ДАТЧИКИ TE Connectivity ДЛЯ СИСТЕМ ПРОМИСЛОВОГО ІНТЕРНЕТУ РЕЧЕЙ

Індустрія 4.0 та промисловий Інтернет речей (IIoT)

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 керування.

Роль датчиків в автоматизації

Для автоматизації будь-яких процесів необхідно використовувати датчики .
У TE Connectivity (TE) вважають, що в міру зростання потреби в автоматизації промислових роботів датчики залишатимуться основою для систем збору даних, які дозволяють перетворити виробничі цехи на автоматизовані заводи майбутнього.

Підготовка TE до майбутнього в робототехніці

Фактично, TE готова до майбутнього в робототехніці. Останні покоління промислових роботів можуть виконувати складні завдання в автомобілебудуванні й авіабудуванні, фармацевтичній промисловості, металообробці, логістиці та в 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 керування рухом і точного позиціонування компонентів систем — як під час виробництва, так і при профілактичному обслуговуванні обладнання.

Потреба у високоточних сенсорах

У міру того, як революція в робототехніці набирає обертів, більшості виробників потрібні дедалі точніші датчики для вбудовування в роботизоване обладнання.
Наприклад, для виробництв, де одночасно працюють люди й роботи, системи датчиків повинні не лише виявляти, чи перебуває поруч людина, але й запобігати будь-якому можливому зіткненню між роботом і працівниками, які знаходяться поблизу.

У більшості випадків потрібні датчики зі змінним діапазоном і роздільною здатністю вимірювань. Крім того, виробниче середовище може бути агресивним (значне запилення, наявність водяної пари та інших несприятливих факторів), що ускладнює визначення різниці між людьми та роботами, які працюють на тій самій ділянці.

Технології, використовувані TE для побудови датчиків

Датчики температури

Для контролю температури поверхні промислового обладнання використовуються компактні дискретні термістори з негативним температурним коефіцієнтом (NTC), що забезпечують вимірювання з високою точністю та чудову довготривалу стабільність.

У температурних датчиках TE використовується залежність опору кераміки та металевих композитів від температури. Для високотемпературних процесів, коли потрібно контролювати температуру на відстані, використовуються інфрачервоні (ІЧ) датчики.

Датчики положення

У датчиках положення використовується анізотропна магніторезистивна технологія (AMR).
Датчики положення KMXP випускаються в різних форм-факторах і забезпечують високу точність та надійність вимірювань в екстремальних умовах, зокрема при високих температурах.

Ці датчики відіграють дедалі важливішу роль у багатьох промислових робототехнічних застосуваннях. Для складних застосувань у важких умовах експлуатації потрібні датчики, які добре працюють навіть при впливі мастила, бруду та пилу.

Такі датчики пропонуються у двох різних корпусах для різних варіантів орієнтації. Ці корпуси легко інтегруються практично в будь-який автоматизований процес складання.

Датчики сили

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, прикладеного до датчика.

У заводських умовах ці датчики можуть бути вбудовані в підлогові килимки, щоб визначати, чи знаходиться людина поблизу небезпечного обладнання, що допомагає запобігти травмам.

Тензодатчики також використовуються в деякому транспортному обладнанні для забезпечення безпечного переміщення компонентів і вузлів по заводу. У цьому випадку тензодатчики здатні визначити масу навантаження й можуть запобігти несправності або аварійному стану, якщо навантаження перевищує допустиму масу або є незбалансованим.

Датчики тиску

Датчики тиску TE призначені для широкого спектра промислових застосувань, включаючи ті, що можуть використовуватися в небезпечних зонах.
Компанія TE випускає датчики тиску, що монтуються на платі й 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 додатків 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 промисловий друк і пакування, 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 додатками IIoT під час тестування та оцінки створюваних систем, а також прискорити розробку додатків 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 безпеки на робочому місці, підхід «не зашкодь» став одним з найбільш важливих, оскільки роботи все частіше використовуються для підйому важких вантажів 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 вимагається новий рівень знань. Багатьом доведеться пройти навчання з управління новим роботизованим обладнанням.

