انواع سنسورها

سارا زارعی اتوماسیون صنعتی

در این جلسه قصد داریم شما را با انواع سنسورها آشنا کنیم. سنسورهایی که در صنایع و تجهیزات مختلف بسیار پراستفاده هستند. مطالب این آموزش برای هر مهندس تازه‌کار و یا هر فردی که به این حوزه‌ها علاقه‌مند است و تمایل دارد اطلاعاتی جامع و مفید درباره‌ی مفاهیم کنترل و الکترونیک بدست آورد، سودمند هستند.

سنسورها را می‌توان به مثابه چشم و گوش‌های یک سیستم‌ کنترلی در نظر گرفت. چرا؟ واضح است که اگر قرار باشد چیزی را کنترل کنید، قدم اول این است که بتوانید آن را تحت نظر داشته باشید. و از آنجایی که کار هر مهندس کنترلی در نهایت سروکله زدن با سنسورهاست، پس دیر یا زود ناگزیر به آشنایی تخصصی با آن‌ها خواهد شد.

از آنجا که مهندسان کنترل معمولا تمایل دارند همه‌چیز را از زاویه‌ی دید الکتریکی آن ببینند، ما نیز در این آموزش همین رویه را در پیش می‌گیریم و سنسورها را در دو گروه گسترده‌ی آنالوگ و دیجیتال طبقه‌بندی کرده و بررسی می‌کنیم. خروجی سنسورهای دیجیتال سیگنال‌های ON و OFF و خروجی سنسورهای آنالوگ مقادیر عددی و کمی است.

تفاوت مدار آنالوگ و دیجیتال (تفاوت سیگنال، داده‌ها و خروجی‌ های آنالوگ و دیجیتال)

نخست به سراغ سنسورهای دیجیتال برویم. در دنیای صنعت، سنسورهای دیجیتال با اختلاف پراستفاده‌ترین و متداول‌ترین سنسورها هستند. اما بد نیست که همین ابتدای کار یک بار بپرسیم که سنسور «دیجیتال» یا همان «باینری» دقیقا چیست؟ در تعاریف به هر سنسوری که اطلاعات خروجی آن یک یا تعدادی بیت باشد سنسور دیجیتال می‌گوییم.

ساختار سنسورهای دیجیتال اولیه بسیار ساده بود. یک اتصال الکتریکی معمولی که زمانی که هدفی به مقصد مورد نظر خود می‌رسید وصل (بسته) می‌شد و در غیر این صورت باز بود. طرز کار با چنین سنسوری در ماشین‌های قدیمی که از این ساختار در آن‌ها استفاده می‌شد، به این شکل بود که اپراتور دستگاه رشته‌ ولتاژهای متوالی به صورت 110.. را از سنسور می‌خواند یا برای آن ارسال می‌کرد والبته ناگفته پیداست که این ساختار می‌تواند بسیار غیرایمن باشد، به حدی که در دنیای هوشیار امروزی که امنیت و ایمنی بسیار حائز اهمیت است، استفاده از این ساختار ساده برای سنسورهای دیجیتال تقریبا ممنوع است.

پس از آن این اتصالات ساده با سوییچ‌ها جایگزین شدند که در زمان رسیدن هدف به نقطه‌ی مورد نظر تغییر وضعیت می‌دادند. به این سوییچ‌ها «لیمیت سوییچ (کلید حد)» گفته می‌شود که هنوز هم استفاده می‌شوند. کاربرد اصلی این نوع سنسور دیجیتال در تمام مواردیست که می‌توانیم عملکرد سیستم را به دو وضعیت مشخص تقسیم‌ کنیم: ON و True ،OFF و Is ،False و Isn’t .

مطلب پیشنهادی: اتوماسیون چیست؟

مثلا در کاربردهای تعیین موقعیت، در سنجش وضعیت پر یا خالی بودن یک مخزن، روشن یا خاموش بودن یک سیستم.

اجازه دهید مثال‌های بیشتری از سنسورهای دیجیتال را ببینیم.

همان‌طور که گفتیم سوییچ‌های مکانیکی در انواع مختلفی که وجود دارند همگی از این نوع سنسور محسوب می‌شوند و همواره کاربرد دارند. لیمیت سوییچ‌ها را به لطف ظاهر محکم و فولادینی که دارند؛ هنوز هم می‌توانید در دورافتاده‌ترین، ساده‌ترین و نامرتب‌ترین کارگاه‌ها هم پیدا کنید و البته علت اصلی اینکه این سوییچ‌ها در محیط‌های امروزی و کارگاه‌های به‌ روزتر و پیشرفته‌تر کمتر مورد اقبال هستند نیز همین ظاهر بدقواره و بزرگ آن‌هاست که در مقایسه با سایر انواع سنسورهای موجود گزینه‌ی دلپسندی به نظر نمی‌رسند.

سنسورهای مجاورت یا همان Proximity sensorها و یا به اختصار proxeها، سنسورهایی هستند که وجود اشیاء فلزی را در محدوده‌ی مشخصی در مجاورت خود تشخیص می‌دهند. این کار با استفاده از میدان مغناطیسی صورت می‌گیرد. در محیط‌های بسیاری، در کاربردهای نیازمند تشخیص موقعیت، proxeها را به عنوان جایگزینی برای لیمیت سوییچ‌ها انتخاب می‌کنند.

سنسورهای اپتیکال دسته‌ی دیگری هستند که در مقایسه با سنسورهای مجاورت، محدوده‌ی تشخیص بلندتری دارند. اما نقطه ‌ضعف‌شان این است که از آن‌جایی که برای تشخیص، از پرتوهای نور استفاده می‌کنند، در مقابل ذرات آلودگی و برخی ویژگی‌های دیگری محیطی و مکانیکی آسیب‌پذیر هستند.

به همین علت، از سنسورهای اپتیکال در مواردی استفاده می‌کنیم که نیازی به دانستن مکان دقیق یک هدف نداریم، بلکه همین‌قدر که بدانیم هدف ما در محدوده‌ی موقعیت مورد نظر ما قرار دارد کافیست. مثلا برای رصد کردن جعبه‌هایی که روی نوار نقاله‌ی یک خط تولید در حال حرکت هستند. برای ما مهم نیست که هر جعبه الان دقیقا کجای مسیر است، بلکه تنها می‌خواهیم بدانیم که آیا در مسیر هست یا خیر.

سنسورهای مجاورت خازنی نیز گروه دیگری از سنسورهای دیجیتال هستند که تقریبا مشابه همان سنسورهای مجاورت هستند، با این تفاوت که برای تشخیص اجسام غیررسانا از آن‌ها استفاده می‌شود. مشکل این سنسورها نیز حساسیت بالا به آلودگی‌های محیطی است و به همین علت تجربه‌های استفاده از آن‌ها چندان رضایت بخش و معتبر نبوده است.

مطلب پیشنهادی: PLC های ساخته شده با آردوینو

نوع دیگری از سنسورهای مجاورت، سنسورهای مجاورت اولتراسونیک هستند که برای تشخیص اشیاء از امواج صوتی فرکانس بالا استفاده می‌کنند. مشکل این سنسورهای نیز حساسیت فوق‌العاده به شرایط محیطی و آلودگیست به همین علت این گروه نیز معمولا سنسورهای پرکاربردی نیستند و تنها در مواردی از آن‌ها استفاده می‌کنیم که نیاز باشد اشیائی را تشخیص دهیم که سنسورهای دیگر نمی‌توانند آن‌ها را تشخیص دهند.

اتصال کمکی (auxiliary contact) قسمتی از رله‌هاست که به اپراتور اطلاع می‌دهد کنترلر رله –هرچیزی که باشد– آن را خاموش یا روشن کرده است. پس این اتصال نیز نوعی سنسور دیجیتال محسوب می‌شود.

حتی یک دکمه‌ی فشاری ساده، نیز یک سنسور دیجیتال محسوب می‌شود که فرمان عملکردی اپراتور را حس می‌کند و مطابق آن دستگاه را خاموش یا روشن می‌کند..

خب، فعلا تا همین‌جا در مورد سنسورهای دیجیتال کافیست و تقریبا تمام چیزی که باید در مورد کلیت آن‌ها می‌دانستیم همین‌ها بود. ممکن است بگویید: اینکه خیلی ساده بود. بله! همین‌طور است. سنسورهای دیجیتال و کار با آن‌ها بسیار ساده است و از آنجا که دستگاه‌های کنترلی بسیاری بر مبنای همین سیگنال‌های باینری (ON/OFF) طراحی می‌شوند، می‌توان گفت که این بخش به عنوان کم‌دردسرترین و البته درآمدزاترین بخش زندگی مهندسان کنترل محسوب می‌شود.

در گذشته که خودروها هنوز عقربه‌ی نشان‌گر میزان سوخت نداشتند، ناگزیر بودند همواره یک مخزن اضافی گاز یا بنزین ذخیره داشته باشند تا در صورت اتمام سوخت در راه نمانند و بتوانند با آن مخزن اضافی خود را به نزدیک‌ترین ایستگاه سوخت برسانند. اما امروزه تمام ماشین‌ها به عقربه‌ی نشان‌گر وضعیت سوخت مجهز شده‌اند. در ادامه‌ی این مطلب می‌خواهیم به سنسورهایی بپردازیم که عملکرد چنین عقربه‌ای را ممکن می‌سازند. هم‌چنین بسیاری فرآیندهای اندازه‌گیری دیگر که در ضمن یک پروسه‌ی اتوماسیون لازم هستند.

سنسور آنالوگ سنسوری است که مقدار یک کمیت فیزیکی را اندازه‌گیری کرده و آن را به سیگنالی که برای آن سیستم کنترلی قابل فهم باشد تبدیل می‌کند. مثلا به سیگنال ولتاژ یا جریان.

و منظورمان از کمیت‌های فیزیکی چیزهایی مانند دما، فشار، رطوبت، فاصله، سرعت و چیزهایی از این قبیل است.

و برای هر کدام از این کمیت‌های فیزیکی یک دسته‌ی جداگانه از سنسورهای آنالوگ وجود دارد. و البته برخی سنسورها نیز می‌توانند به صورت ترکیبی عمل کنند مثلا همزمان دما و رطوبت یا فاصله و سرعت را اندازه‌گیری کنند. و با تولید دو سیگنال متفاوت برای هر کدام از کمیت ها، هر دو را به یک گیرنده ارسال کنند.

مطلب پیشنهادی: هرم اتوماسیون صنعتی

سیگنال‌های تولیدی توسط سنسورهای آنالوگ در چند دسته‌ی محدود قرار می‌گیرند. مثلا در سنسورهای دماسنج، یا سیگنال‌هایی در محدوده‌ی میلی‌ولت تولید می‌شوند (مثلا در ترموکوپل‌ها) و یا مثلا یک مقاومت متغیر (مثلا در RTD ها).

به خاطر دقت بالا و نیز قابلیت تکرارپذیری نتایج آن‌ها، RTD ها در اندازه‌گیری دما بسیار دقیق‌تر عمل می‌کنند و در صورتی که امکان استفاده از آن‌ها وجود داشته باشد، معمولا انتخاب‌های بهتری نسبت به سایر دماسنج‌ها هستند.

PLCها را معمولا به گونه‌ای طراحی می‌کنند که از هر دو گونه‌ی این ابزارها (RTD و ترموکوپل) بتوانند پشتیبانی کنند.

بقیه‌ی انواع سیگنال‌هایی که ممکن است توسط سنسورها تولید شوند نیز، پیش از ارسال به کنترلر اغلب به سیگنال‌هایی که عموما شناخته ‌شده‌تر هستند تبدیل می‌شوند؛ یعنی یا ولتاژ یا جریان. سیگنال‌های اندازه‌گیری دما نیز اگر قرار باشد مسیر زیادی را طی کنند تا به کنترلر برسند، معمولا به یکی از همین سیگنال‌ها تبدیل می‌شوند.

پرکاربردترین استانداردی که در این زمینه مورد استفاده قرار می‌گیرد، قرار گرفتن سیگنال‌ها در محدوده‌ی 4 تا 20 میلی آمپر است که در این محدوده ویژگی‌های مطلوبی خواهیم داشت مثلا مصونیت نسبی در برابر نویز. تقریبا تمام سنسورهای آنالوگ می‌توانند به گونه‌ای طراحی و عرضه شوند که سیگنال تولیدی توسط آن‌ها در همین محدوده‌ی استاندارد قرار گیرد.

تقریبا به انتهای این آموزش رسیدیم. همان‌طور که گفتیم هدف ما این بود که یک مرور کلی و جامع برمهم‌ترین انواع سنسورهای مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی داشته باشیم. با کمک این سنسورها ما می‌توانیم همه چیز را تحت نظر داشته باشیم؛ از اینکه اپراتور یک دستگاه دکمه‌ی روشن و خاموش را فشرده است یا خیر تا ارتفاع یک مایع در یک مخزن تا فشار و دما و شدت و بخار در یک دیگ بخار.

با استفاده از این سنسورها و تعداد معدود دیگری که در اینجا از آن‌ها نام نبردیم، و با کمک سیگنال پروسسورهای سخت‌افزاری و نرم‌افزاری مخصوص، می‌توان کنترل تمام فرآیند‌های صنعتی موجود در جهان را به عهده گرفت.