همه ما در زندگی روزمره با انواع سنسور سر‌وکار داریم. در بسیاری وسایل خانگی مانند یخچال، ماشین لباسشویی، کولر گازی، گوشی تلفن همراه و لپ‌تاپ از سنسورها برای اندازهگیری دما فلو، فشار، شتاب و سایر پارامترهای فیزیکی استفاده می‌شود. سنسورها در محیط‌های صنعتی هم بسیار پرکاربرد هستند و بخش مهمی از سیستم اتوماسیون صنعتی به شمار می‌روند؛ به شکلی که کنترل فرایندهای صنعتی بدون استفاده از سنسور غیرممکن است. در این مقاله، انواع سنسورهای مورد استفاده در صنعت را معرفی و عملکرد آن‌ها را بررسی می‌کنیم. با ماهر همراه باشید.
سنسور چیست؟
در پاسخ به این سوال باید بگوییم سنسور یک وسیله‌ی الکتریکی است که برای محاسبه‌ی برخی پارامترهای فیزیکی مانند فشار، شدت نور، دما و… استفاده می‌شود. خروجی یک سنسور الکتریکی سیگنالی آنالوگ یا دیجیتال است که برای پردازش‌های مورد نیاز به سخت‌افزار یا نرم‌افزار مناسب منتقل می‌شود.
گروهی از سنسورها کار «تشخیص» (Detection) را انجام می‌دهند. این نوع سنسورها چیزی را اندازهگیری نمی‌کنند اما وجود یا عدم وجود متغیری را تشخیص می‌دهند. مثلاً سنسورهای «مجاورتی» (پراکسیمیتی) می‌توانند وجود جسم فیزیکی در مجاورت خود را تشخیص داده و یک کنتاکت باز یا بسته تحویل دهند.
نوع دیگری از سنسورها می‌توانند به جز تشخیصِ یک پارامتر، مقدار آن را نیز «اندازهگیری» کنند. مثلاً یک «ترموکوپل» می‌تواند مقدار دما را در محیطی که در آن نصب شده اندازهگیری کند و آن را به صورت یک ولتاژ متغیر با زمان در هر لحظه تحویل دهد. بنابراین، سنسورهای تشخیص‌دهنده خروجی دیجیتال (قطع/وصل) و سنسورهای اندازه‌گیری‌کننده سیگنال آنالوگ ولتاژی یا جریانی تحویل می‌دهند.
هر سنسور بسته به ساختار و پارامتر فیزیکی که اندازهگیری میکند، اصول کار متفاوتی دارد. اما ویژگی مشترک همه سنسورها این است که یک پارامتر فیزیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. سنسورها را می‌توان از منظرهای مختلف مانند نوع سیگنال خروجی، نوع عملکرد، نوع پارامترهای فیزیکی که اندازهگیری می‌کنند، منبع توان، تکنولوژی استفاده شده برای عملکرد آن‌ها، نوع ساختمان و محل نصب طبقه‌بندی کرد.
دسته‌بندی سنسورها بر اساس منبع توان
سنسورها را می‌توان به اَشکال مختلفی دسته‌بندی کرد. یکی از انواع دسته‌بندی سنسورها دسته‌بندی به دو گروه اکتیو و پسیو است. در ادامه، این دو گروه را شرح می‌دهیم.
سنسور اکتیو (Active)
سنسورهای اکتیو سنسورهایی هستند که سیگنال‌‌های محرکی را برای اندازهگیری کمیتی ارسال کرده و خود پالس‌های منعکس شده را دریافت می‌کنند یعنی هم فرستنده و هم گیرنده را در خود دارند. یک مثال مناسب از سنسورهای اکتیو، سنسور سنجش میزان کشش است. ولتاژ خروجی این سنسور، با مقدار فشار اعمال شده به آن متناسب است. یا سنسورهای التراسونیک فاصله‌سنج که یک موج فراصوت به محیط ارسال میکند و با محاسبه زمان برگشت موج، فاصله جسم تا سنسور را اندازه می‌گیرد.
شکل ۲-سنسور فاصله‌سنج التراسونیک صنعتی
سنسور پسیو (Passive)
سنسورهای پسیو آن دسته از سنسورها هستند که انرژی یا سیگنالی به محیط ساطع نمی‌کنند و مستقیما متغیرهای محیطی را تشخیص داده یا اندازهگیری می‌کنند. برای مثال یک ترموکوپل با قرار گرفتن در محیط مورد اندازهگیری دمای محیط را تشخیص داد و تغییرات دما را به ولتاژ متغیر تبدیل میکند.
ترانسمیتر چیست؟
ترانسمیتر (Transmitter) در سنسورها به مداری گفته می‌شود که تغییرات اندازه‌گیری‌شده توسط سنسور را به سیگنال آنالوگ یا دیجیتال استاندارد کنترلر تبدیل میکند. سیگنال استاندارد کنترلی معمولا جریان ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر یا ولتاژ ۰ تا ۱۰ ولت است. مدار داخلی ترنسمیتر می‌تواند یک مدار ساده الکترونیکی مانند یک «تقویت‌کننده ولتاژ» یا یک «پل وتستون» باشد. در تجهیزات پیشرفته‌تر مانند «دماسنج پایرومتری» مدار ترنسمیتر پیچیدگی بیشتر دارد.
شاید بعضی از انواع سنسور که تاکنون از آن‌ها نام برده‌ایم برای شما ناشناخته باشند؛ در ادامه مقاله، انواع مختلف سنسور از جمله سنسورهایی که به آن‌ها اشاره شد را شرح می‌دهیم.
