Sensorskolen (2:5)

La det bli lys! (Fotoceller)

Det er store forskjeller blant fotoceller i prisnivå, montasjeomfang, robusthet/deteksjonsevne, rekkevidde og objektstørrelser.

Fotoceller er, sammen med induktive givere, de mest vanlige sensorene for maskinstyring (ll. Pepperl+Fuchs).
Fotoceller er, sammen med induktive givere, de mest vanlige sensorene for maskinstyring (ll. Pepperl+Fuchs).

Det er store forskjeller blant fotoceller i prisnivå, montasjeomfang, robusthet/deteksjonsevne, rekkevidde og objektstørrelser.

Reduser reflekseffekten

Refleks redder liv, heter det. Men kombinasjonen av trafikkens livredder og fotoceller (for direkte refleksjon, se hovedartikkel) kan ha uheldige følger. Bruk av refleksklær kan rett og slett føre til feildeteksjon.

Et tenkt eksempel: en 1 m bred transportbane har en fotocelle (for direkte refleksjon av objektet) innstilt på samme rekkevidde (1 m). Fotocellen kan feilaktig detektere ”refleksklær”, som et objekt, på 2 meters avstand. Utfordringen kan løses på flere måter:

  • Benytte refleksjon mot refleks og polariserte fotoceller (se hovedartikkel). Refleks monteres på motsatt side av transportbanen. Polariserte fotoceller vil ikke reagere på lys som reflekteres fra en refleksfolie. Som nevnt i hovedartikkelen, reagerer de kun på eget lys, reflektert fra en trippel reflektor.
  • Bruke bakgrunnsavblending, en teknologi som benyttes for å gi tilnærmelsesvis samme rekkevidde, uavhengig av objektets farge eller fasong, samtidig som fotocellene er ”blinde” for alle objekter som er lengre vekk enn innstilt distanse. For å få til dette, benyttes det i de fleste tilfeller to mottakerobjekter, et kalt fjern og et kalt nær. Disse er montert på en justeringsskrue. Høyden, på mottakerne, justeres slik at lys fra objekter, nærmere fotocella enn innstilt verdi, vil treffe ”nærelementet”, og dermed trigge fotocellen. Lys som treffer ”fjernelementet” ignoreres. Et viktig parameter, for vurdering av kvaliteten på denne type fotoceller, er den såkalte sort / hvitt differansen, dvs. hvor stor forskjell det er i rekkevidden mot matt sort i forhold til et hvitt objekt. Ulempen med bakgrunnsavblending er reduksjon av rekkevidden.
  • Andre spesialvarianter, av fotoceller med direkte refleksjon: bakgrunnsevaluering og forgrunnsavblending. Ved bakgrunnsevaluering må fotocellene se en bakgrunn og vil da registrere alle objekter som kommer mellom bakgrunnen og fotocella. Typiske applikasjoner er dør/ port kontroll og deteksjon av biler i parkeringshus. Sensorer med forgrunnsavblending arbeider innenfor et definert område med en minimums- og en maksimumsgrense. Objekter utenfor disse grensene blir neglisjert, kun objekter innefor grensene registreres.

Sensorskolen

Automatiserings artikkelserie Sensorskolen dekker induktive-, kapasitive-, ultralyd- og roterende givere samt fotoceller. Typiske oppgaver, for slike sensorer, er identifikasjons- og posisjoneringsoppgaver, start og stopp av transportband, indikering av åpen/stengt på ventiler, telling av produkter på transportband, samt måling av hastighet/turtall.

Serien er utviklet i tett samarbeid med Agnar Sæland hos Pepperl+Fuchs AS. Han hadde mange års automatiseringserfaring fra metallurgibransjen før han på midten av 1990-tallet meldte overgang til leverandørsiden. Sæland har over 10 års erfaring med Pepperl+Fuchs produkter for ”Factory Automation”, eller stykkproduksjon.

Vi hjelper deg å velge rett i jungelen av muligheter. Fotoceller er, ved siden av induktive givere, den sensorteknologien som benyttes mest innen fabrikkautomatisering, eller stykkproduksjon og maskinstyringer. Utvalget er stort, både innen det vi kan definere som standardprodukter og som spesialutgaver.

 

Lyskilde

 

I denne artikkelen står funksjons-prinsipper for standardutgavene i søkelyset, bokstavelig talt. Men, vi gir også eksempler på ”sensorer med spesielle egenskaper”, som også benytter lys som deteksjonsmedium.

 

Felles for alle fotoceller er at de benytter lys, dvs. en lyskilde som sender ut lys, senderelement, og en lysfølsom mottaker, mottakerelement. I standardutgavene er funksjonen enkel: lyset sendes fra senderelementet, og når det ”ankommer” mottakerelementet aktiveres utgangen. Lyset sendes ut som en lyskjegle, med en viss spredevinkel. Vinkelen, eller diameteren på lyskjeglen (i en viss avstand), oppgis som regel i databladet.

 

I dagens teknologi benyttes som regel halvlederkomponenter både som sender- og mottakerelementer. På sendersiden er lysdioder mest benyttet, mens det på mottakersiden ofte er en fototransistor eller fotodiode som benyttes.

 

Synlig og IR

 

Lyset, som sendes fra lysdioden, er enten synlig rødt (frekvensområde rundt 700 nm) eller infrarødt lys, IR (i området 880 nm). Årsaken til at det benyttes to ulike ”lystyper” er selvsagt forskjellige egenskaper.

