سنسور جک پنوماتیک و ویژگی آن

سنسور جک پنوماتیک در سیستم‌های کنترل ماشین و تجهیزات اتوماتیک برای تشخیص موقعیت پیستون و ارسال فرمان‌های مختلف به سیستم استفاده می‌شود. اگر سنسور های سوئیچ پنوماتیک و یا مدلهای مختلف عملگرهای سنسور مگنتی پنوماتیک مورد بررسی قرار گیرد، مهم‌ترین ویژگی‌های این سنسورها عبارتند از:

• دقت بالا در تشخیص موقعیت میله جک
• اندازه گیری دقیق موقعیت پیستون
• سازگار با انواع گوناگون جک های استاندارد پنوماتیک و کارکرد عالی در شرایط مختلف  
• طول عمر بالا و مقاومت در برابر ضربه، رطوبت و گرد و غبار
• اتصال پایدار و ایمن به سیستم های کنترلی
• قیمت رقابتی پایین و مقرون به صرفه

سنسورهای صنعتی انواع مختلفی دارند و بسته به عملکرد و شرایط محیطی، به دسته‌هایی مانند القایی، مغناطیسی، خازنی، نوری و حرارتی تقسیم می‌شوند.

انواع سنسور جک پنوماتیک و کاربردهای آن در صنعت

سنسور مغناطیسی جک پنوماتیک، متداولترین نوع سنسور برای جک های پنوماتیک است که برای تشخیص و شناسایی میدان مغناطیسی آهنربایی که در پیستون جک تعبیه شده، کاربرد دارد. نصب سنسور جک پنوماتیک برروی استوانه جک پنوماتیک بوده و بر اساس دوری و نزدیکی به آهنربا، عمل روشن یا خاموش کردن را نشان میدهد. در طراحی سنسور مغناطیسی جک پنوماتیک، از یک آهنربا برای ایجاد میدان مغناطیسی  جهت بازخورد موقعیت پیستون استفاده میشود.برای بهینه سازی عملکرد و قابلیت های مختلف سنسور جک پنوماتیک،  میتوان از آخرین  فناوری ها  و تکنولوژی های مرتبط با حسگرهای مغناطیسی استفاده کرد.

انواع پرکاربرد سنسور جک پنوماتیک در صنعت

• سنسور فستو
• PROXIMITY SENSOR
• سنسورهای صنعتی REED
• سنسور های اثر هال
• سنسورهای AMR
• سنسورهای GMR

سنسور فستو

رایج ترین نوع سنسور جک پنوماتیک، سنسور فستو است که سنسور مجاورتی مگنتیک با ولتاژ کاری 5 تا 30 ولت و با تیپ کنتاکت خروجی به صورت نرمال بسته عمل می‌کند. این سنسور در کلاس سنسورهای دو سیم قرار دارد، که برای اتصال به دو سیم مثبت و منفی طراحی شده است و سالهاست  که در صنعت مورد استفاده قرار میگیرد. طراحی این نوع از سنسور، حساس به مگنت بوده و به دو نوع رید سوئیچ و ترانزیستوری تقسیم بندی میشوند. سنسور رید سوئیچ به دو نوع کنتاکت نرمالی باز و نرمالی بسته در صنعت کاربرد دارد و سنسور ترانزیستوری به دو نوعPNP و NPN  را شامل میشود.

سنسورهای پنوماتیک PROXIMITY SENSOR

یکی از سنسورهای پرکاربرد در صنعت پنوماتیک، سنسور های پراکسیمیتییا مجاورتی بوده که برای کنترل کورس حرکت جک استفاده می‌شود. این سنسورها می‌توانند موقعیت پیستون جک را تشخیص داده و برای کنترل حرکت آن در سیستم پنوماتیک استفاده شوند. پراکسیمیتی سنسور، یک نوع سنسور هوشمند است که اشیای پیرامون خود را بدون اینکه با آنها تماس فیزیکی داشته باشد تشخیص می‌دهد. لازم به ذکر است که جک از اساسی ترین اجزای موجود در سیستم های پنوماتیک است که نقش اصلی را بر دوش میکشد پس انتخاب نوع سنسور نیاز اصلی یک جک پنوماتیک را نمایان میسازد.

