Využití světlovodných čidel v automatizaci

Vděčí tomu svým přednostem: přenosu světelných vln necitlivému na EM pole, které jej ruší, minimálním ztrátám a také možnosti využití širokého pásma modulovaného světelného paprsku.

Čidla v automatizaci – obecné rozdělení

V automatizaci se používá mnoho nejrůznějších čidel, které můžeme řadit do kategorií podle několika způsobů. Standardní dělení spočívá v odlišení typů výstupů čidel, podle kterých rozlišujeme čidla: PNP, NPN, napěťová, proudová a kontaktní. Nicméně mnohem důležitější je však dělení s ohledem na jejich použití a princip funkce.
Kromě toho kritéria se čidla v automatizaci člení na:

• čidla stanovení polohy: magnetická, kapacitní, indukční;
• optická čidla: odrazová, reflexní, světelné bariéry;
• mechanická;
• čidla sledování pohybu: monitory rychlosti, enkodéry (absolutní a inkrementální);
• procesní čidla: teploty, tlaku, hladiny.

V tomto textu se zaměříme výlučně na skupinu optických čidel a konkrétně na světlovodná čidla.

Co je a jak funguje světlovodné čidlo?

Díky dynamickému rozvoji světlovodné techniky a optoelektroniky jsou světlovody a světlovodná čidla stále intenzivněji používaná v mnoho sektorech hospodářství a odvětvích: od elektrotechniky a telekomunikací přes široce pojatý průmysl a robotiku až po obor medicínský a potravinářský. Řešení z oblasti světlovodné techniky se používají hlavně v oblasti měřicí a kontrolní techniky, také ve formě přenosového média.
Světlovodné čidlo není nic jiného než převodník nebo skupina převodníků umístěných na začátku měřicí trasy. Tyto převodníky mohou určovat hodnotu měřené veličiny a přetvářet ji ve změny parametrů výstupního signálu. Při popisu principu funkce světlovodného čidla je potřeba popsat funkci vnitřní a vnější modulace.
Vnitřní modulace světelné vlny procházející světlovodem nastává tehdy, když na ni působí vnější faktor přímo přes světlovod. Vnější modulací se pak nazývá působení na světelnou vlnu již vyvedenou ze světlovodu.
Světlovodné čidlo s vnitřní modulací funguje tak, že vymezený úsek světlovodu plní funkci hlavice čidla, ve které vnější faktory působící na světlovod mění parametry postupující světelné vlny. Způsob modulace parametrů světelných vln závisí na druhu světlovodu integrovaného se světlovodným čidlem.
Čidla v automatizaci můžeme rozdělit na zařízení pasivní a aktivní. Aktivní světlovodné čidlo má konstrukci, která obsahuje zdroj optického signálu, zatímco pasivní světlovodné čidlo potřebuje pro svou funkci, aby byla optická energie přivedena. Lví podíl světlovodných aplikací v automatizaci se opírá o pasivní čidla, která se nazývají také parametrická.

Druhy světlovodných čidel

Existuje mnoho kritérií dělení světlovodných čidel a mezi nejdůležitější z nich se uvádí: místo zpracování signálu světlovodným čidlem, způsob odebírání informace o měřené veličině a forma výstupního signálu.

Dělení s ohledem na místo zpracování signálu
Podle tohoto kritéria můžeme jmenovat světlovodná čidla s vnějším zpracováním (hybridní), u nichž je signál přiváděn a odváděn z čidla pomocí světlovodu a světlovodná čidla s vnitřním zpracováním (plně světlovodná). U těchto čidel plní světlovod současně funkci optického převodníku i vlnovodu.
K hybridním čidlům řadíme mj. prvky se změnou přenosu a odrazné, či vícemódová polarimetrická čidla. Čidly plně světlovodnými jsou mj. mikrodeformační čidla, čidla s Braggovou celou a interferometrická čidla.

Dělení s ohledem na způsob informace o měřené veličině
Na základě tohoto kritéria rozlišujeme taková čidla v automatizaci, jako: světlovodná čidla jednobodová, vícebodová s kontinuálním příjmem v prostoru. Jednobodová čidla využívají ztráty úrovně vazby ve vztahu světlovod-světlovod, jsou to např. odrazová čidla.
Vícebodová čidla fungují na principu využití změn ztrát, polarizace intenzity fluorescence nebo intenzity zpětného rozptylu. Mezi čidla změn ztrát patří mj. světlovodná čidla mikrodeformační posunu, síly a tlaku.
Čidla s kontinuálním příjmem v prostoru jsou čidla sloužící v automatizaci hlavně pro měření rozložení teploty v zásobnících, zařízeních a strojích.

Možnosti světlovodné techniky

Řešení z oblasti světlovodné techniky – a zvláště světlovodná čidla – se v současnosti používají hlavně v oblasti měřicí techniky. Minimální ztráty po délce vedení při přenosu světlovodných signálů, celková odolnost vůči elektromagnetickému rušení a také rychlost přenosu informací vedou k tomu, že možnosti světlovodné techniky předcházejí řadu doposud používaných konvenčních optických technik.

K základním přednostem světlovodných čidel a světlovodné techniky můžeme počítat:

• odolnost vůči EM rušení;
• značnou citlivost zpracování;
• možnost propojení s telekomunikačními systémy díky tomu, že optický signál je neelektrický výstupní signál;
• možnost práce v nebezpečných a nepříznivých prostředích (prostředí chemicky agresivních, hořlavém prostředí, či prostředí s nebezpečím výbuchu);
• kompaktní rozměry;
• vysokou citlivost, přesnost a spolehlivost;
• možnost bezkontaktní práce;
• široké pásmo umožňující velmi rychlý přenos informací.

Z toho vyplývají specifika světlovodů a světlovodných čidel, která nacházejí uplatnění v automatizaci mj. v:

• inteligentních strukturách (angl. smart structures), které jsou čidly implementovanými bezprostředně v kompozitních materiálech a používají se pro detekci: vibrací, teploty a pnutí;
• detekci anomálií elektromagnetických polí v systémech distribuce energie;
• detekci netěsností;
• monitorech teplot a pnutí;
• přesných měřeních akustické emise;
• uchopovacích mechanismech a jiných aplikacích u průmyslových manipulátorů a mobilních robotů;
• systémech vícebodových měření jedné veličiny a systémech měření několika veličin v různých měřicích bodech.

Díky obrovským možnostem světlovodných čidel se tato s úspěchem používají rovněž v energetice, průmyslu, vědě, medicíně, obranném průmyslu a letectví, či v potravinářském průmyslu a testování potravin.

TME Czech Republic, s.r.o.
Slévárenská 406/17, 709 00 Ostrava
Tel.: +420 59 66 33 105
Fax: +420 59 66 33 104
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.tme.eu