ما هو مبدأ عمل مستشعر القرب الحثي؟

كيف يعمل مستشعر القرب الحثي؟

إذا كنت قد ذهبت إلى مصنع أو شاهدت خط إنتاج أثناء العمل، فقد تكون لاحظت أجهزة صغيرة على شكل مستطيلات موضوعة بالقرب من سيور النقل أو الذراعيات الروبوتية. هذه هي أجهزة استشعار القرب: إنها جهاز استشعار القرب واحدة من أكثر الأنواع شيوعًا. ولكن هل تعرف ما هو مستشعر القرب الحثي بالفعل؟ إنه أبسط مما تتخيل! دعونا نستعرض هذا المستشعر خطوة بخطوة، حتى تتمكن من فهم السبب وراء كونه أداة رائعة لكشف الأجسام المعدنية.

تعمل أجهزة الاستشعار القريبة الحثية دون الحاجة إلى ضوء أو صوت أو لمس نشط. فهي ببساطة تُ automate الكشف من خلال الحث الكهرومغناطيسي؛ وهو مبدأ وقف أمام اختبار الزمن. وتُحدد هذه الأجهزة بشكل موثوق وجود المعادن عند تنفيذ مهام مختلفة لأتمتة المصانع. كما تمنع اصطدامات الروبوتات عندما تتحرك الذراعات بالقرب من الأجزاء المعدنية، وتنسق المنتجات المعدنية وتحصيها على سيور النقل. ولتقدير قيمة هذه الأجهزة في الأتمتة الصناعية، من المهم فهم الأساسيات الخاصة بهذه المستشعرات، والهندسة والفيزياء المتضمنة فيها، وكيفية تحويلها للتغيرات في المجال المغناطيسي إلى إشارات قابلة للاستخدام.

المكونات الأساسية التي تجعلها تعمل

يعتمد مبدأ التشغيل على الأجزاء المختلفة لمستشعر القرب الحثي. وهو نظام يتكون من أجزاء متعددة يجب أن تعمل بالانسجام. ولتقدير هذا النظام، فكّر في حقيقة وجود أربع عناصر أساسية يحتويها كل مستشعر. ويجب أن تتعاون هذه الأجزاء الأساسية معًا كي يعمل المستشعر.

العنصر الأول هو المذبذب. يمكن اعتباره مصدر الطاقة للمجال المغناطيسي للمستشعر. فهو يُنتج تيارًا متناوبًا عالي التردد —عادةً في نطاق الكيلوهرتز —ويتغير اتجاه هذا التيار بسرعة كبيرة. بعد ذلك يأتي ملف الكشف، والذي يكون عادةً حلقة من سلك رفيع وعالي الجودة (مثل النحاس) ملفوفة حول قلب من الفريت. وعندما يرسل المذبذب تيارًا متناوبًا عبر الملف، يؤدي الملف وظيفة مهمة: وهو إنشاء مجال مغناطيسي متناوب حول نفسه. ويشبه ذلك فقاعة صغيرة غير مرئية من المغناطيسية تحيط بالوجه الأمامي للمستشعر.

المرحلة التالية هي تصميم دائرة المضخم. مهمة هذا الجزء هي "الاستماع" للتغيرات في المجال المغناطيسي. عندما يطرأ شيء ما على هذا المجال، وسنتناول قريبًا ما هو هذا "الشيء"، تتغير الخصائص الكهربائية للملف أيضًا —وتلك التغيرات صغيرة. يقوم المضخم بتعزيز هذه التغيرات الصغيرة لجعلها أقوى حتى يمكن معالجتها في الجزء التالي. الجزء الأخير هو دائرة الإخراج. عندما يصل الإشارة المعززة إلى هذا الجزء، تحدد الدائرة ما إذا كان هناك جسم معدني موجودًا، ثم تُرسل إشارة تكون عادة رقمية (تشغيل/إيقاف) إلى الجهاز الذي يتم التوصيل به، لإعطاء تعليمات بوقف الناقل، أو تحريك ذراع روبوتية، أو زيادة عداد بمقدار واحد.

