آشنایی با سنسور القایی و نحوه نصب و سیم بندی آن
سنسورهای القایی یا Inductive Sensor یکی از ارزانترین و پرکاربردترین سنسورها هستند و در گروه سنسورهای بدون تماس قرار میگیرند. این سنسورها، تنها در مقابل فلزات عکسالعمل نشان میدهند و میتوانند فرمان مستقيم به رلهها، شيرهای برقی، دستگاههای اندازهگیری و مدارات کنترل الکترونيکی ارسال نمايند و در مدلهای دیجیتال، آنالوگ و پالس تولید میشوند. از جمله مزایای سنسور القایی میتوان به عدم نیاز به نیرو یا فشار و طول عمر نسبتا زیاد اشاره کرد.
از آن جا که این سنسورها بر مبنای مدارهای مغناطیسی بنانهاده شدهاند، به آنها سنسورهای الکترومغناطیسی نیز میگویند. حسگرهای القایی همچنین در اشکال متفاوتی مانند استوانه ایی، مکعبی و U شکل وجود داشته و خروجی آنها در انواع 2،3 و 4 سیمه و در دو نوع AC و DC ساخته میشوند. در تصویر زیر اجزاء یک سنسور القایی هم سطح یا Flush و بدون تماس را مشاهده می کنید.
ساختمان سنسور القایی
بهطورکلی نحوهی عملکرد این سنسورها بر اساس یک سیمپیچ و یک نوسانساز یا اسیلاتور است که یک میدان مغناطیسی را در محیط اطراف سطح سنسور ایجاد کند.ساختمان سنسور مجاورتی القایی
ساختمان این سنسورها از چهار طبقه تشکیل میشود:
اسیلاتور
دمدولاتور
اشمیت تریگر
تقویت خروجی
طرز کار سنسور القایی
همانطور که در تصویر بالا مشاهده میکنید، قسمت اساسی این حسگرها از یک اسیلاتور با فرکانس بالا تشکیلشده است که میتواند توسط قطعات فلزی تحت تأثیر قرار گیرد. این اسیلاتور باعث به وجود آمدن میدان الکترومغناطیسی در قسمت حساس سنسور میشود. نزدیک شدن یک قطعهی فلزی باعث به وجود آمدن جریانهای گردابی در قطعه گردیده و این عمل سبب جذب انرژی میدان میشود و درنتیجه دامنهی اسیلاتور کاهش مییابد. ازآنجاکه طبقهی دمدولاتور آشکارساز دامنهی اسیلاتور است، درنتیجه کاهش دامنهی اسیلاتور توسط این قسمت به طبقهی اشمیت تریگر منتقل گردیده و این قسمت نیز بهنوبهی خود باعث تحریک طبقهی خروجی میشود.
در این سنسورها فاصله سنس با قطر سنسور رابطهی مستقیم دارد. هر چه قطر سنسور بیشتر شود، سرعت سوییچینگ و توانایی تشخیص سنسور نیز بیشتر میشود. این سنسورها از قطر 0.6 mm تا 3.5 cm وجود دارند.
حساسیت سنسور نسبت به فلزات متفاوت
فاصله ی عملیاتی و میزان حساسیت این حسگرها به شکل، اندازه و جنس فلزایی که قراراست تشخیصدادهشود، بستگی دارد. در جدول زیر حساسیت این سنسور برای فلزات متفاوت شرحدادهشدهاست.
انواع سنسور القایی خاص
برخی از این حسگرها برای کاربردهای خاص طراحیشدهاند که عبارتاند از:
آنالوگ Analog Inductive Sensor
نامور Namur Inductive Sensor
سرعتبالا High Speed Inductive Sensor
برای محیطهای با فشار بالا Inductive Sensor For High Pressure
AS-i
محیطها باحرارت بالا Inductive Sensor For High Temperature
کنترل وضعیت ولو Valve Positioners
سنسور القايی آنالوگ
این حسگر برخلاف حسگرهای القایی استاندارد دارای خروجی آنالوگ بوده و در برابر فلزات عکسالعمل نشان میدهد، این عکسالعمل بهصورت ولتاژ و یا جریان خطی متناسب با سیگنالهای استاندارد ابزار دقیق معمولاً 4.20mA در خروجی سنسور ظاهر میگردد. آنها این عمل را بافاصلههای عملیاتی نسبتاً طولانی انجام میدهند و در تعداد و اندازههای متفاوت در دسترس هستند. مقدار اثر خودالقایی در مراحل نصب برای سنسور تعریف میشود. این سنسورها در برابر نویز اثرپذیرند پس باید در برابر نویز نیز محافظت شوند. از موارد کاربرد آنها می توان به اندازهگیری فاصلهی قطعات فلزی از سنسور، اندازهگیری ضخامت قطعات فلزی، جداسازی قطعات با ابعاد مختلف و غیره اشاره کرد.
ویژگیها:
خروجی آنالوگ جریانی یا ولتاژی
افزایش فاصلهی سنجش
توانایی ارسال مستقیم دادههای آنالوگ به دستگاههای اندازهگیری
محفظههای استوانه ایی رزوه دار در ابعاد 8، 12، 18 و 30 میلیمتر
گواهینامه CE & RoHS
در تصویر زیر نماد یک حسگر مجاورتی آنالوگ را مشاهده میکنید:نماد سنسور القایی آنالوگ طبق استاندارد IEC
سنسور القايی سرعت بالا
در پروسههای صنعتی، اندازهگیری سرعت چرخش با استفاده از سنسور سرعت القایی بسیار متداول است و ازآنجاکه یکی از مشخصههای مهم یک حسگر فرکانس سوییچینگ آن میباشد، سازندگان این سنسورها نوعی سنسور با فرکانس سوییچینگ بالا بهمنظور اندازهگیری سرعتهای بالا طراحی نمودهاند.
نحوهی عملکرد این سنسور بدینصورت است که در بخش حساس آن یک میدان مغناطیسی وجود دارد که با حرکت چرخدندهها تغییر میکند و ازآنجاکه خروجی این حسگر سلفی است، این تغییرات در میدان مغناطیسی بهصورت پالسهایی در خروجی ظاهر میشوند. از موارد کاربرد این حسگرها عبارت است از: اندازهگیری سرعت موتور، لوکوموتيو، چرخدنده، پمپ، توربين و… . در تصویر زیر تصویر یک سنسور برای اندازهگیری سرعت چرخش را مشاهده میکنید.سنسور مجاورتی القایی اندازه گیری سرعت چرخش
سنسور القایی برای محیطهای با فشار بالا
حسگرهایی هستند که برای تشخیص قطعات فلزی در محیطهایی با فشار دینامیکی بسیار بالا حتی فراتر از 500 bar مورداستفاده قرار میگیرد. بهطور مثال کنترل و تعیین موقعیت و اندازهگیری سرعت موتورهای هیدرولیکی از کاربردهای این حسگر است.
سنسور AS-i
AS-i مخفف Actuator Sensor Interface یا ارتباط سنسورها و عملگرها است. AS-i یک پروتکل ارتباطی دوسیمه است که در سیستمهای اتوماسیون و کنترل مبتنی بر PLC، DCS و PC استفاده میشود. هدف از طراحی آن رسیدن به سادهترین راه اتصال عملگرها و سنسورها به سیستمهای اتوماسیون و کنترل میباشد. یکی از مزایای مهم استفاده از شبکه AS-i کاهش سیمکشی و اتصال سادهی تجهیزات است.
سنسور نامور
سنسور نامور، حسگریی دو سیمه است که مقاومت داخلی آن برحسب فاصلهی قطعه از سنسور تغییر میکند. معمولاً اتصال این نوع حسگر به منبع تغذیه با استفاده از یک مقاومت ثابت 1 KΩ صورت میگیرد.
به دلیل استفاده از مقاومت در مدار نامور، جریان اتصال کوتاه در این سنسور محدود میشود، درنتیجه از این حسگر میتوان برای تشخیص قطعات فلزی در محیطهای انفجاری استفاده کرد. البته دقت شود که استفاده از این سنسورها در محیطهای انفجاری همراه با Barrier باید صورت گیرد. از سنسور نامور میتوان به روشهای زیر استفاده کرد:
اتصال نامور بهصورت مستقیم به مدارات الکترونیکی
اتصال نامور به آمپلیفایر و استفاده بهعنوان یک سوییچ القایی
اتصال نامور همراه با مانع Barrier مناسب برای محیطهای انفجاری
سنسور القایی محیطهای با حرارت بالا
تشخیص قطعات فلزی همیشه در دمای پایین صورت نمیگیرد و گاهی مجبور به نصب حسگر های القایی در محیطهای با دمای بالا هستیم؛ در این شرایط باید از سنسورهای مخصوص دمای بالا استفاده شود. این سنسورها قادرند حتی در دماهایی بالاتر از 250◦C باقابلیت اطمینان بالا کار کنند.
سنسور کنترل وضعیت ولو
داخل حسگرهای القایی وضعیت ولو دو عدد سنسور قرار دارد که با استفاده از آنها میتوان وضعیت باز یا بسته بودن ولو را تشخیص داد. لازم به ذکر است که ولو یک وسیلهی مكانيكي است كه براي كنترل جريان سيال و فشار در يك سيستم يا فرآيند استفاده میشود. در یک ولو باز، سیال از یک فشار بالاتر به فشار پایینتر جریان مییابد.
انواع سنسور القایی flush و non flush
سنسورهای محفاظتشده Flush
در سنسورهای محافظتشده، هستهی فریت، میدان تابش شده را در مسیر مورداستفاده متمرکز میکند. یک حسگر محافظتشده دارای یک حلقه فلزی است که به دور هسته نصبشده تا تشعشع جانبی میدان الکترومغناطیسی را کاهش دهد. حسگرهای حفاظتشده میتوانند بهصورت مسطح و در تماس با سطح در فلز نصب شوند. توصیه میشود از یک سطح غیرفلزی در اطراف و روی سطح سنسور استفاده شود و اگر قرار است که از یک سطح فلزی در مقابل سنسور استفاده شود، این سطح باید حداقل در سه برابر فاصلهی قابل حس کردن توسط سنسور نصب شود. در این سنسورها تشخیص هدف تنها از روبهرو انجام میشود. در تصویر زیر، نمادی از یک حسگر محافظتشده را مشاهده میکنید.سنسور محافظت شده Flush
سنسور محافظت نشده Non_Flush
یک سنسور محافظت نشده فاقد حلقه در اطراف خود برای کاهش تشعشعات جانبی میدان الکترومغناطیسی است. این سنسورها فاقد قابلیت نصب بهصورت تماسی با سطح میباشند، در این حالت باید ناحیهای اطراف سطح حس کنندگی وجود داشته باشد که فاقد فلز باشد و یا ناحیهای با شعاع حداقل سه برابر شعاع قابل حس کردن در اطراف سنسور، خالی باشد. علاوه بر این، سنسور باید بهگونهای نصب شود که سطح فلزی، حداقل دو برابر فاصلهی حس کردن، از سطح سنسور فاصله داشته باشد. اگر ناحیهی فلزی در برابر سنسور نصب شود فاصلهی آن نیز باید حداقل 3 برابر فاصلهی حس کنندگی باشد.سنسور محافظت نشده
کاربرد سنسور القایی در کنترل صنعتی
اندازهگیری فاصله از قطعه
جداسازی قطعات با ابعاد مختلف
اندازهگیری ضخامت قطعات فلزی
تشخیص قطعات فلزی شکستهی دستگاههای مختلف صنعتی
جداسازی قسمت فلزی قطعات
آشکارسازی هرگونه تغییر در دندانهی چرخدندههای فلزی
اندازهگیری و کنترل سرعت و آشکارسازی حرکتهای مکانیکی
حفاظت در برابر اتصال کوتاه، اتصال معکوس سیمهای سنسور، ولتاژ ضربهای و…
وجود یا عدم وجود یک شیء
نحوه نصب و سیم بندی سنسور القایی
در این مرحله میخواهیم با شرایط سیم بندی و نصب سنسورهای القایی بیشتر آشنا شویم. تصویر زیر را در نظر بگیرید، این تصویر جابهجایی یک صفحهی فلزی روی نوار حمل را نمایش میدهد. تصور کنید این صفحه باید در یک موقعیت مشخص به مدت دو دقیقه متوقفشده تا عملیاتی نظیر نصب قطعات دیگر، جوشکاری، زدن لیبل و … روی آن انجام شود. با توجه به اینکه جنس قطعهی متحرک از فلز میباشد، بهترین انتخاب حسگر القایی بدون تماس خواهد بود.
مشخصات و سیم بندی سنسور القایی دوسیمه
سنسورهای القایی دو سیمه بهصورت سری در مدار قرار میگیرند و به دلیل دوسیمه بودن، خروجی فرمان مستقل ندارند. این حسگرها با کنترل جریان عمل میکنند، به این صورت که در لحظه ایی که تحریک نشدهاند جریان آنها خیلی کم است و هنگامیکه تحریک میشوند، جریان آنها به جریان نامی میرسد و میتواند بوبین، کویل و … که بهصورت سری با آن است را روشن کند. در مثال زیر به بررسی نحوهی سیم بندی یک سنسور القایی دوسیمه پرداختهایم.
در این مثال فرض شده که یک سنسور استوانهای و دو سیمهی جریان متناوب میتواند خواستههای ماشین را برآورده کند. از آنجایی که این حسگر باید با یک بار به صورت سری قرار بگیرد، خروجی شستی اضطراری با عبور از سنسور به یک رله یا کنتاکتور متصل شده است. با وارد شدن صفحهی فلزی به محدودهی عملکرد سنسور، جریان عبوری از آن افزایش یافته و کنتاکتور KF1 جهت توقف ماشین روشن میشود. این کنتاکتور ضمن صدور فرمان توقف باعث راه اندازی یک تایمر دو دقیقهای به نام KF2 نیز خواهد شد. بعد از سپری شدن زمان توقف، کنتاکتور KF3 فرمان استارت را صادر کرده و قطعه از محدودهی سنسور خارج میشود. با عبور قطعه، کنتاکتور KF1 خاموش شده و با قطعهی بعدی این مراحل تکرار میشود.
مشخصات و سیم بندی سنسورهای القایی سه سیمه
در سنسورهای القایی سه سیمه، ولتاژ تغذیه و خروجی فرمان از یکدیگر تفکیکشدهاند. این سنسورها اغلب از نوع DC بوده و خروجی آنها ترانزیستوری از نوع NPN یا PNP است و بهصورت NO و NC در مدار فرمان قرار میگیرند. در ادامه به بررسی نحوهی اتصال بار به این نوع از حسگرها ی القایی خواهیم پرداخت.
در این سنسورها، سیم قهوه ایی به مثبت منبع تغذیه و سیم آبی نیز به سمت منفی منبع تغذیه متصل میشود، برای اتصال بار نیز، یک سمت آن را به سیم خروجی سنسور یا همان سیم مشکی متصل کرده و سمت دیگربار را به پایهی مثبت یا منفی منبع تغذیه متصل میکنیم؛ اینکه بار به کدام سمت منبع تغذیه متصل شود به نوع ترانزیستور استفادهشده در مدار سنسور بستگی دارد.
پس همانطور که در بالا ذکر شد، با توجه به نوع کاربرد سنسورهای القایی 3 سیمه، میتوان در خروجی حسگرها از ترانزیستورهای NPN یا PNP استفاده نمود. شکل زیر وضعیت خروجی یک حسگر PNP را نشان میدهد. بار، میان خروجی سنسور و سمت منفی منبع تغذیه قرار گرفته است