Czujniki: Czujniki w procesach przetwórczych

Zaawansowana technologicznie codzienność produkcyjna we współczesnych zakładach przetwórczych niesie ze sobą wiele udogodnień. Jednocześnie jednak jest stosunkowo wymagająca, stawiając wyzwania związane z odpowiednim dopasowaniem urządzeń do stopnia zaawansowania produkcji i do rodzaju systemów zarządzania produkcją, na które zdecydowano się podczas wdrażania konkretnych urządzeń w ciąg produkcyjny.

W procesach przetwórstwa żywności do podstawowych narzędzi (oprócz urządzeń stricte służących danemu procesowi) stosuje się aparaturę pomiarową – czujniki, bez informacji z których prawidłowe przeprowadzenie danego procesu byłoby niewykonalne bądź obarczone dużym ryzykiem błędu. 

Podstawowym zadaniem czujników jest zebranie wiarygodnych informacji na temat środowiska reakcyjnego i przekazywanie ich w czasie rzeczywistym – pomagają określić, na jakim etapie jest prowadzony proces, jak przebiega, z jaką wydajnością i co w danym momencie dzieje się ze wsadem produkcyjnym. Dane zebrane z czujników i przetworników produkcyjnych są materiałem branym pod uwagę przy ocenie procesu i podejmowaniu dalszych kroków. Najprostszy schemat systemu sterowania obejmuje drogę od czujnika poprzez sterownik do urządzenia, któremu jest przypisane konkretne zadanie. Czujnik pobiera informację z badanego medium, a sterownik tę informację odbiera i przetwarza zgromadzone dane, dokonując stosownych obliczeń, które były wcześniej odpowiednio zaprogramowane. Właściwe zaprogramowanie sterownika jest kluczowe, aby ten prawidłowo kierował pracą urządzeń wykonawczych. Przypisuje mu się niejako rolę mózgu, czujnikom rolę zmysłów, urządzeniom zaś rolę mięśni – wszystkie elementy mają spełniać określone zadania. Dobierając czujnik, należy przede wszystkim zacząć od określenia, jaka wielkość fizyczna ma zostać przez niego wykryta i mierzona. W przypadku zastosowań, które mają za zadanie wykrycie położenia, należałoby rozważyć zastosowanie czujników indukcyjnych. Z kolei przy dokonywaniu pomiarów i monitorowaniu poziomu należałoby skłaniać się ku wyborowi czujników ultradźwiękowych. Po ustaleniu zakresu i rodzaju pomiarów należy również ustalić typ czujnika i jego zastosowanie, a także wziąć pod uwagę współpracę z pozostałymi urządzeniami w ciągu procesowym oraz dobrać właściwe wyjście, tj. cyfrowe, dwustanowe lub analogowe. 

Przemysł spożywczy cechuje się pewną swoistością w odniesieniu do stosowanych w nim komponentów. W związku z tym zdarza się, że niektóre czujniki nie mogą zostać zastosowane ze względu na warunki prowadzenia procesu – niektóre materiały, z których są wykonane, nie nadają się do pracy w reżimie technologicznym przemysłu spożywczego.

Przykładem czujników stosowanych w branży spożywczej są czujniki fotoelektryczne, które sprawdzają się do wykrywania brakujących etykiet, kontrolują liczbę produktów na linii produkcyjnej, informują o kompletności produktów, sprawdzają się jako detektory obcych przedmiotów w produktach spożywczych, także przeziernych ciał obcych. 

Najszerzej wykorzystywane są sensory indukcyjne, które cechuje bardzo duża niezawodność. Stosuje się je do wskazywania obecności przedmiotów metalowych w produktach spożywczych, zwłaszcza w sytuacjach, gdy konieczna jest detekcja bezdotykowa. Takie czujniki rejestrują zmiany, które mają miejsce w polu magnetycznym. Warto dodać, że czujniki indukcyjne oprócz wykrywania tych przedmiotów umożliwiają ich kontrolę położenia. Na ich korzyść przemawiają dodatkowo długa żywotność oraz niska awaryjność. Kolejnym rodzajem czujników są czujniki światłowodowe (np. do pomiaru temperatury), które są przeznaczone do pracy w ekstremalnych warunkach, co czyni je lepszym wyborem w sytuacjach, gdy tradycyjne czujniki zawodzą.

Jeśli chodzi o zakres stosowania czujników ciśnienia, to jest on stosunkowo szeroki. W przemyśle istotne jest prowadzenie ścisłej kontroli pracy przy wykorzystaniu czujników, pomp i stacji ciśnieniowych. Należy stale monitorować różnice ciśnienia w filtrach, kontrolować zasysanie oraz ciśnienie w narzędziach i urządzeniach pneumatycznych czy nadzorować przepływ w rurach. Czujniki ciśnienia pełnią funkcję nie tylko strategiczną (ze względu na bezpieczeństwo procesu, linii, produkcji, pracowników), ale także są istotne z punktu widzenia optymalizacji czasu trwania cykli roboczych, obwodów regulacyjnych. Do nowoczesnych czujników można zaliczyć te, które są elektroniczne oraz posiadają możliwość regulacji punktów przyłączania i programowania histerezy – różnicy między ciśnieniem włączenia a ciśnieniem wyłączenia urządzenia. Jako zalety wskazuje się głównie stabilną pracę czujników w trudnych warunkach, stosunkowo łatwe wprowadzanie nastaw, duży wybór i możliwość konfiguracji. 

Współcześnie funkcjonujące zakłady produkcyjne wręcz nie mogą się obejść bez czujników i przetworników, które stanowią część systemów automatyki. Oprócz kontrolowania poprawności parametrów procesowych mają za zadanie wykrywanie odchyleń od mierzonych wartości poprzez generowanie sygnału wyjściowego o odpowiednich parametrach. Czujniki często klasyfikuje się ze względu na to, jaki rodzaj zjawiska fizycznego jest wykorzystywany w ich funkcjonowaniu. Stąd można spotkać się z podziałem na elektryczne czujniki parametryczne oraz elektryczne czujniki generacyjne. W przypadku elektrycznych czujników parametrycznych razem ze zmieniającą się wielkością mierzoną zmianie ulega również parametr czujnika – indukcyjność, rezystancja, pojemność. Rozwiązanie tego rodzaju wymaga pomocniczego źródła energii włączanego w obwód elektryczny. Najważniejszymi elektrycznymi czujnikami parametrycznymi są sensory indukcyjne i pojemnościowe, termometry rezystancyjne, fotorezystory, magnetorezystory itp. Natomiast w elektrycznych czujnikach generacyjnych wynikiem działania wielkości mierzonej na wyjściu jest sygnał elektryczny – do tej grupy należą sensory piezoelektryczne, termopary, hallotrony itp. Nie jest to oczywiście jedyny podział czujników: można je podzielić również na czujniki proste (w których wielkość fizyczna przetwarzana jest na wielkość elektryczną), zintegrowane (w których znajdują się elementy przetwarzające, np. wzmacniacze) oraz inteligentne. Te ostatnie są nowoczesnym rodzajem sensorów bazujących na układach scalonych w postaci zaawansowanych mikroprocesorów czy układów scalonych specjalizowanych (sensory inteligentne). 

Wraz z postępem technologii coraz bardziej pożądane są czujniki inteligentne ze złożonymi funkcjami, które mają w sposób znaczący ułatwić i przyspieszyć wykonywanie pomiarów, np. przedstawienie charakterystyk przetworników, sterowanie procesem w sposób automatyczny celem porównywania w odniesieniu do wzorca, automatyczne dokonywanie parametryzacji zakresów pomiarowych czy rozpoznawanie lub usuwanie błędów wyjściowych. 

Ograniczając się do kilku wybranych rozwiązań w kwestii dosyć obszernego zagadnienia, jakim są czujniki w procesach produkcyjnych i automatyce, warto wspomnieć o czujnikach indukcyjnych, pojemnościowych, optycznych, ultradźwiękowych, ciśnieniowych czy tensometrycznych (charakterystycznych dla nowoczesnych systemów wagowych). W przypadku czujników pojemnościowych impedancja – uogólnienie oporu elektrycznego – ulega zmianom wraz z pojemnością układu w stosunku do wykrywanego materiału. Czujniki pojemnościowe należą do czujników trwałych, takich, które nie wymagają czynności konserwacyjnych, zaś spektrum ich zastosowania jest stosunkowo szerokie. Zazwyczaj stosowane są w przemyśle spożywczym do informowania o poziomie cieczy, cukru, olejów – ogółem surowców czy też danego wsadu. Bardzo często są też wykorzystywane do bezstykowego wykrywania metalowych przedmiotów oraz do monitorowania i stabilizowania poziomu napełniania zbiorników surowcem płynnym czy sypkim. Ponadto czujniki takie pomagają w wykrywaniu przesuwu pasków klinowych, taśm transportowych czy też wykrywaniu ustawienia detali na taśmie. Niewątpliwie pojemnościowe czujniki stanowią nieodzowny element pomiaru poziomu, a także są istotne do wykrywania granicy faz różnych mediów, które różnią się stałymi dielektrycznymi, co z kolei służy do odróżnienia różnych substancji (np. piany od wody czy wody od oleju). 

