Sensori per misura e ispezione
AN
U
-G
AG
E™
ALO
G
W
T
D
IS
CR
TP
U
ER
O
U
PO
ET
SIG
E
N
M&I
AL
IP-1
MAHC
20
19
18
OLLER
DIAG
NOS
TICS
No.
POWER
BR
Comm
EEPRO
CPU
Null
M
Error
15
14
NC
TX
TX
RS-485
ALARM
10-30Vdc
ALIGN
30V(MAX)
MAX
TX
2RX
3COM
5-
150mA
BU
BK
2
WH
OUTPUT#1
RS-23
5 Wires
30V
MAX
Type
r
Serial Error
10-30Vdc
GATE
T/R
T/R
DRN
COM
NC +12V
Error
Emitte
13
NC
RESOL
HIGH
Error
12
10
UTION
Error
Type
System
Align OK
/
Output blank
Short
R Misma
Receiv
tch
er
Error
E/
20
19
150mA
F1
RCVR
dc
STICS
OR
DIAGNO
INDICAT
EMTR
16-30V
MAX
1A
18
OUTPUT
ALARM
GATE
ALIGN
No.
17
16
CONTR
RRAY
11
MINI-A
Error
17
16
15
14
13
12
11
/ Span
ENT
10
ALIGNM
SWITCH
POWER
m
40
°
2,5
100
Indice generale
Principi di funzionamento ..........................102
Applicazioni ..........................................106
Sensore laser di misura LT3........................108
Sensore a triangolazione Q50 ......................114
Sensore laser di misura LG ........................120
Sensore ad ultrasuoni S18U ........................126
Sensore ad ultrasuoni T30U ........................132
M&I
Sensore ad ultrasuoni QT50U
a lunga portata ......................................138
Barriera ottica LX per il
rilevamento di oggetti ..............................144
Mini-Array standard e
Mini-Array ad alta risoluzione......................148
Barriere ottiche multiraggio
PVA e PVD ............................................158
Serie VTB ..............................................166
Guida alla selezione: panoramica ................................170
!
IMPORTANTE AVVISO DI SICUREZZA!
Questi sensori non includono i circuiti di autodiagnostica ridondanti necessari per permetterne l’uso in applicazioni di sicurezza del personale. Un guasto o malfunzionamento del sensore
possono generare un errato segnale in uscita. Non utilizzare
questi prodotti come dispositivi di rilevamento per la sicurezza
del personale.
Banner Engineering ©
101
Principi di funzionamento dei dispositivi di misurazione e ispezione
Glossario dei termini
Precisione
La precisione viene definita come la differenza tra il valore indicato e il valore reale a temperatura ambiente. In
molti casi, la precisione si compone di due fattori principali di errore: la risoluzione e la linearità.
Riflettanza %
100
80
60
40
20
M&I
Angolo di apertura del fascio
I sensori ad ultrasuoni emettono un cono di ultrasuoni la
cui divergenza aumenta con la distanza. L'angolo formato
da questo cono viene solitamente definito come angolo
completo. Le onde degli ultrasuoni non formano coni
perfetti. La maggior parte dell'energia è concentrata al
centro del cono. Il livello di energia decresce con la
distanza dalla linea mediana. L'angolo di apertura del
fascio viene definito come la regione nella quale l'energia
è il 50% di quella misurata lungo la linea mediana.
Vedere Figura 1.
sensore
angolo di
apertura
del fascio
Figura 1: Angolo di apertura del fascio
Effetti del colore
Il colore dell'oggetto misurato può influire sulla risoluzione e sulla precisione delle letture. I bersagli bianchi,
rossi, gialli e arancioni riflettono una maggiore quantità di
luce rispetto a quelli verdi, blu o neri. I valori di risoluzione indicati in questo catalogo si riferiscono a bersagli
bianchi. La risoluzione data dai bersagli scuri può risultare fino a quattro volte inferiore rispetto ai bersagli bianchi. La Figura 2 mostra la quantità relativa di luce ricevuta, riflessa da bersagli di vari colori.
