سنسور خازنی چیست و چگونه عمل می‌کند؟
سنسور خازنی از جمله تکنولوژی‌های مدرن سنسورهای بدون تماس است که برای شناسایی اشیاء فلزی و غیرفلزی از آن بهره می‌برند. این نوع سنسورها با داشتن حساسیت و پهنای باند بالا، در بهبود عملکرد و دقت تشخیص استفاده می‌شوند. از ویژگی‌های برجسته سنسورهای خازنی، ابعاد کوچک و نصب آسان آنها است.
کاربردهای متنوع سنسورهای خازنی شامل کنترل سطح، مدیریت مایعات درون محفظه‌ها مانند بطری‌ها، و انجام عملیات شمارش اشیاء می‌شود. این سنسورها با دقت بالا و قابلیت تطبیق با شرایط مختلف، در صنایع مختلفی از جمله تولید، حمل و نقل، و مخازن مایعات مورد استفاده قرار می‌گیرند.
کاربرد سنسور خازنی
سنسورهای خازنی به دلیل حساسیت بالا در مقابل انواع مختلف مواد، در حوزه‌های متعددی کاربرد دارند. این کاربردها عبارتند از:
- کنترل سطوح مخازن: سنسورهای خازنی به دلیل دقت و قابلیت تشخیص برتر، در کنترل سطوح مخازن از مواد پودری، مایع یا دانه‌دانه پر شده استفاده می‌شوند.
- شمارش خط تولید: از این سنسورها برای دقیق‌ترین شمارش خطوط تولید و جلوگیری از هرگونه خطاهای ممکن استفاده می‌شود.
- جدا کردن قطعات فلزی از غیرفلزی: با توانایی تشخیص اجسام فلزی در میان مواد غیرفلزی، این سنسورها در خطوط تولید جداسازی دقیق انجام می‌دهند.
- کنترل حرکت پارچه: در صنایع نساجی و پوشاک، سنسورهای خازنی برای کنترل حرکت پارچه و جلوگیری از خطاهای ممکن استفاده می‌شوند.
- تشخیص پارگی نوار نقاله: این سنسورها به عنوان ابزار حیاتی در تشخیص و پیشگیری از پارگی نوارهای نقاله در فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سنسورهای خازنی، از نوع سنسورهای بدون تماس و بدون کنتاکت الکتریکی هستند که به نحوی مختصر در برابر همه نوع مواد عمل می‌نمایند. این تکنولوژی علاوه بر کنترل سطوح مخازن، در تشخیص مواد مختلف فلزی و غیرفلزی، جداسازی دقیق و شمارش دقیق اجسام، نقش موثری در بهبود عملکرد صنایع مختلف ایفا می‌کند.
ساختار سنسورهای خازنی چگونه است؟
ساختار سنسورهای خازنی از ترکیب هوشمندانه چهار قسمت اصلی تشکیل گرفته است:
- آمپلی‌فایر:
این بخش از ساختار سنسور با وظیفه تقویت سیگنال‌های الکتریکی حاصل از تغییرات خازن در محیط، مسئول است. آمپلی‌فایر با افزایش قدرت سیگنال، اطلاعات دقیقتری از تغییرات در محیط را فراهم می‌کند.
- اشمیت تریکر:
به عنوان قسمتی اساسی دیگر، اشمیت تریکر برای تحلیل و شناسایی تغییرات خازن در محیط مسئول است. این ترکیب با ایجاد تغییرات در الکتریسیته خازنی، به سیستم اجازه می‌دهد تا به طور دقیق به تحولات پاسخ دهد.
- دمدولاتور:
در ساختار سنسور، دمدولاتور با کاهش اطلاعات به شکل موج‌های فرکانسی، اطلاعات حاصل از تغییرات خازنی را تبدیل به یک سیگنال با فرکانس قابل تحلیل می‌کند.
- اسیلاتور:
به عنوان بخش پایانی، اسیلاتور با استفاده از انتقال سیگنال به صورت موج مستقل، سیگنال نهایی را تولید می‌کند. این مرحله باعث ارسال سیگنال به سیستم کنترل و تحلیل‌های بعدی می‌شود.
ساختار اساسی اسیلاتور در سنسورهای خازنی از دو قطعه فلزی تشکیل شده است که در مکانیسم قرارگیری خود، یک ظرفیت خازنی را ایجاد می‌کنند.
سنسورها با افزایش ثابت دی‌الکتریک قطعه مورد نظر، قابلیت تشخیص را افزایش می‌دهند. هوا با دی‌الکتریک ۱ به عنوان مبنای اندازه‌گیری در نظر گرفته می‌شود. سنسور خازنی اشنایدر الکتریک، قطعات با دی‌الکتریک بزرگتر از ۲ را تشخیص می‌دهد. همچنین، با افزایش اندازه قطعه، تشخیص آن توسط سنسور راحت‌تر می‌شود.
در صورت عدم حضور قطعه در معرض سنسور خازنی، به دلیل حضور هوا در بین صفحات خازن دی‌الکتریک، ظرفیت خازنی برابر با ۱ خواهد بود و اسیلاتور عمل نمی‌کند، به‌عبارت دیگر، سنسور خاموش می‌شود.
هرگاه قطعه با ضریب الکتریکی E به صفحه حساس نزدیک شود، تغییرات در ظرفیت خازنی (C1>C0) رخ می‌دهد. این تغییرات باعث تغییر دامنه خروجی اسیلاتور می‌شود.
دمدولاتور دامنه اسیلاتور را اندازه‌گیری و با سطح مرجع مقایسه می‌نماید. هرگاه دامنه این مقدار از دامنه مرجع بیشتر باشد، خروجی سنسور فعال می‌شود و آمپلی‌فایر مسئول تأمین جریان بار را بر عهده دارد.
ضرایب تصحیح سنسور خازنی برای قطعات مختلف
در کارایی سنسورهای خازنی، عوامل مانند رطوبت هوا، گرد و غبار و سایر عوامل محیطی نقش مهمی ایفا می‌کنند. برای تصحیح اثرات این عوامل، ضرایب تصحیح مختلفی برای انواع مختلف قطعات وجود دارد که در جدول زیر آورده شده است.
| نوع قطعه | ضریب تصحیح (KM) |
| فلز | ۱ |
| آب | ۰٫۲ / ۰٫۶ |
| چوب | ۰٫۶ |
| PVC | ۰٫۵ |
| شیشه | ۰٫۱ |
| روغن | – |
هرگاه فاصله سوئیچینگ برای قطعات فلزی مساوی با 20 باشد (Sn=20)، فاصله سوئیچینگ برای شیشه از رابطه زیر محاسبه می‌شود:
S=20mm×0.5=10mm
S=Sn×KM
تنظیم فاصله سوئیچینگ سنسورهای خازنی با استفاده از پتانسیومتر
فرآیند تنظیم فاصله سوئیچینگ در سنسورهای خازنی به وسیله پتانسیومتر، امکان پیکربندی دقیق این فاصله را فراهم می‌کند.
پوش حفاظتی برای مقابله با سایش
در این سنسورها، جهت جلوگیری از سایش ناشی از مواد خورنده، از پوش حفاظتی استفاده می‌شود. این درپوش از مواد سخت ساخته شده و وظیفه حفاظتی در برابر آسیب‌های ناشی از مواد خورنده را بر عهده دارد.
نکته مهم: هنگام تنظیم سنسورهای خازنی، به این نکته توجه فراخواهید کرد که فاصله سوئیچینگ این سنسورها در زمانیکه یک قطعه فلزی در مقابل سنسور قرار می‌گیرد، نباید از مقدار نامی که در مشخصات سنسور ذکر شده است، بیشتر باشد.
انواع سیم‌بندی در سنسورهای خازنی
١- دو سیمه AC
سنسورهای دو سیمه AC به دو دسته Normally Open (NO) و Normally Close (NC) تقسیم می‌شوند. این نوع سنسورها با دو حالت باز یا بسته عمل می‌کنند، بنابراین از دو سیم برای انتقال اطلاعات استفاده می‌شود.
۲- سه سیمه DC
این دسته سنسورها در دو نوع NPN و PNP عرضه می‌شود. با سه حالت باز یا بسته و وجود یک حالت وسطی، سنسورهای سه سیمه DC به عنوان گزینه‌های چندگانه شناخته می‌شوند.
استفاده از این سنسورها به‌ویژه در فشارسنج‌ها بسیار موثر است. این سنسورها قادر به نشان دادن وضعیت کم یا زیاد بودن فشار حال حاضر هستند و با وجود حالت وسطی، به نمایش حالت تعادل فشار می‌پردازند.
۳- دو سیمه NAMOR
در دسته دو سیمه NAMOR، این سنسورها با ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود به عنوان گزینه‌هایی برای برخی از نیازهای خاص شناخته می‌شوند. این سنسورها با دو سیم به منظور انتقال اطلاعات عمل می‌کنند و عملکرد خاصی دارند که از آنها یک ابزار مناسب در برخی از موارد خاص می‌سازد.
۴- چهار سیمه DC
سنسورهای چهار سیمه DC نیز در دو نوع NPN و PNP تولید می‌شوند و به دو دسته Normally Open (NO) و Normally Close (NC) تقسیم می‌گردند. عملکرد این سنسورها مشابه کلیدهای مرکب است که با بسته شدن یک کنتاکت، دستور باز شدن کنتاکت دیگر صادر می‌شود.
کاربرد سنسورهای خازنی در صنایع
یکی از کاربردهای حیاتی سنسورهای خازنی در صنعت، تشخیص پر شدن بطری‌ها از مایع مورد نظر است. در این سناریو، بطری‌ها روی نوار نقاله حرکت می‌کنند تا پر شوند. ساختار زیر نشان‌دهنده استفاده از دو سنسور مختلف میباشد: سنسور ۱ برای تشخیص حضور بطری و سنسور ۲ برای تشخیص مایع درون بطری.
هنگامی که سنسور ۱ حضور بطری را تشخیص می‌دهد، عمل پر کردن بطری به طور خودکار آغاز می‌شود. در این لحظه، سنسور ۲ هنوز فعال نیست. با حرکت مایع به سطح مورد نظر و توسط سنسور ۲ تشخیص داده شدن، فرآیند پر کردن بطری به طور موقت متوقف می‌شود، که این امکان را به مدیران فرآیند می‌دهد تا به طور دقیقتر و بهینه‌تر مصرف منابع را کنترل کنند.
سنسورهای خازنی کنترل سطح: کاربرد و انواع
سنسورهای خازنی کنترل سطح به منظور تشخیص حضور و مقدار مواد مختلف در مخازن فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سنسورها توانایی کنترل سطوح مواد پودری، دانه‌دانه، مایعات و سایر مواد را در مخازن فلزی دارند. مبنای عملکرد این سنسورها به این صورت است که بین میله پروپ و بدنه فلزی مخزن، یک ظرفیت خازنی وجود دارد.
هنگامی که ظرفیت خازنی به دلیل حضور مواد افزایش می‌یابد و از حد مشخصی فراتر می‌رود، خروجی سنسور که به صورت کنتاکت رله است، فعال می‌شود. این خروجی رله را می‌توان با جابه‌جایی کنتاکت، به صورت نرمال باز یا نرمال بسته تنظیم نمود. سنسورهای خازنی کنترل سطح در دو نوع با پروپ روکش‌دار و پروپ بدون روکش تولید می‌شوند.
سنسورهای خازنی کنترل سطح با پروپ روکش‌دار مناسب برای مواد هادی جریان الکتریسیته مانند آب، اکسید آهن، اکسید آلومینیوم و غیره هستند. در حالی که سنسورهای خازنی کنترل سطح با پروپ بدون روکش، برای مواد با مقاومت الکتریکی بالا مثل سیمان، گچ، انواع روغن، گرانول‌های پلاستیکی، خاک چینی و پودر سرامیک مناسب می‌باشند.
سنسورهای خازنی کنترل سطح با توانایی تشخیص حضور و مقدار مواد مختلف در مخازن فلزی، به عنوان ابزار حیاتی در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سنسورها با دو نوع پروپ روکش‌دار و پروپ بدون روکش، به تناسب نوع مواد مورد استفاده، امکان کنترل دقیق سطوح مختلف را فراهم می‌کنند.
از این رو، توانایی سنسورهای خازنی در تأمین کارایی بالا و کنترل بهینه فرآیندهای صنعتی را تاکید می‌کند، همچنین نکته حائز اهمیت آن است که استفاده از نوع صحیح سنسور با توجه به نوع مواد حاضر در مخزن، به بهبود عملکرد و بهره‌وری فرآیندها کمک می‌کند.
