Mnoho produktů je baleno v průhledných obalech, ať již jde o plastové (PET) či skleněné láhve nebo pytlíky a fólie. Pokud pravidelně navštěvujete server automatizace.HW.cz, mohli jste se v několika testech optických difuzních senzorů a optozávor dočíst, že právě klasickými optickými snímači nelze výše uvedené průhledné obaly detekovat buď vůbec nebo jen velmi obtížně s velmi limitním a tím i dlouhodobě nespolehlivým nastavením. Výrobci jsou si toho moc dobře vědomi, a proto se někteří snaží nabízet i speciální provedení právě pro tyto „průhledné aplikace“.

Jedním takovým je například i společnost OMRON. Jeho modely E3ZM-B (nerezové pouzdro) a E3Z-B (plastové pouzdro) umožňují lepší snímání obecně všech průhledných materiálů, přičemž zároveň poskytují co nejvyšší možnou stabilní funkci právě pro dlouhodobě správnou detekci PET lahví.

Problematika optické detekce průhledných předmětů

Problém u optické detekce PET lahví a plastových obalů obecně je nejen fakt, že často jen minimálně tlumí procházející paprsek světla vyslaný snímačem , ale také se u nich může vyskytovat tzv. birefringenční (dvojlomový) jev. Ten způsobuje rozdělení jednoho světelného paprsku procházející určitým anizotropním prostředím na dva samostatné paprsky vyzářené z předmětu pod jinými úhly (jinými směry).

Nejmarkantnější je tento jev například u materiálů s nesouosou anizotropií, tedy u průhledných materiálů, u nichž optická osa není kolmá k rovině materiálu, jako například v případě krystalů tzv. islandského kalcitu. Zde se paprsek světla lomí odlišně pro polarizaci paralelní či kolmou k optické ose, z důvodu odlišného indexu lomu. V případě detekce pak například část vyslaného paprsku projde lahví až na odrazku a následně zpět na optický přijímač snímače a část se zalomí odlišným směrem a zpět do snímače se vůbec nedostane.

Při jevu dvojlomu světla dochází při průchodu nepolarizovaného světelného paprsku materiálem k jeho rozdělení na dva paprsky s opačnou polarizací, které jsou navíc vyzářeny odlišným směrem. 

Dalším jevem, který se také vyskytuje na PET lahvích, je vznik dodatečné polarizace vyslaného paprsku světla dvojnásobným průchodem skrze lahev (směrem od snímače k odrazce a zpět). Prostě při průchodu paprsku se může jeho polarizace změnit (pootočit). Tedy něco podobného, co dělá odrazka u snímačů s polarizačním filtrem. Toho se dá při konstrukci speciálních snímačů dobře využít pro zlepšení detekce.

Naopak velmi v praxi problematickou situací může být úplný odraz paprsku od předmětu. Zdá se to být divné, když předmět je průhledná. Ale pokud emitované světlo dopadne na povrch průhledného objektu pod určitým úhlem, může se zcela odrazit, místo aby prošlo průhledným objektem. Pokud k přijímači dorazí zcela odražený paprsek, může to vést k chybnému vyhodnocení „žádný objekt".

Některé tvarované lahve zase mohou vytvářet efekt čočky, kdy průhledné objekty s vypouklým povrchem (např. lahve pro sprchový gel) se mohou chovat jako čočka. Tím mohou způsobit, že snímač přijme příliš mnoho světla, které může vyhodnotit jako odraz od odrazky, a tedy že nejde o předmět či naopak může dojít k takzvané dvojité aktivaci, kdy snímač vygeneruje 2 signály pro pouze jeden objekt.

Posledním z hlavních problémů pro výrobce snímačů pro průhledné předměty je vždy nutnost maximalizovat odstup užitečného signálu od šumu. Utlumení paprsku průchodem může být jen velmi malé a může se tedy ztrácet v okolním „světelném rušení“ v podobě různého odraženého světla z okolních zdrojů. Mimo to se může i silně projevovat šum generovaný nečistotami a kapkami vody na čočce snímače nebo změnou teploty okolí. A na tom právě závisí provozní stabilita snímače.

Konstrukce snímačů OMRON E3ZM-B a E3Z-B

V případě, že nad detekci průhledných předmětů použijeme nespecializované (univerzální) reflexních optozávory, je nutné se vždy spoléhat jen na lom a utlumení intenzity světla způsobené odrazem od povrchu předmětu. Ten je však u průhledných materiálů obvykle velmi malý a hlavně nestálý, a proto s pomocí pouze těchto metod je jen velmi obtížné dosáhnout dostatečně silné úrovně signálu pro spolehlivou detekci objektu.

