Pro měření pohybu, posuvu, otáčení, rychlosti apod. je možné využít rotačních senzorů, často označovaných jako enkodéry. I na tomto poli dochází k postupnému vývoji a mezi špičku stále patří výrobky firmy Kubler, resp. Turck. Následující článek se pak zaměřuje na inkrementální senzory, jejich vlastnosti, kom. rozhraní a parametry.

Rotační senzory (enkodéry) jsou zařízení, která se obecně mohou použít v aplikacích, kde se měří délka, pozice, rychlost, úhel natočení nebo všechny veličiny, které na ně lze převést. Provádějí přeměnu mechanického pohybu na elektrické signály. Běžné rotační enkodéry se dělí na dvě skupiny:

• inkrementální - generují sled pulsů
• absolutní - produkují sled unikátních kódů

V tomto článku se budu dále zabývat inkrementálními rotačními enkodéry. Ty při rotačním pohybu generují pulsy, jejichž určitý počet odpovídá určité vzdálenost, posuvu nebo natočení a závislost počtu pulsů na časový úsek odpovídá rychlosti.

Dále lze rotační senzory rozdělit podle konstrukce na:

• enkodéry s hřídelí
• bez hřídele = s dutinou

Verze s dutinou se začaly nabízet teprve před několika lety, ale v současné době se z důvodu snadnější montáže stávají stále více vyhledávanými. U nich je totiž napojení na systémy s vlastní hřídelí (např. motory) snadnější a odpadají spojky, ve kterých může navíc docházet k nechtěnému prokluzu mezi hřídelí stroje a senzoru.

Použití

Rotační senzory (enkodéry) lze použít například k následujícím aplikacím:

 

• měření pozice
• měření posuvu
• měření a odměřování délky
• detekce zvedacích vidlic u vysokozdvižných vozíků
• měření natočení
• řízení a regulace motorů a převodovek
• měřiče a snímače rychlosti
• měření rychlosti pohybu pásů dopravníků
• regulace otáček
• měření rychlosti větru

 

Princip funkce inkrementálních rotačních senzorů

Inkrementální rotační senzor nebo enkodér (jak chcete) je obecně složen z následujících částí:

 

• rotující disk s otvory (disk with radial lines and gaps) připevněného na hřídeli senzoru nebo na vnitřní stranu dutiny
• optický vysílač (Transmitter) tvořený obvykle LED diodou a maskou (Mask) generující určitý paprsek světla
• optický přijímač (Receiver) tvořený obvykle fotodiodou nebo fototranzistorem, který převádí dopadající světlo na el. signál - impuls

 

Světlo emitované LED a modulované maskou pak buď prochází otvorem v kotouči nebo jím je zachycen. Přijímač může vyhodnocovat příjem světla binárně, jako okamžité el. impulsy jejichž časová délka odpovídá délce souvislého dopadu paprsku světla, nebo analogově, jako intenzitu dopadlého světla za určitý časový úsek (okamžik). V druhém případě prakticky dochází k integrování sledu impulsů světla za určitou dobu t. Jak se rotující disk otáčí, může být výstup aproximován na sinusový signál.

Z pohledu snímání a dostupných výstupních signálů se inkrementální enkodéry rozdělují na:

• jednokanálové - na výstupu je k dispozici jen jeden signál z jednoho kanálu, což umožňuje měřit rychlost pohybu a délku
• dvoukanálové - na výstupu senzoru jsou k dispozici dva signály ze dvou kanálů, což umožňuje zjistit směr pohybu
• tříkanálové - na výstupu senzoru jsou k dispozici tři signály ze tří kanálů. Třetí kanál navíc určuje průchod referenčním bodem na snímacím disku, což např. umožňuje zjistit počet otáček nebo počátek otáčení

Vlastnosti

Mezi základní parametry rotačních senzorů, které se nacházejí v datasheetech, patří tyto:

 

• Průměr hřídele nebo duté hřídele [mm]
• Max. rozměry pouzdra [mm]
• Max. počet otáček [/min]
• Provozní/pracovní teplota [°C]
• Stupeň krytí [IPxx]
• Napájecí napětí [VDC]
• Max. frekvence pulsů [kHz]
• Max. rozlišení - počet pulsů na jedno otočení [ppr]
• Mechanické provedení výstupu - kabel nebo konektor
• Elektrické provedení výstupu - Push/Pull, sinusový, RS422 apod.

Někdy se zvlášť definuje tzv. provozní a pracovní rozsah teplot - zatímco provozní rozsah definuje teploty při kterých nebude senzor zničen, pracovní rozsah definuje teploty, při kterých budou zachovány vlastnosti senzoru uvedené v datasheetu.

Max. rozlišení A (počet pulsů na otáčku) dvoukanálového a tříkanálového enkodéru lze zvýšit (uměle zvýšit počet pulsů - obdélníků) dvojnásobně nebo trojnásobně pomocí detekce hran obdélníků v obou kanálech. Tzn. že u senzoru s fyzickými 5000 pulsy na jednu otáčku lze touto technikou jejich počet elektronicky zvýšit až na 20 000 na jednu otáčku.

