יסודות חיישני קירבה: בחירתם ושימוש בהם באוטומציה תעשייתית

יישומי אוטומציה תעשייתית (IA) רבים דורשים יכולת לחוש בנוכחות ו/או במיקום של אובייקט או אדם מבלי ליצור מגע פיזי כדי למנוע אילוץ או הגבלה של תנועת האובייקט. חיישן הקירבה מתאים אידיאלית לתפקיד זה. אך חיישני קירבה קיימים בסוגים רבים, כולל מגנטי, קיבולי, השראותי ואופטי, והרכב החומר של האובייקט המתגלה עשוי להשפיע על יכולתו של חיישן לזהות את נוכחותו.

ישנם חיישני קירבה שהם שימושיים עבור זיהוי מתכות ברזליות, בעוד שחלקם יכולים לזהות כל סוג של מתכת, ואחרים יכולים לזהות כל סוג של אובייקט ואפילו אנשים. משתמשים פוטנציאליים בחיישני קירבה ביישום IA חייבים להיות מודעים לסוגי הטכנולוגיה השונים של חיישני הקירבה ולשימוש בהם במצבי חישה ספציפיים.

מאמר זה דן בכמה סוגים של חיישנים ומספק פרטים על סוגי האובייקטים אותם הם יכולים לחוש ועל הרגישות המרחבית של כל סוג התקן. התקנים מהיצרנים Texas Instruments‏, Red Lion Controls‏, .Littelfuse Inc‏, .Omron Electronics Inc‏, .MaxBotix Inc‏ ו- .Carlo Gavazzi Inc‏ משמשים כדוגמאות.

חיישני קירבה השראותיים

חיישני קירבה השראותיים מזהים נוכחות של אובייקטים מוליכים (כלומר מתכת) ויש להם טווח חישה התלוי בסוג המתכת המתגלה. חיישנים אלה פועלים באמצעות שדה מגנטי בתדר גבוה שנוצר על ידי סליל במעגל תנודה. מטרה מוליכה המתקרבת לשדה מגנטי מושרה או שיש בו זרם מערבולת (Eddy‏) מושרה, יוצר שדה מגנטי מנוגד המקטין למעשה את ההשראות של חיישן השראותי.

חיישני קירבה השראותיים פועלים בשתי שיטות. בשיטה הפעולה הראשונה, כאשר המטרה מתקרבת לחיישן, זרימת הזרם המושרה גוברת, מגדילה את העומס על מעגל התנודה וגורמת לניחות או לעצירה של התנודה. החיישן מזהה שינוי זה במצב התנודה באמצעות מעגל גילוי אמפליטודה ומוציא אות גילוי.

תכנית פעולה חלופית משתמשת בשינוי בתדר - ולא באמפליטודה - בתנודה הנובעת מנוכחות מטרה מוליכה. מטרת מתכת לא-ברזלית כמו אלומיניום או נחושת המתקרבים לחיישן גורמת לתדר התנודה לעלות, ואילו מטרת מתכת ברזלית כמו ברזל או פלדה מביאה לירידת תדר התנודה. השינוי בתדר התנודה ביחס לתדר הייחוס גורם לשינוי מצב היציאה של החיישן.

ה- LDC0851HDSGT מבית Texas Instruments הוא דוגמה לחיישן מתג קירבה השראותי לטווח-קרוב, המשתמש בשינוי התדר כדי לגלות נוכחות של אובייקט מוליך בתוך השדה האלקטרומגנטי שלו (איור 1).

איור 1: חיישן הקירבה ההשראותי LDC0851HDSGT משתמש בשני סלילי השראות - סליל חישה וסליל ייחוס - כדי למדוד את ההבדל בהשראות עקב אובייקט מטרה בקרבת סליל החישה. (מקור תמונה: Texas Instruments)

מתג הקירבה ההשראותי LDC0851 הוא אידיאלי עבור יישומי גילוי קירבה ללא-מגע כגון גילוי נוכחות, ספירת אירועים ולחצנים פשוטים בהם טווח החישה הוא פחות מ- 10 מילימטרים (מ"מ) (0.39 אינץ'). ההתקן משנה את מצב היציאה שלו כאשר אובייקט מוליך נע קרוב מאד לסליל החישה. המימוש הדיפרנציאלי (השימוש בסלילי חישה וייחוס לקביעת ההשראות היחסית של המערכת) וההיסטרזיס משמשים כדי להבטיח מיתוג אמין החסין מפני רעידות מכניות, שינויים בטמפרטורה או השפעות הלחות.