لقد صممت شركة Chenwei Automation المكونات الأساسية للمستشعرات القريبة الحثية بتحسين. على سبيل المثال، تُصنع ملفات الكشف من أسلاك نحاسية عالية الجودة لتوفير كشف ثابت ودقيق. لن يعمل المستشعر إذا كانت أيًا من هذه المكونات مفقودة، وهذا ينطبق على جميعها. وهي متوافقة مع باقي الأنظمة.

الحث الكهرومغناطيسي: الأساسيات

بعد أن استعرضنا المكونات، دعونا ننظر إلى المكون الأساسي الذي يجعل النظام بأكمله يعمل: الحث الكهرومغناطيسي. وقد طوّر هذا المفهوم عالم إنجليزي هو مايكل فاراداي في القرن التاسع عشر، وهو المبدأ الذي يقوم عليه عمل المولدات والمحولات. وسندرس مبدأ عمله في سياق المستشعرات القريبة الحثية.

تستقبل ملف الكشف تيارًا متناوبًا عالي التردد. وعند تطبيق التيار في اتجاه واحد ثم الاتجاه المعاكس، يولد الملف مجالات مغناطيسية متناوبة. هذه هي الفقاعة المغناطيسية "الغير مرئية" التي تمتد من مستشعر القرب حتى 30 مم عند أقصى نقطة بعيدة له عندما يتم تنشيط المستشعر. وعندما لا يتم تنشيط المستشعر، يكون المجال في حالة سكون وثبات. ويشير غياب المجال المغناطيسي إلى وجود جسم معدني بالقرب من المستشعر. وفي هذه الحالة، يكون المذبذب نشطًا، ويكون عائق الملف ثابتًا، ولا توجد أي تقلبات.

هنا تأتي فائدة قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي. عندما يتعرض موصل، وهو معدن، لمجال مغناطيسي، سيتدفق فيه تيار كهربائي نتيجة للتغير في المجال المغناطيسي. هذا التيار يُعرف بالتيار الدوّار، وهو تيار يسري بنمط حلزوني ويدور في حلقة على نفسه. تخيل كيف تدور المياه في بركة صغيرة مشكّلة دوامات. سيكون لهذا التيار مجاله المغناطيسي الخاص، وسيكون قطبه عكسياً للمجال الناتج عن ملف الاستشعار. هذا ما يُعرف بقانون لينز، وهو جزء من الديناميكا الكهربائية. الآن، بدلاً من مجال مغناطيسي ثابت، سيتولد في الملف مجال مغناطيسي معكوس ناتج عن التيار الدوّار.

تؤثر التغيرات في المجال المغناطيسي المعاكس على طريقة عمل ملف الكشف. هل تتذكر تعريف معاوقة الملف؟ عندما يتفاعل المجال المغناطيسي المعاكس مع الملف، تزداد المعاوقة. ويصبح من الصعب أكثر على الملف استيعاب التيار المتردد المرسل من قبل المذبذب، وقد يضعف المذبذب أو يتباطأ بسبب المقاومة الإضافية. هذه الظاهرة —زيادة في المعاوقة أو انخفاض في خرج المذبذب —هي على الأرجح الشيء الوحيد الذي تسجله دائرة المضخم الخاصة بالمستشعر. ومن المعقول تمامًا أن نستنتج أن المستشعر يشير إلى: "يوجد جسم معدني حاضر!"