دسته‌بندی سنسورها بر اساس تکنولوژی استفاده شده برای عملکرد آن‌ها
سنسورها از نظر تکنولوژی استفاده شده به سه دسته تقسیم می‌شوند.
سنسورهای ضخیم سرامیکی
که بدنه‌ی اصلی آن‌ها از سرامیک های مقاوم در برابر خوردگی استفاده می‌شود، اما به دلیل شکننده بودن سرامیک این سنسورها برای استفاده در فشار بالا مناسب نیستند.
سنسورهای نازک فلزی
این دسته بیشترین سهم را در بین سنسورهای مورد استفاده دارند. این سنسورها با بدنه‌ی نازک و با دقت بالا ساخته می‌شوند و عمر زیاد و عملکرد مناسبی در برابر شوک و لرزش دارند.
سنسورهای پیزوالکتریک
این دسته از چیپ‌های سیلیکونی ساخته می‌شوند و ساختار پیچیده‌تری نسبت به دو دسته‌ی دیگر دارند. این سنسورها به عوامل محیطی بسیار حساس هستند.
دسته‌بندی سنسورها بر اساس نوع ساختمان
سنسورها بر اساس نوع سختمان به دو دسته‌ی محافظ (Shielded) و بدون محافظ (Unshielded) تقسیم می‌شوند.
سنسورهای محافظ
سنسورهای محافظ می‌توانند تمام مواد جامد در محدوده سنجش خود مانند پودر، کاغذ، چوب، گلوله های
پلاستیکی و غیره را تشخیص دهند. سطح این سنسورها با فلزها پوشانده شده و شار در این قسمت جلوی
سنسور متمرکز است که باعث کاهش تأثیر فلزات اطراف می شود.
سنسورهای بدون محافظ
سنسورهای بدون محافظ برای تشخیص اهداف رسانا (مثل فلزات و مایعات) بهترین هستند. از آنجا که در بیشتر موارد توانایی تشخیص مواد نارسانا را ندارند، برای تشخیص مایعات از طریق دیواره مخزن نارسانا مناسب هستند. با فلز پوشانده نشده است ، بنابراین شار نیز از سطح ایجاد می شود ، که باعث می شود سنسورها به راحتی تحت تأثیر فلزات اطراف قرار گیرند.
دسته‌بندی سنسورها بر اساس محل نصب
سنسورها را بر اساس محل نصب می‌توان به دو دسته‌ی سنسورهایی که در محیط‌های درون ساختمان (Indoor) نصب می‌شوند و سنسورهایی که در محیط آزاد نصب (Outdoor) می‌شوند، تقسیم کرد.
شکل۳- انواع سنسور بر اساس محل نصب
دسته‌بندی سنسورها بر اساس نوع خروجی
خروجی آنالوگ
این سنسورها در خروجی خود یک سیگنال آنالوگ دارند که متناسب با کمیت اندازهگیری شده است. اکثر پارامترهای فیزیکی مانند دما، سرعت، فشار، جابجایی و … همه مقادیری آنالوگ هستند. در این سنسورها هر پارامتر اندازهگیری شده به یک سیگنال (معمولا از نوع ولتاژ و یا جریان) نسبت داده می‌شود که با دریافت این سیگنال مقدار کمیت مورد نظر مشخص خواهد شد.
خروجی دیجیتال
خروجی این سنسورها داده‌های دیجیتالی است که می‌توانند از طریق گذرگاه‌های ارتباطی سری یا موازی (مانند UART ، SPI ، I2C و غیره) خوانده شوند. از این سنسورها در مواردی که نیاز به مشخص شدن داده‌های دوحالتی مانند خاموش/روشن، صحیح/خطا و هست/نیست وجود دارد استفاده می‌شود. سنسور نور و شتاب‌سنج دیجیتال نمونه‌هایی از دسته‌بندی سنسورها بر اساس خروجی دیجیتال هستند.
انواع سنسورهای صنعتی
با توجه به توسعه تکنولوژی اتوماسیون صنعتی، کنترل خودکار پروسه‌های صنعتی پیشرفت چشمگیری داشته است. سنسورها از مهمترین اجزای سیستم‌های اتوماسیون صنعتی هستند. کاربرد اصلی این تجهیزات فراهم کردن فیدبک برای سیستم‌های کنترلی حلقه‌باز و حلقه‌بسته است. برای آشنایی با انواع سنسور، از جمله سنسورهای اندازهگیری دما، فلو، فشار، رطوبت، مجاورت، سطح و سرعت، در ادامه مقاله با ما همراه باشید.
سنسورهای دما
نیاز به اندازهگیری دما در بسیاری از پروسه‌های صنعتی وجود دارد. برای کنترل دمای انواع کوره‌ها، مخازن، سیالات و فلزات و بسیاری موارد دیگر از سنسورهای دما استفاده می‌شود. چند نمونه از رایج‌ترین سنسورهای دما به شرح زیر هستند.
RTD
سنسور RTD یا «تشخیص‌دهنده دمای مقاومتی» (Resistance Temperature Detector) از یک قطعه فلزی ساخته شده است که مقاومت آن با تغییر دما تغییر میکند. RTD در دو نوع PT100 و PT1000 در بازار موجود است. مقاومت سنسور PT100 در دمای صفر درجه سلسیوس ۱۰۰ اهم و در سنسور PT1000 این مقدار ۱۰۰۰ اهم است. سنسور PT1000 از PT100 دقت اندازهگیری بیشتری دارد. سیم‌کشی RTDها می‌تواند به صورت دو‌سیمه، سه‌سیمه و چهار‌سیمه انجام شود.
برای آشنایی بیشتر با سنسور RTD و کاربرد آن می‌توانید مقاله سنسور RTD چیست را در وبسایت ماهر بخوانید.
