لتحقيق نتائج نهائية عالية الجودة، يتطلب أتمتة العمليات الصناعية تشغيل العديد من المكونات المختلفة بسلاسة تامة. وتُعدّ مستشعرات الموقع، وهي عنصر بسيط ولكنه بالغ الأهمية في الأتمتة الصناعية، موضوع هذه المقالة. تضمن مستشعرات الموقع في مرافق التصنيع والمعالجة إنجاز المهام الأساسية وفقًا للخطة، مما يُسهم في مراقبة وإدارة عمليات الإنتاج. وبشكل أدق، تتمثل وظيفتها الرئيسية في تحديد "الأهداف" أو الأجسام المتحركة والإبلاغ عن وجودها أو عدمه. وللصمامات الهوائية استخدامات متنوعة، إذ يمكنها إرسال إشارات إلى النظام لتوجيهه لتنفيذ إجراء مُبرمج مسبقًا عندما يكون الهدف ضمن مسافة محددة مسبقًا من مستشعر الموقع.

يُرسل مستشعر الموقع إشارةً تُخبر النظام بالتوقف عن تنفيذ الوظيفة المُبرمجة مُسبقًا أو الانتقال إلى وظيفة أخرى عندما يبتعد الهدف عن المستشعر. مع أن الهدف قد يكون أي شيء نظريًا، إلا أن هذه المقالة ستقتصر على دراسة الأهداف المعدنية والأساليب الشائعة لتحديد مواقعها، وذلك تبسيطًا للموضوع. ومن هذه التقنيات: مفاتيح الحد الميكانيكية، ومستشعرات التقارب الاستقرائية، ومفاتيح الحد الزنبركية، ومفاتيح الحد. يُنصح بفهم المصطلحات القياسية المُستخدمة من قِبل مُعظم مُصنّعي المستشعرات قبل استعراض أنواع مستشعرات الموقع المُتعددة.

• نطاق الاستشعار: المسافة الفاصلة بين سطح الاستشعار والهدف الذي يُفعّل المفتاح

• التخلف: المسافة بين نقطة التحرير ونقطة تشغيل المفتاح

• قابلية التكرار: قدرة المفتاح طوال عمره على تحديد نفس الهدف باستمرار داخل نفس النطاق.

• زمن الاستجابة: الفترة الفاصلة بين اكتشاف الهدف وتوليد إشارة الخرج.

مفتاح حد ميكانيكي

تستخدم الأجهزة الكهروميكانيكية، المعروفة باسم مفاتيح الحد الميكانيكية، اتصالاً مباشراً مع الهدف لاستشعار موقعه. وهي قادرة على تحمل أحمال تيار عالية والعمل دون الحاجة إلى مصدر طاقة. لا تتأثر المفاتيح الميكانيكية بالقطبية أو الجهد الكهربائي لأنها تستخدم نقاط تلامس جافة، مما يجعلها مقاومة للعيوب الكهربائية المختلفة مثل التشويش الكهربائي، وتداخل الترددات اللاسلكية، وتسرب التيار، وانخفاض الجهد. يتطلب ذراع الرافعة، والزر، والجسم، والقاعدة، والرأس، ونقاط التلامس، والمحطات الطرفية، وغيرها من العناصر المتحركة في هذه المفاتيح صيانة دورية. قد تعاني مفاتيح الحد الميكانيكية من نوع Votto من ضعف في دقة التكرار نظرًا لاتصالها المباشر بالهدف. وقد يتعرض الهدف نفسه، وكذلك ذراع الرافعة، للتآكل نتيجة هذا الاحتكاك. كما توجد فتحات غير محمية معرضة للتآكل والغبار والرطوبة. ولهذا السبب، غالبًا ما تكون تكلفة المناطق الخطرة المعتمدة ونقاط التلامس المغلقة باهظة.

مفتاح زنبركي حدّي

مفتاح الحد الزنبركي هو أداة كهروميكانيكية تستخدم الجذب المغناطيسي لتحديد موقع هدف مغناطيسي. يوجد داخل المفتاح شوكتان معدنيتان صغيرتان داخل أنبوب زجاجي، تُعرفان باسم "عنصر القصب". وبفضل حساسيته المغناطيسية، يستجيب عنصر القصب للأهداف المغناطيسية بالتنشيط. ولأنها لا تتطلب اتصالاً مباشراً بالهدف للعمل، توفر مفاتيح الحد الزنبركية جميع مزايا المفاتيح الميكانيكية مع تجنب مشاكل التآكل.

لا يمكن استخدام الأهداف الحديدية العادية مع مفاتيح الحد الزنبركية؛ بل يلزم استخدام أهداف مغناطيسية. مفتاح القصب غير موثوق به لأن عنصر القصب والأنبوب الزجاجي والأطراف المعدنية الصغيرة تتعرض للإجهاد نتيجة الانحناء. قد يؤدي انخفاض ضغط التلامس إلى اهتزاز نقاط التلامس وإشارات خاطئة من القصب في حالات الاهتزاز العالي.

أجهزة استشعار التقارب الاستقرائي

يستخدم جهاز إلكتروني ذو حالة صلبة يُسمى مستشعر التقارب الحثي تغيرات المجال الطاقي لجسم معدني لتحديد موقعه. لا يتطلب هذا الجهاز أي تلامس مباشر، كما أنه خالٍ من الأجزاء المتحركة التي قد تتعطل أو تتلف، مما يقلل من الصيانة. وهو مقاوم للغبار والأوساخ لعدم احتوائه على أجزاء متحركة. تتميز مستشعرات التقارب الحثي بقدرتها العالية على التكيف مع مجموعة واسعة من التطبيقات، وهي متوفرة بأحجام وتصاميم متعددة. مع ذلك، لا تتحمل هذه المستشعرات أحمال التيار العالية، وتحتاج إلى مصدر طاقة خارجي (كهرباء) للعمل. وقد تكون أيضًا عرضة لانخفاض الجهد، وتيارات التسريب، وتداخل الترددات اللاسلكية، والتشويش الكهربائي. كما أن تقلبات درجات الحرارة الشديدة واختراق الرطوبة قد تؤثر سلبًا على أداء مستشعرات التقارب الحثي في ​​بعض الأحيان.

مفتاح الحد

باستخدام تقنية هجينة خاصة، تستطيع مفاتيح الحد تحديد الأهداف الحديدية عبر المجالات الكهرومغناطيسية. تتميز مفاتيح الحد عديمة الرافعة بموثوقية عالية في الظروف الصعبة والاستخدام طويل الأمد. ولعدم الحاجة إلى التلامس المباشر أو مصدر طاقة خارجي، يمكن تشغيلها مع أحمال تيار عالية دون أي عطل أو انحناء أو تحطم أو احتكاك. ومثل المفاتيح الميكانيكية، فهي مقاومة للضوضاء الكهربائية، وتداخل الترددات اللاسلكية، وتيارات التسرب، وانخفاض الجهد. كما أنها غير حساسة للقطبية أو الجهد. لا يؤثر الغبار والأوساخ والرطوبة والتلامس المباشر ومعظم المواد الكيميائية أو المسببة للتآكل على مفاتيح الحد. تتميز معظم أنواعها بنطاق واسع لدرجات حرارة التشغيل، وهي آمنة بطبيعتها. يُعد مفتاح الحد عديم الرافعة مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب منع تسرب الماء ومقاومة الانفجار بفضل وصلاته المحكمة وغلافه المعدني الصلب.

تُعدّ مستشعرات تحديد المواقع أساسية لأتمتة العمليات الصناعية. وتتوفر في السوق تقنيات عديدة لهذه المستشعرات، لكل منها خصائص أداء مميزة. ولتحقيق الأداء والموثوقية المطلوبين، ينبغي الحرص على اختيار النوع المناسب من المستشعرات للتطبيق.