اختيار المستشعرات وأجهزة الإرسال بدقة

Thread Content

تم تعديل هذا المنشور آخر مرة بواسطة ztj1118 في تاريخ 10-3-2016 الساعة 16:26. تلعب أجهزة الاستشعار والمُرسلات دورًا محوريًا في مجالات الأجهزة والمقاييس والأتمتة الصناعية. على عكس الحساسات، فإن المرسلات، بالإضافة إلى قدرتها على تحويل الكميات غير الكهربائية إلى كميات كهربائية قابلة للقياس، تتمتع عمومًا بقدرة تضخيم معينة. يقدم هذا المقال نبذة مختصرة عن خصائص أنواع أجهزة الإرسال المختلفة، لمساعدة المستخدمين في اختيار الأنسب من بينها. 　　أولاً: محولات درجة الحرارة المتكاملة
تتكون محولات درجة الحرارة المتكاملة عادةً من مستشعر لقياس درجة الحرارة (ترموبل أو مستشعر مقاومة حرارية) ووحدة إلكترونية صلبة ذات خطين. يتم تركيب مستشعر القياس الحراري مباشرةً داخل صندوق التوصيل على شكل وحدة صلبة، مما يشكل جهاز إرسال متكاملاً. التكامل: ينقسم مُرسلو درجة الحرارة عمومًا إلى نوعين: المقاومات الحرارية والثيرموكبلات. 　　يتكون مُرسل درجة الحرارة ذو المقاومة الحرارية من وحدة أساسية، ووحدة تحويل R/V، ودائرة خطية، وحماية ضد التوصيل العكسي، وحماية من تدفق التيار المفرط، بالإضافة إلى وحدة تحويل V/I. بعد تحويل وتضخيم إشارة المقاومة الحرارية لقياس درجة الحرارة، يقوم الدائرة الخطية بتعويض العلاقة غير الخطية بين درجة الحرارة والمقاومة. وبعد ذلك، تقوم دائرة التحويل من الجهد إلى التيار بإخراج إشارة تيار ثابتة بقيمة 4–20 مللي أمبير، وهي إشارة ذات علاقة خطية مع درجة الحرارة المقاسة. 　　عادةً ما يتكون مُرسل درجة الحرارة ذو المقاومة الحرارية من وحدات دائرية مثل المصدر المرجعي، وتعويض الطرف البارد، ووحدة التضخيم، ومعالجة التحويل الخطي، وتحويل الجهد إلى تيار، ومعالجة انقطاع الاتصال، والحماية من الاتصال العكسي، والحماية من تدفق التيار الزائد. إنه يعمل عن طريق تعويض الجهد الحراري الكهربائي الناتج عن المقاومات الحرارية، ثم استخدام دوائر خطية للتخلص من الأخطاء غير الخطية بين الجهد الحراري الكهربائي ودرجة الحرارة، وأخيرًا تضخيم هذا الجهد لتحويله إلى إشارة تيار تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير. 　　لمنع حدوث حوادث نتيجة فشل التحكم في درجة الحرارة بسبب انقطاع أسلاك المقاومة الحرارية أثناء عملية القياس، يحتوي جهاز الإرسال أيضًا على دائرة حماية من انقطاع التيار الكهربائي. 　　عندما ينقطع سلك المقاومة الحرارية أو يكون هناك خلل في الاتصال، فإن المرسل سيُخرج أقصى قيمة (28 مللي أمبير) لكي يقوم الجهاز بقطع التيار الكهربائي. 　　يتمتع مُرسل درجة الحرارة المتكامل بمزايا مثل بنية بسيطة، وتوفير الأسلاك، وإشارة خرج قوية، وقدرة عالية على مقاومة التداخلات، وخطية جيدة، وأجهزة عرض بسيطة، بالإضافة إلى كونه وحدة صلبة مقاومة للصدمات والرطوبة، ويحتوي على حماية ضد الاتصال الخاطئ وحماية من تدفق التيار المفرط، كما أنه يعمل بموثوقية عالية. 　　إن مخرجات جهاز نقل درجة الحرارة المتكامل هي إشارة موحدة بقيمة 4～20 مللي أمبير ； يمكن استخدامه مع أنظمة الحواسيب الصغيرة أو الأجهزة القياسية الأخرى. يمكن أيضًا للمستخدم طلب جعل أجهزة القياس من النوع المقاوم للانفجارات أو المقاوم للحريق. 　　ثانيًا: مُرسلات الضغط
تُعرف مُرسلات الضغط أيضًا باسم مُرسلات الفرق، وهي تتكون بشكل أساسي من مستشعرات قياس الضغط، ودوائر إلكترونية، وعدادات لعرض القيم، بالإضافة إلى غلاف الجهاز ومكونات الربط الخاصة بالعملية. يمكنه تحويل إشارات الضغط للغازات والسوائل المستقبلة إلى إشارات جهد كهربائي قياسية، وذلك لتزويد أجهزة القياس والإنذار وأجهزة التسجيل والتنظيم وغيرها من الأجهزة الفرعية بالإشارات اللازمة للقياس والإشارة وتنظيم العمليات. 　　يوضح الشكل 3 المخطط التوضيحي لمبدأ عمل مُرسل الضغط. مبدأ القياس هو كالتالي: يؤثر ضغط التدفق والضغط المرجعي على طرفي عنصر السيليكون الحساس للضغط، ويؤدي الفرق في الضغط إلى تشوه الرقاقة السيليكونية (بمقدار صغير جدًا، حوالي ميكرومترات فقط)، مما يسمح لجسر ويستون الديناميكي المصنوع من أشباه الموصلات الموجود على الرقاقة السيليكونية بإصدار إشارة جهد بمقدار ميلي فولت، وهي إشارة تتناسب طرديًا مع الضغط، تحت تأثير مصدر تيار خارجي. 　　نظرًا لمتانة مادة السيليكون العالية جدًا، فإن خطية إشارة الخرج ومؤشرات التغير فيها تكون مرتفعة للغاية. أثناء العمل، يقوم مُرسل الضغط بتحويل الكمية الفيزيائية المراد قياسها إلى إشارة جهد بمستوى mV، ثم يتم إرسالها إلى مضخم تفاضلي ذو معامل تضخيم عالٍ، والذي يمكنه أيضًا التغلب على التغيرات الناتجة عن درجة الحرارة. يتم تحويل الإشارة المُكبرة إلى إشارة تيار مناسبة عن طريق تحويل الجهد إلى تيار، ثم يتم إجراء تصحيح غير خطي عليها، وأخيرًا يتم الحصول على إشارة تيار جهد قياسية تكون في علاقة خطية مع الضغط المدخل. 　　يمكن تقسيم مُرسلات الضغط، حسب نطاق قياس الضغط، إلى مُرسلات ضغط عادية (من 0.001 ميجا باسكال إلى 20 ميجا باسكال)، ومُرسلات فرق الضغط الدقيقة (من 0 إلى 30 كيلو باسكال). 　　ثالثًا: مرسلات مستوى السائل
1. مرسلات مستوى السائل من نوع الكرة العائمة
تتكون مرسلات مستوى السائل من نوع الكرة العائمة من كرة عائمة مغناطيسية، وأنابيب قياس، ووحدة إشارة، ووحدة إلكترونية، بالإضافة إلى صندوق التوصيل والمكونات اللازمة للتركيب. 　　عادةً ما تكون الكثافة النوعية لكرات التعويم المغناطيسية أقل من 0.5، مما يسمح لها بالطفو على سطح السائل والتحرك صعودًا وهبوطًا داخل أنبوب القياس. يحتوي الأنبوب على مكونات قياس، والتي يمكنها، تحت تأثير المجال المغناطيسي الخارجي، تحويل إشارة مستوى السائل المراد قياسه إلى إشارة مقاومة تتناسب مع تغير مستوى السائل، كما يمكنها تحويل الإشارات الإلكترونية إلى إشارات بقيمة 4–20 مللي أمبير، أو أي إشارات قياسية أخرى. يعتبر هذا المرسل دائرة إلكترونية قابلة للتركيب كوحدات منفصلة، وهو يتمتع بخصائص مثل مقاومة الأحماض والرطوبة والصدمات والتآكل. كما أن داخل الدائرة يوجد دائرة تغذية راجعة للتحكم في التيار، بالإضافة إلى دوائر حماية داخلية، مما يسمح بعدم تجاوز التيار الخارجي 28 مللي أمبير. وبذلك، يمكنه حماية مصدر الطاقة بشكل فعال، ومنع تلف الأجهزة الفرعية. 　　2. مُرسل مستوى السائل من نوع الكرة العائمة: يتكون مُرسل مستوى السائل من نوع الكرة العائمة من كرة مغناطيسية تم استبدالها بكرة عائمة، وهو مصمم وفقًا لمبدأ الطفو لأرخميدس. نوع العوامات: يستخدم جهاز قياس مستوى السائل تقنية استشعار التوتر في أغشية معدنية دقيقة لقياس مستوى السائل أو حدوده أو كثافته. يمكن إجراء عمليات الضبط العادية أثناء تشغيله عبر الأزرار الموجودة في الموقع. 　　٣. مُرسلات الضغط الساكن أو مستوى السائل: تعمل هذه المُرسلات بناءً على مبدأ قياس الضغط الساكن للسائل. عادةً ما يتم استخدام مستشعرات قياس الضغط المصنوعة من السيليكون لتحويل الضغط المقاس إلى إشارة كهربائية، ثم يتم تضخيم هذه الإشارة بواسطة دوائر التضخيم، بالإضافة إلى تصحيح قيمتها باستخدام دوائر التصحيح. وأخيرًا، يتم إخراج الإشارة على شكل تيار كهربائي بقيمة 4–20 مللي أمبير أو 0–10 مللي أمبير. 　　رابعاً: مُرسلات مستوى السائل من النوع الكهربائي التخزيني
تُستخدم مُرسلات مستوى السائل من النوع الكهربائي التخزيني في المؤسسات الصناعية لقياس والتحكم في عمليات الإنتاج. وتُستخدم بشكل أساسي لقياس مستوى السوائل، سواء كانت موصلة أو غير موصلة، أو مستوى المواد الصلبة على شكل حبيبات، عن بُعد وبشكل مستمر. 　　يتكون مُرسل مستوى السائل من نوع السعة الكهربائية من مستشعرات السعة الكهربائية ودوائر إلكترونية. يعمل هذا المرسل على أساس تدفق كهربائي ثابت في نطاق 4–20 مللي أمبير، ويمكن تحويل إشارته إلى صيغ أخرى باستخدام ثلاثة أو أربعة أسلاك. وتكون إشارات الخرج في صورة إشارات قياسية مثل 1–5 فولت، 0–5 فولت، 0–10 مللي أمبير. يتكون مستشعر السعة من أقطاب عازلة ووعاء معدني أسطواني يحتوي على وسط قياس. عندما يرتفع مستوى المادة، وبما أن ثابت العزل الكهربائي للمواد غير الموصلة أقل بكثير من ثابت العزل الكهربائي للهواء، فإن السعة الكهربائية تتغير مع تغير ارتفاع المادة. يتكون دائرة الوحدة في جهاز الإرسال من عناصر مثل مصدر المعيار، وتنظيم عرض النبضة، وعملية التحويل، وتضخيم التيار الثابت، بالإضافة إلى آليات التغذية الراجعة وتحديد التيار. من مزايا استخدام مبدأ تعديل عرض النبضة في القياس، انخفاض التردد، وقلة التأثر بالتشويش الراديوي من المكونات المحيطة، بالإضافة إلى استقرارية عالية وجودة جيدة، وعدم وجود تغيرات واضحة في درجة الحرارة. 　　خامساً: مُرسلات الموجات فوق الصوتية
تنقسم مُرسلات الموجات فوق الصوتية إلى نوعين: مُرسلات الموجات فوق الصوتية العادية (بدون عداد)، ومُرسلات الموجات فوق الصوتية المتكاملة. والنوع الثاني هو الأكثر استخداماً. 　　يتكون محول الترددات فوق الصوتية المتكامل من جزأين: العرض (مثل شاشة LCD) والمستشعر. يقوم هذا المحول بإرسال إشارات من نوع 4–20 مللي أمبير مباشرة، وذلك عن طريق دمج المكونات الحساسة الصغيرة الحجم (المستشعرات) مع الدوائر الإلكترونية، مما يؤدي إلى تقليل الحجم والوزن وخفض التكلفة. يمكن استخدام مرسلات الموجات فوق الصوتية لقياس مستوى السائل. قياس مستوى المواد، وقياس تدفق المياه في القنوات والمجاري المائية، كما يمكن استخدامه لقياس المسافات. 　　سادسًا، جهاز نقل قياس الحموضة بإلكترود الأنتيمون
جهاز نقل قياس الحموضة بإلكترود الأنتيمون هو جهاز تحليل صناعي عبر الإنترنت يجمع بين قياس الرقم الهيدروجيني، والتنظيف الآلي، وتحويل الإشارات الكهربائية. وهو عبارة عن نظام قياس للرقم الهيدروجيني يتكون من إلكترود الأنتيمون وإلكترود مرجعي. في المحلول الحمضي قيد الاختبار، يتكون طبقة من أكسيد ثنائي أنتيمون ثلاثي على سطح القطب الأنتيموني، وبالتالي ينشأ فرق جهد بين سطح المعدن الأنتيموني وأكسيد ثنائي أنتيمون ثلاثي. يتحدد حجم هذا الفرق في الجهد بناءً على تركيز أكسيد الأنتيمون، وهذا التركيز يتناسب مع تركيز أيونات الهيدروجين في المحلول الحمضي المراد قياسه. إذا افترضنا أن قيمة الأنتيمون، وأكسيد الأنتيمون الثلاثي، والمحلول المائي تساوي 1، فيمكن حساب الجهد الكهربائي باستخدام معادلة نرنست. 　　يتكون دائرة الوحدة الصلبة في مُرسل درجة الحموضة للإلكترودات المصنوعة من الأنتيموان من جزأين رئيسيين. من أجل السلامة في موقع التشغيل، يتم استخدام جهد كهربائي من نوع تيار متردد بقوة 24 فولت لتزويد الأجهزة الفرعية بالطاقة. يجب على هذا المصدر للطاقة، بالإضافة إلى توفير الطاقة اللازمة لتشغيل المحرك، أن يقوم أيضًا بتحويل التيار الكهربائي إلى جهد مستمر مناسب، وذلك لاستخدامه في دوائر الإرسال. الجزء الثاني هو دائرة القياس والإرسال، وهي تقوم بتضخيم الإشارة المرجعية القادمة من الحساس وإشارة درجة الحموضة، ثم إرسالها إلى دائرة ضبط الميل وضبط الموضع، وذلك لتقليل المقاومة الداخلية للإشارة وجعلها قابلة للتعديل. يتم دمج إشارة PH المُضخمة مع إشارة التعويض الخاصة بدرجة الحرارة، ثم يتم إرسال الناتج إلى دائرة التحويل. وفي النهاية، يتم إخراج إشارة تيار ثابت تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير، وهي إشارة تتناسب مع قيمة PH، ليتم استخدامها في الأجهزة الثانوية من أجل عرض القيمة والتحكم فيها. 　　سابعاً: مُرسلات تركيز الأحماض والقواعد والأملاح
تقوم مُرسلات تركيز الأحماض والقواعد والأملاح بتحديد التركيز عن طريق قياس قيمة الموصلية الكهربائية للمحلول. يمكنه الكشف المستمر عبر الإنترنت عن تركيزات الأحماض والقواعد والأملاح في المحاليل المائية ضمن العمليات الصناعية. يُستخدم هذا النوع من المرسلات بشكل أساسي في معالجة مياه التغذية للغلايات، وتحضير المحاليل الكيميائية، بالإضافة إلى عمليات الإنتاج الصناعي المتعلقة بحماية البيئة. 　　مبدأ عمل مستشعرات تركيز الأحماض والقواعد والأملاح هو: في نطاق معين، يكون تركيز محلول الأحماض أو القواعد متناسبًا مع قيمة الموصلية الكهربائية له. وبالتالي، يمكن معرفة مستوى تركيز الأحماض والقواعد من خلال قياس قيمة موصلية المحلول. عندما يتدفق المحلول قيد الاختبار إلى خلية التوصيل المخصصة، وإذا تم تجاهل استقطاب الأقطاب الكهربائية والسعة التوزيعية، فيمكن اعتباره مقاومة نقية. عندما يمر تيار متردد ذو جهد ثابت، فإن التيار الناتج يكون في علاقة خطية مع الموصلية، والموصلية بدورها تكون في علاقة تناسبية مع تركيز الأحماض والقواعد في المحلول. 　　لذلك، يمكن حساب تركيز الأحماض والقواعد والأملاح بمجرد قياس تيار المحلول. 　　يتكون مُرسل تركيز الأحماض والقواعد والأملاح بشكل أساسي من خلية التوصيل، والوحدة الإلكترونية، وعداد العرض، والغلاف. دائرة الوحدة الإلكترونية تتكون من وحدات مثل مصدر التغذية، خلية الموصلية، مضخم الموصلية، جهاز تصحيح الطور، جهاز فك الترميز، نظام تعويض درجة الحرارة، نظام الحماية من الأحمال الزائدة، بالإضافة إلى وحدات لتحويل التيار. 　　ثامنًا: محول التوصيل الكهربائي
إنه جهاز قياس يستخدم لقياس تركيز الأيونات بشكل غير مباشر، وذلك عن طريق قياس قيمة التوصيل الكهربائي للمحلول (محول متكامل). يمكنه الكشف المستمر والآني عن التوصيل الكهربائي للمحاليل المائية في العمليات الصناعية. 　　نظرًا لأن محلول الإلكتروليت يعتبر موصلاً كهربائيًا جيدًا، تمامًا مثل المواد المعدنية، فإن تدفق التيار عبر محلول الإلكتروليت يتطلب وجود مقاومة، وذلك وفقًا لقانون أوم. لكن خصائص المقاومة الحرارية للسوائل تختلف عن خصائص المواد الموصلة المعدنية، حيث تكون لها خصائص سلبية مع التغير في درجة الحرارة. للتمييز عن الموصلات المعدنية، يتم تمثيل قدرة محلول الإلكتروليت على نقل التيار الكهربائي بواسطة الموصلية (العكس من المقاومة) أو معامل الموصلية (العكس من معامل المقاومة). عندما يشكل قطبان معزولان عن بعضهما البعض خلية توصيل، ويتم وضع المحلول المراد اختباره في منتصفها، مع تمرير تيار متردد ذو جهد ثابت، فإن ذلك يؤدي إلى تكوين دائرة كهربائية. إذا تم تثبيت قيمة الجهد وحجم الأقطاب، فإن هناك علاقة رياضية معينة بين تيار الدائرة والموصلية. وبهذه الطريقة، عند قياس التيار الكهربائي الذي يمر عبر المحلول المراد اختباره، يمكن تحديد معامل التوصيل الكهربائي لذلك المحلول. 　　يتشابه تركيب ودائرة مُرسل الموصلية مع تلك الموجودة في مُرسلات تركيز الأحماض والقواعد والأملاح. 　　تسعة: المرسلات الذكية تتكون المرسلات الذكية من مستشعرات ومعالجات دقيقة (حواسيب صغيرة). إنه يستغل بشكل كامل قدرات المعالج الدقيق على المعالجة والتخزين، ويمكنه معالجة بيانات الحساسات، بما في ذلك معالجة إشارات القياس (مثل التصفية والتضخيم وتحويل الإشارات من نوع A/D)، بالإضافة إلى عرض البيانات وإجراء التصحيحات والتعويضات التلقائية. 　　المعالج الدقيق هو جوهر المرسلات الذكية. ليس فقط يمكنه حساب بيانات القياس وتخزينها ومعالجتها، بل يمكنه أيضًا تعديل المستشعرات عبر دوائر التغذية الراجعة، لضمان الحصول على أفضل بيانات ممكنة. نظرًا لأن المعالجات الدقيقة تمتلك مجموعة متنوعة من الوظائف البرمجية والهاردويرية، فإنها قادرة على إنجاز مهام يصعب على أجهزة الإرسال التقليدية إنجازها. لذلك، فإن المرسلات الذكية تقلل من صعوبة تصنيع المستشعرات، وتحسّن أداءها إلى حد كبير. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع المرسلات الذكية بالخصائص التالية: 1. لديها قدرة على التعويض التلقائي، حيث يمكن من خلال البرمجيات تعويض عدم خطية المستشعر وتغيرات درجة الحرارة وغيرها من التغيرات التي قد تحدث مع مرور الوقت. 　　2. يمكنه القيام بالتشخيص الذاتي، فعند توصيله بالطاقة، يمكنه إجراء فحص ذاتي للمستشعر للتأكد من أن جميع أجزائه تعمل بشكل سليم، ومن ثم إصدار حكم في هذا الشأن. 　　3. معالجة البيانات سهلة ودقيقة، حيث يمكن معالجتها تلقائيًا وفقًا لإجراءات داخلية، مثل إجراء المعالجة الإحصائية وإزالة القيم الشاذة، وغيرها. 　　٤. يتمتع بوظيفة الاتصال ذهابًا وإيابًا. لا يمكن للمعالج الدقيق فقط استقبال ومعالجة بيانات الحساسات، بل يمكنه أيضًا إرسال المعلومات مرة أخرى إلى الحساسات، وبالتالي تنظيم عملية القياس والتحكم فيها. 　　5. يمكنه تخزين المعلومات والذاكرة، حيث يستطيع تخزين بيانات خصائص الحساسات ومعلومات التكوين وخصائص التعويض وغيرها. 　　6. يمتلك وظيفة إخراج عبر واجهة رقمية، مما يسمح بربط الإشارة الرقمية الخارجة بسهولة بالحواسيب أو الحافلات الميدانية وغيرها.