Proto optimalizované modely E3ZM-B a EZ3-B z uvedených důvodů využívají dvojlomovou vlastnost PET lahví pro výrazné zvýšení úrovně signálu (odstupu užitečného signálu od šumu). Polarizační komponenta, která je rušena lahvemi PET procházejícími podél linky, je pak odfiltrována speciálním polarizačním filtrem. To významně snižuje intenzitu úrovně přijatého světla a poskytuje zvýšenou stabilitu v porovnání s konvenčními snímači. Také se využívá zmíněného jevu dodatečné polarizace světla některých materiálů k dalšímu zvýšení odstupu užitečného signálu od šumu.

Pro omezení efektu čočky velmi tvarovaných lahví či problémů s úplnými odrazy pak OMRON využívá speciální souosé optiky. Válcové senzory využívají souosou optiku k ochraně před chybnými signály způsobenými nesprávnou instalací nebo nesprávným natočením senzorů používajících konvenční oddělenou optiku pro vysílač a přijímač.

Mimo to je ještě implementován režim automatické regulace optického vysílacího výkonu pro dlouhodobé zajištění stabilních světelných podmínek detekce a tím i stabilního provozu.

Na druhou stranu všechny výše uvedené „vychytávky“ způsobují na reflexní optozávoru docela nízký snímací dosah 0 až 500 mm. Z praktického pohledu to však pro průhledné aplikace obvykle plně dostačuje. Nenapadá mě totiž žádná aplikace na lahve, sklo či fólie, kde by bylo nutné snímat vzdálenosti větší než 0,5 m.

Grafy rozdílu signálu snímače na jeho optickém přijímači v situaci bez předmětu a s různými průhlednými objekty umístěné mezi snímač a jeho odrazkou.

Dalším parametry snímačů OMRON E3ZM-B a E3Z-B

Mimo výše uvedené vlastnosti má snímač E3ZM-B i velmi odolné pouzdro z materiálu SUS316L, které je odolné vůči čisticím prostředkům a tedy výborně se hodí pro nasazení v potravinářském průmyslu vyžadující časté mytí strojů, jako například v mlékárenském průmyslu, lahůdkářských provozech. Navíc umožňuje snímač nasadit při teplotách okolí od -40 až do 60°C, což umožňuje bezproblémové přímé nasazení i do mrazících boxů či silně chlazených výrobnách.

Nastavení citlivosti je možné podle modelu snímače buď samoučícím režimem či klasickým otočným potenciometrem.

Jinak se ostatní vlastnosti jsou obdobné jako u většiny jiných optický snímačů, ať již reflexních optozávor či difuzních snímačů. Tedy spínaný tranzistorový výstup, napájení 10 až 30 VDC, či ladění možnosti nastavení citlivosti buď automatickým učícím režimem (Teach mode) nebo pomocí klasického potenciometru.

Základní parametry (dle výrobce):

• Snímací vzdálenost: 0 až 500 mm (minimální vzdálenost k odrazce: 100 mm)
• Standardní objekty pro snímání: 500 ml průhledná PET lahev (prům. 65 mm)
• Směrový úhel: 3° až 10°
• Zdroj světla: červená LED (vln. délka 650 nm)
• Napájecí napětí: 10 až 30 VDC
• Příkon: max. 450 mW
• Spotřeba: max. 25 mA
• Výstup: spínaný tranzistorový NPN nebo PNP, max. 100 mA
• Provozní režimy: spínání na světlo / spínání na tmu (volitelné)
• Ochranné prvky: ochrana přepólování napájení, zkratu, proti interferencím
• Odezva: max. 1 ms
• Nastavení citlivosti: tlačítko učícího režimu nebo potenciometr
• Odolnost proti vibracím: frekvence 10 až 55 Hz s amplitudou 1,5 mm po 2 hodiny
• Odolnost proti nárazu: 3x náraz se zrychlením až 500 m/s2
• Materiál pouzdra: SUS316L
• Materiál čočky: PMMA (polymethylmethacrylate)

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy OMRON, výrobce měřící a automatizační techniky - www.omron.com
• Domovská stránka českého zastoupení firmy OMRON - www.omron-industrial.com/cz_cs/home/
• Podrobný popis dvojlomu (birefringence) světla - www.microscopyu.com/print/articles/polarized/birefringence-print.html
   
• Dalších mnoho různých článků a praktických testů týkající se snímačů  najdete na serveru automatizace.HW.cz