102
ner
o
blu
ver
de
vio
la
gia
llo
ara
nci
o
L'uscita analogica di un sensore rappresenta l'uscita continua di una variabile misurata. Il valore di questa uscita
può essere 4-20 mA, 0-10 V, o altro.
ros
so
Uscita Analogica
bia
nco
0
Figura 2: Luce relativa riflessa da una sorgente a LED rossa
L'effetto sulla risoluzione è circa pari al quadrato della
luce ricevuta. Ad esempio, una riduzione della quantità di
luce di un fattore nove, provoca un degrado della risoluzione pari ad un fattore tre. I sensori ad ultrasuoni non
sono minimamente influenzati da variazioni di colore o
trasparenza del bersaglio.
Sensibilità al colore
Per i sensori ottici, la sensibilità al colore si riferisce al
cambiamento nello stato dell'uscita al variare del colore
del bersaglio. Ad esempio l'LG5 riporta normalmente
variazioni inferiori a 75 µm quando il bersaglio passa da
bianco brillante a quasi nero (da una riflettanza del 90%
fino a circa il 10%). Nota: per misurazioni molto precise,
Banner utilizza bersagli in ceramica di precisione e non le
normali carte Kodak.
Banda morta
La banda morta è la regione nella quale il sensore non
può effettuare misurazioni. Ad esempio, la banda morta
del sensore Q45U è 100 mm. In pratica, l'uscita del sensore è inutilizzabile quando il bersaglio si trova all'interno
della banda morta. È quindi importante posizionare il sensore in modo che il bersaglio venga sempre a trovarsi
all'interno dell'area di rilevamento.
Uscita digitale
Le uscite digitali sono uscite on-off che generano un
segnale quando una misurazione continua ha raggiunto
un valore preimpostato. Le uscite digitali utilizzano normalmente transistor PNP o NPN, oppure relè elettromeccanici.
Principi di funzionamento dei dispositivi di misurazione e ispezione
Resistenza di carico
Isteresi
Nota anche come “resistenza di caduta”, è una resistenza
calibrata in grado di convertire un segnale 4-20 mA in un
segnale in tensione. La resistenza di caduta più comune è
250 Ω ± 0,025 Ω, in grado di convertire la corrente in un
segnale da 1 V a 4 V. Per una stabilità ottimale in tutte le
condizioni di temperatura, la resistenza di caduta deve
avere un coefficiente di temperatura pari a 0,01% per °C
o superiore.
L'isteresi viene comunemente utilizzata per rappresentare
la differenza nei punti di commutazione dell'uscita digitale. Ad esempio, un'uscita può attivarsi quando il bersaglio raggiunge i 25 mm, ma non si disattiva fino a quando il bersaglio non supera i 24 mm. Pertanto l'isteresi è
pari a 1 mm. L'isteresi è utilizzata anche per i sensori
analogici per rappresentare la differenza in uscita tra una
variazione verso l'alto e una variazione verso il basso. Ad
esempio, una sonda a contatto è tarata per fornire un'uscita 4-20 mA da 0 a 10 mm. Spostandosi lungo l'intervallo impostato da 0 a 10 mm, il punto 5 mm corrisponde ad un'uscita di 11,98 mA. Spostandosi da 10 a 0 mm,
il punto 5 mm corrisponde a 12,02 mA. Pertanto l'isteresi
è 0,04 mA o 0,25% dell'intervallo. L'isteresi di un'uscita
analogica nei sistemi di misurazione elettromeccanica è
talvolta misurabile, mentre nei sensori di tipo non meccanico, come quelli fotoelettrici, risulta spesso irrilevante.
Risposta in frequenza
Linearità
La linearità si riferisce al massimo valore di non-linearità
nell'uscita del sensore. Viene normalmente definita come
la deviazione massima al di sopra e al di sotto dell'uscita
ideale del sensore. Occorre notare che gli errori di linearità sono errori ripetibili e non influenzano la capacità del
sensore di attivare ripetutamente le uscite digitali. Inoltre,
essendo ripetibili, sono potenzialmente correggibili all'interno del sistema host. Uno schema di linearizzazione di
un sistema host può comprendere una tabella dei valori
target e reali utilizzabile come tabella per l'interpolazione.
