Využití světlovodných čidel v automatizaci

Světlovodná čidla nacházejí využití rovněž v moderních aplikacích z oblasti robotiky a automatizace. Technologie světlovodů se totiž ukazuje být nesrovnatelně lepší než konvenční optická řešení. Vděčí za to svým přednostem: přenosu světelných vln necitlivému na EM pole, které jej ruší, minimálním ztrátám a také možnosti využít široké pásmo modulovaného světelného paprsku.

Čidla v automatizaci – obecné rozdělení

V automatizaci se používá mnoho nejrůznějších čidel, která lze řadit do kategorií podle několika kritérií. Standardní dělení spočívá v odlišení typů výstupů čidel, podle kterých se rozlišují čidla: PNP, NPN, napěťová, proudová a kontaktní. Mnohem důležitější je však dělení s ohledem na jejich použití a princip funkce.

Kromě tohoto 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.

Tento text se zaměří výlučně na skupinu optických čidel, konkrétně na světlovodná čidla.

Co je a jak funguje světlovodné čidlo

Díky dynamickému rozvoji světlovodné techniky a optoelektroniky se světlovody a světlovodná čidla stále intenzivněji používají v mnoha sektorech hospodářství a odvětvích: od elektrotechniky a telekomunikací, přes široce pojatý průmysl a robotiku až po medicínský a potravinářský obor. Řešení z oblasti světlovodné techniky se volí hlavně v oblasti měřicí a kontrolní techniky, také v podobě 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 třeba 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 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 je možné rozdělit na zařízení pasivní a aktivní. Konstrukce aktivního světlovodného čidla obsahuje zdroj optického signálu, zatímco pasivní světlovodné čidlo pro svou funkci potřebuje, aby byla optická energie přivedena. Velký 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 nejdůležitějšími 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 lze jmenovat světlovodná čidla s vnějším zpracováním (hybridní), u nichž je signál z čidla přiváděn a odváděn světlovodem, a světlovodná čidla s vnitřním zpracováním (plně světlovodná). U těchto čidel plní světlovod současně funkci optického převodníku i vlnovodu.

K hybridním čidlům se řadí mj. prvky se změnou přenosu a odrazná či vícemódová polarimetrická čidla. Čidly plně světlovodnými jsou mj. mikrodeformační čidla, čidla s Braggovou buňkou a interferometrická čidla.

Dělení s ohledem na způsob informace o měřené veličině

Na základě tohoto kritéria se rozlišují taková čidla v automatizaci jako: světlovodná čidla jednobodová a 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. mikrodeformační světlovodná čidla posunu, síly a tlaku.

Čidla s kontinuálním příjmem v prostoru jsou čidla využívaná v automatizaci hlavně k 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 proti elektromagnetickému rušení a také rychlost přenosu informací vedou k tomu, že možnosti světlovodné techniky předčí mnoho doposud používaných konvenčních optických technik.

K základním přednostem světlovodných čidel a světlovodné techniky lze počítat:
– odolnost proti 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 (prostředích chemicky agresivních, v hořlavém prostředí či v prostředí s nebezpečím výbuchu),
– kompaktní rozměry,
– velkou citlivost, přesnost a spolehlivost,
– možnost bezkontaktní činnosti,
– široké pásmo umožňující velmi rychlý přenos informací.

Z toho vyplývají specifika světlovodů a světlovodných čidel, která nacházejí uplatnění v automatizaci mj. v:
– inteligentních strukturách (smart structures), které jsou čidly bezprostředně implementovanými v kompozitních materiálech a používají se k 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 při testování potravin. Nabídka společnosti Transfer Multisort Elektronik Sp. z o. o. zahrnuje čidla vyráběná předními výrobci, jako jsou Anly Electronics, Omron, Panasonic, SensoPart nebo SICK. Více informací lze získat na webové stránce společnosti: www.tme.eu/cz/

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 5/2019 na straně 34. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.