آموزش جامع سنسور های القایی

 سنسورهای القایی نوعی دیگر از سنسورهای مجاورتی می‌باشند که می‌توان از این سنسورها به عنوان تشخیص فلزات استفاده کرد.

سنسور القایی چیست؟

این سنسور ها معمولاً به صورت استوانه‌ای در قطرهای 8، 12، 18 و 30 میلی متر با بدنه پلاستیکی و یا فلزی ساخته می شوند که نوع پلاستیکی آن دارای درجه حفاظت بالاتری نسبت به نفوذ آب دارد و نوع فلزی این سنسور دارای استحکام مکانیکی بالاتری است.

در شکل زیر چند نمونه از این سنسور نشان داده شده است

  لازم به ذکر است که سنسورهای القایی در اشکال مستطیلی، شکافدار و حلقه ای نیز ساخته می شوند.

 

اساس کار سنسور القایی

 اساس کار سنسور القایی بر مبنای جریان های گردابی ایجاد شده در داخل فلزی که سنسور وجود آن را تشخیص می دهد، می باشد. قابلیت و میزان تشخیص اجسام به چهار عامل بستگی دارد که به تشریح هر یک می پردازیم.

• جنس جسم

 فلزات با ترکیبات آهن به سادگی توسط این سنسور تشخیص داده می‌شوند، علت این امر القای قوی جریان های گردابی در داخل این فلزات می باشد. البته این سنسور قابلیت تشخیص فلزات با ترکیبات غیر آهنی مانند برنج را نیز دارد، که علت آن قابلیت ایجاد جریان های گردابی در داخل این نمونه فلزات می باشد.

 لازم به ذکر است که در فلزات آهنی میزان جریان های گردابی بیشتر از فلزات غیر آهنی می باشد، در نتیجه تشخیص آهنی آسان تر از فلزات غیر آهنی است. به علت عدم هدایت مواد غیر فلزی مانند پلاستیک، این مواد توسط سنسور القایی قابل تشخیص نمی باشند.

 قابلیت تشخیص فلزات بر اساس ضریب هدایت می باشد، هر چه ضریب هدایت یک فلز بالاتر باشد، راحت تر می‌توان  وجود این فلز را توسط سنسور القایی تشخیص داد. دقت شود که مطابق منحنی زیر فلزات آهنی دارای ضریب هدایت بالاتری نسبت به فلزات غیر آهنی هستند.

 نکته

 به علت عدم هدایت مواد غیر فلزی مانند پلاستیک، این مواد توسط سنسور القایی قابل تشخیص ُنمی باشند.

• اندازه جسم

 سنسور القایی، یک فلز با اندازه بزرگتر را راحت تر از یک فلز با اندازه کوچکتر تشخیص می دهد و در صورتی که یک فلز، کوچکتر از حدی باشد که جریان گردابی نتواند به اندازه لازم در آن ایجاد شود این فلز توسط این سنسور قابل تشخیص نمی باشد.

 هرچه اندازه یک فلز از حد استاندارد کوچکتر باشد، آن فلز درفاصله کمتری از محدوده قابل تشخیص سنسور، تشخیص داده می شود.

• شکل جسم

 شکل جسم در تشخیص آن تاثیر بسزایی دارد، یک قطعه تخت راحت تر از یک قطعه غیر تخت قابل تشخیص می باشد، در نتیجه اجسام تخت در فاصله دورتری نسبت به اجسام غیر تخت قابل تشخیص می باشند. علت این امر مطابق شکل، ایجاد جریان گردابی قوی تر در قطعه فلزی تخت می باشد.

• موقعیت یک جسم

 موقعیت یک جسم در تشخیص آن نیز بی تاثیر نیست و در صورتی که یک جسم کاملاً روبروی سنسور باشد بهتر قابل تشخیص می باشد.

