ДАТЧИКИ TE CONNECTIVITY ДЛЯ СИСТЕМ ПРОМИСЛОВОГО ІНТЕРНЕТУ РЕЧЕЙ

Індустрія 4.0 або промисловий Інтернет речей (IIoT) передбачає використання традиційних виробничих і промислових методів у поєднанні з сучасними технологічними досягненнями в галузі робототехніки та цифрових систем управління.

Для автоматизації будь-яких процесів необхідно використовувати датчики . У TE Connectivity (TE) вважають, що з ростом потреби в автоматизації промислових роботів датчики будуть і надалі становити основу для систем збору даних, які дозволяють перетворити виробничі цехи на автоматизовані заводи майбутнього.

Фактично, TE готовий до майбутнього в робототехніці. Останні покоління промислових роботів можуть вирішувати складні завдання в автомобілебудуванні та авіабудуванні, фармацевтичній промисловості, металообробці, логістиці та багатьох інших галузях.

Компанія TE пропонує велику кількість найрізноманітніших датчиків для вимірювання сили, температури, тиску, прискорення та положення, які забезпечують вимірювання з високою точністю для систем управління рухом і точного позиціонування компонентів систем як при виробництві, так і при профілактичному обслуговуванні обладнання.

Зі зростанням революції в робототехніці більшості виробників потрібні все більш точні датчики для вбудовування в роботизоване обладнання.

Наприклад, для виробництв, де одночасно працюють люди і роботи, системи датчиків повинні не тільки виявляти, чи знаходиться поруч людина, але й запобігати будь-якому можливому зіткненню між роботом і працівниками, що перебувають поблизу. У більшості випадків потрібні датчики зі змінним діапазоном і роздільною здатністю вимірювань. Крім того, виробниче середовище може бути агресивним (сильне запилення, наявність водяної пари та інших несприятливих факторів), що ускладнює визначення відмінностей між людьми і роботами, які працюють на тій же площадці.

Технології, що використовуються TE для побудови датчиків

Для контролю температури поверхні промислового обладнання використовуються компактні дискретні термістори з негативним температурним коефіцієнтом (NTC), що забезпечують вимірювання з високою точністю і відмінну довготривалу стабільність. У температурних датчиках TE використовується залежність опору кераміки та металевих композитів від температури. Для високотемпературних процесів, коли необхідно контролювати температуру на відстані, використовуються інфрачервоні (ІЧ) датчики.

У датчиках положення використовується анізотропна магніторезистивна технологія (AMR). Датчики положення KMXP випускаються в різних форм-факторах і забезпечують високу точність і надійність вимірювань в екстремальних умовах, включаючи високі температури. Ці датчики відіграють все більш важливу роль у багатьох промислових робототехнічних застосуваннях. Для складних застосувань у важких умовах експлуатації потрібні датчики, які добре працюють навіть при впливі масла, бруду та пилу. Ці датчики пропонуються у двох різних корпусах для різних варіантів орієнтації. Ці корпуси легко інтегруються практично в будь-який автоматизований процес збирання.

Для датчиків сили TE використовує п’єзорезистивні тензодатчики. Подібно до того, як цифрові ваги можуть вимірювати масу, п’єзорезистивні тензодатчики можуть вимірювати силу залежно від навантаження, що прикладається до датчика. У заводських умовах ці датчики можуть бути вбудовані в заводські підлогові килимки, щоб визначати, чи знаходиться людина в безпосередній близькості від небезпечного заводського обладнання, що допомагає запобігти травмам.

Тензодатчики також використовуються в деякому транспортному обладнанні для забезпечення безпечного переміщення компонентів і збірок по заводу. У цьому випадку тензодатчики зможуть визначити масу навантаження і зможуть запобігти несправності або стану помилки, якщо навантаження матиме масу більше допустимої або буде незбалансованим.

Датчики тиску TE призначені для широкого спектра промислових застосувань, включаючи ті, які можуть використовуватися в небезпечних зонах.

Компанія TE випускає датчики тиску, що монтуються на платі та ізольовані від середовища, з аналоговими або цифровими вихідними сигналами для вбудованих систем і OEM-застосувань.

Перехід до цифрової інфраструктури з підтримкою Інтернету речей

Промисловий інтернет речей (IIoT) представляє величезний потенціал продуктивності, але повністю реалізувати переваги IIoT досить складно. Багато компаній починають усвідомлювати важливість датчиків і змін підходів до застосувань IIoT, особливо коли відбувається злиття традиційних сфер діяльності та інформаційних технологій.