Vedere Figura 3.
linearità
uscita
Il valore di fondo scala di un sensore rappresenta l'intero
intervallo di misurazione. Ad esempio un sensore di spostamento laser che misuri da 75 a 125 mm ha un valore
di fondo scala pari a 50 mm. Anche se l'utente ha configurato il sensore per leggere da 100 a 120 mm, il fondo
scala rimane 50 mm. Questo dato è importante se il
costruttore elenca le prestazioni in termini di “% del
fondo scala”. Gli errori non diminuiscono con l'intervallo
di misurazione impostato, come farebbero se il costruttore avesse riportato le specifiche come “% dell'intervallo”.
▼
Fondo scala
uscita
reale
uscita ideale
distanza
Figura 3: linearità
Banner Engineering ©
103
M&I
La risposta in frequenza si riferisce alla frequenza massima che un sensore analogico è in grado di monitorare.
Tutti i sensori analogici hanno un proprio tempo di risposta che limita la loro capacità di misurare il moto periodico a frequenze elevate. Considerate ad esempio un sensore di spostamento laser con un tempo di risposta di
1,6 ms che debba misurare il fuori-asse di un cilindro in
rotazione. Siccome il tempo di campionamento è di
1,6 ms, il sensore rileverà un’ ampiezza del massimo del
fuoriasse inferiore a quella reale. Questo errore risulta
maggiore all'aumentare della velocità di rotazione.
Normalmente a questo errore viene attribuito un valore
pari alla velocità di rotazione che produce un errore di
-3 dB (-3 dB, corrisponde ad un errore del 30%). Per un
tempo di integrazione di 1,0 ms, la risposta in frequenza
a -3 dB è 450 Hz. A 450 Hz, uno spostamento di 1,0 mm
viene misurato dal sensore laser come uno spostamento
di 0,7 mm. Come riferimento, si consideri che la frequenza dell'albero a gomiti del motore di un'auto funzionante
a 3.000 giri/min è di soli 50 Hz.
Principi di funzionamento dei dispositivi di misurazione e ispezione
Campo di misura
Il campo di misura rappresenta l'intervallo massimo di
valori misurabili dal sensore.
Intervallo di misura
L'intervallo di misura si riferisce normalmente ai valori di
misurazione impostati nel sensore. Ad esempio, un sensore con un campo di misura da 0,2 a 1 m, è impostato
per un intervallo di misura da 0,5 a 0,8 m.
Condizioni di riferimento
M&I
Le specifiche indicate per i sensori di misura sono normalmente valide per determinate condizioni di riferimento. Tali condizioni sono in genere: temperatura 20 °C e
pressione pari a 1 atmosfera (circa 1 bar). Le specifiche
sono inoltre calcolate in base a bersagli particolari. Per i
dispositivi di misura laser è stato spesso utilizzato un
bersaglio in ceramica bianca. Per i sensori ad ultrasuoni
si è utilizzato un bersaglio in metallo a base quadrata.
Ripetibilità
La ripetibilità del sensore è la differenza rilevata nell'uscita del sensore quando lo stesso segnale in ingresso viene
generato un dato numero di volte. Banner utilizza normalmente la ripetibilità per valutare le prestazioni di un sensore digitale. Per un sensore digitale, la ripetibilità rappresenta la variazione misurata nella distanza di
commutazione rispetto ad un bersaglio standard, alle
condizioni di riferimento. Ad esempio, un sensore di spostamento laser è programmato per commutare la relativa
uscita ad una distanza di 100 mm. La distanza di commutazione reale viene misurata con un micrometro venti
volte. Il dato mostra una deviazione standard pari a
0,01 mm; una ripetibilità a due sigma è pari a 0,02 mm.
Risoluzione
La risoluzione è una delle specifiche più importanti di un
dispositivo di misura. Rappresenta la variazione minima
nella dimensione di un oggetto che può essere rilevata
dal dispositivo di misura. È anche una misura delle fluttuazioni dell'uscita del dispositivo quando il bersaglio si
trova ad una distanza fissa dal sensore. Ad esempio, si
consideri un dispositivo con una risoluzione pari allo
“0,2% della distanza di misurazione” che si trovi ad una
distanza di 100 mm dal bersaglio.