سنسورهای صنعتی REED

رایج ترین نوع سنسور جک پنوماتیک، حسگر نی یا همان سنسورهای رید (reed)است. در استفاده از این نوع که سنسور مجاورت مغناطیسی است، دو عامل باید مد نظر قرار بگیرد که عبارتند از طول عمر سنسور و نگرانی های مربوط به شوک. در سنسورهای رید، زمانی که میدان مغناطیسی تراز محوری روی آن اعمال می‌شود، سنسور فعال شده و شروع به کار می‌کند. در سنسورهای رید، قطب‌های مغناطیسی آهنربای تراز محوری در صفحه در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و زمانی که آهنربای تراز محوری به سنسور رید نزدیک می‌شود، یک میدان مغناطیسی موازی با سوئیچ رید شکل می‌گیرد. وقتی که میدان مغناطیسی از بین برود، میله‌های فلزی از یکدیگر فاصله می‌گیرند و سنسور خاموش می‌شود. سنسورهای رید (REED) دارای عمر مفید یا چرخه عمر حدود 10 میلیون بار هستند، اما دو محدودیت اصلی دارند که باید به آن‌ها توجه شود. محدودیت اول این است که کنتاکت‌های سوئیچینگ به دلیل ماهیت مکانیکی و تعداد محدود چرخه‌های سوئیچینگ، نیاز به تعمیر و نگهداری دارند. محدودیت دوم مربوط به استفاده در شرایطی است که سنسور تحت لرزش یا شوک زیاد قرار می‌گیرد؛ در این صورت، ممکن است سیگنال‌های نادرست ایجاد شود

مزایای سوئیچ های نی یا REED

• مقرون به صرقه بودن برای جک های پنوماتیکی
• توانایی کار با ولتاژهای AC و DC
• مصرف انرژی کم

سنسور اثر هال

سنسور اثر هال، یک سنسور مجاورت مغناطیسی است که زمانی که میدان مغناطیسی تراز شعاعی روی آن اعمال شود، فعال می‌شود. این حسگر اثر هال از یک نیمه‌هادی با جریان مداوم تشکیل شده است که زمانی که میدان مغناطیسی به صورت شعاعی به جهت جریان اعمال می‌شود، الکترون‌های باردار به سمت طرف مقابل نیمه‌هادی جدا شده و این جداشدن الکترون‌ها ولتاژی را در مدار اثر هال القا می‌کند. وقتی که ولتاژ خروجی در سراسر مدار از آستانه سوئیچینگ بیشتر شود، خروجی سنسور فعال می‌شود

تفاوت سنسورهای سوئیچ نی و سنسورهای اثر هال

تفاوت سنسورهای سوئیچ نی و سنسورهای اثر ها
سنسورهای اثر هال، برخلاف سنسورهای سوئیچ نی، شامل اجزای متحرک نیستند و فضای کمتری برای نصب نیاز دارند. علاوه بر این، به دلیل عملکرد بدون سایش ناشی از طراحی آن‌ها، طول عمر سنسور نیز بیشتر می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که سنسورهای اثر هال در برابر ضربه و لرزش مقاوم‌تر باشند و بدون تأثیرپذیری از اینرسی اجزای مکانیکی، برای کاربردهای حساس به کار برده شوند. یکی از کاربردهای این سنسورها در جاهایی است که نیاز به تعویض سریع وجود دارد.

لازم به ذکر است که در سنسورهای اثر هال، مانند سنسورهای سوئیچ نی، جهت‌گیری آهنربا تأثیر زیادی بر عملکرد سنسور دارد و همچنین حساسیت پایینی دارند. این حساسیت پایین ممکن است منجر به ایجاد نقاط سوئیچ دوگانه شود. در سنسورهای اثر هال، خروجی سوئیچینگ ممکن است به دلیل قطر و ضخامت بدنه جک فعال نشود و عملکرد صحیح خود را نشان ندهد.

سنسور مغناطیسی مقاومت ناهمسانگرد (AMR)
یکی دیگر از سنسورهای مغناطیسی برای جک‌های پنوماتیکی است که به سنسور مجاورت مغناطیسی جامد نیز معروف است. زمانی که میدان مغناطیسی شعاعی یا محوری به این سنسور اعمال می‌شود، سنسور فعال (on) می‌شود. برای اندازه‌گیری مقاومت، این سنسور از مدار پل وتسون بهره می‌برد. در این مدار، مقاومت سنسور AMR با شدت میدان مغناطیسی کاهش می‌یابد و همزمان با این کاهش میدان، شیب ولتاژ در مدار AMR افزایش می‌یابد. این افزایش ولتاژ باعث می‌شود که ولتاژ در کل مدار از آستانه سوئیچینگ بیشتر شده و خروجی سنسور فعال می‌شود.

خصوصیات و مزایای سنسورهای AMR
سنسورهای AMR مشابه سنسورهای اثر هال، بسیار سریع عمل کرده و بدون سایش کار می‌کنند. این سنسورها در برابر ضربه و لرزش مقاوم هستند. همچنین نسبت به سنسورهای اثر هال، حساسیت کمتری دارند. سنسورهای AMR به تغییرات میدان مغناطیسی به بهترین نحو پاسخ می‌دهند و در محیط‌هایی که میدان مغناطیسی ضعیف می‌شود، عملکرد بهتری نسبت به سنسورهای مشابه خود دارند. این ویژگی باعث بهبود تشخیص پیستون در فواصل بیشتر می‌شود.

سنسورهای AMR نسبت به سنسورهای سوئیچ نی فشرده‌تر هستند و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه‌تر می‌باشند. نقطه ضعف این سنسورها در جریان‌گیری مداوم آن‌ها در مدار است، بنابراین برای کاربردهایی با نیاز به مصرف کم، سنسور سوئیچ نی ممکن است گزینه بهتری باشد.

 سنسور مقاومتی مغناطیسی GMR

زمانی که میدان مغناطیسی شعاعی یا محوری بر روی سنسور مجاورت مغناطیسی GMR که یک حسگر حالت جامد است اعمال می‌شود، سنسور فعال (on) می‌شود. حسگر GMR از لایه‌های رسانای مغناطیسی و غیرمغناطیسی متناوب تشکیل شده است. سنسورهای مقاومتی GMR خواصی مشابه با AMR دارند و به میدان مغناطیسی حتی حساس‌تر از AMR هستند. حساسیت بالای سنسورهای GMR این امتیاز را به آن‌ها می‌دهد که در جک‌های کوچکتر یا در جاهایی که این ویژگی مهم است، مورد استفاده قرار گیرند.

با این حال، سنسورهای مقاومتی GMR ممکن است عملکردشان توسط میدان‌های مغناطیسی اطراف مختل شود. این اختلال می‌تواند باعث بوجود آمدن سیگنال‌های خروجی ناخواسته شود. این مشکل به‌ویژه در محیط‌هایی با میدان مغناطیسی قوی مانند موتورهای AC یا منابع برق ورودی AC مشاهده می‌شود، جایی که میدان‌های مغناطیسی خارجی می‌توانند بر عملکرد سنسور تأثیر بگذارند.

سنسور مناسب و ایده ال بر طبق چه معیارهایی انتخاب میشود؟

برای اکثر کاربردها، سنسور جک پنوماتیک نی اولین انتخاب است  چون آنها شناخته شده هستند و دارای سایکل عمر بالاتر و مقاومت در برابر ارتعاش بالاتر و فناوری بهتر دارند. با این حال چه معیارهای دیگری باید لحاظ شود تا انتخاب  به بهترین حالت انجام پذیرد؟

• محیط

در انتخاب سنسور مناسب، ابتدا باید محیط کاری سنسور جک پنوماتیک و شرایط محیطی آن بررسی شود اینکه آیا تحت لرزش یا ضربه قرار میگیرد؟ در این حالت بهترین انتخاب، سنسور جک حالت جامد AMR ، GMR و سنسورهای اثر هال برترین گزینه های موجود خواهند بود. سایر شرایط کاری مانند اینکه سنسور در شرایط عایق و بسته و تمیز کار میکند یا نیاز به محافظت در برابر شرایط مانند IP67 دارد؟

• سرعت سوئیچینگ

در انتخاب سنسور مناسب، گزینه بعدی بررسی سرعت سوئیچینگ،  قدرت سوئیچینگ و جریان مورد نیاز سیستم کنترل است، اینکه برای محیطی که سنسور در آن کار میکند سرعت سوئیچینگ خروجی چقدر است؟ سنسورهای حالت جامد سرعت سوئیچینگ به نسبت بالاتری را شامل میشوند و بازهم سه سنسور برتر عبارتند از AMR ، GMR و سنسور اثر هال

• نوع خروجی

در انتخاب سنسور مناسب برای سنسور مغناطیسی جک پنوماتیک، نوع خروجی و اینکه چه نوع سیگنال خروجی برای سیستم مورد نیاز است، بررسی میشود. سیگنال های خروجی PNP  یا  حسگرهای منبع و  NPN یا سنسور غرق شدن برای دستگاههای حالت جامد در دسترس هستند.

• نصب

گزینه های نصب برای جک پنوماتیک چیست؟ جک پروفیلی استفاده شده یا گرد؟

• جهت گیری آهنربایی

در انتخاب سنسور مناسب، باید جهت گیری آهنربایی و جهت گیری صحیح میدان مغناطیسی اعمال شود و سنسور باید در جهت مناسب نصب شود. مانند استفاده از سنسورهای سوئیچ رید و حسگرهای اثر هال

• حفاظت از مدار

بنابرصلاحدید، میتوان از حفاظت های مداری مانند قطبیت معکوس یا اتصال کوتاه یا حفاظت از نوسانات استفاده کرد.

• سیم کشی

سیم کشی منبع تغذیه سنسور اینکه حالت جامد است یا یک حسگر نی، متفاوت است. در سیم کشی منبع تغذیه حالت جامد میتوان از  AMR ، GMR و سنسور اثر هال استفاده کرد  چرا که بهترین گزینه برای انتخاب هستند.

جمع‌بندی

سنسور جک پنوماتیک یکی از اجزای حیاتی در سیستم‌های کنترل و اتوماسیون است که برای تشخیص موقعیت خطی پیستون استفاده می‌شود و این اطلاعات را برای انجام فرامین مختلف به سیستم می‌فرستد. این سنسورها از ویژگی‌های برجسته‌ای مانند عمر مفید طولانی، مقاومت بالا در برابر ضربه، رطوبت و گرد و غبار برخوردارند و دقت زیادی در شناسایی موقعیت میله جک دارند.

در بازار، انواع مختلفی از سنسورهای مغناطیسی جک پنوماتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله سنسورهای فستو، پراکسیمیتی سنسورها، سنسورهای رید، سنسورهای اثر هال، AMR و GMR. هر کدام از این سنسورها ویژگی‌ها و مزایای خاص خود را دارند و در مواقع مختلفی بسته به نیاز سیستم، انتخاب می‌شوند.

برای انتخاب سنسور مناسب، باید به عواملی همچون محیط کاری، سرعت سوئیچینگ، نوع خروجی، روش نصب و دیگر پارامترهای مرتبط توجه شود. همچنین جک پنوماتیک که یکی از اجزای اصلی در سیستم‌های پنوماتیک است، نقش مهمی در ورود و خروج هوا ایفا می‌کند و در نهایت موجب حرکت پیستون می‌شود. این جک‌ها به صورت یک طرفه و دو طرفه در صنایع مختلف به کار می‌روند و بسته به نیاز سیستم انتخاب می‌شوند.

در این تحلیل، تلاش شده است تا با بررسی مزایا، معایب و کاربردهای سنسورها، انتخاب دقیق‌تری برای استفاده در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی صورت گیرد و همچنین عملکرد بهینه‌ای در سیستم‌های پنوماتیک حاصل شود.