ترموکوپل
ترموکوپل هم مانند RTD از سنسورهای بسیار پرکاربرد برای اندازهگیری دما است. این سنسور از دو فلز غیرهم‌جنس تشکیل شده است که در دو نقطه با هم اتصال دارند. یکی از نقاط اتصال در محیط مورد اندازهگیری و دیگری معمولاً در دمای محیط بیرون قرار می‌گیرد. اختلاف دمای بین دو نقطه اتصال باعث ایجاد اختلاف پتانسیلی در حد چند‌میلی‌ولت در دو سر ترموکوپل می‌شود که این اختلاف پتانسیل متناسب با اختلاف دمای دو نقطه است بنابراین، با استفاده از یک تقویت‌کننده ولتاژ به عنوان ترانسمیتر، می‌توان ولتاژ ترموکوپل را به ولتاژ استاندارد کنترلی (۰ تا ۱۰ ولت) تبدیل کرد در شکل ۴ ، نحوه عملکرد ترموکوپل را مشاهده می‌کنید.
ترموکوپل‌ها در انواع J ،K ،N ،R ،S ،T ،C ساخته می‌شوند که تفاوت آن‌ها در جنس فلزات تشکیل‌دهنده و محدوده و دقت اندازهگیری آن‌ها است.
برای آشنایی بیشتر با ترموکوپل توانید مقاله ترموکوپل چیست را در وبسایت ماهر مطالعه کنید.
سنسور دمای پایرومتر (Pyrometer)
سنسور دمای پیرومتری (اینفرارد) از جمله سنسورهای غیر‌تماسی است که برای اندازهگیری دماهای بسیار بالا مانند دمای مواد مذاب از آن استفاده می‌شود. هر جسم گرمی از خود امواج الکترومغناطیسی ساطع میکند که شدت انتشار این امواج به دمای جسم بستگی دارد. سنسور پایرومتر با دریافت این امواج و تبدیل آن‌ها به ولتاژ و جریان استاندارد کنترلی مقدار دما را اندازهگیری می‌کنند.
همان‌طور که احتمالاً حدس زده‌اید، قیمت این سنسورها بسیار زیادتر از سایر انواع سنسورهای دما است و مدار ترنسمیتر آن‌ها نیز بسیار پیچیده‌تر است. از ویژگی‌های سنسورهای پایرومتر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
- سرعت عملکرد بسیار بالا
- محدوده اندازهگیری بسیار گسترده از ۲۵۰ تا ۱۸۰۰ درجه سلسیوس
- امکان اندازهگیری دمای اجسام متحرک
- عدم نیاز به تماس با جسم یا محیط مورد اندازهگیری
سنسورهای دمای پایرومتری در دو نوع، طراحی و ساخته می‌شوند.
- سنسور پایرومتر ثابت: این نوع سنسور به صورت ثابت در مجاورت جسم گرم نصب می‌شود و دما را به صورت پیوسته مانیتور میکند. بنابراین می‌توان برای دریافت فیدبک کنترلی از آن استفاده کرد. جنس بدنه این نوع سنسور معمولاً فلزی است و در شرایط کاری خشن مقاومت بالایی دارد.
- سنسور پایرومتر تفنگی: این سنسورها به صورت دستی استفاده می‌شوند و برای اندازهگیری لحظه‌ای دمای اجسام گرم به کار می‌روند. برای مثال دمای ورق‌های فولادی نورد گرم یا کابل‌های خطوط انتقال فشار قوی را می‌توان با استفاده از این سنسورها اندازه گرفت.
در شکل ۶ دو نوع سنسور پایرومتری نشان داده شده است.
برای آشنایی بیشتر با سنسور پیرومتر می‌توانید مقاله سنسور پیرومتر چیست را در وبسایت ماهر مطالعه کنید.
سنسورهای فشار
سنسورهای فشار وظیفه اندازهگیری فشار سیالات مایع و گاز را بر عهده دارند. این سنسورها از تکنولوژی‌های مختلف برای اندازهگیری فشار بهره می‌برند و بسته به کاربردشان در انواع متعددی در بازار موجود هستند. در این بخش بعضی از رایج‌ترین انواع سنسور فشار را شرح می‌دهیم.
سنسور فشار استرین گیج
یکی از راه‌های اندازهگیری فشار استفاده از «استرین گیج» (Strain Gauge) است. استرین گیج قطعه‌ای است که وقتی به آن فشاری وارد می‌شود، مقاومت آن مقدار اندکی تغییر میکند. تغییر مقاومت متناسب با مقدار فشار وارد شده است.
معمولاً برای تشخیص تغییرات مقاومت از مداری به نام «پل وتستون» (Wheatstone Bridge) استفاده می‌شود. اتصال استرین گیج به پل وتستون به روش‌های دو‌سیمه، سه‌سیمه، ربع‌پل (Quarter-bridge)، نیم‌پل (Half-bridge) و تمام‌پل (Full-bridge) امکان‌پذیر است.
مطابق شکل ۷، با فشار سیال، دیافراگم سنسور تغییر شکل داده و باعث تغییر مقاومت استرین گیج می‌شود. تغییر مقاومت ایجاد‌شده توسط مدار پل وتستون به ولتاژ تبدیل می‌شود. از ویژگی‌های سنسور فشار استرین گیج می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
- قیمت پایین
- دقت بالا
- سادگی مدار ترنسمیتر به دلیل خروجی مقاومتی ساده
- مناسب برای اندازهگیری پیوسته طولانی‌مدت
- حساسیت کم به نوسان دمای سیال
در شکل ۹ یک نمونه سنسور فشار استرین گیج را می‌بینید.
