Непосредственное обнаружение системой с одним преобразователем

В этом случае излучатель и детектор располагаются в одном корпусе, что обеспечивает компактность конструк­ции датчика.

Недостатком этого метода является относительно большое минимальное расстояние обнаружения: отражённые сигналы от объектов, расположенных очень близко к датчику, поступают раньше окончания спада импульса из­лучателя и по этой причине не могут быть обработаны.

Основные особенности:

• размеры зоны обнаружения зависят от отражательной способности объек­та, то есть от характеристик рассеива­ния поверхности и угла направленно­сти излучения по отношению к ней (в определённых пределах это влияние может быть компенсировано под­ стройкой чувствительности датчика);

• соответствующие датчики состоят из одного блока и не требуют сложной установки.

Непосредственное обнаружение системой с двумя раздельными преобразователями

Путем применения двух отдельных преобразователей минимальное рас­стояние обнаружения может быть су­щественно уменьшено по сравнению со случаем использования единого приёмопередатчика. Если приёмник акустически разделён с излучателем, то, в принципе, отражённый сигнал может быть принят сразу после излуче­ния, а в реальных условиях это проис­ходит с некоторой задержкой, опреде­ляемой переходными процессами в преобразователях.

Оба преобразователя могут распола­гаться в одном корпусе или устанавли­ваться раздельно (рис. 13). Основные особенности:

• обеспечивается возможность непо­средственного обнаружения неболь­ших объектов и работы на малых рас­стояниях до объекта;

• соответствующие датчики нечувст­вительны к отражениям от объектов за пределами зоны обнаружения (ма­скирование фона).

Ретрорефлективный метод

Данный метод является наиболее ус­тойчивым к помехам. Контролируется пространство между датчиком и стационарным рефлектором (рис. 14). При­ёмник улавливает ультразвуковой сиг­нал, отражённый от рефлектора. При пересечении луча объектом происходит срабатывание датчика. Почти все дат­чики фирмы Pepperl+Fuchs, работаю­щие по такому методу, обладают функ­цией регулирования диапазона сраба­тывания и снабжены двумя выходами и двумя светодиодными индикаторами.

Посредством этого метода также воз­можно определять объекты из звукопо­глощающих материалов.

Рис. 13. Принцип непосредственного обнаружения объекта датчиком

с раздельными излучателем и приёмником

Метод прерывания луча

Этот метод характеризуется большой дальностью обнаружения, так как в дан­ном случае для определения местополо­жения объекта ультразвуковая волна должна пройти расстояние между излу­чателем и приёмником только в одном направлении (рис. 15). Помехоустойчи­вость этого метода лучше, чем у метода непосредственного обнаружения, пото­му что обрабатывается излучённый, а не отражённый ультразвуковой импульс.

Однако реализация метода прерыва­ния луча требует более высоких затрат.

Датчики, работающие по прерыванию луча, иногда называют барьерными. Они более предпочтительны для ис­пользования внутри помещений по сравнению с датчиками, реализующими метод непосредственного обнаружения.

Сравнение методов

Подробней остановимся на сравне­нии ультразвуковых датчиков, работающих на основе ретрорефлективного метода и метода прерывания луча. В обоих случаях датчики оперируют с импульсом запуска определённой дли­тельности, по которому излучатель ге­нерирует пачку импульсов и в детекто­ре формируется управляющее напря­жение.

Рис. 14. Принцип обнаружения объекта по ретрорефлективному методу

Рис. 15. Принцип обнаружения объекта по методу прерывания луча

 

Ретрорефлективный датчик посто­янно контролирует расстояние между ультразвуковым излучателем и ре­флектором с фиксированным поло­жением. Электронная схема обработ­ки и управления (встроенный кон­троллер) измеряет время прохожде­ния сигнала. В случае когда соответ­ствующее измеренному времени рас­стояние оказывается отличным от фиксированного расстояния до ре­флектора, выходной электронный ключ переключается. Из-за неизбеж­ных изменений в воздушной среде скорость звука может колебаться в определённых пределах, поэтому при измерении времени необходимо вво­дить соответствующую внешним ус­ловиям поправку (t_r ± dt), которая за­тем учитывается при определении расстояний до рефлектора или объек­та (рис. 14).

При определении частоты повторе­ния импульсов (f) рассматриваются три возможных случая:

• объект обнаружен;

• объект не обнаружен;

• эхо-сигнал не поступает в детектор.
В первом случае частота следования импульсов равна

f= 1/(2×t₀),

где t₀ — время прохождения ультра­звукового импульса от датчика до объ­екта.

Во втором случае частота следования импульсов меньше, чем в первом слу­чае, и вычисляется по удвоенному вре­мени прохождения ультразвукового импульса от датчика до рефлектора (t_r):

f= 1/(2×t_r).

Третий случай возможен в ситуаци­ях, когда объект обладает свойствами поглощения звука или имеет наклон­ную поверхность, которая отражает ультразвуковую волну в направлении, отличном от направления на детектор. В этом случае спустя время (t_r + dt), ко­торое соответствует максимальному времени прохождения ультразвукового импульса до рефлектора, излучается очередной импульс, как если бы объект отсутствовал в зоне обнаружения дат­чика:

f=1/(2×(t_r+dt)).

