoja. -Toimii automaattisesti myös nopeusanturina,pulssitaajuudesta voi lukea nopeuden. -Absoluuttianturi: -Jokaista asemapistettä vastaa oma bittikombinaationsa koodilevyllä -Koodikiekossa 6 20 vyöhykettä, tämä määrittää suoraan, moniko bittinen informaatio anturista tulee.

5 -Aseman koodaukseen käytetään kolmea tapaa: -Luonnollinen binäärikoodi -Binäärikoodattu desimaaliluku (BCD) -GRAY koodi (Tässä tilanmuutoksessa vain yksi bitti kerrallaan muuttuu, paras,mutta vaatii ohjausjärjestelmältä laskentakykyä enemmän kuin edellämainitut) Edellisten valoantureiden tyyppiset anturit voidaan rakentaa myös sähköisiksi, perustumaan johtaviin liuskoihin tahi magneettiseen periaatteeseen perustuviksi, sähkömekaaninen kuluu ja magneettinen on kalliimpi valmistaa. Potentiometri -Absoluuttianturi. -Perusrakenteeltaan säätövastus. -Lämpötila-alue 50C C -Yleensä mitta-alue 25mm:sta muutamaan sataan millimetriin -Sallittu liikenopeus maksimissaan 1 m/s 10 m/s -Huomioitava pölysuojaus Differentiaalimuuntaja eli LVDT-anturi -Toiminta perustuu muuntajaperiaatteeseen, jossa keskellä lähetinkäämi ja päissä mittakäämit, joiden välissä liikutetaan rauta- tahi ferriittisydäntä. -Tarkka, erotustarkkuus mikrometrin osia, lineaarisuus % mittausalueesta -Lähes kulumaton, MTBF luokkaa miljoonia käyttötunteja -Arka ulkoisille magneettikentille ja tärinälle -Laaja lämpötila-alue: -40C C Inductosyn-asteikko -Anturin rakenne perustuu johdelistaan tahi jousiteräsnauhaan, joka kiinnitetään koneen runkoon. Johdelistassa on painettuna piirinä tehty käämikuvio. Johteen päällä 0.1mm 0.15mm päässä kulkee luisti, jossa on kasi mittakäämiä 90 asteen vaihesiirrossa. Kiinteän johteen käämitykseen johdetaan useiden kilohertsien jännite. Tämä jännite indusoituu mittakäämeihin, joihin muodostuu sinimuotoinen jännite. Jako on tyypillisesti 1mm 2mm luokaa, jolla saavutetaan jopa mikrometrin tarkkuus! Mittausepätarkkuus pitkilläkin etäisyyksillä vain 2 3 um! -Inkrementtianturi -Yleinen esim. työstökoneissa Magnetostriktiivinen anturi -Absoluuttianturi. -Anturin rakenne perustuu siihen, että magneettikentässä oleva virrallinen johdin kiertyy (ns. Wiedemann ilmiö). Tätä ominaisuutta käytetään hyväksi siten,että putkeen (eli aaltojohteeseen ) on sijoitettu ohut johdin.. Näiden ympärillä on liikkuva rengasmagneetti,joka aikaansaa aksiaalisen magneettikentän. Johtimeen lähetetään virtapulssi, joka tuottaa johtimen ympärille magneettikentän. Kahden megneettikentän kohtauspisteessä putki kiertyy. Kiertymä etenee johtimessa ultraäänen nopeudella. Nyt magneetin asema voidaan määritää kulkuaikaviiveen perusteella!! - Paikannusmagneetteja voi olla samalla aaltoputkella myös useampia, joiden kaikkien aikaansaama törmäys voidaan myös havaita, ja paikka laskea kulkuaikaviiveestä! -Mittausalue: tyypillisesti mm saakka. -Toistettavuus alle 0.01mm -Erotustarkkuus luokkaa 0.01% - 0.1% -Käyttölämpötila-alue: -40C C -Eli siis myös yllättävän tarkka. -Paineenkesto jatkuva n 350bar ja hetkellisesti jopa 600bar! -Ei ole herkkä ulkoisille sähkö- tahi magneettikentille. -Ei sisällä kuluvia osia. -Käyttöjännite yleensä 12VDC

6 Pyörrevirta-anturi -Toimintaperiaate sama kuin induktiivisessa -Toiminta perustuu yleensä värähtelypiiriin,jossa mittakelan induktanssi muuttuu tunnistettavan kappaleen aiheuttaman permeabiliteetin muutoksen vuoksi,jolloin myös värähtelytaajuus muuttuu. -Kosketukseton anturi, täten mekaanisesti erittäin kestävä. -Vain lähietäisyyksille millimetrin osista muutamaan senttimetriin. -Soveltuu mm. muutaman mikrometrin suuruisten siirtymien mittaamiseen teloista ja laakereista. Laser-mittaukset Laser-interferometria -Perustuu mittaussäteen ja vertailusäteen summaamiseen puoliläpäisevän peilin avulla -Erotustarkkuus parhaimmillaan jopa 200nm -Soveltuu pienten siirtymien mitaamiseen jopa kymmenien metrien etäisyydeltä -Soveltuu vain pienien muutosten mittaamiseen, absoluuttitietoa ei saa tällä tekniikalla Laservalopulssin kulkuaikaan perustuva mittaus -Käytetään muutaman metrin etäisyyksillä, jollin käytännön mittatarkkuus muutama millimetri ja erotustarkkuus n.1mm -Valopulssin kulkuaika määritellään suorana mittauksena tahi vaihe-ero mittauksena -Soveltuu myös nopeuden mittaamiseen Vaihe-eromittaus -Lähtevää lasersädettä moduloidaan tunnetulla taajuudella. Vastaanotettu säde vahvistetaan ja suodatetaan,jonka jälkeen sitä verrataan lähetetyn säteen vaiheeseen. Vaihe-eron perusteella määritetään kohteen etäisyys. Valonsäteen sirontaan perustuva lasermittaus Laserkolmiomittaus Intensiteetin muutokseen perustuva mittaus 4. NOPEUSANTURIT Nopeuden voi laskea asema-anturin lukeman muutoksesta. Nopeissa tilanteissa ja esim. servo-ohjauksessa tämä voi kuitenkin olla liian hidas menetelmä. Erillisestä nopeusanturista saa suoraan nopeustiedon. Takometri -Valosähköinen pulssianturi -Rakenne kuten valosähköisessä kiertoanturissa, mutta rakenne yksinkertaisempi ja siten halvempi Sähkömagneettinen pulssianturi -Käämi ja kestomagneetti ovat molemmat anturissa, pyörijäpuolella riittää pelkkä hammastus ferromagneettista ainetta. -Hampaan ohittaessa magneettikentän muutos indusoi virtapulssin -Suurin mahdollinen pulssitaajuus alueella 15kHz 40kHz -Anturin ja pyörijän väli on 0.5mm 3mm

7 Takogeneraattori -Takogeneraattori on analogianturi, jonka lähtöjännite on suoraan verrannollinen akselin hetkelliseen pyörimisnopeuteen. -Takogeneraattoria käytetään yleisesti servomoottorien anturina -Nopeusalue n r / s -Käyttölämpötila-alue 20C C, tarkkuudesta kärsien +130C:hen saakka -Lineaarisuus 0.15% - 1% -Tasajännitetakogeneraattorissa on kestomagneetti, joka indusoi staattorissa olevaan käämiin tasajännitteen. Jännitteen suunta vaihtuu pyörimissuunnan mukaan -Vaihtojännitetakogeneraattorissa on yleensä alumiiniroottori (siis pyörijä) ja staattorissa(seisojassa) kaksi käämiä, joista toiseen syötetään vaihtojännite. Roottorin pyöriessä osa syöttöjännitteestä indusoituu toiseen käämiin.syöttö- ja lähtöjännitteen välinen välinen vaihekulma muuttuu pyörimissuunnan mukaan. Induktiivinen nopeusanturi -Lineaarianturi -Koostuu käämistä ja kestomagneetista. -Anturin käämin sisällä liikkuva magneetti indusoi käämiin liikenopeuteen verrannollisen jännitteen Laseriin perustuvat nopeusanturit Laservalopulssia voidaan käyttää yhtä hyvin nopeuden kuin asemankin mittaamiseen 5. KIIHTYVYYSANTURIT Piezosähköinen kiihtyvyysanturi -Perustuu joidenkin materiaalien ominaisuuteen synnyttää sähkövaraus, kun materiaalikidettä kuormitetaan mekaanisesti (mm. kvartsi). -Anturin perusta muodostuu piezosähköisestä kiteestä, massasta ja jousesta. Jos massa esijännitetään jousella, voidaan kiihtyvyyksiä mitata molempiin suuntiin. -Taajuusalue Hz Venyväliuska-anturi -Perustuu elastisen materiaalin venymiseen/suistumiseen, jonka muodonmuutos mitataan venymäliuska-anturin vastuksen muuttumisesta -Taajuusalue Hz -Voidaan toteutaa helposti kolmiulotteinen kiihtyvyysmittaus. Linkki: Venymäliuska-anturin käyttö Induktiivien kiihtyvyysanturi -Toiminta perustuu kahteen kelaan ja niiden väliin seismisesti kiinnitettyyn ferriittiin. Ferriitin liike muuttaa kelojen välistä induktanssia. -Toimintataajuus alle 500 Hz

8 LVDT-anturi -LVDT-anturista voi helposti rakentaa kiihtyvyysanturin, anturin sydän toimii massana, joka ripustetaan jousien varaan tässä tapauksessa. 6. VOIMA-ANTURIT Venymäliuska-anturi -Toiminta perustuu elastisen muodonmuutoksen aikaansaamaan resistanssin muutokseen venymäliuska-anturissa. -Mittatarkkuus erinomainen -Lämpötilakompensointi toteutetaan yleensä sijoittamalla kaksi anturia, mutta toinen tuleekin niinpäin, ettei siihen muodonmuutos vaikuta, vaan ainoastaan lämpötila. (Asennetaan reagointisuuntaansa nähden poikittain) Linkki: Venymäliuska-anturin käyttö Piezosähköinen voima-anturi -Piezosähköistä kidettä puristettaessa siihen syntyy varaus, joka on mitattavissa. -Soveltuu dynaamisiin mittauksiin, -Pitkäaikaisstabiilisuus heikohko -Mittausalue joka 400kN:iin LVDT-Voima-anturi -LVDT-anturia käytetään myös voima-anturina jousen muodostaessa vastavoiman. -Pienille voimille 10 N 1000 N -Mittausepävarmuus 0.2% - 1% 7. MOMENTTIANTURIT Suunnittelussa otettava huomioon se seikka, että akselin vääntömomentti voi muuttua paljon jo yhdenkin akselikierroksen aikana Venymaliuskamittaus -Toiminta perustuu akselin kiertymän mittaamiseen akselilta -Vaatii tiedonsiitokytkennän pyörivältä akselilta runkoon : -Induktiivisesti, jolloin mekaanista kulumista ei tapahdu. -Liukurenkaiden avulla. Linkki: Venymäliuska-anturin käyttö Vaihetekniikkaan perustuva -Perustuu akselille asennettaviin identtisiin hammaskehiin (tahi vain yksi hammas), joiden vaihe-eron muutoksesta voidaan havaita akselin kiertymä. -Kosketukseton rakenne.