סלילי הקליטה ההשראותית של ה- LDC0851HDSGT מתכוונים עם קבל חישה אחד, המגדיר את תדר התנודה בתחום של 3 עד 19 מגה-הרץ (MHz). יציאת Push-Pull‏ היא במצב נמוך כאשר השראות החישה היא מתחת להשראות הייחוס וחוזרת למצב גבוה כאשר ההפך הוא נכון.

חיישני קירבה מגנטיים

משמשים למדידת מיקום ומהירות של רכיבי מתכת נעים, גלאי קירבה מגנטיים עשויים להיות התקנים פעילים כמו חיישן אפקט Hall, או התקנים פסיביים כגון חיישן רילקטאנס משתנה (VR) כדוגמת הקולט המגנטי עם תבריג MP62TA00‏ מבית Red Lion Controls‏ (איור 2‏, משמאל). חיישן הקירבה VR מודד שינויים ברילקטאנס המגנטי - המקביל להתנגדות חשמלית במעגל חשמלי - ומורכב ממגנט קבוע, יחידת-קוטב וסליל חישה הסגור במארז גלילי.

איור 2: הקולט המגנטי VR (משמאל) הוא חיישן פסיבי החש את השינוי בשדה המגנטי בין יחידת הקוטב לבין בית החיישן (מוצג מימין). (מקורות התמונה: Art Pini, עם תמונת MP62TA00 של Red Lion Controls‏)

אובייקט פרו-מגנטי (Ferromagnetic) העובר קרוב ליחידת-הקוטב גורם לשינוי בשדה המגנטי. שינוי זה מייצר בתורו מתח אות בסליל האות. גודל מתח האות תלוי בגודל של אובייקט המטרה, במהירותו ובגודל המרווח בין יחידת-הקוטב לאובייקט. אובייקט המטרה חייב להיות בתנועה כדי שחיישן ה- VRS‏ יוכל לחוש אותו. הקולט המגנטי עם תבריג MP62TA00 הוא חיישן VR קירבה סגור במארז אפוקסי עם תחום טמפרטורות פעולה של 40°C- עד 107°C+. אורכו אינץ' אחד (25.4 מילימטרים (מ"מ)) עם גוף תבריג UNS‏ 40‏ - 1/4‏.

חיישני VR הם התקנים פסיביים, ולכן הם אינם זקוקים למקור הספקת כוח. כתוצאה מכך היישומים הטיפוסיים שלהם הם במדידות במכונות מסתובבות. לדוגמה, קולטי VR כמו MP62TA00 משמשים באופן נרחב לחישת שיניים חולפות של גלגלי שיניים ברזליים או גלגל רצועת תזמון. ניתן להשתמש בהם גם כדי לחוש ראשי ברגים, Keyways‏ או מטרות מתכתיות אחרות הנעות במהירות (איור 3).

איור 3: חיישני VR הם בשימוש נרחב עבור חישת גלגלי שיניים, פיקות ו- Keyways‏ במכונות מסתובבות. (מקור התמונה: Red Lion Controls)

הם משמשים כטכומטרים למדידת מהירות סיבוב ומיושמים גם בזוגות למדידת אקסצנטריות הציר המסתובב.

הסוג השני של חיישן מגנטי משתמש באפקט Hall‏ כדי לגלות נוכחות של שדה מגנטי. אפקט Hall מתאר את האינטראקציה של מוליך נושא זרם ושדה מגנטי הניצב למישור המוליך. כאשר מוליך נושא זרם ממוקם בתוך שדה מגנטי, נוצר מתח (מתח Hall‏) בניצב לזרם ולשדה כאחד. מתח Hall‏ הוא פרופורציונלי לצפיפות השטף של השדה המגנטי ומחייב מטרה שהיא ממוגנטת.

ה- ‎55100-3H-02-A‏ מבית .Littelfuse Inc הוא חיישן אפקט Hall בהרכבת אוגן הזמין עם יציאה דיגיטלית או יציאת מתח אנלוגי ניתנות-לתכנות (איור 4).

איור 4: דיאגרמת בלוקים ותמונה של חיישן הקירבה אפקט Hall בהרכבת אוגן 55100-3H-02-A עם יציאת מתח. (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

הממדים של ה- ‎55100-3H-02-A‏ הם 3‏ x‏ 11‏ x‏ 25.5 מ"מ והוא זמין עם יציאת מתח תלת-חוטית או יציאת זרם דו חוטית. אחת מהגרסות מציעה רגישות בינונית (Gauss‏ 130), גבוהה (Gauss‏ 59) או ניתנת-לתכנות. להתקן יש רגישות גבוהה וטווח הפעלה של 18 מ"מ (0.709 אינץ') באמצעות מגנט מוגדר. יציאת Pull-Down‏ יכולה לקלוט עד 24 וולט DC ו- 20 מיליאמפר (mA).

חיישן זה יכול לפעול בקצבי מיתוג של עד 10 קילוהרץ (KHz‏) ויכול לחוש שדות מגנטיים דינמיים סטטיים כאחד. היכולת לזהות שדות מגנטיים סטטיים היא יתרון מרכזי של חיישן אפקט Hall מכיוון שהוא יכול לשמש לחישת דלת סגורה או אובייקט במיקום קבוע.

חיישן קירבה אופטי

חיישני קירבה אופטיים משתמשים באור - אינפרה-אדום או נראה - כדי לחוש אובייקטים. יש להם את היתרון שהמטרה לא צריכה להיות מגנטית או מתכתית - היא רק צריכה לחסום או להחזיר אור. בעיקרון, חיישנים אופטיים פולטים אור ומנטרים את האור המוחזר מאובייקט המטרה (איור 5, משמאל).

איור 5: חיישן הקירבה האופטי ממקם את אובייקט המטרה על ידי פליטת קרן אור וגילוי ההחזרה מהמטרה. (מקור התמונה: Art Pini)

ה- EE-SY1200‏ מבית .Omron Electronics Inc הוא דוגמה טובה לחיישן קירבה אופטי (איור 5, מימין). זהו חיישן תמונה אולטרה-קומפקטי המותקן על לוח מעגלים מודפסים (לוח PC) קטן ופועל באורך גל אינפרה-אדום של 850 ננומטר (nm‏). הוא כולל זוג פולטי LED ופוטו-טרנזיסטור במארז הרכבה משטחית עם ממדים של 1.1‏ x‏ 3.2‏ x‏ 1.9 מ"מ (0.043‏ x‏ 0.126‏ x‏ 0.0748 אינץ'), ופועל בתחום טמפרטורות של 25°C- עד 85°C+. טווח מרחק החישה המומלץ שלו הוא בין 1.0 ל- 4.0 מ"מ (0.039 ל- 0.157 אינץ').

גודל ההרכבה על-הלוח הקטן שלו הופך אותו לאידיאלי עבור יישומים כגון יישור חומר Mylar מצופה מתכת במכונות ליפוף אוטומטיות.

חיישני קירבה אולטרסוניים

ניתן לטפל בדרישות מרחק חישה גדולות יותר כמו גילוי מכוניות בחלון דרייב-אין באמצעות חיישני קירבה מבוססי אולטרה-סאונד. חיישנים אלה מגלים אובייקטים מכל סוג שהוא במרחק של עד כמה מטרים. הבסיס למדידה הוא זמן הטיסה של פולס אולטרה-סאונד הנפלט ממשדר החיישן, מוחזר מאובייקט המטרה ונקלט על ידי מקלט החיישן (איור 6).

איור 6: מדידת מרחק באמצעות אולטרה-סאונד מתבצעת על ידי מדידת הזמן מהפרץ האולטרסוני מהמשדר (משמאל) עד זמן ההגעה של הפולס המוחזר (מימין). זמן זה הוא כפול מזמן הטיסה של הפרץ הראשוני מהחיישן לאובייקט המטרה. (מקור התמונה: Art Pini)

הזמן מהפולס המשודר ועד ההחזרה שנקלטה מייצג את זמן הטיסה מהחיישן לאובייקט המטרה ובחזרה. בידיעת מהירות ההתפשטות וזמן הטיסה ניתן לחשב את המרחק. בדוגמה המוצגת, זמן הטיסה הוא 3.1 מילי-שניות (ms‏). באוויר ב- F‏°70 מהירות הקול היא 1,128 רגל לשנייה, כך שהמרחק הכולל לאובייקט וחזרה הוא 3.96 רגל. המרחק בין החיישן לאובייקט הוא מחצית מזמן הטיסה או 1.98 רגל.

ה- MB1634-000‏ מבית .MatBotix Inc הוא חיישן קירבה אולטרסוני עם תחום מדידה של 5 מטר (16.4 רגל). זה דורש מקור הספקת-כוח של 2.5 עד 5.5 וולט. הוא פועל בתדר של kHz‏ 42, ומוציא את המרחק למטרה כמתח אנלוגי, רוחב פולס או זרם נתונים טוריים בלוגיקת טרנזיסטור-טרנזיסטור (TTL). הוא כולל קיזוז עבור שינויים בגודל המטרה, מתח הפעולה והטמפרטורה הפנימית (קיזוז טמפרטורה חיצוני אופציונלי), הכל במארז שהוא קטן מאינץ' מעוקב אחד - ‎0.875 x 1.498 x 0.58 אינץ' (‎22.23 x 38.05 x 14.73 מ"מ) (איור 7).

איור 7: ה- MB1634-000 הוא מכלל מגלה מרחק אולטרסוני עם מתמרי שידור וקליטה וטווח של 5 מטר. (מקור התמונה: .MaxBotix Inc)

חיישני קירבה קיבוליים

חיישני קירבה קיבוליים יכולים לגלות מטרות מתכתיות ולא-מתכתיות בצורת אבקה, גרנולאט, נוזל ומוצק. דוגמה טובה היא ה- CD50CNF06NO‏ מבית Carlo Gavazzi (איור 8). ההתקנים דומים בדרך כלל לחיישנים השראותיים בהבדל שסלילי החישה של החיישן ההשראותי מוחלפים על ידי לוחית חישה קיבולית. הם משמשים לרוב לחישת רמות נוזל במכלי אחסון.

איור 8: בחיישן קירבה קיבולי גנרי (משמאל), לוחית החישה של הקבל יוצרת קבל עם אובייקט המטרה החיצוני; ערך הקיבוליות קובע את תדר המתנד. ה- CD50CNF06NO מבית Carlo Gavazzi (מימין) הוא חיישן קירבה קיבולי המיועד לניטור רמות נוזל. (מקור התמונה: Art Pini)

לוחית החישה בחיישן יוצרת קבל עם אובייקט המטרה והקיבוליות משתנה עם המרחק לאובייקט. קיבוליות מטרת החישה קובעת את תדר המתנד, המנוטר על מנת למתג את מצב היציאה בכל פעם שנחצה תדר סף.

ה- CD50CNF06N0 מיועד לניטור רמות נוזל. זהו חיישן תלת-חוטי עם טרנזיסטור NPN קולט פתוח (OC) בתצורה של פתוח-במצב-רגיל (NO). הוא דורש הספקת-כוח של 10 עד 30 וולט DC. הוא מגיע במארז של ‎50 x 30 x 7‏ מ"מ (‎1.97 x 1.18 x 0.28‏ אינץ') ויש לו טווח חישה של 6 מ"מ (0.24 אינץ'). ביישום חישת-רמה רגיל הוא מוברג או מודבק לצד החיצוני של מכל לא-מתכתי.

סיכום

חיישני קירבה משתמשים במספר טכנולוגיות המתאימות עבור יישומים שונים. בהתאם לסוג החיישן, הם יכולים לזהות מטרות מתכתיות ולא-מתכתיות, עם מרחק חישה בתחום שבין מילימטרים ועד לחמישה מטרים ויותר. הם קומפקטיים דיים כדי לפעול בחללים צרים ורבים מסוגלים לפעול בסביבות קשות. מגוון טכנולוגיות זה מספק למשתמש מרחב של אפשרויות העונות על מספר רב של דרישות גילוי קירבה.