لتحقيق نتيجة نهائية عالية الجودة، تتطلب أتمتة العمليات الصناعية العديد من المكونات المختلفة للعمل معًا بسلاسة تامة. وتُعدّ مستشعرات الموضع، وهي عنصر بسيط ولكنه أساسي في الأتمتة الصناعية، موضوع هذه المقالة. تضمن مستشعرات الموضع في منشآت التصنيع والمعالجة إنجاز المهام الحيوية وفقًا للخطة، مما يُساعد في مراقبة وإدارة عمليات الإنتاج. وبصورة أدق، تتمثل وظيفتها الرئيسية في العثور على "أهداف" أو أشياء متحركة والإبلاغ عن وجودها أو غيابها. وللصمامات الهوائية استخدامات متعددة، إذ يمكنها إرسال إشارات إلى النظام تُلزمه بتنفيذ إجراء مُبرمج مسبقًا عندما يكون الهدف ضمن مسافة مُحددة مسبقًا من مستشعر الموضع.

يُرسل مستشعر الموضع إشارةً تُخبر النظام بإيقاف هذه الوظيفة المُبرمجة مُسبقًا أو الانتقال إلى وظيفة أخرى عند ابتعاد الهدف عن مستشعر الموضع. مع أن الهدف قد يكون نظريًا أي شيء، إلا أن هذه المقالة ستتناول فقط الأهداف المعدنية والطرق "الرئيسية" لتحديد مواقعها لتبسيط الأمور. ومن بين هذه التقنيات: مفاتيح الحد الميكانيكية، ومستشعرات القرب الحثي، ومفاتيح الحد الزنبركية، ومفاتيح الحد. يُفيد فهم المصطلحات القياسية التي تستخدمها غالبية مُصنّعي المستشعرات قبل مراجعة أنواع مستشعرات الموضع العديدة.

• نطاق الاستشعار: المسافة بين وجه الاستشعار والهدف الذي يتم تنشيطه بالمفتاح

• الهستيريسيس: المسافة بين نقطة التحرير ونقطة تشغيل المفتاح

• القدرة على التكرار: قدرة المفتاح طوال فترة حياته على تحديد نفس الهدف باستمرار داخل نفس النطاق.

• زمن الاستجابة: الفترة الزمنية بين اكتشاف الهدف وتوليد إشارة الإخراج.

مفتاح حد ميكانيكي

تستخدم الأجهزة الكهروميكانيكية، المعروفة باسم مفاتيح الحد الميكانيكية، اتصالاً ماديًا مباشرًا بالهدف لاستشعار موقعه. ويمكنها تحمل أحمال تيار عالية والعمل دون مصدر طاقة. ولا تهتم المفاتيح الميكانيكية بالقطبية أو الجهد لأنها تستخدم نقاط اتصال جافة، مما يجعلها مقاومة لمختلف العيوب الكهربائية مثل الضوضاء الكهربائية، وتداخل الترددات الراديوية، وتيار التسرب، وانخفاض الجهد. وكثيرًا ما يتطلب ذراع الرافعة، والزر، والجسم، والقاعدة، والرأس، ونقاط الاتصال، والطرفيات، والعناصر المتحركة الأخرى في هذه المفاتيح صيانة. وقد تكون تكرارية مفاتيح الحد الميكانيكية من فوتو ضعيفة نظرًا لاتصالها المادي المباشر بالهدف. وقد يتآكل الهدف نفسه، وكذلك ذراع الرافعة، نتيجة الاتصال المادي. كما توجد فتحات غير محمية معرضة للتآكل والغبار والرطوبة. ونتيجة لهذه المشكلة، غالبًا ما تكون المناطق الخطرة المعتمدة ونقاط الاتصال المغلقة باهظة الثمن.