كيف يكشف عن الأجسام المعدنية (الحيلة الأساسية)

لقد تأكدنا من أن مستشعر الكائنات المعدنية يُحدث تيارًا ويُعطّل المجال المغناطيسي للمستشعر. كيف يفسر المستشعر هذا الاضطراب ويرسل إشارة إلى وحدة التحكم للدلالة على "وجود كائن" و"عدم وجود كائن"؟ هذه هي وظيفة الدوائر المتبقية، وهي السبب في اعتماد أجهزة الاستشعار القريبة الحثية في الصناعة. دعونا ننظر إلى مثال. تخيل جهازًا فوق سيور ناقلة تنقل صواميل معدنية. إذا لم يكن هناك صمولة بالقرب من المستشعر، فإن المجال المغناطيسي حول الصمولة لا يتشوّه. تبقى مقاومة الملف منخفضة، ويظل تردد المذبذب قويًا، ولا يسجل المضخم أي تغيرات ذات معنى. تحافظ دائرة الخرج على الحالة "العادية"، وترسل النظام إشارة "منخفضة" إلى نظام السيور الناقلة، لإخباره بالاستمرار في الحركة.

ينزلق صمولة معدنية تحت المستشعر، دخولاً إلى نطاق كشفه. تُستحث تيارات دوامية في الصمولة، ويتم توليد مجال مغناطيسي معاكس. يتغير عائق الملف، ويقل تيار المذبذب. يكتشف المضخم التغير في التيار (أو انخفاض العائق) ويعززه. يُرسل هذا الإشارة المعززة إلى دائرة الخرج، التي تكون مهيأة بـ"حد معين". هذا الحد هو خط، عند تجاوزه، يتم تنشيط إجراء ما. يتم تجاوز هذا الحد، فيتغير حالة دائرة الخرج: حيث تُرسل إشارة "عالية" إلى نظام التحكم. قد تأمر هذه الإشارة الناقل بالتوقف للحظة كي تتمكن ذراع روبوتية من التقاط الصمولة، أو قد تقوم بزيادة عداد يُتابع عدد الصمولات المعالجة.

إليك شيء يجب أن تعرفه: مستشعرات القرب الحثية تكتشف فقط بعض المواد المحددة —وهذا يشمل في الغالب معادن مثل الصلب، والألومنيوم، والنحاس. فهي لن تكتشف المواد غير المعدنية مثل البلاستيك أو الخشب أو الزجاج على الإطلاق، لأن هذه المواد موصلة بشكل ضعيف. ومع ذلك، فإن هذا يعتبر ميزة كبيرة في العديد من المصانع. على سبيل المثال، إذا كنت تقوم بتغليف قطع معدنية في أكياس بلاستيكية (وهي غير معدنية)، يمكن للمستشعر تجاهل الكيس واكتشاف المعدن فقط. وتُعد مستشعرات القرب الحثية من شركة Chenwei Automation جيدة بشكل خاص في هذا المجال. فهي قادرة على التمييز بين الأجسام المعدنية وغير المعدنية حتى عند وضعها بشكل متجاور، مما يمنع حدوث اضطرابات في الإنتاج بسبب إشارات كاذبة.

أمر آخر يجب فهمه هو أن نوع وحجم المعدن يؤثر على مدى الكشف. فعلى سبيل المثال، سيتم اكتشاف لوحة فولاذية كبيرة من مسافة أبعد مقارنةً ببرغي ألومنيوم صغير، لأن الأسطح المعدنية الأكبر تُنتج تيارات دوامية أقوى. ومع ذلك، نادراً ما يُشكل هذا مشكلة. فقد تم تصميم معظم أجهزة الاستشعار الصناعية للعمل مع مجموعة متنوعة من أنواع المعادن، وبالتالي لن تحتاج إلى استبدال أجهزة الاستشعار في كل مرة تغيّر القطعة التي تريد اكتشافها.

المنطق العملي للعمل في السيناريوهات الصناعية

من المهم فهم كيفية عمل المكونات المختلفة في السياق العلمي من أجل الحصول على نظرة عامة حول المنطق الكامن وراء التطبيقات الصناعية المختلفة في مصنع إنتاجي. سنستخدم بعض الرسوم التوضيحية لفهم مبدأ العمل. وهذا يفسر شعبية أجهزة الاستشعار القريبة الحثية في مجال الأتمتة.