Одним из недостатков ретрорефлек-тивного метода является то, что ультра­звуковая волна должна пройти от датчика до рефлектора (объекта) и обрат­но, что в два раза увеличивает время отклика по сравнению с системами, основанными на методе прерывания (ослабления) луча ультразвука (барьер­ные системы). Другим недостатком яв­ляется то, что из-за высокого уровня затухания волны на двойном отрезке пути данный метод применим только при относительно небольших расстоя­ниях между датчиком и рефлектором.

При реализации метода прерывания луча детектор и излучатель располага­ются строго друг против друга. Вслед­ствие вдвое меньшего расстояния, ко­торое проходит ультразвуковой им­пульс, и существенно меньших потерь на распространение максимальное расстояние обнаружения для данного объекта в 2,5… 3 раза больше, чем для ретрорефлективного.

Минимальное расстояние обнаруже­ния для метода прерывания луча зави­сит от времени реакции преобразовате­ля и связанной с ним электронной час­ти и находится в пределах нескольких сантиметров.

Время прохождения луча измеряется с момента излучения ультразвукового импульса. Электронная схема обработки и управления анализирует поступа­ющие импульсы только в пределах вре­мени распространения t_E, которое со­ответствует расстоянию между излуча­телем и приёмником (рис. 15). Если луч прерывается, то последующие им­пульсы не регистрируются приёмни­ком и электронная схема переключает выходной каскад датчика, после чего новый цикл измерения инициируется через промежуток времени (t_E + dt). Если ультразвуковой луч не прерывает­ся, то новый измерительный цикл на­чинается через промежуток времени t_E. Так что независимо от того, прерывает­ся луч или нет, частота следования им­пульсов (F) сохраняется почти посто­янной:

F=1/(t_E+dt)≈1/t_E.

Для того чтобы подавить помехи, электронная схема обработки и управ­ления инициирует задержку переклю­чения дискретного выхода на время, соответствующее нескольким полез­ным отражённым сигналам. Это повы­шает помехоустойчивость датчика, но снижает максимальную частоту пере­ключения барьерной системы.

Для дополнительного подавления помех электронная схема обработки изменяет длительность синхронизиру­ющих импульсов в зависимости от рас стояния между излучателем и приём­ником.

Таблица 2. Основные технические данные ультразвуковых датчиков серии 18GK c одним
дискретным выходом

 

 

Таблица 3. Основные технические данные ультразвуковых датчиков серии 30GМ c двумя комплементарными дискретными выходами

Таблица 4. Основные технические данные ультразвуковых датчиков с двумя дискретными выходами в корпусе типа VariKont

 

Основные технические данные барь­ерных ультразвуковых датчиков фирмы Pepperl+Fuchs представлены в табли­цах 2, 3, 4, 5, 6.

Например, датчик UBE4000-30GM-SA2-V1 способен функционировать в запылённой атмосфере, надёжно опре­делять наличие тонких прозрачных плёнок и хлопьевидных материалов (стиропор, целлюлоза, мелкозернис­тые синтетические материалы). Чувст­вительность датчика регулируется встроенным потенциометром, юсти­ровка контролируется по встроенным светодиодным индикаторам. Для дис­танционной регулировки диапазона чувствительности возможно подклю­чение внешнего потенциометра FP100 к излучателю.

Интересным примерами использо­вания метода ослабления ультразвуко­вых волн является решение на его ос­нове задач выявления сдвоенных лис­тов бумаги, контроля за положением наклеек и мест стыка. Серия устройств UDB-18GM (табл. 7) специально раз­работана для подобных применений (рис. 16), которые востребованы в раз­личном оборудовании, например:

• в печатных станках выявление сдав­ленных листов защищает сложную механику от повреждений, вызванных застреванием второго листа в станке;

• в аппаратах, подсчитывающих эти­кетки, для проверки факта нанесе­ния клейких плёнок на материал и подсчёта готовых этикеток;

• в оборудовании обработки коррес­понденции для проверки полной разгрузки открытых конвертов;

• в аппаратах, подсчитывающих кви­танции, контрольные талоны, бан­ковские расписки и т. п.;

• в упаковочных машинах для контро­ля положения стыка при закрепле­нии алюминиевой упаковочной плёнки, а также для определения скорости хода станка;

• в системах сортировки бумаги и т.д.
Ультразвуковые системы на базе

UDB-18GM способны обнаруживать металлизированные, глянцевые, про­зрачные поверхности и могут приме­няться в тех случаях, когда ёмкостные и оптические системы достигают преде­лов своих возможностей. Простая наст­ройка на различные материалы и тол­щины (TEACH-IN), а также автомати­ческое регулирование порога переклю­чения при изменении условий окружающей среды упрощают подготовку UDB-18GM к эксплуатации и расши­ряют круг возможных применений.

В ближайших номерах журнала «СТА» планируется, опираясь на опи­санные в данной статье физические принципы работы и реализуемые мето­ды, продолжить рассказ об ультразву­ковых датчиках для систем управления технологическими процессами. •

 

Таблица 5. Основные технические данные ультразвуковых датчиков серии F64 c диапазоном обнаружения до 500 мм и одним дискретным выходом

Таблица 6. Основные технические данные ультразвуковых датчиков серии F64 c диапазоном обнаружения до 1500 мм и одним дискретным выходом

Таблица 7. Основные технические данные устройств серии UDB-18GM

 

 

Рис. 16. Схема установки излучателя и приёмника системы на базе устройства UDB-18GM35-3E2 при выявлении сдвоенных листов бумаги.