104
La risoluzione sarà 0,2% per 100 mm ossia 0,2 mm. Ciò
significa che qualsiasi variazione maggiore di 0,2 mm
nella posizione del bersaglio provocherà una variazione
misurabile nell'uscita del sensore. Significa inoltre che se
il bersaglio non cambia posizione, è lecito attendersi
disturbi del segnale di uscita inferiori a 0,2 mm. Alcune
volte il costruttore indica la risoluzione dell'uscita in bit,
come ad esempio “12 bit”. Questo significa che la sezione del circuito di uscita ha una risoluzione pari a 212
(4096). Se il sensore ha una campo di misura di
100 mm, questo porterebbe a 100/4096 = 0,024 mm.
Quando le specifiche sono indicate in questo modo, assicuratevi che il resto del circuito abbia una risoluzione
inferiore a quella della sezione di uscita (il convertitore
analogico-digitale). In altre parole, se un sensore ha una
risoluzione dell'uscita pari a 0,02 mm, e il resto del sistema di misurazione del sensore produce una risoluzione di
0,5 mm, la risoluzione generale sarà limitata a 0,5 mm.
Tra i fattori che influenzano la risoluzione vi sono la velocità di risposta, le condizioni del bersaglio, la distanza,
oltre a fattori esterni come le interferenze prodotte da
uscite non isolate e schermate, impianti di illuminazione,
motori, ecc.
Tempo di risposta
Il tempo di risposta misura la velocità di reazione di un
sensore ad un cambiamento della variabile in ingresso.
Questo viene normalmente indicato come il tempo che
impiega il sensore per generare un segnale in uscita che
rappresenta il 63% del cambiamento in ingresso. Ad
esempio, un sensore di temperatura a 0 °C viene velocemente introdotto nell'acqua a 100 °C. Il sensore leggerà
63 °C dopo 4 secondi. Quindi, il tempo di risposta del
sensore è 4 secondi.
Intervallo
L'intervallo di un sensore è la gamma di valori per la
quale può essere configurata la sua uscita lineare. Ad
esempio, un sensore ad ultrasuoni è tarato in modo che
4 mA corrisponde a 500 mm; 20 mA corrisponde a 1200
mm. L'intervallo del sensore sarà quindi 700 mm.
Rapporto di regolazione fondo scala
Rappresenta la quantità di uscita lineare regolabile del
sensore. Ad esempio, un sensore di spostamento potrebbe avere un intervallo di regolazione da 5 a 15 mm, il che
significa che un segnale 4-20 mA può essere assegnato a
valori da 5 mm a 15 mm.
Principi di funzionamento dei dispositivi di misurazione e ispezione
Questo intervallo viene a volte definito “scala”. Nell'esempio presentato il rapporto è di15:5 ossia 3:1.
Distanza minima
La distanza dalla superficie frontale del sensore al punto
centrale del campo di misura.
Angolo di incidenza del bersaglio
Con sensori ad ultrasuoni, un bersaglio piatto in posizione perpendicolare rispetto all'asse del cono rifletterà la
maggior parte degli ultrasuoni verso il sensore. Aumentando l'angolo di incidenza del bersaglio, la quantità di
energia ricevuta dal sensore diminuirà. In alcuni punti il
sensore non sarà in grado di “vedere” il bersaglio. Per la
maggior parte dei sensori ad ultrasuoni, l'angolo di incidenza del bersaglio dovrebbe essere 10° o inferiore.
Vedere Figura 4.
Superficie del bersaglio
Deriva di temperatura dovuta al riscaldamento
L'errore che si verifica mentre il sensore si scalda dopo
una partenza a freddo. Attendere un tempo sufficiente per
permettere il riscaldamento del sensore prima del suo
utilizzo o programmazione.
Gli effetti della temperatura sono definiti come la variazione più elevata in uscita rispetto al cambiamento nella
temperatura ambiente. Tale effetto può essere espresso
ad esempio come “1% della distanza ogni 10 °C”: ciò
significa che l'uscita del sensore varia meno dell'1% ogni
10°C di temperatura. Per i sensori ad ultrasuoni la velocità del suono dipende dalla composizione chimica, pressione e temperatura del gas nel quale si propaga. Nella
maggior parte delle applicazioni, la composizione e la
temperatura del gas sono variabili relativamente fisse,
mentre la temperatura non lo è. Nell'aria, la velocità del
suono varia in base alla temperatura secondo la seguente
approssimazione:
Cm/s = 20 √ 273 + T
essendo Cm/s = velocità del suono in m/s
T = temperatura in °C
La velocità del suono varia circa dell'1% ogni 6 °C. Alcuni
sensori ad ultrasuoni Banner dispongono di una funzione
di compensazione della temperatura. La compensazione
della temperatura riduce l'errore dovuto alla temperatura
di circa 2/3. Occorre inoltre ricordare che se il sensore
opera in condizioni di temperatura non uniformi, la compensazione sarà meno efficace.
Errore totale
La somma di tutti gli errori, dovuti ai fattori di precisione
(linearità, risoluzione/ripetibilità), effetti e deriva della
temperatura. Per stimare l'errore totale di un dispositivo,
utilizzare il metodo della radice della somma dei quadrati
(RSS), che permette di sommare le singole fonti di errore. Ad esempio un sensore con una risoluzione pari a
3 mm ed una linearità di 4 mm avrà un errore totale pari
a √ 32 + 42 = 5 mm.
Frequenza di aggiornamento
sensore
angolo di incidenza del
bersaglio ≤ 10°
La frequenza di aggiornamento del sensore è la velocità
alla quale il nuovo valore viene generato dal sensore. Non
deve essere confusa con il tempo di risposta, che è spesso piuttosto lento rispetto alla frequenza di aggiornamento. Ad esempio, un sensore può calcolare una media di
spostamento di 10 ms di dati che vengono generati in
uscita ogni 1 ms. In tal caso la frequenza di aggiornamento sarà pari a 1/1 ms o 1 kHz, mentre il tempo di
risposta sarà 6 ms.
Figura 4: Angolo di incidenza del bersaglio
Banner Engineering ©
105
M&I
Alcune volte, la scelta del sensore può essere determinata dalla superficie del bersaglio. I sensori ottici non
hanno buone prestazioni su superfici speculari e producono errori di misurazione con bersagli semitrasparenti
(es. plastica trasparente) o con materiali porosi (es.
schiuma). I sensori ad ultrasuoni presentano problemi di
funzionamento con materiali fonoassorbenti, ma possono
rivelarsi la scelta migliore nel caso di superfici trasparenti, altamente riflettenti, o a più colori.
Effetti della temperatura
Applicazioni per i sensori di misura e ispezione
2.
Receiver
H
AC
TE TPUT
OU
OU
Emitter
Press and hold Teach button until
the Teach light turns on (RED)
To Set NEAR and FAR Limits.
Adjust target to 1st limit position.
Press Teach button. (Teach
flashes)
1.
T
E
NG
RA IN
O AT
O AT
O AT
MEAL
MEAL
MEAL
CONTROLLO DEGLI ERRORI DELLE OPERAZIONI DI TAGLIO
M&I
CON LASER
Applicazione: verificare che le aperture nel telaio siano state
eseguite nelle posizioni previste.
Sensore: LT3 a tasteggio diffuso.
Funzionamento: Per ritagliare aperture nelle sezioni di un
telaio per automobili viene usato un sistema robotizzato di
taglio laser. Dopo il taglio di una sezione, l’LT3 ispeziona l'area per verificare che l’apertura sia stata praticata nel punto
corretto. Siccome il sensore non può essere collocato all'interno della zona operativa del robot, in questa applicazione è
essenziale sfruttare l'ampio raggio d'azione dell'LT3.
Pagina: 108
CONTROLLO DEL LIVELLO DI RIEMPIMENTO
Applicazione: monitorare e controllare il livello di riempimento di una linea per il confezionamento di cereali secchi.
Sensore: Q50BU.
Funzionamento: In molte linee per la produzione di alimenti si
utilizza come parametro di riferimento per ottenere il riempimento desiderato il livello anziché il peso. I sensori analogici
ad infrarossi Q50 sono particolarmente indicati per monitorare il livello di riempimento di superfici irregolari come quelle
dei cereali secchi.
