V mnoha aplikacích je nutné nasadit elektronické měření rozměrů a vzdáleností a to nejen těch malých v rozsahu do několika metrů. Například pro potřeby automatického polohování pojezdového jeřábu uvnitř haly, měření hladiny ve velkých silech, řízení pohybu ramen robotů, přesné polohování pojezdového dopravníku při nasypávání uhlí do zásobníku v elektrárnách, nebo v zařízení pro odvíjení plechu z cívek, je nutné pracovat s relativně dost velkými plochami. Všude tam a v mnoha dalších aplikacích je nutné zajistit odolné, nenáročné, spolehlivé a hlavně přesné bezkontaktní měření vzdáleností desítek, stovek i více metrů v reálném čase.

Zatímco snímače s měřícími rozsahy v rámci několika metrů jsou v celku běžné, senzory na desítky či dokonce stovky metrů se již shánějí hůře. Zde je již nutné si pomoci lepším objektivem, kvalitním laserovým vysílačem s malým průměrem paprsku a velmi citlivým přijímačem, který bude umožňovat zachycení odraženého světla na velké vzdálenosti i od málo reflexních materiálů.

Princip, struktura a funkce optických měřičů vzdáleností

Jak již bylo lehce naznačeno v úvodu, nejběžnějším a zároveň aplikačně nejjednodušším způsobem pro optické měření vzdálenosti je využití základního principu difuzních nebo reflexních optozávor. Konkrétně jde o vyslání optického paprsku na vzdálený předmět či plochu a čekání na jeho zpětný odraz. Tento způsob umožňuje realizovat senzor jako kompaktní "krabičku" obsahující jak optický vysílač, tak příjímač. To na rozdíl od systému s odděleným provedením výrazně nejen zjednodušuje instalaci a údržbu senzoru, ale i zvyšuje spolehlivost a poskytuje možnost snadné realizace algoritmů a funkcí pro automatickou regulaci zisku či vyhodnocení výsledků detekce/měření. Zatímco však u klasických optozávor dochází pouze ke zjištění přítomnosti objektů před snímačem (výsledkem je stav ANO / NE), u senzorů vzdálenosti se přímo měří a vyhodnocuje vzdálenost k objektu, na který je snímač namířen, nebo který se mu dostane do cesty. A to je často nutné provádět velmi přesně, někdy až s rozlišením menším než je desetina procenta celkového měřícího rozsahu.

Zde se využívá stejného principu měření jako u radiových radarů nebo u ultrazvukových snímačů. Prostě se z laserového vysílače vysílají časově velmi krátké impulsy světla, které se po odrazu na vzdálené ploše opět zachytávají přijímačem. Přesně odměřený čas potřebný k průchodu impulsu je pak přímo úměrný dvojnásobku vzdálenosti mezi senzorem a vzdáleným objektem. Protože je rychlost světla (narozdíl od zvuku) poměrně dost konstantní a málo závislá na změně okolních podmínek (např. teploty), lze při přesném odměření času vzdálenost určit velmi přesně. Samozřejmě je k tomu nutná přímá viditelnost na měřený předmět a jeho dostatečná odrazivost pro senzorem vysílané světlo, aby byl odražený světelný impuls optopříjímačem zaznamenán ještě v dostatečné kvalitě. Odrazivost však nemusí být vždy velká. To závisí na vyžadované maximální měřící vzdálenosti a provedení senzoru. Například senzor s dosahem 155 metrů při 90% odrazivosti vzdáleného objektu (bílá plocha) umí při odměřit vzdálenost k předmětu s 6% odrazivostí (černá plocha) až do 40 m s přesností +/- 10 mm.

Při měření do několika stovek i více metrů však již výrobce musí senzor vybavit kvalitním objetivem, který zajistí výbornou vyzařovací charakteristiku, aby i na té obrovské vzdálenosti byla na cílovém objektu světelná stopa dostatečně malá a tedy dosti intenzivní paprsek k odrazu (dostatečně vysoký optický výkon na plochu). Navíc na hodně velké vzdálenosti již a ni toto moc nepomůže a je nutné cílovou plochu, na kterou bude senzor namířen, opatřit kvalitní odrazkou. Například se speciální odrazkou s označením OP55 je možné dosáhnout měřící vzdálenosti až 1 km !!!! (viz níže).

Senzory Sick DMT a DML pro přesné měření velkých vzdáleností

Pro přesné bezkontaktní měření velkých vzdáleností jsem v nabídce společnosti SICK našel zajímavé senzory řady DMT a DML. Ty využívají k měření vzdálenosti metodu měření času "letu" vyslaného impulsu světla. Zatímco řada DMT slouží pro měření vzdáleností do 155 m bez použití odrazek, výkonější DML varianta pak pracuje na 300 m při použití odrazky s diamantovým lomem světla (Diamond Grade) nebo až 1 100 m se speciální odrazkou OP55.

