کتاب مرجع کاربردی سنسورهای مجاورتی (جلد اول)

کتاب مرجع کاربردی سنسورهای مجاورتی (جلد اول)

پیش‌گفتار:

منت خدای را عزوجل که طاعتش موجب قربت است و به شکر اندرش مزید نعمت. هر نفسی که فرو می‌رود ممد حیاتست و چون بر می‌آید مفرح ذات. پس در هر نفسی دو نعمت موجود است و بر هر نعمتی شکری واجب.

از دست و زبان که براید                کز عهده شکرش بدر آید

امروزه اهمیت سیستم‌های کنترل و ابزاردقیق در واحد‌های صنعتی بر کسی پوشیده نیست. از نظر تاریخی ظهور بخش عمده‌ای از سیستم‌های کنترل و ابزاردقیق و زیر مجموعه‌های وابسته به ‌‌آنها همانند سنسورها را می‌توان همراه با شکل‌گیری صنایع نفت و گاز در جهان مشاهده کرد. در صنایع فوق از جمله واحد‌های پالایش نفت، گاز، پتروشیمی، عمل کنترل و نظارت یا مانیتورینگ پروسه‌ها تقریباً به صورت دائمی و پیوسته صورت می‌گیرد. مبحث ابزاردقیق به ارائه روش‌های مختلف اندازه‌گیری کمیت‌های پیوسته و دیجیتال کمیت‌های فیزیکی در سطح پروسه می‌پردازد. در کاربردهای صنعتی غالباً از نگاه ساختاری کمیت‌ها به دو دسته تقسیم بندی می‌شوند که برای مانیتورینگ و پایش ‌‌آنها نیاز به سنسور‌های مجاورتی و یا سنسور‌های آنالوگ در سطح پروسه است.

هدف از تالیف این کتاب تحلیل، معرفی و نمایش استفاده از سنسور‌های مجاورتی به همراه مثال‌های کاربردی مرتبط با ‌‌آنهاست. گسترش همه جانبه مدارات الکترونیکی، به مقدار وسیعی اهمیت سنسورها را که می‌توانند تغییرات در کمیت‌های فیزیکی را بصورت سیگنال الکتریکی آشکار کنند، روزافزون کرده است. به همین دلیل محدوده کاربرد سنسورهای مجاورتی و در کل سنسورها بسیار وسیع است و اغلب کتابهایی که در زمینه مدارات واسط بین مدارات الکترونیک و دیگر قطعات چاپ می‌شوند، از چند نوع سنسور محدود برای اهداف خاصی استفاده می‌کنند. این کتاب برای اولین بار در ایران با عنوان مرجع کامل و کاربردی سنسور‌های مجاورتی شناخته و در دو جلد به چاپ می‌رسد، انواع مختلفی از سنسور‌های مجاورتی معرفی و تحلیل می‌شوند که دارای مصارف صنعتی، آزمایشگاهی و آموزشی یا تحقیقاتی هستند.

با توجه به اهمیت بسیار بالای سنسور‌های مجاورتی و تعدد استفاده از این نوع سنسورها در فرایند‌های صنعتی، کتاب فوق به دو جلد تقسیم بندی شده است تا خواننده بتوانند با توجه به نیاز جلد مورد نظر را انتخاب و مطالعه کند.

جلد اول کتاب مرجع کاربردی سنسور‌های مجاورتی شامل هشت فصل بوده که به ترتیب به معرفی ‌‌آنها ‌‌می‌پردازیم :

1- سیستم‌های کنترل و ابزاردقیق

2- مفاهیم و تعاریف اولیه

3- سنسورها با تماس مکانیکی

4- سنسورهای بدون تماس مکانیکی

5- تکنولوژی نوع ارتباط در سنسور‌های بدون تماس مکانیکی

6- سنسور‌های مغناطیسی

7- سنسور های القایی

8- حل تمرین فصول

فهرست کتاب مرجع کاربردی سنسورهای مجاورتی (جلد اول)

فصل اول / سیستم‌های کنترل و ابزار دقیق.. 17

1-1 علم كنترل.. 18

1-1-1 استراتژي كنترل. 19

1-2 دسته بندی ساختاری سیستم‌های کنترلی در صنعت.. 19

1-2-1 كنترل حلقه باز 19

1-2-2 كنترل پيشرو 21

1-2-3 كنترل حلقه بسته. 21

1-2-3-1 سيستم‌هاي كنترل فيدبك‌دار 21

1-2-3-2 سيستم‌هاي كنترل حلقه بسته. 22

1-2-4 مقايسه سيستم‌هاي كنترل حلقه بسته و حلقه باز 24

1-3 نمونه‌هايي از سيستم‌هاي كنترل.. 25

1-3-1 سيستم کنترل سرعت.. 25

1-3-2 سيستم كنترل روبات. 26

4-1 انواع سیستم‌های کنترل.. 28

1-4-1 سیستم کنترلDDC. 28

2-4-1 سیستم کنترلDCS. 29

1-2-4-1 مزایایDCS نسبت به سیستم‌های قدیمی.. 31

2-2-4-1 سخت‌افزارDCS. 32

3-2-4-1 پایانه‌های کاربر در سیستم کنترل توزیع شده DCS. 34

4-2-4-1 نحوه ارتباطDCS با سیستم‌های مختلف.. 35

3-4-1 سیستم کنترلFCS. 36

1-3-4-1 تحولات ایجاد شده بوسیله Fieldbus 37

2-3-4-1 مزایایFCS. 38

1-4-4 كنترل كننده‌هاي برنامه‌پذيرProgrammable Logic Controller)) PLC. 39

1-4-4-1 اجزای سيستم‌هاي كنترل کننده برنامه‌پذیر 41

1-4-4-2 مقايسه سيستم‌هاي كنترلي مختلف با PLC. 42

1-4-4-3 برخي از معايب يا توجیهات خاص در بكارگيري سيستم‌هايPLC. 43

1-4-4-4 سير تكاملي كنترل كننده‌ها 43

1- 5 انواع فرآيندهاي کنترلی.. 44

6-1 انواع کنترلرها 46

1-6-1 كنترلرهاي ناپيوسته (گسسته) 47

1-6-2 كنترلرهاي پيوسته. 48

1-6-2-1 كنترلر تناسبي(Proportional) 48

1-6-2-2 كنترلر تناسبي- انتگرالي (PI) 49

1-6-2-3 كنترلر تناسبي– مشتقگير(PD) 49

1-6-2-4 كنترلر PID. 50

1-6-2-5 كنترلرهاي نيوماتيكي (Pneumatic) 50

1-6-2-6 كنترلرهاي هيدروليكي (Hydraulic) 51

7-2-6-1 كنترلرهاي الكترونيكي (Electronic) 52

1-7 آشنايي با سيستم‌هاي اندازه‌گيري.. 52

1-7-1 وسائل اندازه‌گيری.. 53

1-7-2 وظایف سيستم‌های اندازه‌گیری.. 53

1-7-3 مشخصات سيستم‌هاي اندازه‌گيري.. 54

1-7-4 كاربردهاي سيستم‌هاي اندازه‌گيري.. 56

1-7-5 عناصر تشكيل دهنده يك سيستم اندازه‌گيري.. 56

1- 8 معرفي سيستم‌هاي ابزار دقيق.. 57

1-8-1حس كننده‌ها و يا مبدل‌ها 58

1-8-2 اندازه‌گير و آماده‌ساز سيگنال. 59

1-8-3 كنترل‌كننده‌ها و عملگرها 60

1-8-4 نشانگر و ثبات. 61

1-9 بلوك دياگرام كلي سيستم كنترل صنعتي… 61

1-9-1 تشريح عملكرد هر يك از بلوك‌ها بصورت ذيل است.. 62

1-9-2 سنسورها، ترانسديوسرها و ترانسميترها 62

1-10 طراحي سيستم‌هاي كنترلي… 67

1-11 تقسيم‌بندي كنترل كننده‌ها 68

1-11-1 تقسيم‌بندي كنترل‌كننده‌ها بر اساس انرژي محركه. 68

1-11-2 تقسيم‌بندي كنترل كننده‌ها بر اساس قانون كنترلي.. 70

1-12 تجهيزات سيستم‌هاي كنترل صنعتي.. 70

1-12-1 هشدار دهنده‌ها 72

1-12-2 ذخيره‌سازي اطلاعات مربوط به متغيرهاي عملياتي.. 72

3-12-1 محرك‌ها و عناصر نهايي.. 74

فصل دوم / مفاهیم و تعاریف اولیه. 77

1-2 سیگنال (Signal processing ). 78

1-1-2 تعریف سیگنال. 78

2-1-2 انواع سیگنال (Signal Types  ) 78

1-2-1-2 سیگنال‌های آنالوگ یا پیوسته (ANALOG SIGNALS) 78

2-2-1-2 سیگنال‌های گسسته (DISCRETE SIGNALS) 80

2-1-2-3  سیگنال‌های دیجیتال (DIGITAL SIGNALS) 81

2-1-2-4  سیگنال‌های باینری (BINARY SIGNALS) 83

2-2 اهمیت تکنولوژی ساخت سنسورها 86

(The importance of manufacturing technology sensors )  86

1-2-2 تعریف سنسور (Definition Sensor ) 86

2-2-2 خصوصیات سنسورها (The sensor characteristics ) 89

3-2 واژه‌های مرتبط با سنورهای مجاورتی(Words related to the proximity sensors. 89

4-2  تجهیزات سنسور (Component sensor ). 89

5-2  سیستم سنسور (Sensor system). 90

6-2 سیستم چند سنسوری (Multi-Sensor system ). 91

7-2  سیگنال‌های خروجی سنسورها (Typical output signals of sensors )  91

8-2 دسته‌بندی سنسورها (Classification sensors ). 96

1-8-2 سنسورهای دیجیتال (digital sensors ) 96

2-8-2  سنسورهای آنالوگ (Analog sensors  ) 96

9-2 سنسورهای مجاورتی  (Proximity) 97

1-9-2 سنسورهای موقعیت بدون تماس  (Position sensors ) 99

2-9-2 ولتاژهای کاری برای سنسورها در کشورهای مختلف (operating voltages) 100

10-2 زمینه‌های کاربرد سنسورهای مجاورتی (Proximity sensor Field of application )  101

1-10-2   آشکار سازی اشیا (Detecting object) 102

2-10-2 موقعیت یابی (Positioning) 103

3-10-2  شمارش (Counting) 103

4-10-2 اندازه‌گیری سرعت دوران (Measurement rotational speed ) 104

5-10-2 آشکارسازی اجسام (Detection materials ) 104

6-10-2  تعیین جهت حرکت (Defining direction  ) 105

7-10-2  مانیتورینگ ماشین آلات صنعتی (Monitoring tools ) 105

8-10-2  مانیتورینگ سطح (Monitoring filling level) 106

9-10-2   اندازه‌گیری فاصله (Measuring distance) 106

10-10-2 اندازه‌گیری سرعت (Measuring speed ) 107

11-10-2  محافظت در برابر حوادث ( Accident protection ) 107

12-10-2  تشخیص شكل (Contours recognition ) 108

فصل سوم / سنسورها با تماس مکانیکی.. 109

1-3 ‌‌سوئیچ‌های مکانیکی موقعیت.. 110

2-3 ‌‌سوئیچ‌های الکترومکانیکی موقعیت(Electro-mechanical position switch)  110

1-2-3  دسته‌بندی ‌‌سوئیچ‌های الکترومکانیکی موقعیت.. 112

3-3 قسمت‌های تشکیل دهنده لیمیت ‌‌سوئیچ‌های الترومکانیکی (Constituent parts، electromechanical limit switches ). 112

4-3  بررسی عملکرد لیمیت سوئیچ (محرک‌های گذرا و دایم ). 115

1-4-3  Momentary Operation (محرک‌های گذرا) 115

2-4-3  Maintained Operation (محرک‌های دایم) 116

5-3 عملکرد لیمیت سوئیچ در زمان برخورد مکانیکی.. 116

6-3  نحوه عملکرد کنتاکت ها در هنگام تماس مکانیکی.. 117

7-3 ترتیب قرارگیری کنتاکت ها در لیمیت سوئیچ (Contact Arrangements)  119

8-3 بررسی مقادیر مجاز جریان و ولتاژ عبوری از کنتاکت‌های لیمیت سوئیچ   119

9-3 نحوه صحیح اتصال بار به کنتاکت ها (Load connection ). 120

10-3 مدارات حفاظتی کنتاکت ها (Contact protection circuits)  121

11-3 معرفی محرک ها برای ‌‌سوئیچ‌های محدود کننده مکانیکی (Introduce incentives for restrictive mechanical switches). 123

1-11-3 محرک‌های غلتکی (Roller lever  ) 123

1-1-11-3 اصول نصب محرک‌های غلتکی(Installation of roller actuator) 125

3-11-2 محرک انعطاف پذیر حلقه ای و محرک با میله فنری (Flexible Loop and Spring Rod) 126

3-11-3 محرک پیستونی (Plungers) 127

3-11-3-1 اصول نصب محرک پیستونی.. 128

3-12 ‌‌سوئیچ‌های محدودکننده مکانیکی بین‌المللی (International Limit Switches)  129

3-13 انواع مختلف خانواده ‌‌سوئیچ‌های محدودکننده مکانیکی.. 129

3-13-1 عملکرد قسمت سر محرک‌های مختلف ‌‌سوئیچ‌های محدودکننده مکانیکی.. 130

3-14 انواع ‌‌سوئیچ‌های محدود کننده از نظر ساختار. 131

3-14-1 ‌‌سوئیچ‌های محدود کننده مکانیکی از نوع کنتاکت باز 131

3-14-2  بدنه سوئیچ محدود کننده مکانیکی از نوع International Limit Switches 132

3-15 شکل‌های متفاوت بدنه ‌‌سوئیچ‌های محدودکننده. 132

16-3 ‌‌سوئیچ‌های قابل تعویض Siguard. 133

3-17 بررسی استاندارد ‌‌سوئیچ‌های محدودکننده در آمریکا 134

3-17-1 معرفی محرک ها مطابق با استاندارد آمریکا 134

3-17-2 لیمیت ‌‌سوئیچ‌های بدون محرک (استاندارد NEMA) 135

3-17-3 لیمیت سوئیچ کلاس 54 از نوع چرخشی دورانی.. 135

3-17-4  لیمیت سوئیچ نوع Compact  با سه مدل  Miniature ،Prewired و Sealed. 136

3-17-5 لیمیت ‌‌سوئیچ‌های ضد انفجار مدل 3SE03 (مناسب برای جلوگیری از خطرات زیست محیطی ) 137

3-17-6 لیمیت ‌‌سوئیچ‌های میانی (Enclosed Basic Switches) 138

3-18 معرفی لیمیت سوئیچ ها برای جک‌های پنوماتیکی (Mechanical –Pneumatic Position Switches ). 139

3-18-1 طرز کار لیمیت سوئیچ در صنایع پنوماتیکی.. 139

3-18-2 مشخصه‌های فنی سنسورهای موقعیت پنوماتیکی.. 140

2-18-3 نکات کاربردی برای سنسورهای موقعیت پنوماتیکی.. 141

19-3 مثال‌های کاربردی.. 141

3-20 تمارین……………………………………………………….. …………………141

فصل چهارم / سنسورهای بدون تماس فیزیکی (BERO Sensors ). 145

4-1  مقدمه ای بر سنسورهای بدون تماس مکانیکی (BERO ). 146

2-4 معرفی انواع سنسورهای بدون تماس… 146

4-3  مزایای سنسور‌های بدون تماس مکانیکی (BERO ). 147

4-4  تقسیم بندی سنسورهای BERO از نظر تولید سیگنال خروجی.. 147

5-4 تقسیم بندی سنسورهای BERO از نظر نوع ارتباط.. 148

6-4 کاربرد سنسورهای بدون تماس مکانیکی در صنعت.. 148

فصل پنجم / تکنولوژی نوع ارتباط سنسورهای بدون تماس… 149

5-1  معرفی انواع تکنولوژی ارتباط بین سنسورهای بدون تماس… 150

5-1-1  تکنولوژی ساخت سنسورهای دوسیمه (ولتاژ DC و AC ) 150

5-1-2  تکنولوژی ساخت سنسورهای سه سیمه (ولتاژ DC) 152

5-1-3  تکنولوژی ساخت سنسورهای چهار و پنج  سیمه (ولتاژ DC) 153

2-5  بررسی ترمینال‌های ارتباطی سنسور‌های بدون تماس براساس استاندارد EN50044 ،IEC757  154

3-5  آنالیز خروجی‌های سوئیچینگ NPN و PNP. 155

1-3-5  خروجی‌های PNP. 155

2-3-5  خروجی‌های NPN. 156

4-5 تکنولوژی مدارات ارتباطی بین سنسورها 157

1-4-5  اتصال سري و موازي چندين سنسور 157

5-4-2  نحوه اتصال موازی سنسور‌های دو سیمه. 158

5-4-3  نحوه اتصال موازی سنسور‌های سه سیمه. 159

4-4-5  نحوه اتصال سري سنسور‌های مجاورتی دو سيمه. 160

5-4-5  نحوه اتصال سري سنسورهاي مجاورتی سه سيمه. 161

5-5 ‌تكنولوژي ارتباط سنسور‌های مجاورتی در محيط‌هايي با ميد‌‌ان‌هاي الكترومغناطيسي  قوي    162

6-5  نحوه اتصال سنسور‌های مجاورتی به كنترلرها، رله‌ها و نمایشگر‌ها 162

7-5 بررسی نکات حفاظتی در هنگام اتصال بار. 163

فصل ششم / سنسور‌های مجاورتی مغناطیسی.. 165

1-6  اساس عملکرد سنسور‌های مجاورتی Reed. 166

1-1-6 اساس عملکرد سنسور‌های مجاورتی Reed. 167

2-1-6 مشخصه‌های فنی سنسور Reed. 167

3-1-6   نکات ایمنی برای نصب سنسور‌های مجاورتی Reed. 169

4-1-6 مثال‌های کاربردی.. 170

2-6  سنسورهای مجاورتی مغناطیسی.. 172

1-2-6 طرز کار سنسور‌های مغناطیسی بدون کنتاکت (Contactless ) 172

2-2-6  انواع سنسور‌های مغناطیسی بدون کنتاکت.. 173

1-2-2-6  سنسور‌های مجاورتی مغناطيسي –القايي.. 173

2-2-2-6 سنسور‌های مغناطیسی براساس خاصیت مقاومت مغناطيسي MR. 175

3-2-2-6 سنسور‌های مغناطیسی براساس خاصیت عنصر مغناطيسی نیمه هادی SMR  176

4-2-2-6 سنسور‌های مغناطیسی براساس خاصیت عنصر مغناطيسی AMR-GMR-TMR. 177

5-2-2-6 سنسورهاي مجاورتی براساس خاصیت هال (Hall) 180

6-2-2-6 سنسور‌های مجاورتی براساس خاصیت ويگاند Weigand. 181

7-2-2-6 سنسور‌های مجاورتی براساس خاصیت فلاکس گیت.. 182

3-2-6 مشخصه هاي فني.. 183

1-3-2-6 مزایای سنسورهای مغناطیسی – القایی در مقایسه با سنسورهای reed. 183

4-2-6  نکات ایمنی برای نصب سنسور‌های بدون کنتاکت.. 183

3-6  سنسورهای مجاورتی مغناطیسی- پنوماتیکی.. 184

1-3-6 اساس کار سنسور‌های مغناطیسی –پنوماتیکی.. 184

2-3-6 مشخصه‌های فنی سنسور مغناطیسی –پنوماتیکی.. 186

3-3-6 نکات ایمنی برای نصب نصب سنسور‌های مغناطیسی –پنوماتیکی.. 186

4-3-6 مثال‌های کاربردی.. 186

4-6 سوالات.. 186

1-4-6 تمرین : محاسبه حداکثر سرعت عبوری.. 186

2-4-6  تمرین : اتصال الکتریکی یک سنسور REED. 188

3-4-6 تمرین : رزولوشن یک سنسور مجاورتی REED. 189

فصل هفتم / سنسور‌های القایی (Inductive Sensor). 191

1-7 تئوری نحوه عملکرد سنسور‌های القایی.. 192

2-7  ساختمان داخلی سنسور القایی.. 193

1-2-7 محدوده ولتاژ کاری سنسور 195

7-2-2 سیم بندی خروجی سنسور القایی ( مدل DC )

7-2-3 پیکربندی خروجی‌های سنسورهای مجاورتی القایی

4-2-7 انوع کنتاکت ها در ساختمان خروجی سنسور‌های القایی.. 197

3-7 بلوک دیاگرام مدار سنسور‌های مجاورتی القایی.. 198

1-3-7 نگاهی دیگر از توصیف نحوه عملکرد سنسور‌های مجاورتی القایی.. 198

4-7 انواع سنسور‌های القایی از لحاظ ساختار عایقی.. 199

1-4-7 سنسور القایی شیلدار (Shielded یا Flush mount ) 199

2-4-7 سنسور القایی بدون شیلدار (Unshielded یا Non flush mount ) 200

5-7 الزامات نحوه نصب چندگانه سنسورهای القایی.. 201

6-7 ضرایب تصحیح با توجه به جنس آلیاژی شی هدف.. 203

7-7 محدوده هیترزیس در سنسور‌های القایی.. 204

1-7-7 منحنی واکنش سنسور 206

8-7 فرکانس سوییچینگ سنسور های القایی 206

9-7 بررسی منحنی ریپل ولتاژ سنسور‌های القایی.. 207

10-7 بررسی ساختار سنسور‌های القایی از نظر نوع ارتباط.. 208

1-10-7 اتصال سری سنسور‌های القایی.. 208

2-10-7 اتصال موازی سنسور‌های القایی.. 211

11-7 شی هدف استاندارد (Standard Target ). 214

12-7 فاکتورهای سایز شی هدف (Target size correction factor  ). 214

13-7 ضخامت شی هدف در آلیاژ‌های گوناگون (Target Thickness  ). 215

14-7  تعیین فاصله سوییچینگ استاندارد سنسورهای القایی شرکت فستو  216

15-7 ارزیابی فاصله عملکرد سنسور القایی.. 216

16-7 مشخصه‌های فنی و نکات کاربردی سنسور‌های القایی.. 217

1-16-7 نکات کاربردی سنسور‌های القایی (یادآوری توصیفات و نکات جدید مربوط به بخش‌های قبل ) 219

17-7 منبع تغذیه مناسب برای سنسور‌های القایی.. 220

18-7 مثال‌های کاربردی.. 221

19-7 تمارین (Exercises ). 234

فصل هشتم / حل تمرین فصول.. 237

8 -1 حل تمارين فصل 3. 238

تمرين 3-1 :  مدارات محافظ براي ليميت سوئيچ‌هاي الكترومكانيكي (طراحی) 238

تمرين 3-2 : سوئيچينگ خازن‌هاي كم ظرفيت.. 240

2-8  حل تمارين فصل 6. 240

تمرين 6-1 : ماكزيمم سرعت عبور يك پيستون سيلندر از يك REED SWITCH

تمرين 6-2 : كانكشن الكتريكي يك سنسور reed

تمرين 6-3 : رزولوشن يك سنسور reed

3-8 حل تمارين فصل 4

تمرين 4-2 : تشخيص سيلندرهاي فولادي مرتعش