ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ

ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ (Proximity Sensors)

Οι αισθητήρες προσέγγισης  ανιχνεύουν ένα υλικό χωρίς να έρθουν σε επαφή μαζί του. Όταν το υλικό ανιχνευθεί στα όρια της απόστασης που δίνεται από τον κατασκευαστή (συνήθως βγαίνουν μέχρι 25mm) τότε η επαφή του αισθητήρα (ΝΟ ή NC) αλλάζει κατάσταση.

Αναφέρονται επίσης με το όνομα διακόπτες προσέγγισης (proximity switches).

•Η διάρκεια λειτουργίας τους είναι μεγάλη, επειδή δεν έχουν επαφές και κινούμενα μέρη, τα οποία συνήθως φθείρονται εύκολα.
•Ο χρόνος από τη μια κατάσταση στην άλλη (ON/OFF) είναι πολύ μικρός, γι’ αυτό και η συχνότητα λειτουργίας τους μπορεί να είναι μεγάλη.
•Δεν παρουσιάζουν τα μειονεκτήματα σπινθηρισμών των επαφών, ούτε άλλα μειονεκτήματα που συνήθως προκύπτουν από τις μηχανικές ατέλειες. 

Τα αισθητήρια προσέγγισης επιλέγονται ανάλογα με:

Το υλικό τους (πλαστικοί ή μεταλλικοί)
Την τάση λειτουργίας
Τις διαστάσεις
Την απόσταση ανίχνευσης
Αν είναι χωνευτό ή εξωτερικό
Τι έξοδο έχει (PNP, NPN ή ρελέ)
Αν η επαφή εξόδου είναι ΝΟ ή NC
Αν έχουν ενσωματωμένο καλώδιο ή είναι με connector

 Οι συνηθέστεροι τύποι αισθητήρων προσέγγισης είναι:

1) Επαγωγικός αισθητήρας προσέγγισης (Inductive Proximity Sensor)
2) Χωρητικός αισθητήρας προσέγγισης (Capacitive Proximity Sensor)
3) Μαγνητικοί αισθητήρες προσέγγισης 

Επαγωγικός Αισθητήρας Προσέγγισης (Inductive Proximity Sensor)

Ο επαγωγικός αισθητήρας προσέγγισης είναι ο περισσότερο διαδεδομένος
τύπος αισθητήρα.  Όταν παρουσιαστεί μπροστά από την ενεργό επιφάνειά του, κάποιο μεταλλικό αντικείμενο, τότε η έξοδός του αλλάζει κατάσταση.  Αυτήν την ιδιότητα του επαγωγικού αισθητήρα την εκμεταλλευόμαστε σε διάφορες εφαρμογές.

Αρχή Λειτουργίας

Όταν τροφοδοτηθεί με ρεύμα ο επαγωγικός αισθητήρας, τότε δημιουργείται εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, μπροστά από την ενεργό επιφάνειά του.  Αν εισέλθει μέσα στο μαγνητικό αυτό πεδίο, κάποιο μεταλλικό αντικείμενο (σίδερο, αλουμίνιο, χαλκός κτλ), τότε προκαλείται ισχυρή απόσβεση της ταλάντωσης, αντιστρέφεται η έξοδος του κυκλώματος σκανδάλης και αλλάζει η κατάσταση της εξόδου του αισθητήρα. 

Επιπρόσθετα, έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα.

Λειτουργία εξ αποστάσεως, χωρίς φθορές καθώς και υψηλή συχνότητα και ακρίβεια ενεργοποίησης. Γενικά, οι επαγωγικοί αισθητήρες έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και δε χρειάζονται συντήρηση.  Μπορούν να τοποθετηθούν και σε αντίξοες συνθήκες λειτουργίας, όπως είναι η παρουσία υγρών, σκόνης, δονήσεων κτλ.  

Η ονομαστική απόσταση ανίχνευσης Sn δίνεται από τον κατασκευαστή σε εργαστηριακό περιβάλλον.
Ανάλογα όμως με τις περιβαντολογικές συνθήκες αυτή η απόσταση μειώνεται ανάλογα με:

Το υλικό ανίχνευσης (συντελεστής Kq)
Τη θερμοκρασία (συντελεστής Km)
Τις διαστάσεις του προς ανίχνευση αντικειμένου (συντελεστής Kd)
Τις μεταβολές της τάσης (συντελεστής Kf)

Η εγγυημένη λοιπόν απόσταση ανίχνευσης  Sa δίνεται από τον τύπο:

Sa=Sn*Kq*Km*Kd*Kf

Οι συντελεστές δίνονται από πίνακες  των εταιρειών

Χωρητικός Αισθητήρας Προσέγγισης (Capacitive Proximity Sensor)

 Οι χωρητικοί αισθητήρες προσέγγισης ανιχνεύουν τα αντικείμενα ανίχνευσης λόγω της ικανότητας του συγκεκριμένου αντικειμένου να φορτίζεται ηλεκτρικά. Οι χωρητικοί αισθητήρες εφαρμόζουν τάση σε μια περιοχή και ανιχνεύουν αντικείμενα με τη μέτρηση των αλλαγών σε μια ηλεκτρική ιδιότητα που ονομάζεται χωρητικότητα, η οποία είναι η ικανότητα ενός σώματος να αποθηκεύσει το ηλεκτρικό φορτίο. Δεδομένου ότι ακόμη και μη-αγωγοί μπορούν να αποθηκεύσουν φορτία, αυτό σημαίνει ότι σχεδόν οποιοδήποτε αντικείμενο (μέταλλα, ξύλο, πλαστικό, γυαλί, χαρτόνι, δέρμα, κεραμικά, υγρά κ.λπ.) μπορεί να ανιχνευθεί με αυτόν τον τύπο αισθητήρα.

 Τα χαρακτηριστικά του χωρητικού αισθητήρα είναι τα ίδια με αυτά του επαγωγικού αισθητήρα.

Ο χωρητικός αισθητήρας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση αντικειμένων

Οι χωρητικοί αισθητήρες ελέγχουν το γέμισμα του σιλό

Η ονομαστική απόσταση ανίχνευσης Sn δίνεται από τον κατασκευαστή σε εργαστηριακό περιβάλλον.
Ανάλογα όμως με τις περιβαντολογικές συνθήκες αυτή η απόσταση μειώνεται ανάλογα με το υλικό ανίχνευσης (πετρέλαιο, πολυεστέρας, λάδι, νερό, ζάχαρη κ.λ.π) με το συντελεστή Fc

Η εγγυημένη λοιπόν απόσταση ανίχνευσης  Sa δίνεται από τον τύπο:

Sa=Sn*Fc

Ο συντελεστής δίνεται από πίνακες  των εταιρειών

Μαγνητικοί αισθητήρες

Οι μαγνητικοί διακόπτες χρησιμεύουν στα συστήματα ελέγχου για την ανίχνευση της θέσης εξ αποστάσεως και χωρίς φθορές. Χρησιμοποιούνται εκεί όπου δεν αντέχουν οι επαγωγικοί διακόπτες προσέγγισης. Καθώς τα μαγνητικά πεδία διαπερνούν και όλα τα μη μαγνητιζόμενα υλικά, οι αισθητήρες μπορούν να αναγνωρίζουν μαγνήτες διαμέσου τοιχωμάτων π.χ. από μη σιδηρούχα μέταλλα, χάλυβα, αλουμίνιο, πλαστικό ή ξύλο.

Ποια τα πλεονεκτήματα – μειονεκτήματα  του  χωρητικού  αισθητήρα  προσέγγισης  από  τον  επαγωγικό  και  σε  ποια  περίπτωση   θα   προτιμηθεί  ο  χωρητικός  αισθητήρας  έναντι  του  επαγωγικού.      

Πλεονεκτήματα χωρητικού αισθητήρα:

1) Έχουν καλή ευαισθησία

2) Μπορούν να ανιχνεύσουν μικρές μετατοπίσεις σε ειδικές εφαρμογές, π.χ., μέτρηση μηχανικής φθοράς αντικειμένων

3) Ενεργοποιείται  από   αγώγιμα   και   μη  αγώγιμα   υλικά( μη μεταλλικά)

4) Έχουμε δυνατότητα αύξησης της χωρητικότητας του πυκνωτή αυξάνοντας την ποσότητα του διηλεκτρικού

Μειονεκτήματα χωρητικού αισθητήρα:

1) Ανιχνεύουν και αντικείμενα που δε μας ενδιαφέρουν

2) Μπορεί να ενεργοποιηθούν και από σκόνη στο περιβάλλον τους.

Πλεονεκτήματα επαγωγικού αισθητήρα:

1) Προστασία από ανάστροφη πόλωση

2) Προστασία από βραχυκύκλωμα

3) Προστασία από στιγμιαίες υπερτάσεις

4) Μεγάλη διάρκεια ζωής

5) Δε χρειάζονται συντήρηση

6) Επειδή ενεργοποιούνται μόνο από μέταλλο και δεν επηρεάζονται από υγρασία, σκόνη, βρωμιά και παρόμοια, μπορούν να τοποθετηθούν και σε αντίξοες συνθήκες λειτουργίας, όπως είναι η παρουσία υγρών, σκόνης, κ.τ.λ.

Για γενικές εφαρμογές, οι χωρητικοί αισθητήρες προσέγγισης δεν είναι εναλλακτική λύση αλλά συμπλήρωμα των επαγωγικών αισθητήρων προσέγγισης. Αποτελούν συμπλήρωμα όταν δεν υπάρχει μέταλλο για την ενεργοποίηση ( π.χ. για μηχανήματα επεξεργασίας ξύλου και για προσδιορισμό της ακριβούς στάθμης υγρών ή για σκόνες).

Βαθμίδα εξόδου αισθητήρα

Η βαθμίδα εξόδου ενός φωτοκύτταρου είναι το τμήμα εκείνο με το οποίο το
φωτοκύτταρο συμμετέχει στο κύκλωμα αυτοματισμού μιας παραγωγικής διαδικασίας. Αυτή μπορεί να περιλαμβάνει:

--Ένα ηλεκτρονόμο (ρελέ) ενσωματωμένο στο φωτοκύτταρο. Το πηνίο του τροφοδοτείται από το ηλεκτρονικό κύκλωμα του φωτοκύτταρου.
--Ένα triac
--Ένα transistor
--Ένα ελεγχόμενο ανορθωτή πυριτίου (SCR)

Οι τρεις τελευταίες βαθμίδες εξόδου χαρακτηρίζονται σαν ηλεκτρονικές έξοδοι.

Αισθητήρες με έξοδο ρελέ 3 αγωγών

Τα φωτοκύτταρα με έξοδο μικροηλεκτρονόμο συνήθως διαθέτουν μια μεταγωγική ηλεκτρική επαφή, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Πλεονεκτήματα

--Έχουν μεγάλη περιοχή ονομαστικής τάσης τροφοδοσίας. Συνήθως 12-240V DC και 24-240V AC.

--Επιτρέπουν μεγαλύτερη ευελιξία και ευκολία στη χρησιμοποίησή τους σε ένα κύκλωμα αυτοματισμού όσον αφορά στην τάση λειτουργίας του κυκλώματος και στην ένταση ρεύματος που μπορούν να ελέγχουν. Ενδεικτικές τιμές: μέχρι 3Α σε τάση 250V AC και ωμικό φορτίο (συνφ=1), μέχρι 1A σε τάση 30V DC.

--Μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους παράλληλα, σε σειρά, ή σε σύνθετη συνδεσμολογία χωρίς περιορισμούς.

Μειονεκτήματα

--Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη συχνότητα λειτουργίας (μεγαλύτερη των 20Hz). Η έξοδό τους έχει κινητά μέρη και καθυστερεί πολύ η αλλαγή της κατάστασης της επαφής.

--Έχουν μικρότερη διάρκεια ζωής (συνολικό αριθμό κύκλων λειτουργία) λόγω των κινητών μηχανικών μερών του μικροηλεκτρονόμου
 

Αισθητήρες με έξοδο ρελέ 2 αγωγών 

Το κύκλωμα λειτουργίας των φωτοκύτταρων αυτών συνδέεται σε σειρά με την ηλεκτρική κατανάλωση που ελέγχουν, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα
Λειτουργούν με εναλλασσόμενη τάση 24-240V συνήθως. Η έξοδός τους είναι ηλεκτρονική με μέγιστη ικανότητα ρεύματος από 200 μέχρι 300mA

Αισθητήρες με έξοδο τρανζίστορ 3 αγωγών

Αυτά έχουν ηλεκτρονική έξοδο που περιλαμβάνει ένα τρανζίστορ NPN ή PNP. Λειτουργούν με συνεχή τάση 12-24V (συνήθως) και έχουν μέγιστη ικανότητα ρεύματος από 80 μέχρι 200mA. Οι δύο από τους τρεις αγωγούς του φωτοκύτταρου χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία του κυκλώματός του.

Όταν η έξοδος του φωτοκύτταρου είναι τρανζίστορ PNP, η ηλεκτρική κατανάλωση συνδέεται μεταξύ του τρίτου αγωγού και του αρνητικού αγωγού τροφοδοσίας (-), όπως φαίνεται στο σχήμα α.
Όταν η έξοδος του φωτοκύτταρου είναι τρανζίστορ ΝΡΝ, η ηλεκτρική κατανάλωση συνδέεται μεταξύ του τρίτου αγωγού και του θετικού αγωγού τροφοδοσίας (+), όπως φαίνεται στο σχήμα β.

Αισθητήρες με έξοδο τρανζίστορ 4 αγωγών

Υπάρχουν επίσης φωτοκύτταρα με τέσσερις αγωγούς και έξοδο τρανζίστορς. Τα φωτοκύτταρα αυτά ελέγχουν ταυτόχρονα δύο ηλεκτρικές καταναλώσεις όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Κύρια πλεονεκτήματα των φωτοκύτταρων με έξοδο τρανζίστορ είναι:

--Έχουν πολύ γρήγορη απόκριση (της τάξης των 5 msec) στην παρουσία ή την απουσία του προς ανίχνευση αντικειμένου.

--Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, επειδή δεν έχουν κινητά μέρη