TE Connectivity предлагает решения, которые могут помочь получить необходимые данные с точными измерениями в режиме реального времени от датчиков: давления, влажности, силы, вибрации, температуры, положения и т. д.

Датчики вібрацій

З ростом 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 вітряні млини, промислові насоси, турбіни, компресори та системи вентиляції та кондиціонування (рис. 1). Однак зараз значно зріс попит на датчики для малих машин, породжений 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).

Режими роботи чутливих елементів

При реалізації датчиків вібрацій найчастіше використовуються два основні 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 та вантажик 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 значно менш чутлива до теплових напруг, що забезпечує підвищену стабільність параметрів. Більшість конструкцій акселерометрів для моніторингу стану, пропонованих 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 на 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 МЕМС.

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 установки
• варіанти вихідного сигналу датчика (аналоговий або цифровий).

Компанія ТЕ 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 смугу пропускання приймається діапазон частот, у якому максимальне відхилення амплітуди сигналу не перевищує ±1 дБ (часто використовується жорсткіше відхилення ±5% для визначення смуги пропускання).

Дані показують, що датчик VC MEMS має корисну смугу пропускання до 3 кГц, тоді 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, тоді як датчик MEMS має лінійну АЧХ аж до 0 Гц.

Роздільна здатність і динамічний діапазон

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

Довгострокова стабільність з мінімальним дрейфом

Довговічна стабільність ПЕ-датчиків добре відома завдяки більш ніж 30-річному досвіду експлуатації в польових умовах. П’єзоелектричні кристали за своєю природою стабільні та показали чудову стабільність з часом. Параметри довготермінового дрейфу також залежатимуть від складу використовуваного кристала, тому представити фактичне значення складно. Кварц має найкращу довготермінову стабільність, 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 МЕМС-акселерометри також мають значні відмінності характеристик залежно від конструкції МЕМС.

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

Діапазон робочих температур

Діапазони робочих температур акселерометрів ПЕ та 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.

Рассмотрим характеристики деяких датчиків ТЕ.

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 паяння оплавленням
• низька вартість.

У табл. 1 наведено 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 наведено типові характеристики залежності чутливості від частоти та від температури, відповідно.

1

У серії випускається 7 модифікацій трьохосьових 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 паяння оплавленням
• низька вартість.

Таблиця 2. Робочі діапазони вимірювань та шум трьохосьових акселерометрів серії 830M1

У табл. 2 наведено робочі діапазони вимірювань і шум акселерометрів серії 830M1.

На рис. 10 наведено перелік модифікацій і маркування акселерометрів серії 830M1.

Структура акселерометрів 830M1 наведена на рис. 11.

На рис. 7 і 8 наведено 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 наведено на рис. 12.

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

Трьохпроводні 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 в отвори.

У табл. 4 наведено робочі діапазони вимірювань і шум акселерометрів серії 805M1.

Таблица 4. Рабочие диапазоны измерений и шум акселерометров серии 805M1

Бездротовий акселерометр 8911
Зовнішній вигляд акселерометра наведено на рис. 16.

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 приймопередавач 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 та призначений для установки в таких місцях, де вартість установки дротових систем є непомірно високою.

Датчик 8911 включає п’єзоелектричний акселерометр з смугою пропускання до 10 кГц, високою роздільною здатністю та високою довготерміновою стабільністю. Завдяки вбудованому цифровому процесору датчик формує та 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 °С
• 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 з зовнішньою різьбою (AC-D03665), шпильку M5 з зовнішньою різьбою (AC-D03664), магнітну монтажну шпильку (AC-A04209).

На рис. 17 наведено приклад спектру, виміряного датчиком, а в табл. 5 – приклад передаваних даних.

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 передані дані 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.

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.