DMT/DML vysílá velmi úzké pulsy "záblesků" světla a měření přenosu času těchto pulsů od vysílače k objektu a zpět. Informace o vypočítané vzdálenosti se pak vyslána přes klasické sériové rozhraní RS-232 (pro krátké propojení) nebo RS-422 (dlouhé propojení), případně přes Profibus, který poskytují některá provedení. Vybrané verze pak mohou být navíc osazeny i analogovým výstupem - proudovou smyčkou 4 až 20 mA, jejíž proud je úměrný aktuálně naměřené vzdálenosti a dvěma programovatelnými spínacími výstupy, které mohou sepnout například při dosažení přednastavené vzdálenosti nebo při vzdálenosti menší nebo větší než zadaná hodnota. Parametry se programují prostřednictvím RS-232 z libovolného PC nebo notebooku. Vnitřní elektronika senzoru umožňuje funkci plovoucí průměrování několika po sobě jdoucích hodnot (měření) pro potřeby zvýšení přesnosti výsledků měření v aplikacích s pomalejší a plynulejší změnou vzdálenosti.

Základní vlastnosti:

• Měření rozsah:
  • typ DMT: 0 až 20 m / 0,5 až 55 m / 0,5 až 155 m (bez odrazky)
  • typ DML: 0.5 až 1 100 m (s odrazkou OP 55) nebo 0.5 až 300 m (odrazka s diamantovým lomem)
• Provozní podmínky: max. teplota objektu 1200 °C
• Vysílač světla: laserová dioda
• Druh světla: Laserové Infračervené světlo
• Bezpečnostní třída laseru: 1 (IEC 825-1/EN 60825-1)
• Průměr světelné stopy: 25 mm na 1 m, 70 mm na 10 m, 520 mm na 100 m
• Datová rozhraní (dle konkrétní verze):
  • Profibus (datová přenos. rychlost: 1.5 MBit/s)
  • RS-422/RS-232 přepínatelný
• Rozlišení: 1 mm
• Přesnost: +/- 10 mm
• Reprodukovatelnost:
  • typ DMT: 7 ... 10 mm
  • typ DML: 6 mm
• Analogový výstup: proudová smyčka 4 - 20 mA
• Výstup měřicích hodnot:
  • typ DMT: rychlost měření/vzorkování: 16 ms, 64 ms, 256 ms, 1024 ms
  • typ DML: rychlost měření/vzorkování: 3.2 ms, 12.8 ms, 50 ms, 200 ms
  • průměrování z 16/64/256/1024 hodnot
• Napájecí napětí: 18 až 30 VDC
• Další: ochrana proti přepólování, ochrana proti zkratu, odolnost proti přetížení
• Způsob připojení: 9pólový D-Sub konektor
• Krytí: IP 65
• Pracovní rozsah teplot: 0 °C až +40°C
• Rozměry (Š x V x H): 99,5 x 99,5 x 213,5 mm

Možná použití

Měřiče vzdálenosti DMT / DML jsou vhodná pro následující aplikace:

• měření výšky materiálu / hladiny ve velkých silech
• měření profilu zboží v návaznosti na řízení jeřábu
• určení průměru papírových rolí v tiskařském nebo papírenském průmyslu
• měření úrovně hladiny kapaliny nebo zásoby papíru
• měření rozměrů desek, prken, fošen apod. v dřevospracujícím průmyslu
• měření a regulace pruhlubní, vyboulení a průvěsů
• regulace pohybu a nastavení polohy jeřábu či robota
• přesné polohování pojezdového dopravníku
• automatického řízení pohybu více strojů v omezeném prostoru
• apod.

Závěr

Jak je z výše uvedeného patrné, dnes lze bez problémů bezkontaktně a elektronicky měřit vzdálenosti desítek či stovek metrů s přesností na několik mm s použitím jedné deseticentrimetrové "krabičky". Tak lze automaticky řídit pojezdové jeřáby, bezkontaktně přesně regulovat pojezd i velkých strojů, synchronizaci práce a pohybu více robotů na omezeném prostoru nebo měřit z vrchu úroveň naplnění i velkých sil, kde již ani ty nejlepší ultrazvukové hladinoměry nedosáhnou. Samozřejmě na trhu jsou i další výrobci, jako například společnost ifm, které podobné výkony dokáží, avšak není jich příliš mnoho. Navíc uvedené kompaktní senzory lze i klidně ve spojení s notebookem využít jako přenosné dálkoměry pro potřeby instalací a montáží. Tím tak "lezou do zelí" k tomu to účelu přímo určeným ručním měřičům vzdáleností, které má v nabídce například společnost HILTI. Ale prakticky u nich nejde o nic jiného, než o podobný senzor zabudovaný společně s uživatelským HMI rozhraním a baterií do vzhledného a ergonomického obalu.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy SICK - www.sick.cz
  
• Článek o optických senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o utrazvukových senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o kapacitních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o indukčních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz