in ,

Kapasitif Algılayıcılar

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 yaklaşım anahtarları. Bu yaklaşım anahtarları çok geniş bir malzeme çeşidini dokunmadan algılamak için uygundur.

KAPASİTİF SENSÖRLER

Kapasitif yaklaşım anahtarı, bir kapasitörün elektrik alanına yaklaşan cismin neden olduğu kapasite değişikliğini algılayan siviç tir. Bu durumda, elektromanyetik alan içine yaklaşan bir cismin yarattığı 0.1 pF dolaylarındaki çok küçük kapasite değişimleri uygun olan bir yöntemle değerlendirilmeli ve bir sayısal sinyale dönüştürülmelidir.

KAPASİTİF SENSÖRÜN ÇALIŞMASI

Bu kapasitif, bir osilatör devresinin parçası olarak geliştirilmiştir ve kapasitörün değeri öyle bir şekilde seçilmiştir ki bir cisim olmadığı için etkilenmeden salınıma geçemeyecek büyüklüktedir. Fakat bir cisim elektromanyetik alan içine girerse, kapasite hafifçe artar ve osilasyon koşulu gerçekleşir. Osilatör yüksek genlikle salınmaya başlar. İndüktif yaklaşım anahtarlarında olduğu gibi düşük ve yüksek salınım genliği arasındaki fark veya bozulan salınım devre tarafından değerlendirilir ve sayısal çıkışa dönüştürülür.

 

 

1- KOMPANZASYON ELEKTRODU

2- ETKİN ELEKTROD

3- MUHAFAZA

4- TOPRAKLAMA ELEKTRODU

5- ELEKTROMANYETİK ALAN

 

Kapasite değişikliğinin büyüklüğü aşağıdaki etkenlere bağlıdır:

1- Etkin yüzey önündeki cismin uzaklığı ve konumu

2- Cismin boyutları ve şekli

3- Cismin di elektrik katsayısı

Bu nedenle, kapasitif yaklaşım anahtarı, plastik, cam, seramik veya su, yağ- gibi sıvı, kötü iletken veya iletken olmayan malzemeleri algılayabilir. Ayrıca, şüphesiz ki topraklanmış veya topraklanmamış tüm iyi iletken olmayan malzemeleri algılar. Bir potansiyometre yardımı ile yapılan ince hassasiyet ayarı belirli malzemeleri algılayabilmesini sağlar

(KAPASİTİF SENSÖRÜN İÇ YAPISI)

Di elektrik katsayısına bağlı olarak kapasitif yaklaşım anahtarı iletken olmayan veya iyi iletken olmayan tüm malzemeleri algılayabilir. İndüktif yaklaşım anahtarlarında olduğu gibi çalışma ilkesi hedefin hareket etmesinden etkilenmez. Belirleyici olan uzaklıktır, hedef cismin yüzeyi önemli değildir. Kapasitif yaklaşım anahtarı plakalar arası sadece birkaç volt gerilimle çalışabildiğinden ve yalnızca birkaç mikro watt enerji harcadığından siviç yakınlarında hiçbir statik elektriklenme yapmaz ve RF gürültüsüne neden olmaz. Pratik olarak hedefe hiçbir etki yapmadan çalışır.

Sensörün ucu ile hedef plaka arasındaki mesafenin (S) bir fonksiyonu olarak sensör kapasitesi değişiminin (ΔC) tipik eğrisi

KAPASİTİF SENSÖR BLOK ÇİZİMİ

BLOK DİYAGRAMININ AÇIKLAMASI

İlk olarak osilasyon genliğindeki değişim bir anahtarlama sinyaline dönüştürülmelidir. Bu, osilasyonun doğrultulması ve süzülmesi ile yapılır, daha sonra eşik tetikleme ( Schmitt trigger ) devresine iletilir. Bu, hedefin yaklaşması ile akımın akması veya akmaması gibi iki olası anahtarlama konumu sağlar.      Eğer cisim tam olarak anahtarlama noktasında olursa, çıkışın iki anahtarlama konumu arasında gidip-gelme tehlikesi olacaktır. Bu, elektronik olarak üretilen kesin olarak belirlenmiş bir histerisis tarafından önlenir. Programlama aşaması çoğu siviçte değerlendirme aşamasına bağlanmıştır. Bir siviçte normalde açık veya normalde kapalı anahtarlama fonksiyonu vardır

Ayrıca gerilimin ilk uygulanışında yanlış bir sinyal almamak için gereken önlem alınmalı ve doğru çalışma garanti edilmelidir.

Kontaksız yarıiletken siviç, çıkış sinyalinin anahtarlanması için piyasadaki en yaygın çözüm olmuştur. Ömür, açma kapama sayısı, çalışma frekansı ve kontak kayıpları açısından mekanik siviçlere karşı önemli avantajları vardır.

Önemsiz dezavantajları olan; açık konumundaki kaçak akım, kapalı konumundaki gerilim düşümü ile aşırı gerilim ve akıma karşı hassasiyetleri tolere edilebilir ve uygun koruma yöntemleri ile önlenebilir. Kullanılan yarı iletken anahtar tipleri : transistör, tristör ve triyaktır

YAPILARI VE MONTAJI

Endüstride kullanılan indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları sıklıkla zor çevre koşulları ile karşılaşırlar. Bu nedenle, sensörlerin güvenle çalışabilmeleri sıcaklık, soğuk, toz, vibrasyon, nem, aşındırıcı sıvılar ve gazlar gibi çevre etkilerine karşı alınan önlemlere bağlıdır. Dolayısıyla bu tür çevre koşullarına dayanıklı muhafaza içine yerleştirilmeleri gerekir. Kural olarak, muhafaza için kullanılan malzeme yüksek kimyasal dayanımı ve yüksek yalıtkanlık kalitesi olan cam elyafı ile kuvvetlendirilmiş plastiktir. Vidalı tiplere sıklıkla bağlantı ve montaj için muhafazayı güçlendiren bir metal ceket ( nikel kaplı pirinç ) giydirilmiştir.

