Jste zde

Jednocestné optické závory - dosah až 350 m

Antonín Vojáček, 1. Červenec 2006 - 12:31

Někdy se vyskytnou situace a aplikace, které vyžadují extrémní řešení. Podobný stav může nastat při detekci přítomnosti objektu až na vzdálenost desítek metrů. Tam kde ostatní senzory přiblížení selhávají, lze použít jednocestné optické závory s dosahem až 350 m !

V praxi se s optickými snímači pro detekci objektů pravděpodobně nejčastěji setkáme s provedením typu reflexní optozávora, které na první pohled poznáme podle jednoho snímače na jedné straně a na druhé - protější straně připevněné odrazky. Toto provedení v sobě kombinuje jednoduchost, nízkou cenu, odolnost proti rušení a docela slušný detekční dosah (tj. vzdálenost mezi snímačem a odrazkou) až několik metrů. Pokud se naproti snímači odrazka nevyskytuje, jde pravděpodobně o difusní optický snímač přiblížení. U něho se detekuje paprsek světla odražený přímo od hlídaného předmětu. Z důvodu obvykle nižší odraznost povrchu předmětů než odrazky, je obvykle dosah do cca 1 m. O těchto senzorech již pojednával článek o optických senzorech přiblížení.

Pokud se však proti jednomu snímači na jedné straně vyskytuje prakticky na první pohled totožný druhý snímač, jde o jednocestnou optozávoru. Ta není tak častá, protože je obvykle cenou dražší, ale dosahuje nejlepších detekčních parametrů s dosahem i několik stovek metrů !!. A právě o nich je tento článek.

Obr. 1. Válcová jednocestná optozávora SICK

Vlastnosti jednocestných optozávor

Výhody:

Výrazně větší dosah než jiné optické závory a snímače přiblížení - až 300 m
V porovnání s ostatními optozávorami na stejnou vzdálenost - nižší vliv okolního rušení
Odstranění vlivu velké odrazivosti povrchu detekovaného předmětu (což je problém u reflexních optozávor)

Nevýhody:

Složitější instalace a seřizování
Dražší dvojce senzorů vs. jeden reflexní senzor s odrazkou
Větší náklady na instalaci
Zabrání většího prostoru

Použití

Dnes již pro snímání a detekci polohy materiálů a předmětů
Detekce na vzdálenosti až stovek metrů
Detekce obrovských i malých objektů
Snímání pohybujících se předmětů
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu
Montážní linky - nastavení pozice, počítání dílů
Textilní stroje - zjišťování množství materiálu na odvíjené roli
Sledování a detekce otvorů ve výrobcích
Kontrola naplnění různých zásobníků
Detekce pohybu osob
atd.

Princip jednocestné optické závory

Princip funkce jednocestných optických senzorů, je v zásadě obdobný jako u jiných optických závor, podrobně popsaných v článku " Optické senzory přiblížení - obecný popis". Tzn. jednocestné optické závory pracují na principu detekce existence nebo měření intenzity paprsku světla emitovaný vysílačem a dopadajícího na oddělený optický přijímač. A to je hlavní rozdíl od reflexních a difusních optických senzorů přiblížení (proximity sensors) a také hlavní logický důvod většího dosahu. Paprsek světla totiž prochází svou trasu jen jedním směrem, narozdíl od reflexních závor, kde musí tu samou cestu projít 2x (tam a zpět). To znamená dvojnásobný útlum, dvojnásobné rušení apod. Logicky to znamená, že reflexní závory mohou mít maximálně poloviční dosah. V praxi to je obvykle ještě méně, protože odraz také není dokonalý. V praxi to tedy znamená, že jednocestné optozávory lze použít tam, kde již každý jiný optický senzor selhává.

Obr. 2. Příklad instalace jednocestné optozávory SUNX dodávané firmou EIG s.r.o.

Snad hlavní nevýhodou uvedeného principu je však opět prakticky existence dvou "krabiček". Ty vyžadují 2x napájení, 2x kabel, 2x připevnění apod., což výrazně zvyšuje cenu instalace, nehledě již na dražší samotný pár krabiček (vysílač a přijímač) vs. jedna krabička reflexního senzoru. Složitější je i nastavování a seřizování. Prostě za všechno se něčím platí. Proto všude, kde to lze, se dává přednost reflexním optozávorám a jednocestné verze se použije hlavně v místech, kde je nutné překlenou velké vzdálenosti.

