سنسورهای مجاورتی القایی و یا سنسور های صنعتی برای تشخیص اجسام فلزی بدون نیاز به تماس فیزیکی به کار می‌روند و در صنایعی مانند نفت، گاز و خودروسازی کاربرد گسترده‌ای دارند ، سنسورهای مجاورتی آلتراسونیک با استفاده از امواج صوتی، فاصله و اجسام را تشخیص می‌دهند و برای اندازه‌گیری مایعات و مواد جامد بسیار مناسب هستند. سنسورهای فشار نیز برای اندازه‌گیری فشار گازها و مایعات در سیستم‌های هیدرولیک و کنترل فرآیندهای شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مقدمه
صنعت امروزی با سرعتی فزاینده به سوی اتوماسیون و بهره‌گیری از فناوری‌های نوین پیش می‌رود. یکی از مهم‌ترین بخش‌های هر سیستم اتوماسیون، حسگرها یا همان سنسورها هستند. سنسورها به عنوان چشمان یک سیستم کنترل عمل می‌کنند و اطلاعات مختلفی را از محیط پیرامون دریافت و پردازش می‌کنند. این اطلاعات سپس به سیستم‌های کنترل منتقل می‌شوند و از طریق آن‌ها می‌توان عملکرد ماشین‌آلات را بهبود بخشید و از هرگونه خطا یا نقص در فرآیندهای تولید جلوگیری کرد.
تکنولوژی سنسورها طی چند دهه گذشته با پیشرفت‌های چشمگیری روبه‌رو شده و به یکی از پایه‌های اصلی در صنعت تبدیل شده است. در این راستا، نقش سنسورها در صنایع مختلفی از جمله نفت و گاز، پتروشیمی، خودروسازی، صنایع غذایی و دارویی، و همچنین در مدیریت انرژی به شدت افزایش یافته است. این تجهیزات حیاتی برای پایش و کنترل عوامل مختلف محیطی و فیزیکی مانند دما، فشار، رطوبت، فاصله، و حتی ترکیب‌های شیمیایی به کار می‌روند.
اتوماسیون صنعتی به معنای به‌کارگیری فناوری‌ها و دستگاه‌های کنترل برای انجام کارهای مکانیکی و پیچیده به صورت خودکار است. در این میان، سنسورها نقش مهمی در فرآیند تصمیم‌گیری این سیستم‌ها دارند. از آن‌جا که سیستم‌های اتوماسیون بر مبنای داده‌های واقعی از محیط عمل می‌کنند، سنسورها اطلاعات مورد نیاز برای کنترل فرآیندها را در اختیار آن‌ها قرار می‌دهند. به عبارت دیگر، بدون وجود سنسورها، اتوماسیون صنعتی غیرممکن خواهد بود.
این مقاله به بررسی هفت سنسور پرکاربرد در صنعت می‌پردازد که هر یک نقش مهمی در بهبود فرآیندهای صنعتی دارند. در ادامه، به توضیح کامل عملکرد و کاربرد هر یک از این سنسورها خواهیم پرداخت.
سنسور چیست؟
سنسور (Sensor) یا حسگر دستگاهی است که به منظور اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی و شیمیایی محیط پیرامون به کار می‌رود و این کمیت‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. این سیگنال‌ها می‌توانند آنالوگ (پیوسته) یا دیجیتال (غیر پیوسته) باشند و بسته به نیاز سیستم کنترلی به گونه‌های مختلف تحلیل و استفاده شوند.
سنسورها بر اساس نوع کاربرد و محیطی که در آن استفاده می‌شوند، انواع مختلفی دارند. از جمله عوامل فیزیکی که توسط سنسورها اندازه‌گیری می‌شوند می‌توان به فشار، دما، رطوبت، فاصله، جریان، سرعت و حتی غلظت گازها اشاره کرد. برای مثال، سنسورهای دما اطلاعات مربوط به میزان حرارت یک سیستم را به سیستم کنترلی ارسال می‌کنند تا دما در محدوده‌ی معینی نگه داشته شود. به طور کلی، سنسورها به دو دسته تماسی و غیرتماسی تقسیم می‌شوند:
- سنسورهای تماسی: این نوع سنسورها برای اندازه‌گیری نیاز به تماس فیزیکی با جسم یا ماده دارند. نمونه‌ای از این نوع سنسورها، ترموکوپل‌ها هستند که برای اندازه‌گیری دما به کار می‌روند.
- سنسورهای غیرتماسی (مجاورتی): این سنسورها بدون نیاز به تماس فیزیکی با جسم، اطلاعات محیط را دریافت می‌کنند. از جمله سنسورهای مجاورتی می‌توان به سنسورهای نوری و آلتراسونیک اشاره کرد.
کاربرد سنسورها در صنعت
سنسورها نقش حیاتی در صنایع مختلف ایفا می‌کنند. آن‌ها با ارائه داده‌های دقیق و بلادرنگ (Real-Time) از وضعیت فرآیندها، امکان کنترل دقیق‌تر و بهینه‌سازی عملیات صنعتی را فراهم می‌کنند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای سنسورها، اتصال آن‌ها به سیستم‌های کنترل از جمله PLC (Programmable Logic Controller) است. PLCها سیستم‌های کنترلی هستند که با دریافت اطلاعات از سنسورها، دستورات لازم را به تجهیزات صنعتی می‌دهند. این سیستم‌ها به دلیل دقت و کارایی بالا در بسیاری از صنایع استفاده می‌شوند.
از دیگر کاربردهای سنسورها در صنعت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- کنترل کیفیت تولید: سنسورها می‌توانند اطلاعات دقیقی از وضعیت محصولات و فرآیندهای تولید ارائه دهند که این امر به بهبود کیفیت تولید کمک می‌کند.
- کاهش هزینه‌ها: با استفاده از سنسورها می‌توان خطاها و نقص‌های احتمالی در سیستم‌های صنعتی را پیش از بروز مشکل تشخیص داد که این امر به کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمک می‌کند.
- افزایش بهره‌وری: سنسورها با ارائه داده‌های دقیق، امکان تصمیم‌گیری سریع و دقیق‌تر را فراهم می‌کنند و به افزایش بهره‌وری کمک می‌کنند.
انواع سنسور های صنعتی
در ادامه به معرفی و توضیح هفت سنسور پرکاربرد در صنعت می‌پردازیم که هر یک به دلیل ویژگی‌های خاص خود در فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده می‌شوند.
1. سنسور مجاورتی القایی (Inductive Proximity Sensor)
سنسورهای مجاورتی القایی سنسورهایی هستند که برای تشخیص اجسام فلزی استفاده می‌شوند. این سنسورها بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی کار می‌کنند. به عبارت دیگر، زمانی که جسمی فلزی به میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سنسور نزدیک می‌شود، جریان گردابی در آن جسم ایجاد می‌شود که باعث کاهش میدان مغناطیسی سنسور شده و در نتیجه سنسور می‌تواند وجود جسم را تشخیص دهد.
این نوع سنسورها به دلیل دقت بالا و سرعت عمل سریع در صنایع مختلفی از جمله نفت و گاز، پتروشیمی، خودروسازی و ماشین‌آلات استفاده می‌شوند. ویژگی مهم سنسورهای القایی این است که آن‌ها به مواد غیر فلزی مانند پلاستیک یا چوب واکنش نشان نمی‌دهند، که این امر آن‌ها را برای کاربردهای خاص صنعتی بسیار مناسب می‌کند.
2. سنسور مجاورتی آلتراسونیک (Ultrasonic Proximity Sensor)
سنسورهای آلتراسونیک با ارسال امواج صوتی و دریافت بازتاب آن‌ها، فاصله اجسام را اندازه‌گیری می‌کنند. این سنسورها از اصل زمان رفت و برگشت امواج صوتی برای تشخیص فاصله استفاده می‌کنند. امواج صوتی فرستاده شده توسط سنسور با برخورد به جسم منعکس می‌شوند و سنسور با محاسبه مدت زمان بازگشت امواج، فاصله جسم از سنسور را محاسبه می‌کند.
سنسورهای آلتراسونیک در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سنسورها به دلیل دقت بالا، سرعت عمل سریع و عدم نیاز به تماس فیزیکی با جسم، در اندازه‌گیری فاصله و تشخیص عمق مواد مذاب، کنترل سطوح مایعات و حتی تشخیص عیوب قطعات صنعتی به کار می‌روند. به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردشان، این سنسورها به عنوان یکی از بهترین گزینه‌ها برای اندازه‌گیری فاصله در محیط‌های صنعتی شناخته می‌شوند.
3. سنسور فوتوالکتریک (Photoelectric Sensor)
سنسورهای فوتوالکتریک یا نوری از نور برای تشخیص اجسام استفاده می‌کنند. این سنسورها از یک فرستنده نوری و یک گیرنده تشکیل شده‌اند. فرستنده یک پرتوی نور مدوله شده به سمت جسم ارسال می‌کند و گیرنده با دریافت این پرتو، وجود جسم را تشخیص می‌دهد.
سنسورهای فوتوالکتریک به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:
- سنسورهای انعکاسی: در این نوع سنسورها، پرتو نوری که توسط فرستنده ارسال می‌شود، پس از برخورد با جسم منعکس شده و به گیرنده بازمی‌گردد. این نوع سنسورها برای تشخیص اجسامی که سطح براق یا صیقلی دارند بسیار مناسب هستند. کاربردهای آن‌ها شامل تشخیص وجود یا عدم وجود اجسام، کنترل حرکت پارچه و کاغذ در صنایع نساجی و چاپ، و شمارش تولیدات در خطوط مونتاژ است.
- سنسورهای گیرنده-فرستنده مجزا: در این سنسورها، فرستنده و گیرنده به طور جداگانه در دو نقطه مختلف قرار گرفته‌اند. فرستنده پرتو نور را به طور مستقیم به سمت گیرنده ارسال می‌کند. اگر مانعی بین این دو قرار گیرد و پرتو نور قطع شود، گیرنده آن را تشخیص می‌دهد. این نوع سنسور بسیار دقیق است و به دلیل فاصله تشخیص بالا، در کاربردهایی مانند کنترل تردد، شمارش افراد، و کنترل حرکت نوار نقاله استفاده می‌شود.
- سنسورهای رفلکتوری (Reflective): این سنسورها پرتو نوری را به یک بازتاب‌دهنده یا رفلکتور می‌فرستند و پس از بازتاب آن از روی رفلکتور، گیرنده سیگنال را دریافت می‌کند. اگر جسمی در مسیر پرتو نور قرار گیرد و این مسیر را قطع کند، سنسور تغییر حالت می‌دهد. این نوع سنسورها برای تشخیص اشیای نزدیک و بازتاب‌دهی بالا مناسب هستند.
از مزایای اصلی سنسورهای فوتوالکتریک می‌توان به سرعت پاسخ‌دهی بالا، دقت زیاد، و توانایی تشخیص اجسام بدون نیاز به تماس فیزیکی اشاره کرد. این سنسورها در صنایع مختلفی از جمله بسته‌بندی، صنایع خودروسازی، و تولید مواد غذایی استفاده می‌شوند.
4. سنسور مجاورتی خازنی (Capacitive Proximity Sensor)
سنسورهای خازنی نوعی سنسور مجاورتی هستند که بر اساس تغییرات ظرفیت خازنی کار می‌کنند. این سنسورها قابلیت تشخیص اجسام فلزی و غیرفلزی را دارند، به همین دلیل در مقایسه با سنسورهای القایی از کاربردهای گسترده‌تری برخوردارند. سنسور خازنی از دو صفحه خازن تشکیل شده است که با نزدیک شدن یک جسم، ظرفیت خازن تغییر می‌کند و این تغییر توسط سنسور تشخیص داده می‌شود.
از ویژگی‌های منحصر به فرد سنسورهای خازنی این است که قادر به تشخیص مواد عایق مانند چوب، پلاستیک، کاغذ و شیشه نیز هستند. این سنسورها به ویژه در کاربردهایی مانند اندازه‌گیری سطح مایعات، کنترل مواد در صنایع بسته‌بندی و انبار، و تشخیص سطح مخازن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
از دیگر کاربردهای سنسورهای خازنی می‌توان به استفاده در ماشین‌های تولید کاغذ برای کنترل حرکت کاغذ، اندازه‌گیری مقدار پودر یا مایع در مخازن، و تشخیص پارگی ورق‌ها در فرآیندهای تولید اشاره کرد. این سنسورها در صنعت با توجه به دقت بالا و نصب آسان به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.
5. سنسور اثر هال (Hall Effect Sensor)
سنسورهای اثر هال بر اساس پدیده‌ای به نام اثر هال کار می‌کنند. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که جریان الکتریکی از یک رسانا عبور می‌کند و آن رسانا در معرض یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد. این فرآیند باعث ایجاد ولتاژ در عرض رسانا می‌شود که به آن ولتاژ هال گفته می‌شود. سنسورهای اثر هال می‌توانند این ولتاژ را اندازه‌گیری کرده و به عنوان سیگنالی برای تشخیص میدان مغناطیسی یا جریان الکتریکی استفاده کنند.
سنسورهای اثر هال در بسیاری از کاربردها از جمله تشخیص موقعیت، سرعت، و جریان‌های الکتریکی به کار می‌روند. از جمله کاربردهای رایج این سنسورها در صنایع خودروسازی برای تشخیص سرعت چرخ‌ها، شتاب‌سنج‌ها، و موقعیت پدال‌های گاز و ترمز است. همچنین در سیستم‌های امنیتی برای تشخیص درهای بسته یا باز، و در تجهیزات پزشکی برای اندازه‌گیری جریان خون به کار گرفته می‌شوند.
یکی از مزایای بزرگ سنسورهای اثر هال این است که این سنسورها در مقابل دما و رطوبت مقاوم هستند و از دقت بالایی برخوردارند. همچنین این سنسورها در محیط‌هایی که میدان‌های مغناطیسی شدید وجود دارند، به خوبی عمل می‌کنند و به دلیل اندازه کوچک و دقت بالا، به شدت در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
6. سنسور گاز (Gas Sensor)
سنسورهای گاز دستگاه‌هایی هستند که وجود یا غلظت گازهای خاصی را در محیط تشخیص می‌دهند. این سنسورها نقش حیاتی در صنایع مختلف از جمله نفت و گاز، تولید مواد شیمیایی، و سیستم‌های ایمنی دارند. سنسورهای گاز معمولاً بر اساس تغییرات شیمیایی و فیزیکی در محیط کار می‌کنند. به عنوان مثال، سنسورهای الکتروشیمیایی از واکنش‌های شیمیایی برای تشخیص گازهای خاص استفاده می‌کنند و سنسورهای مادون قرمز با اندازه‌گیری جذب نور مادون قرمز توسط مولکول‌های گاز، غلظت آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند.
از جمله گازهایی که توسط این سنسورها تشخیص داده می‌شوند می‌توان به مونوکسید کربن، دی‌اکسید کربن، گازهای سمی مانند آمونیاک و متان، و بخارات سوختی اشاره کرد. سنسورهای گاز در محیط‌های صنعتی برای حفظ ایمنی کارکنان و جلوگیری از نشت‌های گازی خطرناک به کار می‌روند.
سنسورهای گاز به ویژه در صنعت نفت و گاز برای تشخیص نشت‌های گاز متان و گازهای خطرناک دیگر کاربرد دارند. همچنین در سیستم‌های تهویه و کنترل کیفیت هوا برای سنجش غلظت گازهای موجود در محیط استفاده می‌شوند. این سنسورها در صورتی که گازهای خطرناک یا سمی را تشخیص دهند، می‌توانند آلارم‌های هشداری به صدا درآورده و به حفظ ایمنی کمک کنند.
7. سنسور فشار (Pressure Sensor)
سنسورهای فشار یا ترانسمیترهای فشار برای اندازه‌گیری فشار گازها و مایعات به کار می‌روند. این سنسورها از تکنولوژی‌های مختلفی برای تشخیص فشار استفاده می‌کنند، از جمله تکنولوژی‌های الکترومکانیکی، پیزوالکتریک، و مقاومت‌سنجی. این سنسورها با تبدیل فشار به سیگنال الکتریکی، داده‌های دقیقی از میزان فشار در سیستم ارائه می‌دهند.
سنسورهای فشار در بسیاری از صنایع کاربرد دارند، از جمله در صنعت نفت و گاز برای اندازه‌گیری فشار داخل لوله‌ها و مخازن، در صنعت خودروسازی برای کنترل فشار تایرها و سیستم‌های هیدرولیکی، و در صنایع پزشکی برای اندازه‌گیری فشار خون و کنترل فشار در دستگاه‌های تنفسی.
این سنسورها در کاربردهایی که نیاز به دقت و صحت بالا دارند، مانند کنترل فرآیندهای شیمیایی و سیستم‌های تهویه مطبوع، به کار می‌روند. یکی از ویژگی‌های مهم سنسورهای فشار این است که می‌توانند در محیط‌های سخت صنعتی با دما و فشار بالا نیز عملکرد خوبی داشته باشند.
خروجی‌ها و انواع سیگنال‌های سنسورها
یکی از نکات مهم در استفاده از سنسورها، شناخت نوع سیگنال خروجی آن‌هاست. سنسورها می‌توانند سیگنال‌های آنالوگ یا دیجیتال تولید کنند که هر کدام کاربردهای خاص خود را دارند.
- سیگنال دیجیتال: سنسورهای دیجیتالی با ارسال سیگنال‌های قطع و وصل (On/Off) عمل می‌کنند. این نوع سیگنال بیشتر در سنسورهای مجاورتی و سنسورهای نوری دیده می‌شود. مزیت اصلی سیگنال‌های دیجیتال این است که قابلیت اتصال مستقیم به سیستم‌های کنترلی مانند PLC را دارند و داده‌ها به صورت صفر و یک ارسال می‌شوند.
- سیگنال آنالوگ: سنسورهایی که سیگنال‌های آنالوگ تولید می‌کنند، بر اساس شدت کمیت فیزیکی، ولتاژ یا جریان تولید می‌کنند. این نوع سیگنال‌ها به صورت پیوسته و نسبت به تغییرات در اندازه‌گیری‌های فیزیکی تغییر می‌کنند. سنسورهای فشار و دما اغلب از سیگنال‌های آنالوگ برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کنند.
علاوه بر این، برخی سنسورها سیگنال‌های خروجی را مطابق با استانداردهای شبکه‌های صنعتی مانند RS-485، RS-232 یا Profibus تولید می‌کنند. این پروتکل‌های ارتباطی امکان انتقال داده‌های سنسورها به سیستم‌های کنترلی بزرگ‌تر مانند DCS و SCADA را فراهم می‌کنند.
نتیجه‌گیری و آینده سنسورها در صنعت
با پیشرفت فناوری و افزایش نیاز به اتوماسیون در صنایع مختلف، سنسورها نقش حیاتی‌تری در فرآیندهای صنعتی ایفا می‌کنند ، این تجهیزات نه تنها دقت و کارایی سیستم‌ها را افزایش می‌دهند، بلکه با کاهش نیاز به نظارت انسانی، بهره‌وری را بهبود می‌بخشند و هزینه‌ها را کاهش می‌دهند ، با توسعه اینترنت اشیا (IoT) و فناوری‌های پیشرفته مانند هوش مصنوعی، آینده سنسورها در صنعت بسیار روشن به نظر می‌رسد ، سنسورهای هوشمند با قابلیت اتصال به شبکه‌های اینترنتی و تجزیه و تحلیل داده‌ها به طور خودکار، می‌توانند به بهینه‌سازی بیشتر فرآیندهای صنعتی کمک کنند ، سنسورهای پیشرفته‌تر و کوچکتر با دقت بالاتر و مصرف انرژی کمتر، در آینده نقش مهمی در ایجاد سیستم‌های هوشمند و اتوماسیون صنعتی پیشرفته ایفا خواهند کرد.