 نحوه عملکرد

 سنسورهای القایی با استفاده از مدارات الکترونیکی اجسام فلزی را تشخیص میدهند. مدار داخلی این سنسور از چهار طبقه تشکیل شده است که عبارتند از : اسیلاتور، دمدولاتور، تریگر و خروجی

 شکل زیر چهارطبقه مدار سنسور القایی را نشان میدهد

 همانطور که از مدار بالا پیداست طبقه اسیلاتور از یک مدار تشدید LC تشکیل شده است، که در این مدار، انرژی بین سلف و خازن جابجا می شود و سبب ایجاد میدان مغناطیسی در بخش حساس سنسور می‌گردد.

 نزدیک شدن یک قطعه فلزی سبب ایجاد یک جریان گردابی در قطعه می گردد و این عمل سبب جذب انرژی میدان می شود، در نتیجه دامنه سیگنال اسیلاتور کاهش می یابد و شکل موج خروجی اسیلاتور پس از تقویت به طبقه دمدولاتور اعمال می گردد.

 مطابق شکل زیر دمدولاتور یک مدار دیودی نیم موج همراه با یک فیلتر RC می باشد که سیگنال متناوب خروجی اسیلاتور را به یک سیگنال DC تبدیل می نماید.

سیگنال DC خروجی طبقه دمدولاتور به طبقه تریگر اعمال میگردد و در صورتی که خروجی دمدولاتور کمتر از یک حد معین شود، خروجی تریگر به سرعت به یک ولتاژ زیاد تغییر می‌کند که این تغییر در خروجی تریگر باعث تحریک مدار خروجی می‌شود و توسط مدار خروجی، وضعیت سنسور به خارج اعمال می گردد. همچنین در مدار خروجی یک LED جهت نمایش وضعیت سنسور قرار داده شده است.

خصوصیات و مشخصات

در ادامه برخی از خصوصیات و مشخصات اصلی سنسورهای القایی ذکر شده است، دقت شود که بیشتر این مشخصات مانند درجه حفاظت (IP) برای تمامی سنسور ها ازجمله سنسورهای نوری، مغناطیسی و … تعریف می گردد.

فاصله سوئیچینگ (S)

فاصله ای که سنسور یک قطعه استاندارد را تشخیص می دهد را فاصله سوئیچینگ می نامند و با حرف S آن را نشان می دهند. این فاصله، مهمترین مشخصه یک سنسور القایی می باشد. فاصله سوئیچینگ به اندازه و مشخصات بوبین سنسور بستگی دارد و این فاصله برای سنسور های القایی تا 25 میلی متر قابل دسترسی می باشد.

نکته

قطعه استاندارد به منظور تست سنسور القایی مطابق با استاندارد IEC974-5-2 دارای ضخامت 1 میلی متر و طول ضلع های آن برابر با قطر سنسور می باشد.

 لازم به ذکر است که فاصله سوئیچینگ با تغییر در سایز قطعه استاندارد و یا تغییر در جنس این قطعه تغییر می کند، منحنی زیر فاصله سوئیچینگ را برای قطعات با ابعاد و جنس های متفاوت نشان می دهد.

 فاصله سوئیچینگ نامی (Sn)

 این پارامتر بیانگر فاصله‌ای است که در حالت معمول و بدون در نظر گرفتن پارامترهای متغیر مانند حرارت، ولتاژ تغذیه و…  تعریف می شود.

فاصله سوئیچینگ موثر (Sr)

 این پارامتر مربوط به فاصله سوئیچینگ تحت شرایط ولتاژ نامی و در حرارت 20 درجه سانتی گراد می باشد. دراین حالت تلرانس و پارامترهای متغیر نیز در نظر گرفته می شود.

 فاصله سوئیچینگ مفید (Su)

 این پارامتر مربوط به فاصله‌ای است که سنسور در محدوده حرارت و ولتاژ مجاز، عمل سوئیچینگ را انجام می دهد.

 فاصله سوئیچینگ عملیاتی (Sa)

 این پارامتر مربوط به فاصله‌ای است که تحت شرایط مجاز, عملکرد سنسور تضمین شده باشد.

 ولتاژ عملکرد (Vs)

 این پارامتر مربوط به حداکثر و حداقل ولتاژ تغذیه سنسور می باشد, به طوری که عملکرد سنسور تضمین شده باشد.

 فرکانس سوئیچینگ (Fs)

 این پارامتر بیانگر حداکثر تعداد قطع و وصل پی در پی یک سنسور در یک ثانیه می باشد. این پارامتر مطابق با استاندارد DIN EN 50010 اندازه گیری می شود.

 جریان نشتی (I leakage)

 جریانی می باشد که از سنسورهای دو سیمه در حالت قطع عبور می‌کند.

  جریان بی باری (I no-load)

 جریانی می باشد که در حالت وصل سیمهای تغذیه سنسور از سنسور عبور می کند.

 جریان بار  ماکزیمم (I max)

 حداکثر جریان پیوسته ای می باشد که از خروجی سنسور می‌تواند عبور کند.

هیسترزیس (H)

 این پارامتر مربوط به فاصله بین نقطه وصل شدن سنسور در زمان نزدیک شدن قطعه به سنسور و نقطه قطع شدن سنسور هنگام دور شدن قطعه از سنسور می باشد.حداکثر فاصله هیسترزیس 10% فاصله نامی سنسور می باشد.

دمای محیط (Ta)

محدوده حرارتی است که در آن محدوده عملکرد سنسور تضمین شده می باشد:

کلاس حفاظتی (IP)

این پارامتر مربوط به حفاظت سنسور در برابر نفوذ اجسام خارجی و همچنین حفاظت در برابر نفوذ مایعات در سنسور می باشد.

بیشتر سنسورهای موجود در بازار دارای خصوصیات حفاظتی زیر می باشند :

• حفاظت در برابر اتصال معکوس سیم های سنسور
• حفاظت در برابر اتصال کوتاه
• حفاظت در برابر ولتاژ ضربه ای
• حفاظت در برابر قطع یکی از سیم های سنسور

لازم به ذکر است که مشخصات سنسور های القایی قابل تغییر نمی باشد در نتیجه انتخاب سنسور می بایست متناسب با کاربرد سنسور صورت گیرد.

جدول زیر  برخی از مشخصات فنی یک نمونه سنسور القایی پرکاربرد را نشان می دهد.

 نحوه نصب

سنسورهای القایی با بدنه استوانه ای به دو صورت flush و non flush ساخته می شوند، که هرزمان نیاز باشد دو یا چند سنسور القایی در مجاورت یکدیگر نصب شوند، می بایست موارد زیر متناسب با نوع سنسور مدنظر قرار گیرد.

• سنسورهای flush

در این سنسورها قسمت حساس سنسور توسط پوسته فلزی محصور شده است.

رعایت فواصل نصب مطابق شکل زیر برای این نمونه از سنسور القایی الزامی می باشد.

همانطور که از شکل بالا مشخص است، درصورتی که دو سنسور القایی flush در کنار یکدیگر نصب شوند می بایست حداقل به اندازه قطر یک سنسور بین آنها فاصله باشد.

همچنین درصورتی که روبروی این سنسور یک سطح فلزی وجود داشته باشد، می بایست این سطح حداقل به اندازه سه برابر فاصله سوئیچینگ نامی سنسور از خود سنسور فاصله داشته باشد.

از خصوصیات خوب سنسور flush می توان به نصب آسان، فضای نصب کم و فرکانس سوئیچینگ بالا اشاره کرد.

• سنسورهای non flush

در این سنسورها قسمت حساس سنسور در خارج از پوسته فلزی آن قرار دارد و رعایت فواصل نصب مطابق شکل زیر برای سنسور non flush الزامی است.

دقت شود که فاصله سوئیچینگ این سنسورها بیشتر از سنسورهای flush می باشد اما فرکانس سوئیچینگ آن پایین تر از سنسور flush است. علت تفاوت در مشخصات بین سنسورهای flush و non flush تفاوت در نحوه گسترش خطوط میدان مغناطیسی این دو سنسور می باشد.

شکل زیر این مطلب را نشان می دهد.

مثال هایی از کاربرد سنسور

سنسورهای القایی را تقریبا در بیشتر صنایع می توان دید.علت این امر خصوصیات عالی این سنسور می باشد،این سنسور می تواند در محیط های آلوده به سادگی و بدون هیچ مشکلی کار کند.در ادامه چند نمونه از کاربرد این سنسور بیان شده است.

انواع سنسورهای القایی از نظر خروجی

• دو سیمه AC
• دو سیمه DC
• دو سیمه نامور
• سه سیمه AC
• سه سیمه NPN
• سه سیمه PNP
• چهار سیمه NPN
• چهار سیمه PNP

اتصال دوسیمه AC

سنسورهای اتصال دو سیمه AC دارای دو سیم به رنگ های قهوه ای و آبی می باشند. این سنسورها با بار به صورت سری متصل می شوند و از طریق بار تغذیه آنها تامین می گردد در نتیجه در زمان باز بودن طبقه خروجی سنسور، مقداری جریان نشتی از بار عبور خواهد کرد که این جریان تغذیه سنسور را تامین می کند.

این سنسورها به دو صورت NO (در حالت عادی باز) و NC (در حالت عادی بسته) ساخته می شوند.

سنسورها با خروجی NO و NC به دو روش مطابق شکل زیر اتصال داده می شوند.

معمولا در سنسورهای دو سیمه یک سیم نیز به رنگ سبز و زرد به منظور ارت در نظر گرفته می شود.

اتصال دو سیمه DC

این اتصال شبیه اتصال سنسور دو سیمه AC می باشد، با این تفاوت که از تغذیه DC استفاده می شود.

در ادامه، این اتصال نشان داده شده است.

دو سیمه نامور

این سنسور دارای خروجی آنالوگ بوده و بار به صورت سری به سنسور متصل می شود.شکل زیر نحوه اتصال این سنسور به بار را نشان می دهد.

سه سیمه AC

سنسورهای سه سیمه AC دارای سه سیم با رنگ های قهوه ای، سیاه و آبی با کاربردی مطابق زیر می باشند.

• سیم قهوه ای : تغذیه سنسور(L)
• سیم آبی : تغذیه سنسور(N)
• سیم سیاه : سیگنال خروجی سنسور(L)

سنسورهای سه سیمه AC به صورت NO و NC ساخته می شوند، در ادامه نحوه اتصال این سنسور به بار نشان داده شده است.

سه سیمه NPN

سنسورهای سه سیمه NPN دارای سه سیم با رنگ های قهوه ای، سیاه و آبی هستند که این سه سیم مطابق استاندارد EN50 044 به صورت زیر مورد استفاده قرار می گیرند.

• سیم قهوه ای : تغذیه سنسور (+)
• سیم آبی : تغذیه سنسور (-)
• سیم سیاه : سیگنال خروجی سنسور(-)

سنسورهای سه سیمه NPN به صورت NO و NC ساخته می شوند، شکل زیر نحوه اتصال این سنسور را نشان می دهد.

در طبقه خروجی سنسورهای NPN از یک ترانزیستور  NPN که به صورت یک سوئیچ عمل می کند استفاده شده است، در نتیجه سیگنال خروجی این سنسور منفی می باشد. در مدار خروجی این سنسور از دو دیود معمولی و یک دیود زنر به منظور حفاظت مدار خروجی استفاده شده است.

شکل زیر مدار طبقه خروجی این سنسور را نشان می دهد.

سه سیمه PNP

سنسورهای سه سیمه PNP بیشترین کاربرد را نسبت به سایر سنسورها دارد، این سنسور مانند سنسور NPN دارای سه سیم با رنگ های قهوه ای، سیاه و آبی با کاربردی مطابق زیر است.

• سیم قهوه ای : تغذیه سنسور (+)
• سیم آبی : تغذیه سنسور (-)
• سیم سیاه : سیگنال خروجی سنسور(+)

شکل زیر نحوه اتصال این سنسور را برای دو حالت NO و NC نشان می دهد.

 در ساخت طبقه خروجی سنسورهای PNP از یک ترانزیستور PNP استفاده شده است، در نتیجه سیگنال خروجی این سنسورها مثبت می باشد. در مدار خروجی این سنسور از دو دیود معمولی و یک دیود زنر به منظور حفاظت مدار خروجی استفاده شده است.

شکل زیر مدار طبقه خروجی این سنسور را نشان می دهد.

نکته

با توجه به اینکه کارت های ورودی دیجیتال PLC غالبا با سیگنال مثبت فعال می شوند، این امکان وجود دارد که سنسورهای PNP مستقیما به کارت های PLC متصل شوند، اما اتصال سنسورهای NPN به PLC فقط با رله های کمکی واسط امکان پذیر می باشد.

چهار سیمه NPN

سنسورهای چهار سیمه NPN دارای چهار سیم با رنگهای قهوه ای، سیاه، سفید و آبی با کاربردی مطابق زیر می باشد.

• سیم قهوه ای : تغذیه سنسور(+)
• سیم آبی : تغذیه سنسور(-)
• سیم سیاه : سیگنال خروجی NO سنسور (-)
• سیم سفید : سیگنال خروجی NC سنسور (-)

سنسورهای چهار سیمه NPN در طبقه خروجی خود دارای دو ترانزیستور NPN می باشند که دو سوئیچ NO و NC را فراهم می سازند.

شکل زیر نحوه اتصال این سنسور به بار را نشان می دهد.

چهار سیمه PNP

سنسورهای چهار سیمه PNP مانند سنسورهای چهارسیمه NPN دارای چهار سیم با کاربردی مطابق زیر می باشند.

• سیم قهوه ای : تغذیه سنسور(+)
• سیم آبی : تغذیه سنسور(-)
• سیم سیاه : سیگنال خروجی NOسنسور(+)
• سیم سفید : سیگنال خروجی NCسنسور (+)

این سنسورها در طبقه خروجی خود دارای دو ترانزیستور PNP می باشند که دو سوئیچ NO و NC  را فراهم می سازند.

شکل زیر نحوه اتصال این سنسور را به بار نشان می دهد.

نکته

در صورتی که سنسور، یک رله کمکی را قطع و وصل کند با توجه به خاصیت القایی بودن بوبین این رله ها؛ می بایست در برابر ولتاژ ضربه ای ایجاد شده، از یک مدار محافظ دیودی در سنسور استفاده کرد. البته در صورتی که رله کمکی این مدار محافظ را در داخل خود داشته باشد نیازی به مدار محافظ در سنسور نمی باشد.

سنسور های القایی خاص

علاوه بر سنسورهای القایی ذکر شده که یک سنسور القایی استاندارد می باشد، سنسورهای القایی دیگری برای کاربردهای خاص نیز طراحی شده است، که عبارتند از :

• سنسورهای القایی آنالوگ
• سنسورهای القایی نامور
• سنسورهای القایی سرعت بالا
• سنسور های القایی برای محیط هایی با فشار بالا
• سنسورهای القایی AS-i
• سنسور های القایی محیط های حرارت بالا
• سنسور های القایی کنترل وضعیت ولو

سنسورهای القایی آنالوگ Analog Inductive Sensor

این سنسورها بر خلاف سنسور های القایی استاندارد دارای خروجی آنالوگ می باشد و در برابر فلزات عکس العمل نشان می دهد که این عکس العمل به صورت ولتاژ و یا جریان خطی متناسب با سیگنال های استناندارد ابزاردقیق (معمولا 4 تا 20 میلی آمپر و یا 0 تا 10 ولت DC) در خروجی سنسور ظاهر می گردد.

منحنی زیر نمونه ای از مشخصه خروجی این نوع سنسور را نشان می دهد.

از کاربردهای این سنسور می توان موارد زیر را ذکر کرد.

• اندازه گیری ضخامت قطعات فلزی
• اندازه گیری فاصله قطعات فلزی از سنسور
• تشخیص قطعات کوچک و بزرگ از یکدیگر

سنسورهای القایی نامور Namur Inductive Sensor

این نوع سنسور، سنسوری دوسیمه می باشد که مقاومت داخلی آن بر حسب فاصله قطعه از سنسور تغییر می کند. معمولا اتصال این نوع سنسور به منبع تغذیه با استفاده از یک مقاومت ثابت 1 کیلو اهم صورت می گیرد.

منحنی مشخصه خروجی این نوع سنسور در شکل زیر نشان داده شده است.

به دلیل استفاده از مقاومت در مدار سنسور نامور، جریان اتصال کوتاه در این سنسور محدود می شود، در نتیجه از این سنسور می توان برای تشخیص قطعات فلزی در محیط های انفجاری استفاده کرد.

البته دقت شود که استفاده ازاین سنسورها در محیط های انفجاری همراه با Barrier باید صورت گیرد.

از این سنسور می توان به روش های زیر استفاده کرد :

• اتصال به صورت مستقیم به مدارات الکترونیکی

•  اتصال به آمپلی فایر و استفاده به عنوان یک سوئیچ القایی

• اتصال همراه با Barrier مناسب برای محیط های انفجاری

سنسورهای القایی سرعت بالا  High Speed Inductive Sensor

در پروسه های صنعتی اندازه گیری سرعت چرخش با استفاده از سنسور القایی بسیار متداول می باشد. همانطور که در مباحث قبل بیان شد یکی از مشخصه های مهم یک سنسور فرکانس سوئیچینگ سنسور می باشد، از این رو سازندگان سنسورهای القایی نوعی سنسور با فرکانس سوئیچینگ بالا به منظور اندازه گیری سرعت های زیاد طراحی نموده اند.

نحوه عملکرد این سنسور بدین صورت می باشد،که در بخش حساس سنسور یک میدان مغناطیسی وجود دارد که با حرکت چرخ دنده ها تغییر می کند. از آنجا که خروجی این سنسور سلفی می باشد، این تغییرات در میدان مغناطیسی به صورت پالس هایی در خروجی ظاهر می شوند.

دقت شود که برخی از این سنسورها در بخش خروجی خود نیاز به تقویت کننده به منظور تقویت پالس های خروجی دارند.

پالس های خروجی این سنسورها را می توان مطابق شکل زیر توسط شمارنده های سرعت بالا شمارش کرد.

سنسورهای القایی برای محیط های با فشار بالا Inductive Sensor For High Pressure

این سنسور برای تشخیص قطعات فلزی در محیط هایی با فشار دینامیکی بسیار بالا حتی فراتر از 500Bar  مورد استفاده قرار می گیرد، به طور مثال کنترل، تعیین موقعیت و اندازه گیری سرعت موتور های هیدرولیکی از کاربرد های این سنسور می باشد.

در زیر نمونه ای از این سنسور همراه با مشخصات فنی آن نشان داده شده است.

سنسورهای القایی  AS-i

عبارت AS-i مخفف Actuator Sensor Interface به معنی ارتباط سنسورها و عملگرها است. که یک پروتکل ارتباطی دو سیمه در سیستم های اتوماسیون و کنترل می باشد. هدف از طراحی آن رسیدن به ساده ترین راه اتصال عملگرها و سنسورها، به سیستم های اتوماسیون و کنترل است.

یکی از مزایای مهم استفاده از شبکه AS-i کاهش سیم کشی و اتصال ساده تجهیزات می باشد. شکل زیر گویای این مطلب می باشد.

سنسورهای القایی برای محیط هایی با حرارت بالا  Inductive Sensor For High Temperature

تشخیص قطعات فلزی همیشه در دمای پایین صورت نمی گیرد، گاهی مجبور به نصب سنسورهای القایی در محیط هایی با دمای بالا هستیم که در این شرایط می بایست از سنسورهای القایی مخصوص دمای بالا استفاده شود، این سنسورها قادرند حتی در دماهایی بالاتر از 250 درجه سانتی گراد با قابلیت اطمینان بالا کار کنند.

سنسورهای القایی وضعیت ولو Valve Positioners

داخل سنسورهای القایی وضعیت ولو، دو عدد سنسور القایی قرار دارد که با استفاده ازاین دو سنسور می توان وضعیت باز یا بسته بودن ولو را تشخیص داد‌. شکل زیر نمونه ای از این سنسور را نشان می دهد.