دعونا نستخدم مصنّع قطع غيار السيارات كمثال. قد يكون هناك مستشعر قرب حثي تصنعه شركة Chenwei Automation ويُستخدم في خط التجميع لتثبيت البراغي المعدنية على وحدات المحرك. находится هذا المستشعر على الذراع الروبوتية التي تحمل البرغي. قبل أن تتحرك الذراع لربط البرغي بوحدة المحرك، يجب على المستشعر التأكد من أن الذراع تحتفظ بالفعل ببرغي. إذا كانت الذراع فارغة، فسوف تضيع الوقت فقط في الدوران أو قد تتسبب في إتلاف وحدة المحرك. إليكم ما يحدث: عندما تلتقط الذراع برغيًا، يصبح البرغي ضمن مدى كشف المستشعر. تتكون تيارات دوامية على سطح البرغي، مما يؤدي إلى تغير في عَزْلِ الملف، فيرسل المستشعر إشارة "البرغي موجود" إلى وحدة التحكم في الروبوت. عندها تأمر وحدة التحكم الذراع بالتحرك نحو وحدة المحرك والبدء بعملية التثبيت. وإذا لم يكن هناك برغي، يرسل المستشعر إشارة "لا يوجد برغي"، فتتوقف وحدة التحكم بالذراع، وبالتالي تمنع حدوث خطأ.

مثال آخر هو خط التعبئة للبنزين المعدني. يتم نقل العلب على نظام ناقل وتحتاج إلى ملء الصودا وإغلاقها. يتم تثبيت جهاز استشعار قرب استحدائي بالقرب من فوهة التعبئة. عندما يتم وضع علبة تحت فوهة التعبئة، يحدد المستشعر الهيكل المعدني للعلبة ويشغل نظام التعبئة ليتم تنشيطه. عندما يتم ملء العلبة، يكتشف المستشعر غياب العلبة ويُشير إلى فوهة التعبئة ليتوقف. هذا النظام مبني للكشف عن العلب وإعادة التعبئة، وضمان عدم إهدار الصودا حتى أثناء الإنتاج السريع.

مرة أخرى، يكون وقت الاستجابة المطلوب لنظام المستشعرات في نطاق المللي ثانية. وهذا أمر بالغ الأهمية للحفاظ على معدلات الإنتاج المطلوبة. فإذا استغرق نظام المستشعرات حتى ثانية واحدة للاستجابة، فسوف يُشير ذلك إلى وجود عطل في عملية الإنتاج. وللتغلب على مثل هذه المشكلات، تُصمم شركة Chenwei Automation مستشعراتها بحيث تستجيب في الوقت الفعلي لتحريك الأنظمة الروبوتية عالية السرعة وأسلاك النقل. يمكن أن تتأثر معظم تقنيات المستشعرات في البيئات الغبارية، ولكن ليس مستشعرات الاقتراب الحثية. فهي تتحمل الأتربة والرطوبة وتواصل العمل في الظروف القاسية. ولا تتوقف المستشعرات عن العمل إلا عندما تتفاعل المجالات المغناطيسية داخل المستشعر لإيقاف تشغيله.

أمر آخر يستحق الذكر هو أن هذه المستشعرات تكون "بدون تماس". وهذا يعني أنها يمكنها اكتشاف جسم معدني دون الحاجة إلى لمسه. ويشكل ذلك ميزة مقارنة بالمفاتيح الميكانيكية التي تحتوي على أجزاء تلامس بعضها وتتآكل مع مرور الوقت. فمستشعرات القرب الحثية لا تتلامس مع أي شيء، ولهذا السبب يمكنها أن تدوم لسنوات عديدة أكثر وتحتاج إلى صيانة ضئيلة جداً. ويعتبر هذا أمراً مهماً بالنسبة للمصانع التي تعمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، لأنه يتيح زيادة زمن التشغيل ويقلل من تكلفة الاستبدال.