Obr. 3. Princip detekce objektu jednocestnou optozávorou se spínaným výstupem Q

I jednocestné optozávory jsou tedy také složené z optického vysílače a přijímače. Vysílače jsou tvořené buď LED diodou (pro dosah do cca 50 m) nebo laserovou diodou (pro dosah až 100 m). Jako LED se obvykle využívají různé diody ve viditelném nebo infračerveném spektru světla, laser je často červené barvy. Oddělené přijímače jsou jako fotocitlivým prvkem vybaveny fototranzistory nebo výkonnějšími a rychlejšími PIN fotodiodami. Na následujícím obrázku 4. jsou zobrazeny dva důležité parametry jednocestné závory - pracovní / detekční rozsah a výkonová rezerva (někdy i provozní nebo funkční rezerva), udávající nadbytek výkonu na přijímacím prvku. Ten musí přesahovat minimální úroveň pro požadovanou spolehlivou funkci senzoru, která prakticky definuje maximální detekční vzdálenost.

Obr. 4. Pracovní / detekční rozsah (nahoře) a průběh výkonové rezervy závory SICK WS/WE 12L-2 Laser

Provedení jednocestných závor

Zde je proti běžnějším reflexním optozávorám hlavní rozdíl právě v oddělení vysílací a přijímací části. Ty jsou umístěny v oddělených pouzdrech avšak obvykle stejných rozměrů i provedení. Hlavní rozdíl vysílače a přijímače je v signálech na konektoru a ovládacích prvcích. Na obrázku 5. je příklad signálů na konektorech senzorů SICK řady WS/WE a ukázka rozdílných nastavovacích prvků přijímače (Receiver) a vysílače (Sender). V případě reflexních optozávor, je vše integrováno společně v jednom pouzdru a konektoru.

Obr. 5. Příklad senzoru s konektorem s testovacím výstupem Test na vysílači a spínacími výstupy Q na straně přijímače (vlevo) a příklad ovládacích prvků vysílače (zaostření paprsku - 6 - Focus) a přijímače (citlivost - 7 - Sensitivity).

Nastavení prakticky spočívá ve správném zaostření paprsku vysílače a jeho přesném natočení vůči přijímači. Na přijímací straně se obvykle nastavuje citlivost, tj. úroveň intenzity světla, při které dojde k sepnutí výstupu - viz obrázek 6.

Obr. 6. Při nastavování a seřizování je nutné zároveň sledovat a kontrolovat obě krabičky (vysílač i přijímač)

Z pohledu tvarového provedení senzoru se nijak z vnějšího pohledu nijak neliší od provedení reflexních nebo difuzních senzorů. Častěji se zde využívá válcového provedení, protože se v porovnání s reflexními senzory do kruhového průřezu odděleně vysílací nebo přijímací prvek lépe vměstná.

Jednocestné závory SICK

Mezi zajímavé patří typy v nabídce firmy SICK patří řada VS/VE 18. Tyto válcové snímače v pouzdru M18 x 1 dosahují maximální spínací vzdálenost až 60 m. K tomu využívají jako zdroj světla červený laser, jehož paprsek dosahu ve vzdálenosti 50 m průměr 40 mm. Odolné pouzdro s IP 67 umožňuje zabudování i ve velmi náročných a špinavých prostředích těžkého průmyslu.

Variantou pro vzdálenosti 60 m v kvádrovém pouzdru je řada WS/WE34. Ta však místo laseru využívá levnější červené LED diody. Výsledkem je však větší stopa paprsku. Ve vzdálenosti 50 m dosahuje průměru 700 mm. Pouzdro opět poskytuje IP67 a přijímač i vysílač je možné napájet stejnosměrným zdrojem 10 až 30 V. K dispozici je spínaný PNP/NPN výstup a reakční doba je menší než 500 mikrosekund. Menší velikost pouzdra má řada WS/WE12L. Ta opět využívá jako zdroje světla červenou LED diodu a závoru je možné použít až na vzdálenost 100 m. Vyznačuje se také rychlou reakcí (menší než 200 mikrosekund).

Nejvýkonnějšími jednocestnými závorami je řada WS/WE45. Ta umožňuje při použití infračervené diody pracovat až na vzdálenost 350 m, kde má stopa paprsku světla průměr cca 4.5 m. Kvádrové provedení pouzdra s IP67 umožňuje nasazení i ve venkovních prostorách při teplotách -25 °C ... +55 °C.

Obr. 7. Praktický příklad jednocestných optických závor SICK (zleva: řada VS/VE 18, řada WS/WE 34, řada WS/WE27)

Závěr

Pokud tedy potřebujete ve své aplikaci detekovat průchod objektu na velké vzdálenosti, je jednocestná optická závora vhodnou volbou. Podmínkou je v místě nasazení alespoň trochu přijatelné okolní podmínky v podobě, kde špína, prach, kouř, vlhkost způsobují zeslabení (útlum) signálu. Pro volbu té pravé optické závory doporučuji navštívit stránky firem SICK a EIG s.r.o.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz