أجهزة استشعار لقياس السرعة

يعد اختيار مستشعر السرعة المناسب للتطبيق أمرًا بالغ الأهمية للحصول على قياس دقيق وموثوق. ففي النهاية، تُعد إشارة المستشعر هي المدخلات لنظام الحماية من السرعة الزائدة. ويؤدي المستشعر المعيب إلى إشارة دخل غير موثوقة، مما يؤثر سلبًا على دقة وموثوقية نظام الحماية.

هناك عدة اعتبارات يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار المستشعر المناسب، والتي يمكن تصنيفها إلى اعتبارات بيئية واعتبارات متعلقة بالآلة.

اعتبارات تتعلق بالآلة:

1. ما هو عدد المشاهدات المتوقع لـ RPM؟
2. ما هو الهدف الذي يتم قياسه وما هي مواصفاته؟
3. هل توجد أي قيود على الوزن والحجم في موقع التركيب؟
4. ما هو طول الكابل المطلوب؟

الاعتبارات البيئية:

1. ما هي درجة الحرارة المحيطة المتوقعة؟
2. هل يتم القياس في مناطق معرضة لخطر الانفجار (ATEX)؟
3. هل توجد حقول كهرومغناطيسية قوية؟
4. هل يتم القياس في بيئة تآكلية؟

بالنسبة لقياسات السرعة الصناعية، هناك ثلاثة أنواع رئيسية من مبادئ القياس:

• أجهزة الاستشعار الكهرومغناطيسية – تُعرف أيضًا باسم: أجهزة الاستشعار السلبية، أو أجهزة الاستشعار ذات المقاومة المتغيرة (VR)، أو أجهزة الاستشعار المغناطيسية
• مستشعرات القرب – تُعرف أيضًا باسم: مستشعرات التيارات الدوامة ( eddy current ) أو مستشعرات الإزاحة
• مستشعرات تأثير هول – تُعرف أيضًا باسم: المستشعرات النشطة

أجهزة الاستشعار الكهرومغناطيسية

يستخدم المستشعر الكهرومغناطيسي مجالًا مغناطيسيًا لقياس التغيرات في المسافة بين طرف المستشعر والكائن المستهدف. يحتوي المستشعر على ملف ملفوف حول مغناطيس، مما يتسبب في حدوث تغير في التيار المغناطيسي (التدفق) والملف عندما تمر أسنان الترس أمام المستشعر. يولد الترس المتحرك تدفقًا متغيرًا يحث جهدًا كهربائيًا متناسبًا في الملف، وترتبط تردداته بسرعة الدوران. والإشارة عبارة عن موجة جيبية تعتمد سعتها على حجم الهدف وسرعته والمسافة إليه.

المزايا

تتمثل إحدى مزايا المستشعرات الكهرومغناطيسية في قابليتها للتطبيق في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. هناك أنواع محددة من المستشعرات التي تناسب العمل في درجات حرارة تزيد عن 300 درجة مئوية. علاوة على ذلك، تتميز المستشعرات الكهرومغناطيسية بسهولة الاستخدام والموثوقية العالية. ومن المزايا الكبيرة الأخرى أن المستشعر مزود بتوصيل ثنائي الأسلاك، وبالتالي غالبًا ما يتناسب مع البنى التحتية القائمة.

العيوب

من العيوب الرئيسية لأجهزة الاستشعار الكهرومغناطيسية أن سعة الإشارة تعتمد على عوامل مثل حجم الهدف وسرعته والمسافة إليه. فإذا كانت السرعة منخفضة جدًّا، أو كان سن الترس صغيرًا جدًّا، أو كانت المسافة إلى المادة المستهدفة كبيرة جدًّا، فستكون الإشارة ضعيفة جدًّا. من ناحية أخرى، إذا كانت السرعة عالية، أو سن الترس كبيرًا، أو المسافة قصيرة، فستظهر الإشارة نبضات ضخمة (تصل إلى 80 فولت). يتطلب تطبيق المستشعرات الكهرومغناطيسية ووضعها قدرًا كبيرًا من الاهتمام والخبرة لضمان الأداء السليم للمستشعرات. ونظرًا لأن هذا النوع من المستشعرات لا يعمل جيدًا عند السرعات المنخفضة، فإنه غير مناسب للكشف عند السرعة الصفرية.

 

مستشعرات القرب

يستخدم مستشعر القرب ( proximity ) مجالًا كهرومغناطيسيًّا لقياس التغيرات في المسافة إلى جسم ما. وعندما يتحرك الترس أمام المستشعر، يقيس هذا التغير في المسافة؛ القرب (السن) والبعد (الشق). ويمكن تحديد سرعة الدوران بناءً على الزمن الفاصل بين هذين الحدثين.

المزايا

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لمجسات القرب ( proximity ) في أن مبدأ القياس يُظهر كلاً من النبضات والموضع بالنسبة للأسنان. وهذا يوفر نظرة ثاقبة على المسافة المحددة إلى أسنان الهدف.

تتوفر مستشعرات القرب (proximity) أيضًا بمخرج تيار ديناميكي، مما يسمح باستخدام كابلات طويلة جدًّا (1000 متر أو أكثر). لا تتأثر المستشعرات ذات مخرج التيار الديناميكي بمقاومة الكابل، كما هو الحال مع مستشعرات القرب ( proximity ) التي تعتمد على إشارات الجهد، وتأثير هول، والمستشعرات الكهرومغناطيسية.

العيوب

يوجد عيب في استخدام مستشعرات القرب ( proximity ) لقياس السرعة. عند السرعات العالية (دورة في الدقيقة)، قد يحدث تشبع، مما يؤدي إلى تسطيح الخط الجيبي بشكل متزايد. عندما يتحرك سن الترس أمام المستشعر بسرعات عالية، بالكاد يكتشف مستشعر القرب أي فرق في المسافات. وكلما زادت السرعة، قلت فعالية مستشعر القرب في قياس السرعة.

عيب آخر هو أن مستشعر القرب ( proximity ) لا يستطيع التعامل جيدًا مع انحراف الهدف عن المركز. يؤدي انحراف الهدف عن المركز (ترس متأرجح) إلى توليد موجة جيبية داخل موجة جيبية أخرى. وهذا يؤدي إلى مشاكل، خاصةً عند حدوث تشبع في الإشارة ذات الصلة. قد يُخرج المستشعر الموجة الجيبية لانحراف التروس عن المركز بدلاً من الموجة الجيبية للأسنان والشقوق.

مستشعرات تأثير هول

يقيس مستشعر تأثير هول التغيرات في التدفق المغناطيسي بين المغناطيس والمادة المستهدفة. تحتوي المستشعرات على مُحسِّنات إشارة مدمجة، والتي تولد إشارة موجة مربعة واضحة. وعلى عكس المستشعرات الكهرومغناطيسية، فإن مستشعرات تأثير هول حساسة لحجم التدفق المغناطيسي بدلاً من سرعة تغيره. تتمتع مستشعرات السرعة التي تعمل بتأثير هول بنطاق قياس واسع ويمكن استخدامها لقياس الأجزاء منخفضة السرعة أو الثابتة والأجزاء عالية السرعة على حد سواء.

المزايا

تتمثل إحدى مزايا مستشعر تأثير هول في أن المستشعر يوفر مباشرةً خرجًا رقميًا يسهل نقله ومعالجته. وتتمثل ميزة أخرى في أن مستشعرات تأثير هول تتميز عادةً بمعالجة داخلية للإشارات. يتم تحويل الإشارة إلى صيغة رقمية وتضخيمها بسرعة كبيرة، مما يجعلها أقل عرضة للتداخلات مثل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

العيوب

نظرًا للإلكترونيات المدمجة، تقتصر مستشعرات تأثير هول على التطبيقات التي تعمل في درجات حرارة تتراوح من -40 درجة مئوية إلى +150 درجة مئوية. علاوة على ذلك، تتطلب مستشعرات تأثير هول توصيلًا بثلاثة أسلاك.

لماذا تُفضل مستشعرات تأثير هول:

• تسجيل موثوق للسرعة من حالة السكون. يتيح ذلك القياس من ترددات منخفضة تصل إلى 0,1 هرتز.
• تُعد الإشارات الرقمية مناسبة للمسافات الطويلة (حتى 300 متر).
• تُعد إشارات الموجة المربعة سهلة المعالجة بواسطة أنظمة قياس السرعة.
• من الممكن بناء عنصرين استشعاريين في غلاف مستشعر واحد، مما يتيح إجراء قياسات الاتجاه.
• يتميز تصميم المستشعر بأنه أصغر حجمًا وأخف وزنًا من مستشعرات السرعة الأخرى.
• يُعد وضع مستشعر تأثير هول (Hall-effect sensor) في المكان الصحيح أسهل من وضع المستشعر الإلكتروني، كما أنه أقل حساسية تجاه الانحراف عن المركز (eccentricity) للهدف مقارنة بمستشعرات القرب ( proximity sensors).
• هذا النوع من المستشعرات هو الأقل حساسية للاهتزازات وتقلبات درجة الحرارة.