مفتاح زنبرك الحد

مفتاح الحد الزنبركي هو أداة كهروميكانيكية تستخدم الجاذبية المغناطيسية لتحديد موقع هدف مغناطيسي. يوجد داخل المفتاح طرفان معدنيان صغيران مُحاطان بأنبوب زجاجي. يُعرف هذا العنصر باسم "عنصر القصب". بفضل حساسيته المغناطيسية، يستجيب عنصر القصب للأهداف المغناطيسية عن طريق التنشيط. ولأنه لا يتطلب اتصالاً مباشرًا بالهدف ليعمل، توفر مفاتيح الحد الزنبركية جميع مزايا المفاتيح الميكانيكية مع تجنب صعوبات التآكل.

لا يمكن استخدام الأهداف الحديدية العادية مع مفاتيح حد زنبركية؛ لذا، يلزم استخدام الأهداف المغناطيسية. مفتاح القصب غير موثوق به لأن عنصر القصب والأنبوب الزجاجي والأطراف المعدنية الصغيرة تتعب من الانحناء. قد يؤدي انخفاض ضغط التلامس إلى اهتزازات في نقاط التلامس وإشارات خاطئة من القصب في حالات الاهتزازات العالية.

أجهزة استشعار القرب الاستقرائي

جهاز إلكتروني ذو حالة صلبة يُسمى مستشعر القرب الحثي يستخدم التغيرات في مجال الطاقة لجسم معدني لتحديد موقعه. لا يتطلب الجهاز أي تلامس جسدي، ولا يحتوي على أجزاء متحركة قد تتعطل أو تتآكل أو تتلف، مما يقلل من تكاليف الصيانة. كما أنه مقاوم للغبار والأوساخ لعدم احتوائه على أجزاء متحركة. تتميز مستشعرات القرب الحثي بمرونتها العالية في مجموعة واسعة من التطبيقات، وهي متوفرة بأحجام وتصاميم متنوعة. لا تتحمل مستشعرات القرب الحثي أحمال التيار العالي، وتحتاج إلى مصدر طاقة خارجي (كهرباء) للعمل. كما أنها قد تكون عرضة لانخفاض الجهد، وتيارات التسرب، وتداخل الترددات الراديوية، والضوضاء الكهربائية. قد تُشكل التقلبات الشديدة في درجات الحرارة ونفاذ الرطوبة خطرًا على مستشعرات القرب الحثي في ​​بعض الأحيان.

مفتاح الحد الأقصى

باستخدام تقنية هجينة خاصة، يمكن لمفاتيح الحدّ تحديد مواقع الأهداف الحديدية عبر المجالات الكهرومغناطيسية. تتميز مفاتيح الحدّ بدون ذراع بموثوقية عالية في المواقف الصعبة والاستخدام طويل الأمد. ونظرًا لعدم الحاجة إلى لمس مادي أو طاقة خارجية، يُمكن تحمل أحمال تيار هائلة، ولا يمكن لأي شيء أن يتعطل أو ينحني أو يتحطم أو يطحن. ومثل المفاتيح الميكانيكية، فهي مقاومة للضوضاء الكهربائية، وتداخل الترددات الراديوية، وتيارات التسرب، وانخفاض الجهد. كما أنها ليست حساسة للقطبية أو الجهد. لا يؤثر الغبار، أو الأوساخ، أو الرطوبة، أو اللمس المادي، أو معظم المواد المسببة للتآكل أو المواد الكيميائية على مفاتيح الحدّ. تتميز معظم الأنواع بنطاق واسع من درجات حرارة التشغيل، وهي آمنة بطبيعتها. يُعدّ مفتاح الحدّ بدون ذراع مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب إحكامًا للماء ومقاومة للانفجار بفضل توصيلاته المحكمة وغلافه المعدني الصلب.

تُعدّ مستشعرات الموضع أساسيةً لأتمتة العمليات الصناعية. تتوفر في السوق تقنياتٌ عديدةٌ لمستشعرات الموضع، ولكلٍّ منها خصائص أداء مُميزة. لتحقيق الأداء والموثوقية اللازمين، ينبغي الحرص على اختيار نوع المستشعر المناسب للتطبيق.