Standardowe czujniki optyczne składają się m.in. z nadajnika modulowanego promieniowania podczerwonego IR oraz odbiornika. Aby prawidłowo pracowały, istotny jest reflektor – czujnik zostaje przełączony, gdy wiązka światła zostaje przerwana. Czujniki tego typu mogą posiadać oddzielne nadajniki oraz odbiorniki, niektóre wersje mogą mieć wspólną obudowę, a sygnał pomiędzy punktem nadawania a punktem odbioru przesyłany jest światłowodem. Czujniki optyczne można także podzielić na standardowe, szczelinowe, analogowe, współpracujące ze światłowodami, systemy wizyjne – inteligentne czujniki obrazu itp. Nie należy zapominać o tym, że ważnym parametrem pracy czujnika optycznego jest strefa czułości – maksymalna odległość pomiędzy czołem czujnika karty pomiarowej, mierzona wzdłuż osi wiązki świetlnej, która powoduje zmianę stanu wyjścia czujnika. Poza wieloma innymi warunkami ważne jest to, aby odpowiednio zabezpieczyć układ przed zwarciem, a także przed przeciążeniem, nie zapominając o zadbaniu o odporność czujnika na temperaturę pracy i wibracje. 

Na rynku można się spotkać się z optycznymi czujnikami w obudowach gwintowanych, metalowych; znajdują one zastosowanie w aplikacjach związanych z kontrolowaniem położenia ruchomych części maszyn czy też z identyfikacją obiektów, które znajdują się w polu ich działania, np. określają poziom cieczy lub materiałów sypkich.

Kolejnym rodzajem są czujniki ultradźwiękowe, które zapewniają wykrywanie obiektów w sposób bezdotykowy z możliwością określenia bezwzględnej odległości czujnika od obiektu. Mogą one funkcjonować jako czujniki odbiciowe i refleksyjne, często stosuje się je do pomiaru poziomu ciał stałych, cieczy, proszków, granulatów. Ten typ sensorów nie jest raczej stosowany w systemach bezpieczeństwa, jednak do jego zalet można zaliczyć precyzyjnie wykonywane pomiary, a także dużą rozdzielczość. 

W przypadku czujników odbiciowych istnieje możliwość wykonywania pomiarów bez względu na typ materiału, w sytuacji gdy czujnik znajdzie się w zasięgu pracy urządzenia. Wówczas sensor ulegnie wzbudzeniu i dojdzie do przełączenia wyjścia. Z kolei czujniki tensometryczne, które są nazywane tensometrami, stanowią istotny element wag elektronicznych. Zakres, rodzaj obciążenia, sposób połączenia z innymi elementami wagi czy temperatura pracy decydują o doborze konkretnego czujnika. Tensometry cechują małe wymiary, odporność na wstrząsy i drgania, wysoki poziom czułości oraz dokładność. Ponadto mogą pracować w skrajnych warunkach atmosferycznych, zaś dopasowanie ich pod kątem współpracy z innymi podzespołami wagowymi nie jest trudne. Sensory takie są najczęściej wykonane z aluminium, stali czy stali szlachetnej. 

Na rynku można się także spotkać z czujnikami, które mają wbudowane mikroprocesory – ich zadaniem jest monitorowanie oddziaływania czynników zewnętrznych. To rozwiązanie, które cechuje się wysokim poziomem dokładności pomiarów. Ważnym parametrem czujnika tensometrycznego jest obciążenie znamionowe będące wielkością siły, którą wprowadza się do czujnika zgodnie z kierunkiem pomiarowym. Siła ta określa górną wartość zakresu pomiarowego. Obciążenie użytkowe natomiast to największa siła zgodna z kierunkiem pomiaru, przy jakiej dochodzi do jednoznacznego związku pomiędzy siłą a sygnałem wyjściowym. Ponadto czujnik może także przyjąć największą siłę (nie zostawiając śladu, który można zmierzyć) mieszczącą się w jego zakresie pomiarowym – zjawisko to nazywane jest obciążeniem granicznym. Nie sposób nie wspomnieć o obciążeniu niszczącym, które jest siłą przyłożoną w osi czujnika, przekroczenie wartości której może doprowadzić do mechanicznego zniszczenia sensora. W systemach wagowych, które wymagają szybkiego przetwarzania (np. w układach dozujących lub ważących) bardzo często uwzględnia się zastosowanie sensorów cyfrowych, w których znajdują się przetworniki z wysoką prędkością pomiaru. Czujniki tensometryczne współpracują z terminalami wagi lub przetwornikami pomiarowymi.

Podsumowując: czujniki wdrażane w systemach automatyki stanowią bardzo obszerne zagadnienie, zaś na rynku dostępnych jest wiele wyspecjalizowanych czujników procesowych.