Sensori di processo · Distanza e posizione
Sensori laser di distanza: misura di fase e tempo di volo
I sensori laser di distanza misurano senza contatto quanto è lontano un bersaglio e, da quel valore, ne ricavano posizione, spessore, diametro o livello. Nel nostro catalogo il campo è coperto da due principi, entrambi a laser e senza contatto: la misura di fase, che confronta la fase del segnale di ritorno con quella del segnale emesso e dà la precisione più alta; e il tempo di volo, che cronometra l’impulso luminoso e privilegia la portata e la rapidità.
Sono strumenti da impianto, non da laboratorio: si montano su una struttura fissa, guardano un organo mobile o una superficie e consegnano il valore di distanza al sistema di controllo, in continuo e senza toccare il bersaglio. Da questa unica grandezza il quadro elettrico ricava tutto il resto: la quota di un carroponte, il diametro di una bobina che cresce, il livello dentro un silo, l’oscillazione di una struttura.
Questa pagina spiega i due principi di misura, che cosa cambia davvero nella pratica e quale strumento del catalogo conviene in ciascuna situazione. È rivolta al tecnico di automazione, di impianto e di collaudo. I dati tecnici citati provengono dalla documentazione dei costruttori e sono riportati per esteso nelle schede di prodotto.
Vuoi un aiuto nella scelta del prodotto ?
I modelli
Gli strumenti di questa categoria si dividono in due famiglie, secondo che cosa si chiede alla misura: la misura di precisione, per chi deve sapere dove si trova un organo mobile con l’approssimazione del millimetro su distanze da pochi decimetri ad alcune decine di metri; e la lunga portata, per chi deve coprire distanze molto maggiori, inseguire un bersaglio veloce o ricavarne anche la velocità, accettando un’approssimazione più larga. I dati tecnici completi sono nelle schede.
Misura di precisione
ASTECH serie LDM42
Misura di fase, precisione millimetrica su superfici naturali senza riflettore. Cinque versioni con la stessa ottica, distinte dal bus verso il controllore.
Lunga portata
ASTECH LDM301
Tempo di volo: grande portata, tempi di misura molto brevi e misura della velocità del bersaglio, con laser pilota per l’allineamento.
I due principi di misura
Nella misura di fase il fascio laser viene modulato in ampiezza e lo strumento confronta la fase del segnale che torna dal bersaglio con quella del segnale emesso: lo sfasamento è proporzionale al percorso compiuto dalla luce. È un confronto, non un cronometraggio, e per questo raggiunge la precisione millimetrica anche su superfici naturali, senza catarifrangente sul bersaglio. Il prezzo da pagare è il tempo: per ottenere una lettura stabile lo strumento integra il segnale, e su bersagli poco riflettenti conviene integrare più a lungo.
Nel tempo di volo lo strumento emette un impulso e ne cronometra il ritorno. La grandezza misurata è direttamente un intervallo di tempo, quindi la lettura si forma in una frazione di millisecondo e l’energia dell’impulso permette di andare molto lontano. L’approssimazione, però, non scende al millimetro: si resta nell’ordine del centimetro, e dipende anche da quante misure si mediano prima di consegnare il dato.
| Principio | Che cosa misura | Punto di forza | Limite da mettere in conto |
|---|---|---|---|
| Misura di fase | Lo sfasamento fra segnale emesso e segnale di ritorno | Precisione millimetrica su superficie naturale, senza riflettore | Serve un tempo di integrazione, tanto più lungo quanto meno riflette il bersaglio |
| Tempo di volo | L’intervallo fra l’impulso emesso e il suo ritorno | Grande portata, tempi di misura brevissimi, misura anche della velocità | Approssimazione dell’ordine del centimetro, legata alla frequenza di uscita |
Che cosa si misura davvero con una distanza
Quasi mai il dato che serve all’impianto è la distanza in sé. Un sensore puntato dall’alto dentro un silo misura una distanza e restituisce un livello; puntato sulla superficie esterna di un rotolo restituisce un diametro; montato lungo la via di corsa di un carroponte restituisce una posizione; puntato su un impalcato restituisce una freccia o un’oscillazione. In tutti questi casi lo strumento è lo stesso: cambia dove lo si punta e che cosa il controllore fa del numero.
Questo spiega perché la scelta si fa quasi sempre a partire dalla geometria dell’installazione — dove si può mettere il sensore, che cosa vede, a che distanza sta il bersaglio — e non dal nome dell’applicazione. Due impianti diversissimi fra loro possono richiedere lo stesso sensore, e due varianti dello stesso impianto possono richiederne due diversi.
| Grandezza richiesta dall’impianto | Come la si ottiene dalla distanza |
|---|---|
| Livello in silo o serbatoio | Sensore fisso in sommità, distanza dal pelo del materiale |
| Diametro di bobina o coil | Sensore fisso, distanza dalla superficie esterna che cresce |
| Posizione di un organo mobile | Sensore fisso a fine corsa, bersaglio solidale con l’organo |
| Spessore di un semilavorato | Due sensori affacciati, differenza fra le due distanze |
| Deformazione o oscillazione di una struttura | Sensore su punto fermo, variazione della distanza nel tempo |
| Velocità di un bersaglio | Variazione della distanza nel tempo, elaborata dallo strumento |
Il bersaglio decide più dello strumento
Il campo di misura dichiarato non è un numero assoluto: vale per una superficie di riferimento. Una superficie chiara e opaca rimanda indietro molta luce diffusa ed è il caso migliore; una superficie scura ne rimanda poca e accorcia la portata utile; una superficie lucida si comporta da specchio e rimanda il fascio altrove, a meno che non sia perpendicolare all’asse ottico; una superficie trasparente lo lascia passare quasi del tutto. Per questo i costruttori dichiarano il campo indicando la riflettanza a cui si riferisce, e per questo la stessa distanza può essere facile o impossibile secondo che cosa si guarda.
Il catarifrangente, e quando serve davvero
Applicare un catarifrangente o un pannello bersaglio sull’oggetto misurato estende la portata ben oltre quella su superficie naturale. Non è un accessorio da mettere sempre: comporta che il bersaglio sia accessibile, che resti pulito e che non venga urtato. Nella pratica si ricorre al bersaglio dedicato quando la distanza da coprire è molto grande, oppure quando la superficie naturale è scura o irregolare; per le distanze ordinarie su materiali comuni entrambi gli strumenti del catalogo misurano senza alcun bersaglio applicato.
Il diametro dello spot
Il fascio non è un punto: diverge, e a distanza illumina una macchia di alcuni centimetri. È un dato che va guardato prima di scegliere il punto di mira, perché lo strumento risponde a tutto ciò che sta dentro lo spot. Se la macchia cade a cavallo di un bordo, di un foro o di due superfici a quote diverse, la lettura ne risente. Il valore dello spot alle varie distanze è dichiarato dal costruttore ed è riportato nelle schede di prodotto.
Installazione e condizioni ambientali
Un sensore di distanza sbaglia raramente per colpa propria: sbaglia perché è montato male o perché l’ambiente gli toglie segnale. Il montaggio deve essere rigido, perché ogni vibrazione della staffa entra nella misura come se fosse un movimento del bersaglio, e l’asse ottico va orientato in modo che il fascio arrivi il più possibile perpendicolare alla superficie. L’ottica va tenuta pulita: polvere, condensa e schizzi attenuano il segnale di ritorno molto prima che l’impianto se ne accorga dal valore.
Sul lato ambiente contano il freddo, l’acqua e la sporcizia. I costruttori affrontano queste condizioni con opzioni, non con modelli diversi: riscaldamento integrato per le basse temperature, guarnizioni resistenti agli agenti chimici, unità di regolazione della pressione, custodie protettive e tubi con aria di lavaggio per tenere pulita la finestra ottica. Sono scelte da fare in fase di configurazione, perché alcune vanno indicate in ordine e non si aggiungono dopo.
L’interfaccia verso il sistema di controllo
Un sensore che misura benissimo e non riesce a consegnare il dato al controllore non serve a nulla. La domanda da porsi presto, quindi, è come deve arrivare il valore: a un ingresso analogico in corrente, a una porta seriale, oppure direttamente sul bus di campo dell’impianto. La risposta cambia il modello, non le prestazioni di misura: nella serie LDM42, per esempio, le cinque versioni condividono ottica e accuratezza e si distinguono solo per l’interfaccia.
| Se il dato deve arrivare… | Che cosa cercare |
|---|---|
| A un ingresso analogico di PLC o a un indicatore | Uscita in corrente 4-20 mA con limiti di distanza programmabili |
| A un PC o a un terminale di servizio | Interfaccia seriale, usata anche per la parametrizzazione |
| Al bus di campo già presente in impianto | Versione con il protocollo dell’impianto, per non aggiungere gateway |
| A una soglia che deve far scattare un’azione | Uscita digitale con soglia e isteresi programmabili |
| Solo in istanti precisi, comandati dalla macchina | Ingresso di trigger esterno con ritardo regolabile |
Come scegliere lo strumento
| Se il vostro problema è… | La scelta ragionevole |
|---|---|
| Conoscere al millimetro la quota di un organo mobile o il diametro di una bobina | ASTECH serie LDM42 |
| Portare la misura direttamente su Profibus, PROFINET, Ethernet o EtherNet/IP | ASTECH serie LDM42, nella versione con quel bus |
| Coprire distanze molto grandi, all’aperto o su piazzali | ASTECH LDM301 |
| Ricavare anche la velocità del bersaglio, oltre alla sua distanza | ASTECH LDM301 |
| Misurare con tempi di risposta brevissimi su bersagli rapidi | ASTECH LDM301 |
| Lavorare stabilmente sotto zero o in ambiente polveroso | Entrambi, con le opzioni di riscaldamento e protezione da definire in offerta |
Verifica nel tempo
Quando la misura entra in un controllo dimensionale o di qualità, il valore del sensore va confrontato periodicamente con un riferimento di distanza nota. La verifica costa poco e serve soprattutto a distinguere due cose che sul monitor si somigliano: uno strumento che ha derivato e un impianto che si è mosso.
Nella pratica di impianto conta anche la ripetibilità delle condizioni: stessa finestra ottica pulita, stesso punto di mira, stessa geometria della staffa. Se una di queste cambia, cambia la misura, e nessuna verifica strumentale lo rivela. Vale la pena fotografare il montaggio a impianto nuovo e conservare l’immagine con i parametri di configurazione.
Questa famiglia appartiene alla categoria sensori di processo: velocità, lunghezza, distanza e colore, dove sono raccolti gli altri sensori ottici per il controllo di processo. Le caratteristiche complete dei due strumenti, con campi di misura, accuratezze e interfacce, sono nelle schede della serie LDM42 e del LDM301.
Domande frequenti
La misura di fase confronta la fase del segnale laser che torna dal bersaglio con quella del segnale emesso: è il principio che raggiunge la precisione millimetrica, anche su superfici naturali senza riflettore. Il tempo di volo cronometra invece l’impulso luminoso: consente tempi di misura brevissimi e una portata molto maggiore, con approssimazione dell’ordine del centimetro. Si sceglie in base a quanto conta il millimetro e a quanto è lontano il bersaglio.
Il sensore consegna sempre e solo una distanza; è l’installazione a decidere che cosa quel numero significhi. Puntato dall’alto in un silo dà il livello, puntato sulla superficie esterna di un rotolo dà il diametro, montato lungo una via di corsa dà la posizione, puntato su un impalcato dà la deformazione. Due sensori affacciati misurano lo spessore di ciò che passa fra loro.
Per le distanze ordinarie su materiali comuni no: entrambi gli strumenti del catalogo misurano su superficie naturale, senza bersaglio applicato. Il catarifrangente o il pannello bersaglio servono per estendere la portata molto oltre, oppure quando la superficie naturale è scura o irregolare, e richiedono che il bersaglio resti accessibile e pulito.
Molto. Una superficie chiara e opaca diffonde bene ed è il caso migliore; una superficie scura rimanda poca luce e accorcia la portata utile; una superficie lucida si comporta da specchio se non è perpendicolare all’asse ottico; una superficie trasparente lascia passare il fascio. Per questo i costruttori dichiarano il campo di misura indicando la riflettanza a cui si riferisce.
Partendo da come il dato deve arrivare in impianto: uscita in corrente 4-20 mA per un ingresso analogico, interfaccia seriale per un PC o un terminale di servizio, versione a bus di campo per consegnare il valore direttamente al controllore senza gateway. Nella serie LDM42 le versioni condividono ottica e accuratezza e si distinguono proprio per questo, quindi l’interfaccia si decide prima del modello.
Sì, ma va deciso in fase di configurazione: le condizioni gravose si affrontano con opzioni, non cambiando principio di misura. Riscaldamento integrato per le basse temperature, guarnizioni resistenti, unità di regolazione della pressione, custodie protettive e aria di lavaggio per tenere pulita la finestra ottica. Alcune vanno indicate in ordine e non si aggiungono dopo: i valori di temperatura e il grado di protezione di ciascuno strumento sono nelle schede di prodotto.
Maggiori informazioni e contatti
Partner divisione sistemi e integrazione sensori : www.roder.it
Partner divisione visione artificiale : www.rodervision.com
Maggiori informazioni su INNOVACHECK : chi siamo
Contatto per informazioni generali : info@roder.it
Contatto per informazioni su questi prodotti : info@innovacheck.com
Visita la pagina Linkedin
Le informazioni contenute in questa pagina web sono fornite a scopo puramente informativo. Pur essendo state elaborate con la massima cura, non costituiscono un’offerta contrattuale né un impegno vincolante per la fornitura. Possono contenere errori di trascrizione, traduzione o refusi. Per informazioni precise e aggiornate, si invita a contattare direttamente la nostra azienda.
Devi effettuare l'accesso per postare un commento.