Деякі великі виробники автомобілів використовують на своїх заводах тисячі підключених датчиків для збору даних про процеси на виробництві. Автомобільна промисловість – не єдина галузь, яка першою впровадила цей підхід, оскільки роботизовані технології можуть бути корисними в інших промислових застосуваннях, таких як промислова друк і упаковка, а також у медицині, громадському харчуванні та правоохоронних органах.

Технологія IoT Start

Щоб допомогти компаніям впровадити нові продукти, TE розробила апаратно-програмний комплекс, який дає виробникам можливість розрахувати економію витрат і окупність інвестицій за рахунок підвищення ефективності та продуктивності при використанні датчиків, що випускаються компанією.

Набір інструментів IoT Start являє собою комплексне рішення, що включає датчики, систему обробки сигналів датчиків, інтерфейси дротового та бездротового зв’язку, об’єднані в простому у використанні модулі. Цей модуль дозволяє експериментувати з застосуваннями IIoT при тестуванні та оцінці створюваних систем, а також прискорити розробку застосувань IoT.

Безпека персоналу при роботі з роботизованим обладнанням

Безпека є головним пріоритетом для розробників роботизованих систем автоматизації. Оскільки промислові роботи можуть створити багато нових загроз безпеці на робочому місці, підхід «не нашкодь» став одним із найважливіших, оскільки роботи все частіше використовуються для підйому важкостей на автомобільних складальних лініях та інших промислових виробничих майданчиках. Існують суворі правила, пов’язані з безпекою роботів. Виробники повинні підготуватися до цього до того, як роботи будуть встановлені, щоб забезпечити дотримання вимог безпеки та створити безпечне середовище для працівників.

Навчання виробничого персоналу також необхідне для забезпечення безпеки співробітників. При впровадженні роботизованого обладнання від працівників потрібен новий рівень знань. Багатьом доведеться пройти навчання з управління новим роботизованим обладнанням.

TE Connectivity пропонує рішення, які можуть допомогти отримати необхідні дані з точними вимірюваннями в режимі реального часу від датчиків: тиску, вологості, сили, вібрації, температури, положення тощо.

Датчики вібрацій

Зі зростанням числа систем автоматизації зростає попит на датчики для невеликих систем і окремих пристроїв, таких як шпинделі, конвеєрні стрічки, сортувальні столи або верстати, що вимагають регулярного профілактичного обслуговування. Час простою машини в цих застосуваннях є критичним. Раніше акселерометри використовували в основному для моніторингу стану важкого обладнання, такого як вітрові млини, промислові насоси, турбіни, компресори та системи вентиляції і кондиціонування (рис. 1). Однак у даний час значно зріс попит на датчики для малих машин, породжуваний цифровою промисловою трансформацією .

П’єзоелектричні датчики вібрацій

П’єзоелектричні акселерометри (ПЕ) містять п’єзоелектричні кристали, які генерують сигнал при впливі зовнішнього механічного збудження, наприклад, вібрації механізмів.

Більшість п’єзоелектричних датчиків засновані на кераміці титанату цирконату свинцю (PZT), яка поляризована для вирівнювання диполів. Кристали PZT ідеально підходять для застосувань моніторингу стану, оскільки вони працюють у широкому діапазоні температур, широкому динамічному діапазоні та широкій смузі частот (можна використовувати до частот трохи вище 20 кГц).

При реалізації датчиків вібрацій найчастіше використовуються два основних режими роботи чутливих елементів (відповідно, і два типи конструкцій):

• режим стиснення
• режим зсуву (режим згину є рідко використовуваною альтернативою).

У датчиках, що працюють у режимі стиснення, для стиснення п’єзоелектричного кристала поверх кристала розташовують вантаж, який і створює попереднє стиснення (рис. 2,а). Датчики з такою конструкцією стають менш популярними через схильність до деформацій основи при монтажі. Крім того, вони мають гіршу температурну стабільність порівняно з датчиками, що працюють у режимі зсуву.

Датчики, що працюють у режимі зсуву, зазвичай мають кристал кільцевої форми і вантаж у формі кільця, прикріплений до опорної стійки (рис. 2,б).

Ця конструкція має значно кращі характеристики порівняно з конструкціями, що працюють у режимі стиснення, оскільки вона ізольована від основи і набагато менш чутлива до теплових напружень, що забезпечує підвищену стабільність параметрів. Більшість конструкцій акселерометрів для моніторингу стану, що пропонуються сьогодні, працюють у зсувному режимі, і їх слід вибирати для більшості установок моніторингу стану.

Ємнісні датчики вібрацій

Ємнісні датчики вимірюють прискорення, використовуючи зміни ємності сейсмічного датчика – маси, що рухається між двома паралельними пластинами конденсатора. Зміна ємності прямо пропорційна прикладеному прискоренню. Для акселерометрів потрібно, щоб пристрій обробки розташовувався якомога ближче до чутливого елемента для перетворення малих змін ємності у вихідну напругу. Такий процес перетворення часто призводить до малого співвідношення сигнал/шум і, як наслідок, до обмеженого динамічного діапазону. Такі датчики найчастіше виготовляють за технологією МЕМS.

Для промислового моніторингу стану та профілактичного обслуговування обладнання забезпечення довгострокової надійної, стабільної та точної роботи датчиків вважаються критично важливими такі параметри:

• частотний діапазон
• роздільна здатність датчика та його динамічний діапазон
• довгострокова стабільність параметрів з мінімальним дрейфом
• діапазон робочих температур
• варіанти виконання та простота встановлення
• варіанти вихідного сигналу датчика (аналоговий або цифровий).

Компанія TE провела тестування робочих характеристик типового п’єзоелектричного акселерометра моніторингу стану та широкосмугового ємнісного акселерометра (VC MEMS) з діапазоном повної шкали ±50 g.

Результати тестування ілюструє рис. 3. Як смуга пропускання приймається діапазон частот, у якому максимальне відхилення амплітуди сигналу не перевищує ±1 дБ (часто використовується більш жорстке відхилення ±5 % для визначення смуги пропускання).

Дані показують, що датчик VC MEMS має корисну смугу пропускання до 3 кГц, у той час як п’єзоелектричний датчик має корисну смугу пропускання більше 10 кГц (конкретний ПЕ-датчик у тестуванні за специфікацією має смугу пропускання до 14 кГц). Варто зазначити, що нижня частота смуги пропускання ПЕ-датчика дорівнює 2 Гц, у той час як датчик MEMS має лінійну АЧХ аж до 0 Гц.

На рис. 3 наведені типові амплітудно-частотні характеристики п’єзоелектричних і ємнісних акселерометрів.

Роздільна здатність і динамічний діапазон

Як показали випробування, проведені компанією TE, динамічний діапазон п’єзоелектричних датчиків у середньому на 20 дБ ширший, ніж у МЕМS-датчиків, а роздільна здатність у 8 разів вища (3 двійкові розряди).

Довгострокова стабільність з мінімальним дрейфом

Довготривала стабільність ПЕ-датчиків добре відома завдяки більш ніж 30-річному досвіду експлуатації в польових умовах. П’єзоелектричні кристали за своєю природою стабільні і показали чудову стабільність з плином часу. Параметри довготривалого дрейфу також залежатимуть від складу використовуваного кристала, тому представити фактичне значення складно. Кварц володіє найкращою довготривалою стабільністю, але він рідко використовується в застосуваннях для моніторингу стану через вузьку смугу частот і високу вартість. Датчики на основі PZT (титанату цирконату свинцю) є найбільш поширеними для більшості застосувань.

Ємнісні МЕМS-акселерометри також мають значні відмінності характеристик залежно від конструкції МЕМS.

Об’ємні мікромеханічні МЕМS-датчики мають кращий довготривалий дрейф порівняно з ПЕ-датчиками з поверхневою мікрообробкою, але значно дорожчі і зазвичай використовуються лише в інерційних застосуваннях. Для моніторингу стану виробники МЕМS пропонують датчики з поверхневою мікрообробкою, які дешевші за ПЕ-датчики на основі титанату цирконату свинцю. Однак такі датчики мають меншу роздільну здатність і гіршу довготривалу стабільність.

Діапазон робочих температур

Діапазони робочих температур акселерометрів ПЕ і MEMS порівнянні. Як ті, так і інші, придатні для роботи в діапазоні від –40 до 125 °C. В екстремальних умовах може використовуватися п’єзоелектричний датчик у зарядному режимі, який може працювати при температурах, що перевищують +700 °C.

Характеристики деяких датчиків TE

Одноосьові SMT-акселерометри серії 820M1

У серії випускається 6 модифікацій одноосьових акселерометрів (рис. 4).

