Endüstriyel Sensörler ve Uygulama Alanları

Kalite kontrol amaçlı ölçme sistemleri, üretim ve montaj hatlarında imalat sürecinin en önemli aşamalarındandır. Günümüz teknolojisi mükemmelliği ve üretimdeki hassasiyeti otomasyon sistemleriyle ortaya koyar. Bu çalışmada Otomasyonda önemli yer tutan Endüstriyel sensörlerden İndüktif ve kapasitf sensörler incelenmiş ve bu sensörlerin uygulama alanlarına değinilmiştir.

Sensör ve Transdüser terimleri birbirlerinin yerine kullanılan terimlerdir. Transdüser genel olarak enerji dönüştürücü olarak tanımlanır [1]. Sensör ise çeşitli enerji biçimlerini elektriksel enerjiye dönüştüren cihazlardır. Ancak 1969 yılında ISA (Instrument Society of America) bu iki terimi eş anlamlı olarak kabul etmiş ve "ölçülen fiziksel özellik, miktar ve koşulların kullanılabilir elektriksel miktara dönüştüren bir araç" olarak tanımlamıştır [3].

Sensörlerle Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), basınç, hız, ivme, pozisyon, ses dalga boyu ve yoğunluğu, Sıcaklık, ısı akısı, Voltaj, akım, direnç, indüktans, kapasitans, di elektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı ve frekans, Alan yoğunluğu, akı yoğunluğu, manyetik moment, geçirgenlik, Yoğunluk, dalga boyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme, yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, pH miktarı ölçümleri gibi birçok uygulama alanı gelişmiştir

İndüktif ve Kapasitif Sensörler

Tüm otomatik işlemlerde üretimin akışı ve makine hareketlerinin, geri besleme bilgisi olarak denetleyici birimlere aktarılması için sensörlere kesinlikle gerek vardır. Sensörler konum, sınır, seviye bilgileri verirler veya darbe iletici olarak görev yaparlar. Elektronik sensörler içinde iki tanesi endüstri uygulamaları için çok güvenilir olduklarını kanıtlamışlardır. İndüktif ve kapasitif sensörler çok geniş bir malzeme çeşidini dokunmadan algılarlar. İndüktif ve kapasitif sensörlere algılayıcı, dokunmasız konum gösterici, yaklaşım anahtarı gibi isimlerde verilmektedir

 Resim1- İndüktif Sensörde oluşan manyetik alan

Resim2- Sargıda oluşan manyetik alan

Resim3- İndüktif Sensörün Kesiti


Resim4- İndüktif Sensörün İç Yapısıir.

İndüktif Sensörler

 İndüktif sensör, iletken malzeme içerisinde girdap akımı kayıplarının neden olduğu bir rezonans devresinin kalite faktöründeki değişikliğin fiziksel etkisinden yararlanır. Bir LC osilatörü 100 kHz. ile 1 MHz. arasında yüksek frekanslı bir elektromanyetik alan oluşturur Şekil 2.1.1'de görüldüğü gibi alan herhangi bir yöne yönelmeden sargı eksenine göre simetrik biçimlenir. Gerçekte, yalnızca akım taşıyan iletkenden oluşan bir sargı kullanılmaz ve yüksek geçirgenliği olan ferit malzeme yardımıyla elektromanyetik alana istenilen doğrultuda bir yön vermeye çalışılır.

Ferit çekirdek üzerine yerleştirilen sargının manyetik alanı sensör etrafında yoğunlaşmış olur (özellikle duyarlı bir hale gelen sensörün etkin alanının ön tarafında). Eğer sargı ve ferit çekirdek ayrıca bir metal ekranla çevrilmiş ise Şekil resim2'de manyetik alan tümüyle sensörün ön tarafındaki alanda sınırlanmış olur. Böylece sensörün kenarları anahtarlama özelliğini etkilemeden tümüyle metalle çevrilebil Eğer bir iletken malzeme, oluşan elektromanyetik alan içine girerse, indüksiyon yasasına göre malzeme içinde girdap akımları oluşur ve osilatör devresinden enerji çeker. Bu sistem birincil sargısının indüktans L, ikincil sargısının ve yükün iletken malzeme ile gösterildiği bir transformatör ile karşılaştırılabilir. Birincil ve ikincil sargılar arasındaki tek bağlantı havada oluşturulan alandır.

İndüktif Sensörün Özellikleri

İndüktif sensörler; kendisine yaklaşan metalik malzemeleri temas olmadan algılarlar. Osilasyon devresindeki L bobininde yüksek frekanslı manyetik alan yaratılır.Bu manyetik alana yaklaşan metal parçada eddy akımları oluşur ve bu akımlar parça yaklaştıkça artar.

Bu osilasyon devresinde yük artışına sebep olur ve osilayon azalır yada durur. Sensördeki ''Genişlik ölçüm devresi'' bu değişimi algılar

Sensörün cisim üzerinde manyetik bir etkisi yoktur. Tüm pratik uygulamalarda hedef cisim her türlü etkiden uzaktır. İndüktif sensörler uzaklık ile orantılı bir sinyal iletmede yalnızca sınırlı bir kullanıma sahiptir. Bu yüzden asıl uygulama alanı bir sayısal anahtar olarak kullanılmasıdır 

Şekil resim1 ve resim2 de bir sensörün iç yapısını göstermektedir. Muhafaza, kablo veya soket parçalarından meydana gelir, devre kartı veya esnek filmde SMD (yüzeye monte edilen) elektronik devre, ferit çekirdekli parçalardan oluşur.

Bu, sensöre vibrasyon ve darbelere karşı ayrıca neme karşı da iyi bir koruma sağlar. Böylece endüstrinin her yerinde kullanılabilir ve sağlam siviç gereksinimini karşılar

Uygulama kullanılan LVDT ve RVDT modelleri

LVDT ve RVDT

LVDT (doğrusal değişken fark transformatörü), RVDT (döner değişken fark transformatörü) ve ortak indüktanslı yakınlık sensörlerinin çalışmasının temelidir. LVDT mekanik olarak hareketlendirilmiş nüvesi ile bir transformatördür. LVDT'nin ani yer değişimlerini ölçebilmesi için osilatör frekansının hareketin en yüksek frekansından en azından 10 kat daha büyük olması gerekir. Yavaş yer değişim işleri için kararlı osilatör yerine 50-60 Hz'lik besleme kaynağı frekansı kullanılabilir 

LVDT ve RVDT lerde; Sensör çok az sürtünme direnci ile kontaksız bir aygıttır. Manyetik ve mekanik histerezis ihmal edilebilir. Çıkış direnci çok düşüktür. Gürültü ve parazitlere karşı az duyarlılık. Sonsuz kademede çözünürlük mümkündür. LVDT sensörünün kullanışlı uygulama yerlerinden birisi de aygıtların kalite kontrolü ve ölçekleme aygıtı (gauging) olarak kullanılmasıdır. Bu durumda LVDT nüvesine ölçme başlığının önceden ayarlanmış referans pozisyonuna gelebilmesi için bir yay monte edilmiştir.

Uygulama Örnekleri

Aşağıdaki indüktif ve kapasitif sensörlerin en genel uygulamalarına örnekler verilmiştir

resim1'deki sistemde indüktif sensör ile metal kapak kontrolü yapılmaktadır. Bu sistem de indüktif sensörler şişenin üzerinde kapağın var yada yok oluşunu algılar ve kontrol sistemine sinyal gönderirler. Kontrol sistemi bu sinyale göre pistonun ileri yada geri konuma getirir. Eğer kapaklar tam ise piston geri konumda kalır ve kutu banttan ileriye doğru hareket eder, şayet kapaklardan biri yok ise piston ileri konuma geçerek şişelerin bulunduğu kutuyu diğer banda sürer. 

Resim4- Kapasitif Sensör ile Seviye Kontrolü

Resim5- İndüktif Sensör ile Metal Kapak Kontrolü

Resim4’deki 'deki sistemde kapasitif sensör ile seviye kontrolü yapılmaktadır. Sistemin çalışması, iki prob arasında hava olduğundan sensörün kapasitesi sabit bir değerdedir. Problar arasına toz parçacıkları girdiğinde problar arasındaki madde değiştiğinden kapasite değeri değişecektir. Bu değişim sonucunda kontrol sistem kabın içinde toz parçacıkları olduğunu bir sinyal verecektir.

Resim5'deki sistemde pistonun konumunun manyetik sensörle algılanmaktadır. Pistonun ileri yada geri konumda oluşununa göre manyetik sensörler sinyal verir. Bu uygulamalarda manyetik sensör çok kullanışlıdır manyetik sensör yerine başka algılama elemanı yerleştirmek hem montaj zorlukları çıkaracak hem de maliyeti fazla olacaktı

Resim6- Manyetik Sensör ile Pnömatik Silindirin Pozisyon Kontrolü 

Sonuç

Son yıllarda endüstri ve otomasyon sistemlerindeki gelişmeler sensör ve transdüserlerle çok geniş uygulama alanı bulmuşlardır. Sensörler fiziksel ortam ile endüstriyel amaçlı elektrik-elektronik cihazları birbirine bağlayan bir köprü görevi görürler. Bu cihazlar endüstriyel proses kontrol, koruma ve görüntüleme gibi çok geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Günümüzde yüzlerce tip sensörden söz edilebilir, mikroelektronik teknolojisindeki hızlı gelişmeler yeni uygulamaların oluşmasına olanak sağlamaktadır. Bu çalışmada sensörlerin en geniş endüstriyel uygulama alanlarına ve örneklerine yer verilmiştir.