Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Prst na pulzu automatizace

Ultrazvukové snímače polohy už nejsou považovány za speciální řešení, ale používají se zcela běžně v nejrůznějších úlohách v průmyslové automatizaci. Společnost Pepperl+Fuchs pracuje na jejich technickém vývoji pro současnost i budoucnost.

 
Ultrazvukové snímače vycházejí z principu měření doby šíření signálu. Snímač vyšle krátký akustický pulz, který se odrazí od objektu nebo detekovaného povrchu a poté je opět zachycen. Rychlost zvuku v prostředí je známa, takže je možné z časového intervalu mezi vysláním signálu a zachycením ozvěny vypočítat vzdálenost.
 

Piezokeramický prvek

Zvuk je generován piezokeramickým prvkem. Náraz elektrického proudu keramický prvek deformuje a tento mechanický pulz vytvoří zvukové vlny. Když se ozvěna vrátí, proběhne stejná sekvence událostí v opačném pořadí: tlak zvuku působí na piezokeramický prvek a ten převede mechanickou energii na elektrický signál.
 

Adaptační vrstva

Piezokeramický materiál je velmi tvrdý, ale zvukové vlny se šíří v řídkém vzduchu. Mezi keramikou a vzduchem je velký skok v akustické impedanci, což znamená, že na rozhraní vzniká částečný odraz. Proto je povrch piezokeramického prvku opatřován adaptační vrstvou z dutých skleněných kuliček a epoxidové pryskyřice. Tato vrstva má zásadní vliv na fungování snímače.
 
Firma Pepperl+Fuchs na rozdíl od jiných dodavatelů ultrazvukové senzory nenakupuje, ale vyrábí si je sama. Vyrábí dokonce i materiál pro adaptační vrstvu. Tvar a materiál této vrstvy jsou optimalizovány tak, aby zaručily nejlepší možný přechod ultrazvukového signálu do okolního vzduchu. Kovový kroužek na zadní straně oddělovací vrstvy pomůže zvukový kužel – oblast, ve které snímač detekuje objekty – zúžit a zvětšit dosah snímače.
 

Syntetická pěna

Kromě keramiky, adaptační vrstvy a kovového kroužku je tu syntetická pěna, která se nachází mezi vlastním piezokeramickým prvkem a pouzdrem snímače. Tato pěna drží součásti na místě, zabraňuje nežádoucímu přenosu šumu do pouzdra a tlumí pohyb snímače po vyslání vyhodnocovacího pulzu. Tuto pěnu také vyvíjí a vyrábí přímo společnost Pepperl+Fuchs.
 

Elektronika a software

Elektronika a software speciálně vyladěné pro převodník ultrazvukového snímače dokonale zajišťují přesné vyhodnocení signálu s minimální slepou zónou.
 

Testování nových výrobků

V automatizační technice často kvalita, funkce a dlouhodobá spolehlivost závisejí na hladké interakci mnoha různých detailů. Kvalita a velikost dutých skleněných kuliček hrají stejně důležitou roli jako tlumicí vlastnosti syntetické pěny. Ve vývojovém centru ultrazvukových snímačů společnosti Pepperl+Fuchs je možné vyrobit a testovat všechny varianty konstrukčního uspořádání. Již během vývoje je také připravována sériová výroba, aby se zkrátila doba potřebná k uvedení novinky na trh. Takovýto postup se uplatňuje ve společnosti Pepperl+Fuchs již dvacet let. Díky vlastním testovacím zařízením mohou konstruktéři napodobit v podstatě všechny podmínky, kterým jsou snímače v praxi vystaveny. K dispozici mají klimatizační jednotky, stíněné komory pro testování EMC (elektromagnetické kompatibility) či podtlakové rozváděče, které simulují umístění v nadmořské výšce 2 000 m.
 
Nejnovějším výtvorem odborníků na ultrazvukové snímače v Ambergu a Mannheimu v Německu je ultrazvukový senzor pokrytý membránou z korozivzdorné oceli. Toto zařízení představuje vůbec první plně utěsněný ultrazvukový senzor, který je ideální pro potravinářství, farmacii a další obory, kde jsou zařízení čištěna oplachem.
 

Závěr

Technika ultrazvukových snímačů urazila dlouhou cestu. Dříve se ultrazvukové snímače používaly především v prašném a znečištěném prostředí. Dnes se běžně používají ve všech úlohách a provozních podmínkách. V automatizaci výrobních procesů je důležité, že na měření nemají vliv materiál ani barva měřených objektů. Časté je jejich využití ve výrobní logistice nebo v potravinářském průmyslu. Když dojde na měření vzdálenosti, vždy se vyplatí zvážit možnost využití ultrazvukových snímačů.
Obr. 1. Ultrazvukový snímač vzdálenosti
Obr. 2. Snímač lze snadno přizpůsobit konkrétní úloze