Pagina: 114
ULOG
GE
™
ANA
GA
CRE
TE
DIS
ER
OUT
PUT SIG
POW
NAL
GE™
ANALOG
U-GA
SIGNAL
DISCRETE
OUTPUT
POWER
PROFILATURA LEGNO
Applicazione: lavorazione di profili in legno; verifica delle
dimensioni.
Sensore: modello LG10A65NU.
Funzionamento: con il sensore LG10, con una distanza dal
bersaglio di 100 mm ed un campo di misura di 50 mm, è
possibile controllare con precisione le modanature in legno in
applicazioni di fresatura. Il sensore LG10 è sicuro, veloce e
tollerante verso le variazioni di colore tipiche del legno. Ad
esempio, passando dal legno di noce scuro a quello di quercia chiaro non sarà necessario modificare la configurazione
del sensore.
Pagina: 120
106
SISTEMA ANTICOLLISIONE PER GRU
Applicazione: assicurare che la struttura della gru non entri in
contatto con la parte superiore del container.
Sensore: modello T30UDNBQ.
Funzionamento: il T30U rileva la distanza dalla parte superiore del container e genera un segnale in uscita se la distanza è
inferiore al valore preimpostato.
Pagina: 132
Applicazioni per i sensori di misura e ispezione
CONTROLLO DELLE DIMENSIONI DEL ROTOLO
Applicazione: controllare le dimensioni di un grosso rotolo di
carta da una distanza di 8 m.
Sensore: modello QT50U.
Funzionamento: durante il processo di stampa, il rotolo di
carta può venire a trovarsi in una posizione scomoda vicino al
soffitto, rendendo quindi difficoltoso il controllo della mancanza di carta durante la stampa. Il sensore QT50U può essere installato in perpendicolare rispetto al rotolo, ad una
distanza di 8 m dal rullo vuoto. Il sensore può essere configurato da posizione remota e può quindi essere collocato vicino
al soffitto.
Pagina: 138
Applicazione: contare le viti che vengono scaricate dall'alimentatore a vibrazioni.
Sensore: emettitore LX6ESR e ricevitore LX6RSR.
Funzionamento: l'uscita del ricevitore LX6RSR è configurata
con un ritardo di 5 ms (OFF delay) per migliorare la precisione del conteggio. Le parti successive devono essere distanziate tra loro da almeno 7 ms. La risoluzione minima è 5,6 mm.
Pagina: 144
MISURAZIONE DEI PACCHI
CONTROLLO DELL'ORDINE DI PRELIEVO DEI COMPONENTI
Applicazione: misurazione accurata delle scatole in spedizione.
Sensore: 3 emettitori MINI-ARRAY MAHE64A e ricevitori
MAHR64A, ad alta risoluzione.
Modulo di controllo: 3 moduli di controllo MAHCN-1.
Funzionamento: le 3 barriere di misura sono posizionate ad
angolo retto l’una rispetto all’altra. I moduli di controllo trasmettono i dati relativi alla lunghezza, larghezza ed altezza
della scatola al supervisore centrale, il quale elabora le informazioni sulle dimensioni dei pacchi, e determina un piano di
riempimento del container per ottimizzare l’uso dello spazio.
Pagina: 148
Applicazione: indicare da quale cestino prelevare un pezzo e
verificare che il prelievo del pezzo sia effettivamente avvenuto.
Sensore: Coppia emettitore/ricevitore Serie PVA.
Funzionamento: il sistema di controllo (normalmente un
computer) impartisce un'istruzione di prelevare un particolare
pezzo da una determinata posizione. Il sistema accende quindi
la “luce di lavoro” del dispositivo PVA relativo alla posizione
nella quale deve essere prelevato l'oggetto. La luce si spegnerà una volta prelevato l'oggetto. Se è necessario prelevare più
oggetti, la luce resterà accesa fino a quando non è stato prelevato il numero corretto di oggetti.
Pagina: 158
Banner Engineering ©
107
M&I
MODE
CONTEGGIO DI PARTI