Основні параметри п’єзоелектричних акселерометрів серії 820M1:

• динамічний діапазон від ±25 до ±6000 g
• максимально допустиме прискорення 10000 g
• поперечна чутливість 8 %
• температурна чутливість 8 % у робочому діапазоні температур
• смуга пропускання від 6 до 10 000 Гц при нерівномірності АЧХ не більше ±1 дБ
• смуга пропускання від 2 до 15 000 Гц при нерівномірності АЧХ не більше ±3 дБ
• резонансна частота 30 кГц
• амплітуда вихідного сигналу ±1,25 В
• напруга живлення від 3 до 5.5 В постійного струму
• струм споживання не більше 62 мкА
• захист від електростатичних розрядів до 2 кВ
• вихідний опір 100 Ом
• час прогріву не більше 1 с
• герметичний корпус LCC, відповідає IP68
• габаритні розміри 8.89×8.89×4.2 мм
• п’єзокерамічний кристал, що працює в режимі зсуву
• діапазон робочих температур від –40 до 125 °C
• монтаж на друковану плату, можливість пайки оплавленням
• низька вартість.

У табл. 1 наведені робочі діапазони вимірювань і шум акселерометрів серії 820M1.

На рис. 5 наведено перелік модифікацій і маркування акселерометрів серії 820M1.

Структура акселерометрів 820M1 наведена на рис. 6.

На рис. 7 і 8 наведені типові характеристики залежності чутливості від частоти та від температури відповідно.

Таблиця 1. Робочі діапазони вимірювань і шум акселерометрів серії 820M1

Трехосьові акселерометри серії 830M1

У серії випускається 7 модифікацій трехосьових акселерометрів (рис. 9).

Основні параметри п’єзоелектричних акселерометрів серії 830M1:

• динамічний діапазон від ±25 до ±2000 g
• максимально допустиме прискорення 5000 g
• смуга пропускання від 6 до 10 000 Гц при нерівномірності АЧХ не більше ±1 дБ
• смуга пропускання від 2 до 15 000 Гц при нерівномірності АЧХ не більше ±3 дБ
• резонансна частота 30 кГц
• амплітуда вихідного сигналу ±1.25 В
• напруга живлення від 1.5 до 5.5 В постійного струму
• струм споживання не більше 200 мкА
• захист від електростатичних розрядів до 2 кВ
• вихідний опір 100 Ом
• час прогріву не більше 1 с
• вбудований датчик температури на основі термістора
• герметичний корпус LCC, відповідає IP68
• габаритні розміри 15.2×5.2×4.2 мм
• маса не більше 1 г
• п’єзокерамічний кристал, що працює в режимі зсуву
• діапазон робочих температур від –40 до 125 °C
• монтаж на друковану плату, можливість пайки оплавленням
• низька вартість.

Таблиця 2. Робочі діапазони вимірювань і шум трехосьових акселерометрів серії 830M1

Структура акселерометрів 830M1 наведена на рис. 11.

На рис. 7 і 8 наведені типові характеристики залежності чутливості акселерометрів 830M1 від частоти та від температури відповідно.

Акселерометри 830M1 зберігають працездатність при напрузі живлення 1.5 В, але при цьому звужується ефективний діапазон вимірювань, як показано в табл. 3. Тому не рекомендується використовувати напругу живлення нижче 2.8 В (номінальне значення напруги живлення 3.3 В).

Схеми підключення термістора для формування сигналів датчика температури наведені на рис. 12.

Залежності вихідної напруги датчиків з різними схемами включення термістора наведені на рис. 13.

Таблиця 3. Залежність діапазону вимірювань від напруги живлення

Залежність опору термістора, вбудованого в акселерометри 830M1, від температури наведена на рис. 14.

Трипровідні одноосьові акселерометри 805M1 у корпусі TO-5

У серії випускається 7 модифікацій одноосьових акселерометрів (рис. 15).

Основні параметри п’єзоелектричних акселерометрів серії 805M1:

• динамічний діапазон від ±20 до ±500 g
• смуга пропускання від 1 до 8 000 Гц при нерівномірності АЧХ не більше ±1 дБ
• смуга пропускання від 0.4 до 10 000 Гц при нерівномірності АЧХ не більше ±3 дБ
• резонансна частота 34 кГц
• амплітуда вихідного сигналу ±2 В
• напруга живлення від 3 до 5.5 В постійного струму
• струм споживання не більше 800 мкА
• вихідний опір 100 Ом
• габаритні розміри ∅8.89×11.5 мм
• маса не більше 5 г
• можлива поставка з додатковою ізолюючою оболонкою
• п’єзокерамічний кристал, що працює в режимі зсуву
• діапазон робочих температур від –40 до 100 °C
• монтаж у отвори.