 

Synlig rødt lys vil gi en mer eller mindre synlig lysflekk der lyset treffer objektet. Dette er praktisk ved montering og innstilling. IR-lyset, som er usynlig for det menneskelige øyet, har bedre gjennomtrengning i støv, damp osv. ”Optisk effekt”, som funksjon av tilført elektrisk effekt, er høyere ved IR lys enn ved synlig rødt lys, og mottakerelementene for IR-lys er mer følsomme enn elementene for synlig, rødt lys.

 

Lyset, som sendes, er pulset. Dette gjør det mulig å produsere fotoceller som er lite eller ikke påvirkelige fra fremmedlys. Pulset lys gjør det også mulig å overføre pulser med høyere lysenergi, sammenlignet med fast lys pr tilført mengde elektrisk energi.

 

Separat sender/mottaker

Prinsippskisse av konvensjonell fotocelle, med både sender og mottager.
Prinsippskisse av konvensjonell fotocelle, med både sender og mottager.
 

 

Det er tre hovedgrupper av standard fotoceller:

  • Separat sender og mottaker (lyset går en vei).
  • Direkte refleksjon.
  • Refleksjon mot refleks.

 

Den første typen, separat sender/mottaker, er minst brukt. Senderelementet er plassert i en kapsling, og mottakerelementet i et annet. Disse monteres slik at lysstrålene fra senderen treffer mottakeren, og dersom disse brytes (mottakeren ikke mottar tilstrekkelig lys), kobler utgangen. Praktisk rekkevidde for denne typen er 50 meter, men det finnes utgaver som kan benyttes helt opp til 240 meter.

 

Ulempene er først og fremst pris og installasjonen. Ettersom sender- og mottakerelementer er plassert på hver side av området som skal overvåkes, må det legges kabel til begge enhetene. Og dette koster penger. Fordelen er åpenbar, en meget robust applikasjon der det som regel er en meget stor funksjonsreserve. Dette gir en sikker styring. I sikkerhetsapplikasjoner er det alltid separat sender og mottaker som benyttes. Også utendørs er denne typen å foretrekke.

 

Direkte refleksjon

 

Fotoceller for direkte refleksjon, fra objektene som skal detekteres, har kortest rekkevidde og størst feildeteksjon av de 3 hovedtypene. Men, installasjonen er enklere. Sender- og mottagerelementet er montert i samme kapsling.

 

Rekkevidden avhenger av fargen på objektene som detekteres. Den er oppgitt i datablader mot hvitt papir, såkalt ”Kodak hvit”. Mot andre farger vil rekkevidden enten være kortere (mest vanlig) eller lenger. Matte, sorte flater gir størst reduksjon. Sort asfalt har for eksempel reduksjonsfaktor, eller rettere sagt korreksjonsfaktor, på 0,1. Dette vil si at ei fotocelle, med oppgitt rekkevidde på 1 meter, kun vil ha rekkevidde på 0,1 meter mot sort gummi eller lignende. Mot de fleste tresorter, er korreksjonsfaktoren i området 0,5-0,7.

 

I enkelte applikasjoner kan det også være et problem med objekter som har korreksjonsfaktor større enn 1. Eksempler er polert stål eller aluminium, og refleksfolie. De to førstnevnte har korreksjonsfaktor i området 1,5-2,0, refleksfolie opptil 5 ganger. I slike applikasjoner er bakgrunnsavblending eller bruk av polariserte fotoceller (se nedenfor) aktuelle løsninger.

 

Refleksjon mot refleks

Det er 3 hovedtyper fotoceller, separat sender/ mottager (topp), kombinert sender/mottager med reflektor (midten) og kombinert sender/mottager som bruker objektet for refleksjon (nederst).
Det er 3 hovedtyper fotoceller, separat sender/ mottager (topp), kombinert sender/mottager med reflektor (midten) og kombinert sender/mottager som bruker objektet for refleksjon (nederst).
 

Her sendes lyset fra et senderelement til en reflektor og tilbake til mottakerelementet, dvs. lyset må tilbakelegge distansen mellom fotocelle og reflektor 2 ganger. Når lysstrålen brytes, kobler utgangen på fotocellen. Rekkevidden er opp til 20 meter, i spesialutgaver over 50 m. Men, i de fleste applikasjoner er praktisk rekkevidde 2-5 meter.

 

En stor del av disse fotocellene arbeider med polarisert lys, dvs. det er montert et polarisasjonsfilter foran både sender- og mottakerelementet. Filteret, foran senderen, filtrer bort den vertikale komponenten i lyset. Den horisontale komponenten passerer filteret, snus 90 grader i trippelreflektoren, og sendes tilbake til mottakerelementet. Der tar et annet filter bort de horisontale komponentene. Kun de vertikale komponenter slippes videre til mottakerelementet.

 

En forutsetning for at dette skal fungere er at det benyttes en såkalt trippelreflektor der lyset snus 90 garder. Ved å benytte fotoceller med polarisasjonsfilter, oppnås stor sikkerhet når det gjelder påvirkning fra fremmedlys. Det er kun lyset som senderelementet sender som vil trigge mottakerelementet. Ettersom lyset filtreres to ganger, vil dette medføre tap i lyseffekt. Dette begrenser rekkevidden.

 

Polariserte fotoceller er meget sikre mot fremmedlys og uønskede refleksjoner fra blanke objekter. Denne type fotoceller benyttes mye i applikasjoner innen bryggeri- og tapperibransjen. Innføringen av PET flasker, med meget liten kontrast / lystap, gjorde det nødvendig å utvikle spesielle fotoceller for klarglassdeteksjon. Disse er i stand til å detektere objekter som gir meget lite tap av lys når de passerer mellom reflektor og fotocelle. Det er mulig å detektere kontrast helt ned til 10 %.

 

Slike fotoceller er ofte utstyrt med innlæringsfunksjon, ”Teach in”, for å sikre optimal innstilling.

 

 

 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå