Sensorer - val och betydelse för automationsteknik

Insamling av data är en central aspekt i moderna anläggningar, särskilt i samband med digitalisering och Industri 4.0. Sensorer gör detta möjligt. De tillhandahåller indata och övervakar och anpassar processer. Vilka typer av sensorer finns det? Hur väljer man rätt sensor för en specifik tillämpning? I den här artikeln presenteras verkningssätt och möjliga tillämpningar för olika sensorer samt urvalskriterier för att hitta rätt sensor.

Vad är sensorer?

Sensorsystem handlar om användning av sensorer för mätning och styrning av förändringar, t.ex. i tekniska system. Sensorer registrerar olika mätvärden, som kan vara kvalitativa och även kvantitativa till sin natur. Mätvärden kan vara kemiska (t.ex. pH-värde), biologiska (t.ex. enzymnärvaro) eller fysiska (t.ex. temperatur, fuktighet, ström). Sensorer, även kallade detektorer, givare eller sonder, omvandlar en insignal till en utsignal. Insignalen är vanligtvis inte ett elektriskt mätvärde, medan utsignalen är en elektrisk signal som ström eller spänning.

Läs mer om metrologi i vår artikel: Mätteknik - Kvalitetskontroll genom mätmetoder.

Hur det fungerar

Givare fungerar i ett system tillsammans med ställdon. Signaler från sensorer vidarebefordras vanligtvis till en styrenhet, som analyserar och utvärderar data i enlighet därmed och skickar kommandon till ställdon efter behov. Manöverdon implementerar sedan instruktionerna genom fysiska handlingar. Till exempel skickas en signal till ställdonet om temperaturen i ett lager är för hög. Ställdonet kan vara en värmare som nu är uppringd så att rummet kan svalna till önskad temperatur.

Typer av sensorer

Det finns aktiva och passiva sensorer. Mät- och bildtagningsmetoden avgör om sensorn är en aktiv eller passiv sensor. Aktiva sensorer genererar själva (aktivt) en signal för att inhämta mätvärdet. Den fastställda datan matas sedan ut som en utsignal. Generellt krävs en strömförsörjning för att generera signalen för att registrera mätvärdet. Typiska exempel på aktiva sensorer är: Laseravståndsmätare, IR-rörelsedetektorer eller ultraljudssensorer.

Passiva sensorer genererar inte en aktiv signal för inhämtning av mätdata för ett mätvärde. De innehåller passiva element vars egenskap (t.ex. konduktivitet) förändras som svar på en mätvärde (t.ex. temperatur). En strömförsörjning för att generera en signal som krävs för mätningen är därför inte nödvändig. Dock krävs hjälpeffekt för att registrera ändringen, eftersom in- och utsignalen jämförs för att bestämma mätresultaten. Passiva sensorer installeras relativt ofta eftersom de är lämpade för att ta statiska mätningar. Exempel på passiva sensorer är: PIR (passiva infraröda) sensorer, resistanstermometrar eller belastningsmätare.

Sensorer är vidare indelade i omkoppling och mätning baserat på typen av utsignal. Mätsensorer registrerar kontinuerligt fysiska eller andra värden och tillhandahåller dataposter för detaljerad övervakning av processer. Omkopplingsgivare däremot detekterar när en mätvärdesgivare avviker från målvärdet och reagerar aktivt genom att omkoppla en utgång, vilket t.ex. triggar ett manöverdon.

Sensorer kan delas upp ytterligare med avseende på deras driftsprincip eller mätprincip, till exempel i:

• Mekaniska: Reagerar på mekanisk rörelse (t.ex. böjning), exempel: Tryckgivare.
• Resistiva: Reagerar när det elektriska motståndet ändras, till exempel: Töjningsmätare.
• Termoelektriska: Reagerar när det finns temperaturskillnader som omvandlas till elektrisk energi, till exempel: Temperaturgivare.
• Piezoelektriska: Reagerar genom att omvandla tryck till elektrisk energi, till exempel: Piezokeramisk i ultraljudssensorer.
• Induktiva eller elektromagnetiska: Reagerar på en förändring i magnetiskt flöde, till exempel: Hastighetsgivare.
• Kapacitiva: Reagerar på förändringar i kapacitans, exempel: Fuktighetssensorer.
• Optiska: Reagerar på/registrerar ljus eller andra optiska fenomen, till exempel: Ljusbarriärer, fotoelektriska sensorer.
• Akustiska: Reagerar på ljudvågor, till exempel: Bullernivåmätare.
• Kemiska: Reagerar på kemiska förändringar, till exempel: pH-sensorer.

Vi kommer nu att titta närmare på driftsprinciperna för vissa utvalda sensorer:

Induktiva sensorer

Induktiva sensorer innehåller en spole genom vilken ström flödar. Ett elektromagnetiskt fält genereras för mätning i mätriktningen. Ett arbetsstycke eller material introduceras sedan, vilket orsakar en förändring i magnetfältet och inducerar en spänning i spolen. En krets detekterar denna spänning och matar ut en motsvarande signal. Induktiva sensorer fungerar endast med magnetiska arbetsstycken/material.

Kapacitiva sensorer

Kapacitansen indikerar hur mycket laddning två elektriskt ledande kroppar, som är separerade från varandra av ett isolerande medium, kan absorbera när spänning appliceras. Denna kapacitans förändras som en funktion av mätvärdet.

En kapacitiv sensor består av två elektroder mellan vilka ett elektriskt fält skapas. Den senare ändras när ett objekt närmar sig; sensorn detekterar kontaktlöst materialet i sin aktiva zon. Det omvandlar sedan det elektriska fältet till en elektrisk signal.

Närhetssensorer

Närhetssensorer upptäcker när föremål eller personer befinner sig i närheten. De skickar ut en stråle eller ett fält och mäter sedan ändringarna i strålen eller fältet som reflekteras av objektet eller personen.   Detta gör det möjligt för dem att uppskatta avstånd och att agera på motsvarande utlösare. Inom industrin kan sensorer till exempel upptäcka förekomsten av arbetsstycken på transportband och styra motsvarande driftsprocesser.

Val av sensorer: När ska man använda vilken sensor?

Vissa preliminära överväganden måste göras vid val av sensorer. Eftersom sensorer integreras direkt i styrsystem i automationssystem måste användaren till exempel verifiera att erforderliga gränssnitt finns tillgängliga. Gränssnitt kan till exempel vara:

• Analoga gränssnitt som analoga utgångar och ingångar
• Digitala gränssnitt som TTL, RS-232, SPI
• Trådlösa gränssnitt som Wi-Fi
• Integrerad eller extern signalbehandling

Miljöförhållanden spelar också en roll vid val av lämplig sensor. Utsätts sensorn för extrema temperaturer? Eller vibrationer? I fuktiga miljöer ska givaren till exempel vara vattentät oavsett typ och vid behov ha motsvarande skyddsklassning, såsom IP67. I miljöer med aggressiva kemikalier måste materialet som används för höljen och tätningar vara motståndskraftigt mot dessa.

Identifiera rätt sensor, steg för steg

Följande lista ger en sammanfattning av de viktigaste stegen för att välja en sensor:

• Bestäm mätvärde och mätområde: Vilken fysisk kvantitet ska mätas och är det högsta och lägsta förväntade värdet som omfattas av mätningen och/eller kan sensorn också motstå de högsta värdena?
• Fastställ noggrannhet: Gäller högre eller lägre krav på noggrannhet?
• Analysera miljöförhållanden: Under vilka förhållanden används sensorn? Finns det ytterligheter när det gäller temperatur, luftfuktighet, dammexponering osv.? Är sensorn utsatt för kemikalier?
• Välj utgångsformat och gränssnitt: Hela styrsystemet spelar en roll här: Vilken typ av signal kan behandlas (t.ex. analog eller digital)?
• Överväg den specifika tillämpningen: Finns det några särskilda krav som uppstår från den specifika tillämpningen? Gäller särskilda standarder? (se även säkerhetsstandarder inom maskinteknik). Sensorer i renrum måste till exempel uppfylla förhöjda renrumskrav. Det är också möjligt att sensorn är installerad på en svåråtkomlig plats och därför bör vara särskilt underhållsfri och hållbar. Sensorer kan också användas för kvalitetskontroll och måste uppfylla vissa kriterier, se även artikeln Mätteknik - Kvalitetskontroll genom mätmetoder.
• Svarstid: Hur snabbt behöver sensorn reagera på förändrade förhållanden?
• Observera utrymmeskrav: Kan sensorn enkelt integreras i det befintliga systemet och finns det tillräckligt med utrymme?
• Klämdelar, standardiserade sensorskenor eller sensorhållare kan också vara till hjälp för optimerad integrering av sensorn i befintliga system.

Du kan också inspireras av vårt utbud av sensorer.

Sensorer inom automationsteknik: Smarta sensorer

Den pågående utvecklingen av sensorer har också påverkats starkt av digitaliserad produktion inom ramen för Industri 4.0. Så kallade smarta sensorer representerar de viktigaste ingredienserna för detta. Dessa sensorer är hörnstenen för övervakning och styrning av industriella processer. I det övergripande systemet med ställdon och kontroller ger smarta sensorer maskiner all information de behöver för att göra produktionen mer effektiv och exakt. Automatiseringstekniken har blivit alltmer självständig.

Dagens sensorer har så hög upplösning, hastighet och liten storlek att de kan användas direkt i de områden där fysiska effekter genereras. De har många funktioner i avancerad utrustning. De är inte längre bara ansvariga för enbart mätning av data, men kan nu också utföra självdiagnos, kommunikation och signalbehandlingsuppgifter. Sensorer kan upptäcka och korrigera avvikelser innan de blir ett problem i produktionen. Denna process kallas sedan sensorstyrd bearbetning. Hitta mer information i vår bloggartikel Datoriserad numerisk styrning - Vad är CNC egentligen?.