У табл. 4 наведені робочі діапазони вимірювань і шум акселерометрів серії 805M1.
Маркування акселерометрів серії 805M1 аналогічне маркуванню 830M1 – цифри суфікса показують діапазон вимірювання прискорень.

Таблиця 4. Робочі діапазони вимірювань і шум акселерометрів серії 805M1

Бездротовий акселерометр 8911

Зовнішній вигляд акселерометра наведено на рис. 16.

Акселерометр призначений для роботи в мережах LoRaWAN™ 868/915 МГц.

Бездротовий акселерометр TE моделі 8911 для POC містить датчики для вимірювання вібрацій і температури, цифровий сигнальний процесор і прийомопередавач в одному корпусі. Живлення акселерометра здійснюється від вбудованої батареї.

Бездротовий акселерометр моделі 8911 використовує протокол зв’язку LoRaWAN™, що пропонує простий, надійний і безпечний спосіб контролю стану промислового обладнання і призначений для встановлення в таких місцях, де вартість встановлення дротових систем є непомірно високою.

Датчик 8911 включає п’єзоелектричний акселерометр з смугою пропускання до 10 кГц, високою роздільною здатністю і високою довготривалою стабільністю. Завдяки вбудованому цифровому процесору датчик формує і передає по радіоканалу такі дані:

• центральну частоту в спектрі вібрацій
• пікове значення вібрацій
• смугу частот виміряних вібрацій
• спектральний склад вібрацій у восьми смугах.

Основні параметри датчика 8911:

• динамічний діапазон від 0.001 до ±40 g
• роздільна здатність 12 біт при вимірюванні вібрацій і температури
• смуга пропускання від 1 до 10 000 Гц при нерівномірності АЧХ не більше ±1 дБ
• смуга пропускання від 1 до 15 000 Гц при нерівномірності АЧХ не більше ±3 дБ
• максимально допустиме прискорення 2000 g
• резонансна частота 30 кГц
• поперечна чутливість 5 %
• температурна чутливість від –10 до 5 % у робочому діапазоні частот
• нелінійність не більше ±1 % від повної шкали
• залишковий шум не більше 0.06 g (середньоквадратичне значення)
• похибка вимірювання температури не більше ±1.5 °C
• напруга живлення не більше 3.5 В постійного струму
• середнє значення струму споживання 35 мкА
• піковий струм споживання в режимі передачі 50 мА
• термін автономної роботи без заміни батарей не менше 5 років
• захист від електростатичних розрядів до 2 кВ
• потужність передавача 14 дБм
• чутливість приймача –137 дБм
• п’єзокерамічний кристал, що працює в режимі зсуву
• діапазон робочих температур від –20 до 60 °C
• відносна вологість не більше 95 %
• габаритні розміри Ø31.75×78 мм
• маса не більше 5 г
• монтаж (залежно від модифікації) на клейку монтажну шпильку (AC-D04210), шпильку M6 із зовнішньою різьбою (AC-D03665), шпильку M5 із зовнішньою різьбою (AC-D03664), магнітну монтажну шпильку (AC-A04209).

На рис. 17 наведено приклад спектра, виміряного датчиком, а в табл. 5 – приклад даних, що передаються.

Таблиця 5. Приклад даних, що передаються бездротовим датчиком 8911

На рис. 18 показано бездротовий датчик 8911 без захисної кришки.

Для індикації режимів роботи на платі датчика розміщено 2 світлодіоди:

• синій світлодіод:
– загоряється на дві секунди, коли датчик запитує підключення до мережі LoRaWAN™ і приєднується до неї
– загоряється на короткий час, коли датчик виробляє вибірку даних, передає дані, отримує підтвердження

• червоний світлодіод:
– загоряється на дві секунди, якщо запит на підключення до мережі LoRaWAN™ не прийнятий
– загоряється на короткий час, якщо дані, що передаються, не підтверджені

Світіння кольорових світлодіодів можна побачити через напівпрозору кришку, коли вона прикріплена. Щоб отримати доступ до кнопки скидання та початкової ініціалізації, необхідно відкрутити верхню кришку.

Висновок

З наведеного короткого огляду акселерометрів компанії TE Connectivity можна зробити висновок, що їх застосування може забезпечити контроль вібрацій різних механізмів у дуже широкому діапазоні значень, у широкій смузі частот і широкому діапазоні температур, зберігаючи при цьому високу стабільність параметрів.