سنسور خازنی و نحوه نصب و تنظیم آن
یکی از انواع سنسور های پرکاربرد در صنعت سنسور خازنی یا Capacitive Sensor است. این حسگر تقریبا به تمام مواد فلزی و غیر فلزی حساس بوده و در دو نوع تماسی و بدون تماس ساخته میشود. حسگر های خازنی از نظر روش کار و ظاهر بسیار شبیه به سنسورهای القایی است؛ با این تفاوت که در آن از اندازهگیری تغییر ظرفیت خازن استفاده میشود. یکی از تفاوت های اساسی سنسور القایی و خازنی قابلیت تشخیص اشیای عایق در سنسور خازنی است. به بیان دیگر مزیت سنسور خازنی نسب به سنسور القایی این است که حسگر خازنی علاوه بر اجسام هادی اشیای عایق را نیز حس میکند.
ساختار سنسور خازنی
به صورت کلی این سنسور ها از قسمت های زیر تشکیل شده اند:
اسیلاتور
دمدولاتور
اشمیت تریگر
تقویت خروجی
ساختار حسگر خازنی
روش کار در این سنسور به این صورت است که با نزدیک شدن یا تماس مستقیم اجسام فلزی و عایق به سنسور، ظرفیت خازنی قسمت حساس آن تغییر کرده و در نتیجه خروجی آن تحریک میشود. به بیان دقیق تر اساس کار این سنسور بر مبنای اندازه گیری تغییر ظرفیت یک خازن در مدار رزونانس RC در اثر نزدیک شدن قطعات فلزی یا غیر فلزی می باشد. قسمت اساسی اسيلاتور از دو قطعه ی فلزی تشکيل شده است. وضعيت قرارگيری اين قطعات نسبت به هم طوری است که باعث ايجاد يک ظرفيت خازنی می شود. هرگاه قطعه ای با ضريب دیالکتريک E به صفحه ی حساس نزديک گردد باعث تغيير ظرفيت خازنی بين صفحات می شود. اين تغيير ظرفيت خازنی باعث تغيير دامنه ی خروجی اسيلاتور می شود. دمدولاتور دامنه ی اسيلاتور را آشکار می کند و اين مقدار را با سطح مرجع مقايسه می نمايد. هرگاه دامنه ی اين مقدار، از دامنه مرجع بيشتر باشد، خروجی سنسور تحريک می شود.
سنسورهای خازنی در مدلهای دیجیتال و آنالوگ با بدنههای فلزی و پلاستیکی تولید شده و میتوان از آنها برای مواردی مانند کنترل سطح در مخازن پودر، غلات، مایعات، شمارش یا تشخیص موارد فلزی و غیر فلزی، کنترل صحیح بستهبندی مانند اطمینان از وجود اجسام در داخل کارتنها یا پر شدن بطریها به اندازهی کافی و … استفاده کرد. در تصویر زیر کاربرد این Sensor دیجیتال برای اطمینان از قرارگیری لامپها در کارتن را مشاهده می کنید.
کاربرد حسگر خازنی دیجیتال برای اطمینان از قرارگیری لامپها در کارتن
نسور های مجاورتی خازنی در برابر آلودگی، رطوبت و شرایط محیطی حساس بوده و این موارد میتواند روی عملکرد آنها تاثیر گذار باشد. میتوان انواع سنسورهای خازنی دیجیتال را به صورت تکی، مقابل هم، در کنار هم، سری، موازی و یا جهت اتصال به انواع کنترلر و شبکههای صنعتی استفاده کرد. قبل از تهیهی حسگر خازنی باید سوال های مطرح شده در بخش المانهای مهم در انتخاب سنسور را پاسخ داد. با این کار مشخصات ظاهری و کاری سنسور تعیین میشود. علاوه بر موارد فوق در کاتالوگ سنسور خازنی راهکارها و فاصلههایی برای نصب چند سنسور در کنار هم، نحوهی اتصال زمین کردن سنسور و جسم، تنظیم حساسیت با توجه به جسم و … ارائه شده است. لازم به ذکر است که حسگرهای خازنی را می توان بر اساس نوع جنس تحت کنترل، تنظیم و کالیبره کرد. رعایت نکردن این موارد میتواند باعث عدم عملکرد صحیح سنسور شود.
کاربرد سنسور های خازنی در کنترل صنعتی
از جمله کاربرد این سنسور ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
کنترل سطح در مخازن مواد پودری، مایع یا دانه
تشخیص وجود مواد در مخازن فلزی
تشخیص اجسام مات و سیاه
تشخیص سیم یا کابل های مسی
کنترل وجود لامپ یا سایر وسایل در جعبه های مقوایی
سنجش سرعت در پالس ژنراتورها
شمارش تولید
اندازه گیری ضخامت مواد عایق
نصب سنسور خازنی سه سیمه
همانطور که در مقالات قبل مطالعه کردید سنسورهای دو سیمه و سنسورهای مغناطیسی به تغذیهی مجزا نیاز ندارند اما این نوع اتصال برای تمام سنسورها صادق نیست. سنسورهای سه، چهار و پنج سیمه در مدلهای مختلف دارای دو پایانه برای اتصال به منبع تغذیه هستند. به عبارت کلی در صورتی که منبع تغذیه با نوع و میزان ولتاژ مناسب انتخاب و با پلاریتهی صحیح به سنسور متصل شود، میتوان از خروجی آن در مدار فرمان استفاده کرد. در تصویر زیر دیاگرام سنسور القایی سه سیمه را مشاهده می کنید.
انتخاب غیر صحیح منبع تغذیه و یا اتصال اشتباه آن میتواند باعث عدم عملکرد و یا صدمهی جدی به سنسور شود. در برخی موارد افت ولتاژ در منبع تغذیه به شدت روی عملکرد سنسور از نظر فاصله و دقت تاثیر گذار است. به همین علت میزان مجاز تغییرات ولتاژ در کاتالوگ سنسورها قید میشود.
به عنوان مثال تصویر زیر را در نظر بگیرید. طبق گزینهی (a) یک سنسور باید به نحوی نصب شود تا سالم بودن ریسمان را کنترل کرده و در صورت پاره شدن آن بلافاصله ماشین را خاموش کند. چون ریسمان از مواد غیر فلزی تشکیل شده بهترین گزینه استفاده از حسگر خازنی به صورت نرمال باز میباشد. طبق گزینهی (b) در صورتی که ریسمان پاره شود خروجی سنسور PNP قطع و رلهی KF3 بیبرق میشود.
نحوه تنظیم و تست سنسور مجاورتی خازنی
در ابتدای مقاله شرح داده شد که با نزدیک شدن یا تماس مستقیم جسم به حسگر خازنی، ظرفیت قسمت حساس آن تغییر کرده و در نتیجه خروجی آن تحریک میشود. با توجه به اینکه مشخص نیست سنسور در چه محیطی و برای ردیابی چه نوع قطعهای استفاده خواهد شد، معمولا روی آن قسمتی برای تنظیم حساسیت وجود دارد.
طبق تصویر زیر، این قسمت شبیه به ولوم با علامت مثبت و منفی بوده و با یک پیچ گوشتی ظریف قابل تغییر است. برای تنظیم سنسور باید این مراحل را انجام داد:
سنسور را از نظر فیزیکی و الکتریکی نصب کرده و سپس تغذیهی آن را وصل میکنیم.
در مرحلهی اول سنسور را بدون قرار دادن قطعهی هدف تنظیم میکنیم. این کار سنسور را نسبت به محل نصب کالیبره میکند.
در مرحلهی دوم قطعهی هدف را مقابل سنسور قرار داده و تنظیم را تکرار میکنیم. تمام مراحل انجام این تنظیم و رسیدن به نتیجهی دلخواه در دفترچهی راهنمای سنسور به صورت تصویری شرح داده شده است.
علاوه بر ولوم تنظیم حساسیت، نحوهی اتصال زمین کردن بدنهی سنسور و جسم مورد ردیابی نیز در حسگرهای خازنی قابل بحث است. با استفاده از این روش میتوان فاصلهی کاری و دقت سنسور را تا حدی افزایش داد. برای درک بهتر این موضوع میتوان سوئیچهای نمایش داده شده در تصویر زیر را در حین تست تغییر داد. قابل ذکر است که این روش به جنس بدنه، مدل و برند سنسور وابسته بوده و ممکن است در تمام حالات توصیه نشود. در این تصویر اتصال زمین کردن جسم هدف و بدنهی سنسور خازنی برای کار بهتر را مشاهده می کنید.