Důležitá hodnota pro měření daným konkrétním senzorem je maximální frekvence pulsů fmax. Obvykle bývá okolo 300 kHz, ale lze najít i senzory (např. z nabídky formy Kubler), které mají až 800 kHz.

Současné moderní rotační senzory, podobně jako jiné senzory a snímače, obsahují pro zajištění co největší přesnosti přidané el. obvody pro ochranu senzoru a kompenzaci různých negativních vlivů. Například enkodéry firmy Kubler (Turck) nabízí toto:

• Teplotní kompenzace - Enkodéry se vybavují teplotní kompenzací pro zajištění dlouhodobě konstantního signálu.
• Kompenzace stárnutí LED - Každá vysílací LED nevyhnutelně postupně stárne a snižuje se její vysílací výkon. Výsledkem je degradace výstupního signálu, který je méně a méně rozlišitelný. Zvláště u dvoukanálového provedení senzoru, kde jsou signály obou kanálů vzájemně posunuty o fázi 90°. To však platí u nových enkodérů. S postupným stárnutí však vlivem zmíněné degradace dochází k nechtěnému zvětšení fáz. posunu - viz obrázek níže. K omezení tohoto problému se využívají vyhodnocovací obvody - detektory hran, které degradovaný signál z přijímače rekonstruují na ideální obdélníkový průběh.

• Kompenzace spotřeby (odběru proudu) - kompenzace růstu spotřeby (proudu) při rostoucí teplotě
• Ochrana proti zkratu - výstupy rotačních senzorů jsou chráněny proti chybnému zkratování nebo připojení na napájecí napětí

Připojení inkrementálních rotačních senzorů

Z hlediska praktického připojení rotačního senzoru/enkodéru je nejdůležitější zvolit správné elektrické komunikační rozhraní. U většiny výrobců existuje několik možností k volbě. Typ výstupu by se měl volit nejen podle vstupu zařízení, na který má být enkodér připojen, ale také s ohledem na délku vedení a na okolní elmag. rušení. Pro přenos signálu v zarušených průmyslových provozech se pro zvýšení odolnosti přenosu doporučuje signál invertovat nebo rovnou použít rozhraní již pracující s invertovaným signálem (tzn. aktivní úroveň "log.1" má hodnotu 0 V).

Běžně lze v nabídce známých firem (jako např. Kubler/Turck) najít následující rozhraní (připojovací výstupy):

• Push Pull výstup - napájení senzoru 10 ... 30 VDC nebo 5 ... 30 VDC, signál může i nemusí být invertovaný = provedení NPN nebo PNP, obvyklá max. délka kabelu 100 m (neinvert.) nebo 250 m (invert.)

• Analogový sinusový výstup - obvyklé napájení senzoru 5 VDC nebo 10 ... 30 VDC, signál je invertovaný, obvyklá max. délka kabelu 50 m

• RS 422 rozhraní - napájení senzoru 5 V DC nebo 5 ... 30 VDC, signál je invertovaný, obvyklá max. délka kabelu až 1000 m

 

Inkrementální rotační senzory Kubler

Mezi nejznámější výrobce a značky v oblasti rotačních senzorů (enkodérů) patří německá firma Kubler (někdy i psáno jako Kuebler). Ta nabízí velmi širokou škálu jak inkrementálních, tak i absolutních senzorů. V České republice lze nejjednodušeji výrobky firmy Kubler zakoupit prostřednictvím českého zastoupení firmy Turck. Na jejich českých stránkách www.turck.cz lze najít celý sortiment enkodéru, včetně některých katalogových listů a letáků v češtině.

Následující obrázek pak ukazuje celý sortiment inkrementálních rotačních senzorů v nabídce. Bližší informace a základní parametry k uvedeným obrázkům lze zjistit v českém pdf letáku firmy Turck - Katalog_Kuebler_rotacni.pdf.

Závěr

Rotační senzory (enkodéry) lze najít na místech, kde je nutné měřit otáčení objektu nebo mechanický pohyb. Jejich princip je znám již dlouhou dobu a jsou také již dlouho využívány, ale jejich vývoj jde neustále kupředu z pohledu větší odolnosti, životnosti, přesnosti měření, většího počtu otáček za min. a vyšší frekvence. Provedení s dutou hřídelí (dutinou), kde se hřídel měřeného stroje (např. motoru) zastrkuje do enkodéru, je stále žádanější na úkor "klasického" provedení s hřídelí. I když jejich cena je vyšší, přidané náklady na instalaci provedení s hřídelí mohou tento rozdíl srovnat.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka české pobočky firmy Turck, distributora uvedených senzorů v ČR - www.turck.cz
• Domovská stránka firmy Kubler, výrobce rotačních senzorů - www.kuebler-gmbh.de
• Katalog rotačních senzorů Kubler/Turck - Katalog_Kuebler_rotacni.pdf
• Článek "Princip optických enkodérů polohy pro řízení motorů" na serveru automatizace.HW.cz