سنسور فشار پیزوالکتریک
سنسور فشار پیزوالکتریک (Piezoelectric) بر اساس «اثر پیزوالکتریک» کار میکند. مواد پیزوالکتریک موادی هستند که در اثر فشار، ولتاژ آن‌ها تغییر میکند و این تغییر ولتاژ متناسب با مقدار فشار وارد‌شده است. جنس مواد پیزوالکتریک معمولاً سرامیک، کریستال و برخی مواد مرکب دیگر است.
همان‌طور که در شکل ۹ مشخص است افزایش فشار سیال باعث تغییر شکل دیافراگم و فشار به کریستال پیزوالکتریک شده و تغییر فشار به تغییر ولتاژ دو سر کریستال تبدیل می‌شود. ویژگی‌های سنسور فشار پیزوالکتریک شامل موارد زیر است.
- مقاوم در برابر محیط‌های کاری خشن با تنش‌های مکانیکی و حرارت بالا
- طول عمر زیاد و قیمت ارزان
- زمان پاسخ کم
- رابطه خطی بین خروجی سنسور و میزان فشار
- محدوده اندازهگیری از ۳ تا ۲۰۰۰۰ psi
- نیاز به ولتاژ تغذیه
شکل ۱۱ یک سنسور فشار پیزوالکتریک را نشان می‌دهد.
سنسور فشار خازنی
سنسور فشار خازنی (Capacitive) تغییرات فشار را به تغییرات ظرفیت خازن تبدیل میکند و از این روش، فشار را اندازه می‌گیرد. مکانیزم عملکرد این سنسور به این شکل است که فشار سیال به دیافراگم سنسور وارد می‌شود و جابجایی دیافراگم باعث تغییر فاصله صفحات هادی خازن می‌شود. تغییر فاصله صفحات در خازن، میزان ظرفیت آن‌ها را تغییر می‌دهد. در شکل ۱۲ ، ساختار عملکرد یک سنسور فشار خازنی را مشاهده می‌کنید.
در سیستم‌های کنترلی دیجیتال می‌توان تغییرات خازنی سنسور را به یک قطار پالس تبدیل کرد و از فرکانس تشدید پالس برای اندازهگیری فشار استفاده کرد. مدار ترنسمیتر این نوع سنسورها معمولاً یک اسیلاتور (نوسان‌ساز) یا یک مدار تشدید LC است. از ویژگی‌های سنسور فشار خازنی می‌توان موارد زیر را برشمرد.
- مصرف انرژی کم و عدم نیاز به تغذیه DC
- محدوده اندازهگیری از ۲۵۰ پاسکال تا ۷۰ مگاپاسکال
- مقاوم بودن در برابر حرارت بالا و فشار بیش از حد کوتاه‌مدت
- نیاز به مدار ترنسمیتر پیچیده به دلیل خروجی غیر‌خطی و نیاز به محافظت در برابر نویز خازنی
شکل ۱۳ نمای ظاهری یک سنسور فشار خازنی را نشان می‌دهد.
سنسورهای فلو
به سرعت عبور سیال از واحد سطح، فلوی سیال گفته می‌شود. روش‌های پرشماری برای اندازهگیری فلو (Flow) وجود دارد و بر مبنای این روش‌ها سنسورهای فلوی متعددی طراحی و تولید شده است که هر یک بسته به نوع سیال، محل استفاده و دقت مورد نیاز، کاربرد خاص خود را دارند. به سنسورهای فلو اصطلاحاً فلومتر (Flowmeter) گفته می‌شود. فلومترها از لحاظ مکانیزم عملکرد، به دسته‌های زیر تقسیم‌بندی می‌شوند.
- فلومترهای مکانیکی: این فلومترها دارای یک قطعه مکانیکی هستند که حرکت سیال را به حرکت مکانیکی تبدیل کرده و مقدار فلو را اندازهگیری میکند. از جمله این فلومترها فلومتر جابجایی مثبت (Positive displacement)، توربینی (Turbin) و چرخ‌پارویی (Paddle-wheel) را می‌توان نام برد.
- فلومترهای فشاری: فلومترهای فشاری بر مبنای اختلاف فشار دو نقطه از سیال، مقدار فلو را اندازهگیری می‌کنند؛ مانند فلومتر صفحه اوریفیس (Orifice plate)، لوله ونتوری (Venturi tube) و لوله پیتوت (Pitot tube).
- فلومترهای نوری: این فلومتر برای سیال‌های گازی استفاده می‌شود و با تاباندن اشعه نور و دریافت انعکاس آن مقدار تضعیف نور را اندازهگیری کرده و فلو را به دست می‌آورد.
- فلومترهای التراسونیک: در این فلومتر با ارسال موج فراصوت (Ultrasonic)، دریافت موج منعکس‌شده و اختلاف این دو موج، مقدار فلو اندازهگیری می‌شود.
- فلومترهای الکترومغناطیسی: برای اندازهگیری مایعاتی که رسانایی الکتریکی خوبی دارند، می‌توان از فلومتر الکترومغناطیسی استفاده کرد. این فلومتر بر اساس «قانون فارادی» کار میکند. طبق این قانون، هرگاه یک هسته رسانا از یک میدان مغناطیسی عبور کند، ولتاژی تولید می‌شود که متناسب با سرعت حرکت هسته است.
به‌جز انواعی که به آن‌ها اشاره شد، سنسورهای متنوع دیگری مانند فلومتر گردابی و پیزوالکتریک هم برای اندازهگیری فلو وجود دارند.
برای آشنایی دقیق با سنسورهایی که به آن‌ها اشاره شد، مقاله «فلومتر چیست؟» را در وبسایت ماهر مطالعه کنید.
سنسورهای سطح‌سنج
از سنسورهای سطح‌سنج (Levelmeter) برای اندازهگیری سطح مایعات، جامدات یا مخلوطی از هر دو استفاده می‌شود. در این بخش، بعضی انواع پرکاربرد سنسورهای اندازهگیری سطح را بررسی کرده و نحوه عملکرد آن‌ها را شرح می‌دهیم.
سنسورهای سطح‌سنج خازنی (Capacitive)
سنسورهای سطح‌سنج خازنی بر اساس تغییرات ظرفیت خازنی میان دو الکترود میزان سطح مواد در مخزن را اندازهگیری می‌کنند. سنسوروهای سطح‌سنج خازنی به ۳ روش روی مخازن نصب می‌شوند.
- روش اول: دو الکترود درون مخزن قرار می‌گیرند و با تغییر سطح مواد مورد اندازهگیری بین دو الکترود ظرفیت خازنی هم تغییر میکند.
- روش دوم: الکترود‌ها روی دیواره بیرونی مخزن نصب می‌شوند و با مواد تماس مستقیم ندارند.
- روش سوم: یک الکترود درون مخزن قرار می‌گیرد و از دیواره مخزن به عنوان الکترود دوم (صفحه دوم خازن) استفاده می‌شود.
از ویژگی‌های سنسور سطح‌سنج خازنی می‌توان موارد زیر را نام برد.
- اندازه کوچک
- دقت بالا
- عدم تاثیرپذیری در برابر تغییرات دما و فشار
- می‌توان آن‌ها را از فلزات مقاوم در برابر خوردگی ساخت
- نیاز به کالیبراسیون دقیق
- هر سنسور را می‌توان تنها برای اندازهگیری سطح یک نوع ماده استفاده کرد
- حساس در برابر نویز محیط
از سنسور سطح‌سنج خازنی معمولاً در صنایع شیمیایی، صنایع غذایی و تصفیه‌خانه‌ها استفاده می‌شود. این سنسورها می‌تواند سطح مایع، پودر یا مواد گرانولی (دانه‌های جامد کوچک) را اندازه بگیرند. به جز سنسورهای خازنی که شرح داده شد، انواع طراحی دیگری نیز برای این سنسور وجود دارد که همگی بر مبنای تغییرات ظرفیت خازنی کار می‌کنند. در شکل ۱۵ چند نمونه سنسور سطح‌سنج خازنی را می‌بینید.
سنسور سطح‌سنج التراسونیک (Ultrasonic)
سطح‌سنج التراسونیک یکی از انواع پرکاربرد سنسور سطح است. این سنسور در بالای مخزن نصب می‌شود و با ارسال امواج صوتی با فرکانس بالا و دریافت پژواک امواج، فاصله سنسور تا مواد درون مخزن را تشخیص داده و به این صورت، سطح مواد را اندازهگیری میکند.
سنسورهای التراسونیک برای اندازهگیری سطح موادی که رسانایی الکتریکی ندارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد و برای اندازهگیری سطح، نیازی به تماس با مواد درون مخزن ندارد.
از ویژگی‌های سنسور سطح‌سنج التراسونیک می‌توان موارد زیر را برشمرد.
- قیمت زیاد
- قابلیت‌اطمینان بالا
- عدم تاثیرپذیری از نوع و تغییر مشخصه‌های ماده مورد اندازهگیری
- اندازه کوچک
- امکان خوانش خروجی سنسور از راه دور
- فاقد قسمت متحرک
- وابسته بودن مدت‌زمان پاسخ سنسور به عواملی مانند مقدار تلاطم سیال، دمای محیط و مقدار کف (حباب) روی سیال
از سنسورهای سطح‌سنج التراسونیک در صنایع مختلفی مانند تصفیه آب، شیمی، پتروشیمی، غذا و دارو استفاده می‌شود. در شکل ۱۶ نمای ظاهری یک نمونه سنسور سطح‌سنج التراسونیک را مشاهده می‌کنید.
سنسور سطح‌سنج صوتی (Acoustic)
عملکرد این سنسور مانند سنسور التراسونیک است با این تفاوت که از امواج صوتی فرکانس پایین برای اندازهگیری سطح استفاده میکند. این سنسور برای اندازهگیری سطح مایعاتی که ویسکوزیته (غلظت) بالایی دارند یا مواد جامد به کار می‌روند. انعکاس امواج این سنسور از سطح مایع نیست؛ بلکه با برخورد به کف مخزن منعکس می‌شوند. وجود حباب (کف) در سطح سیال، می‌تواند روی دقت خوانش آن‌ها تاثیر بگذارد.
سنسوری سطح‌سنج راداری (Radar)
سنسور سطح‌سنج راداری نیز مانند سنسورهای التراسونیک و صوتی بر مبنای پژواک امواج کار میکند. در این سنسور، امواج مایکرووِیو (Microwave) درون مخزن تابانده می‌شوند و مدت‌زمان دریافت امواج بازگشتی، سطح مواد درون مخزن را نشان می‌دهد.
سنسور سطح‌سنج راداری برای اندازهگیری سطح مایعاتی که ایجاد کف (حباب) میکند یا ویسکوزیته بالایی دارند، مناسب است.
از ویژگی‌های سنسور سطح‌سنج راداری می‌توان موارد زیر را نام برد.
- دقت بالا
- بدون نیاز به کالیبراسیون
- توانایی ارسال چند نوع خروجی
- قیمت بالا
- رنج اندازهگیری محدود (بسته به فرکانس موج تا ۱۰ متر)
به جز سنسورهای سطح‌سنجی که معرفی شد، انواع دیگر این تجهیز نیز برای کاربردهای مختلف در بازار موجود هستند. از جمله آن‌ها می‌توان سنسور ارتعاشی یا چنگالی (Vibrating)، سنسور نوری (Optical) و سنسور شناور (Floating) را برشمرد.
سنسورهای مجاورت
سنسورهای مجاورت یا پراکسیمیتی (Proximity) وجود اجسام را در ناحیه اندازهگیری خود تشخیص می‌دهند. این سنسورها علاوه بر تشخیص وجود یا عدم وجود جسم، می‌توانند فاصله سنسور تا جسم و سرعت عبور اجسام را اندازه بگیرند. از این نوع سنسور در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی به صورت گسترده استفاده می‌شود. سنسورهای پراکسیمیتی در انواع مختلفی ساخته می‌شوند که در ادامه آن‌ها را معرفی می‌کنیم.
سنسور مجاورت خازنی
سنسور مجاورتی خازنی (Capacitive) از اسیلاتور (نوسان‌ساز)، مدار تریگر و تقویت‌کننده تشکیل شده است. وقتی جسم وارد محدوده میدان الکتریکی ایجاد شده توسط سنسور می‌شود، خطوط میدان را قطع کرده و مقدار ظرفیت خازن تغییر میکند. تغییر ظرفیت خازن منجر به تغییر دامنه مدار اسیلاتور می‌شود. دور شدن جسم از سنسور، کاهش دامنه و نزدیک شدن آن، افزایش دامنه نوسان اسیلاتور را به همراه دارد. تغییرات دامنه باعث تحریک مدار تریگر و تغییر در مقدار خروجی سنسور می‌شود.
سنسورهای پراکسیمیتی خازنی توانایی تشخیص و اندازهگیری اجسام فلزی و غیرفلزی را دارند و می‌توانند مواد پودری یا گرانولی را هم تشخیص دهند. شعاع اندازهگیری این سنسورها حدود ۳.۵ سانتی‌متر است. در شکل ۲۱ یک سنسور مجاورت خازنی را می‌بینید.
سنسور مجاورت القایی
سنسور مجاورت القایی (Inductive) از یک سیم‌پیچ (کویل) تشکیل شده است که حول یک هسته آهنی پیچیده می‌شود. با عبور جریان متناوب از سیم‌پیچ، یک میدان مغناطیسی اطراف آن ایجاد می‌شود. میدان مغناطیسی یک جریان گردابی (Eddy Current) در هسته آهنی القا میکند و این جریان باعث ایجاد یک میدان الکتریکی می‌شود که با میدان مغناطیسی سیم‌پیچ مخالفت میکند. وقتی جسمی به سنسور نزدیک می‌شود، میدان مغناطیسی را کاهش می‌دهد. اگر کاهش میدان از مقدار آستانه تریگر سنسور کمتر شود، خروجی سنسور فعال می‌شود و وجود جسم در نزدیکی آن را اعلام میکند.
سنسور پراکسیمیتی القایی برای تشخیص اجسام فلزی به کار می‌رود و می‌تواند تا فاصله حدود ۶ سانتی‌متر حضور اجسام را تشخیص دهند. شکل ۲۳ یک سنسور مجاورت القایی را نشان می‌دهد.
سنسور مجاورت نوری
سنسور مجاورت نوری (Optical) از سنسورهای بسیار پرکاربرد در صنعت است. این سنسور دارای یک بخش امیتر (Emitter) و یک بخش تشخیص (Detector) است. بخش امیتر یک شعاع نور (معمولاً اینفرارد) تولید میکند و بخش تشخیص، بازتاب نور را دریافت و وجود جسم را تشخیص می‌دهد.
سنسورهای نوری دو نوع کاربرد دارند؛ نوع اول تنها وجود یا عدم وجود جسم را تشخیص می‌دهند و نوع دوم فاصله جسم تا سنسور را اندازه می‌گیرند.
سنسورهای تشخیص‌دهنده نوری سه نوع هستند:
- بازتابی (Reflective): این سنسورها نور بازتاب‌شده از جسم را دریافت کرده و وجود جسم را تشخیص می‌دهد.
- اشعه گذرنده (Through-beam): در این سنسور بخش امیتر و دیتکتور از هم جدا هستند و روبروی هم نصب می‌شوند. امیتر یک شعاع نوع مستقیم به دیتکتور ارسال میکند و اگر جسمی میان این دو قسمت قرار بگیرد، شعاع نور، قطع شده و سنسور، وجود جسم را تشخیص می‌دهد.
- انتشاری (Diffuse): این سنسورها نیز با بازتاب نور کار می‌کنند؛ با این تفاوت که میزان پخش‌شدگی نور را تشخیص می‌دهد. این سنسور برای تشخیص اجسامی که کفیت بازتاب خوبی ندارند، مناسب است.
سنسورهای نوری فاصله‌سنج با استفاده از میزان تغییر شدت نور بازگشتی، فاصله جسم تا سنسور را اندازهگیری میکند. هر چه جسم به سنسور نزدیک‌تر باشد شدت نور بازگشتی بیشتر است و دور شدن جسم باعث کاهش شدت نور بازتاب می‌شود.
سنسورهای نوری تشخیص‌دهنده می‌توانند تا فاصله ۱۰ متر وجود اجسام را تشخیص دهند؛ اما سنسور نوری فاصله‌سنج، نهایتاً تا ۱ متر می‌تواند فاصله را اندازه بگیرد.
برای آشنایی بیشتر با سنسورهای مجاورت، می‌توانید مقاله تفاوت سنسورهای القایی، خازنی و نوری را در وبسایت ماهر مطالعه کنید.
سنسورهای رطوبت‌سنج
اندازهگیری میزان رطوبت در کاربردهایی مانند صنایع غذایی، صنایع شیمیایی، سیستم‌های تهویه و اتوماسیون گلخانه‌ها بسیار رایج است. بیشتر سنسورهای رطوبت‌سنج بر مبنای تغییرات خازنی، مقاومتی یا گرمایی کار می‌کنند.
- سنسور رطوبت‌سنج خازنی (Capacitive) که در آن یک ورقه اکسید فلزی (Metal-oxide) بین دو صفحه خازنی قرار می‌گیرد و تغییر رطوبت باعث تغییر ظرفیت خازن می‌شود. رابطه رطوبت و ظرفیت خازن در این سنسورها خطی است و مدار ساختار ترنسمیتر و نحوه کالیبراسیون این سنسور نیز پیچیده است.
- سنسورهای رطوبت‌سنج مقاومتی (Resistive) به‌وسیله تغییرات امپدانس الکتریکی موادی مانند پلیمرها یا نمک‌ها مقدار رطوبت را اندازهگیری می‌کنند. رطوبت و مقاومت در این سنسورها نسبت عکس دارند و با افزایش رطوبت مقاومت کاهش می‌یابد.
- سنسور رطوبت‌سنج گرمایی (Thermal) بر مبنای رسانایی گرمایی گازها عمل میکند. این سنسور از دو بخش اصلی تشکیل می‌شود: بخش حساس به گرما و بخش حساس به رطوبت. هر دو بخش از فلزاتی با ضریب مقاومت گرمایی بالا مانند نیکل و پلاتین ساخته می‌شوند. یکی از بخش‌ها درون محفظه‌ای از نیتروژن خشک قرار می‌گیرد و بخش دیگر در معرض هوای محیط است. اختلاف بین ضریب مقاومت گرمایی دو بخش سنسور میزان رطوبت هوا را تعیین میکند.
سنسورهای سرعت دَوَرانی
همان‌طور که می‌دانید موتورهای الکتریکی از تجهیزات بسیار پرکاربرد در صنعت هستند و تقریبا همه بخش‌های متحرک دستگاه‌ها و پروسه‌های صنعتی به‌وسیله آن‌ها به حرکت در‌می‌آیند. یکی از چالش‌های مهم در اتوماسیون صنعتی اندازهگیری سرعت چرخش موتورهای الکتریکی است. درایوهای الکتریکی در سیستم‌های کنترلی حلقه‌بسته برای تعیین پارامترهای تغذیه موتور مانند فرکانس و ولتاژ به دریافت فیدبک از سرعت چرخش موتور نیاز دارند. در کاربردهای حساس‌تر، سنسورهای دِوَرانی می‌توانند زاویه چرخش را هم اندازهگیری کنند. در ادامه معرفی انواع سنسورهای صنعتی دو نوع سنسور سرعت دوَرانی را به طور مختصر معرفی می‌کنیم.
انکدر
انکدر (Encoder) که به آن «روتاری انکدر» و «شفت انکدر» نیز گفته می‌شود، از پرکاربردترین سنسورهایی است که برای اندازهگیری سرعت و زاویه چرخش استفاده می‌شوند. خروجی این سنسور معمولاً پالس دیجیتال است و فرکانس و تعداد پالس خروجی سنسور تعیین‌کننده سرعت یا زاویه چرخش است. انکدر‌ها از لحاظ مکانیزم تولید پالس به انواع زیر دسته‌بندی می‌شوند.
انکدر مغناطیسی (Magnetic Encoder): این انکدر دارای یک چرخ مغناطیسی است که روی شفت موتور نصب می‌شود و یک سنسور مغناطیسی وضعیت و سرعت چرخش شفت را اندازهگیری میکند.
انکدر نوری دوطرفه یا انتقالی (Transmissive Optical Encoder): این انکدر از یک دیسک گَردان برای اندازهگیری سرعت شفت موتور استفاده میکند. یک سمت دیسک، یک LED قرار دارد و در سمت دیگر آن یک سنسور تشخیص نور (Photodetector) تعداد و سرعت قطع و وصل شعاع نور را ثبت و بر اساس آن سرعت و زاویه چرخش را اندازهگیری میکند.
انکدر نوری بازتابی (Reflective Optical Encoder): عملکرد انکدر نوری بازتابی مانند انکدر نوری دوطرفه است؛ با این فرق که سنسور نوری بازتابی، نور منعکس‌شده از روی دیسک را تشخیص می‌دهد. در شکل ۲۷ تفاوت نحوه کار این دو نوع سنسور زا مشاهده می‌کنید.
برای آشنایی بیشتر با سنسور انکدر، می‌توانید مقاله تعریف انواع سنسور Encoder و کاربردهای آن را در وبسایت ماهر مطالعه کنید.
تاکومتر
تاکومتر (Tachometer) نیز مانند انکدر سرعت چرخش موتور را اندازهگیری میکند و در دو نوع آنالوگ و دیجیتال موجود است. دقت و رزولوشن اندازهگیری تاکومتر از انکدر کمتر است. این تجهیز در دو نوع طراحی می‌شود. یکی از آن‌ها مانند انکدر روی شفت موتور نصب می‌شود و دیگری به صورت دستی و بدون تماس مستقیم می‌تواند سرعت اجسام دوّار را اندازهگیری کند.
در شکل ۲۹ این دو نوع تاکومتر را مشاهده می‌کنید.
کاربردهای سنسورها
سنسورها از روزهای اولیه صنعت برق وجود داشته و در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار گرفته‌اند. سنسورها در پروژه‌های الکترونیک، رباتیک و صنعت نقش کلیدی دارند. از دیگر مواردی که سنسورها در آن‌ها کاربرد دارند می‌توان به اتوماسیون، کامپیوترها، ماشین‌های هوشمند، ماهواره‌ها، خانه‌های هوشمند، نیروگاه‌های انرژی و ارتباطات اشاره کرد. تقریباً در تمام دستگاه‌های الکترونیکی، یک یا چند سنسور وجود دارد که نوعی بازخورد را برای یک ویژگی فیزیکی مانند دما و فشار ارائه می‌دهند.
چگونه بهترین سنسور را انتخاب کنیم؟
عوامل زیادی را باید هنگام انتخاب سنسور در نظر گرفت. اما انتخاب سنسور با انتخاب پارامتر فیزیکی مورد اندازهگیری شروع می‌شود. پس از مشخص شدن پارامتر اندازهگیری چند عامل مهم دامنه‌ی عملکرد سنسور، میزان دقت و هزینه را باید در انتخاب سنسورها در نظر گرفت.
دامنه‌ی عملکرد سنسور
مهمترین فاکتوری که در سنسور باید در نظر گرفت دامنه‌ی عملکرد است. برای مثال، در طراحی سیستم دیگ بخار که دمای جوش مایع را در 500 درجه سانتی‌گراد کنترل میکند، نباید از سنسوری استفاده کرد که فقط توانایی تشخیص 150 درجه سانتی‌گراد را دارد. بنابراین باید مطمئن شد که سنسور پاسخ‌گوی محدوده مورد نیاز برنامه باشد.
میزان دقت
قبل از انتخاب سنسور، باید در مورد میزان دقت مورد نیاز سنسور به جمع‌بندی رسید. برای مثال، یک سنسور دما با دقت 1 درجه سانتی‌گراد برای طراحی سیستم تعبیه شده در دیگ بخار کافی خواهد بود. با این حال، این سنسور با دقت یکسان ممکن است برای برخی از آزمایش‌های مهم علمی یا دستگاه‌هایی که نیاز به دقت 1/0 درجه سانتی‌گراد دارندکافی نباشد.
هزینه
سنسورهای الکترونیکی از نظر قیمت بسیار متنوع‌اند. به راحتی می‌توان حدس زد که سنسورهای با دقت بالا همیشه گران‌تر از سنسورهای با دقت پایین هستند. میزان دامنه‌ی عملکرد نیز در تعیین قیمت سنسور نقش دارد. نکته این است که باید مطمئن شد که سنسور انتخابی در بودجه مجاز پروژه بهترین نتایج را به همراه دارد؟
جمع‌بندی
با توجه به کاربرد گسترده سنسورها در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، برق صنعتی و کنترل دستگاه‌های صنعتی آشنایی با انواع و کاربرد سنسورها برای همه متخصصانی که در این حوزه‌ها فعال هستند، ضروری است. در این مقاله، ابتدا مفاهیم اولیه در مورد انواع سنسور و ترنسمیتر شرح داده شد. در ادامه، پرکاربردترین سنسورهای صنعتی برای اندازهگیری دما، فشار، فلو، سطح، مجاورت رطوبت و سرعت دورانی معرفی و نحوه کار آن‌ها بررسی شد. در دوره اتوماسیون‌کار و درایو الکتریکی ماهر می‌توانید با برخی از این سنسورها و اهمیت به‌کارگیری آن‌ها در پروژه‌های عملی و کاربردی آشنا شوید.
سوالات متداول
دیافراگم یک صفحه از جنس ارتجاعی مانند لاستیک است که با اعمال فشار تغییر شکل می‌دهد.
انتخاب فلومتر به‌شدت به مشخصه‌های سیال بستگی دارد. مثلاً برای سیال‌هایی که دمای بسیار زیاد یا خورندگی بالا دارند، معمولاً از سنسورهای غیر‌تماسی مانند التراسونیک یا مغناطیسی استفاده می‌شود.
از جمله کاربردهای سنسورهای مجاورتی می‌توان شمارش محصول، جلوگیری از برخورد ناخواسته و اندازهگیری سرعت حرکت روی خط کانوایر را مثال زد.
منابع
electronicshub.org
https://upkeep.com/learning/pressure-sensor
https://www.cuidevices.com/blog/an-overview-of-pressure-sensors
https://wwhttps://www.omega.com/en-us/resources/pressure-transducers-types
w.realpars.com/blog/pressure-sensor
https://automationforum.co/what-is-an-optical-proximity-sensor/
https://my.avnet.com/abacus/solutions/technologies/sensors/pressure-sensors/core-technologies/capacitive-vs-piezoresistive-vs-piezoelectric/
https://my.avnet.com/abacus/solutions/technologies/sensors/pressure-sensors/core-technologies/capacitive/
https://www.ouldsensors.com/what-is-capacitive-pressure-transmitter/
https://control.com/technical-articles/level-sensors-and-their-use-in-level-measurement-and-monitoring/
https://www.processsensing.com/en-us/blog/Most-common-types-of-level-sensing-methods-and-how-they-differ.htm
https://www.pepperl-fuchs.com/usa/en/classid_142.htm
https://www.machinedesign.com/automation-iiot/sensors/article/21831577/baumer-electric-types-of-proximity-sensors-from-inductive-to-ultrasonic
https://robu.in/types-of-proximity-sensor/
https://www.guilcor.com/content/37-le-capteur-d-humidite-resistif
https://www.encoder.com/rotary-encoders
مقاله‌ای که خواندید بخشی از مطالب دوره آموزش اتوماسیون کار ماهر است.
برای یادگیری 0 تا 100 این دوره کلیک کن
اگر به دنبال افزایش مهارت خود در زمینه اتوماسیون صنعتی هستید،برای دریافت آموزش‌های رایگان در این حوزه، فقط کافیه فرم رو تکمیل کنید.