Bugün üretilen ve kullanılan yaklaşım anahtarlarının büyük bir yüzdesi ya mekanik siviç yerine doğrudan bağlanabilecek bir yapıya sahip yada CENELEC adı verilen uluslararası bir standarda uygun olan özel yaklaşım anahtarı tasarımı yapı şekilleridir. Diğerlerinin yanında bu, aynı çalışma ilkesine sahip fakat geleneksel anlamda yaklaşım anahtarı olmayan yarık sensör veya yüksük sensörleri de içerir.

Bir yaklaşım anahtarının sinyal işleme devresi ve ana sensörü, ya elektronik elemanlarla geleneksel baskılı devre üzerinde yada yüzeye monte edilen elemanlarla (SMD) esnek veya seramik taşıyıcı üzerinde oluşturulmuştur. Elektronik devre muhafaza içine yerleştirildikten sonra yaklaşım anahtarının tüm işlevleri test edilir ve geride kalan tüm boş1uk reçine ile doldurulur. Reçine doldurulduktan sonra muhafaza mekanik olarak daha dayanıklı olur, elektronik devreyi vibrasyona karşı korur, toz ve nem girişini önler. Bu önlemler aşırı çevre koşullarında emniyetli çalışmayı garantiler.

 

Kapasitif yaklaşım anahtarlarında, malzeme katsayısı sensör ucundaki kapasitörün değer değişimine bağlıdır. Bu kapasite ne kadar çok değişirse malzeme o kadar kolay algılanır. Bu nedenle düzeltme katsayısı doğrudan doğruya malzemenin bağıl dielektrik katsayısına bağlıdır . Şekilde metaller gibi iletken malzemeler dikkate alınmamıştır. İletkenlerin düzeltme katsayıları her zaman 1′ dir, yani olası en büyük algılama mesafesine ulaşılır.

 

MONTAJ

İndüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarlarının çalışma ilkesi manyetik veya elektromanyetik alanın sensör ön tarafında biçimlenmesi olayına bağlıdır. Her zaman için bu alanın sadece hedef cisimden etkilenmesi ve siviçe yakın diğer cisimleri algılamaması önlenemez. Yaklaşım anahtarının doğru çalışması için sensör kafa tarafının etrafında algılanabilir malzeme olmamasının garanti edilmesi gerekir. Yani indüktif yaklaşım anahtarlarında bu alanda iletken malzeme olmamalı ve kapasitif yaklaşım anahtarlarında bağıl dielektrik katsayısı yüksek hiçbir malzeme olmamalıdır.

ÇALIŞMA KOŞULLARI

Sensörler normal olarak üretim hatlarındaki makinelerin daha az korunmuş yerlerinde kullanıldıkları için sıcaklık, soğuk, darbe, vibrasyon, toz, nem, kimyasal aşındırıcı sıvılar gibi zor çevre koşullarına doğrudan maruz kalırlar. Bu nedenle böyle zor koşulların yol açtığı bozukluklara karşı korunmaları gerekir. Üretici firma katalogları sorun olmadan sensörlerin kullanılabileceği çevre koşullarını ve uygulama bilgilerini verir.

Ortam sıcaklığı deyimi yaklaşım anahtarının etrafının sıcaklığı için kullanılır. Genel olarak yaklaşım anahtarları için izin verilen ortam sıcaklığı – 25 ile + 80 oC arasıdır. Bu sınırlar dışına taşan kısa süreli küçük değişimler siviç tarafından tolere edilebilir.

Yaklaşım anahtarlarında hareketli hiçbir parça yoktur ve tümüyle reçine ile doldurulmuştur. Bu nedenle tüm darbelere ve vibrasyona karşı aşırı bir dayanımı vardır. Yer çekiminin (g) neden olduğu ivmenin 30 katı izin verilen maksimum darbe kuvveti ve 1 mm genliğinde 55 Hz. ‘e kadar olan frekanslardaki vibrasyon maksimum vibrasyon kuvveti olarak alınabilir.

YABANCI CİSİMLER VE TOZ

İndüktif yaklaşım anahtarları hiçbir şekilde iletken olmayan malzeme tozu birikiminden etkilenmez. Hatta girdap akimi kayıplarına yol açan küçük metal kıymıkları bile siviçin hatalı çalışmasına neden olmaz. Kapasitif siviçlerde ise çok küçük toz parçaları bile hatalı çalışmaya neden olabilir. Bu nedenle toz ve nemin etkisini kompanze eden kompanzasyon elektrotu bulunan sensörler vardır. Bu tip kapasitif yaklaşım anahtarları çok fazla kirlenmenin olduğu yerlerde de kullanılmaya uygundur.

Uluslararası Standart (EN 40050) elektrikli araçların koruma derecesini tanımlamakta kullanılır ve yaklaşım anahtarı üreticisi firmalar bu standarda göre siviçlerin koruma sınıfını belirler (örneğin IP 67). IP “International Protection”in (Uluslararası Koruma) kısaltmasıdır. ilk rakam yabancı cisimlerin girişine ve temasına karşı koruma derecesini gösterir. Örneğin 6 rakamı, en ince tozun girişine ve tümüyle temasa karşı koruma anlamındadır. Koruma sınıfı tanımlama yöntemi IP ‘nin ikinci rakamı, siviçin ne derecede sulu bir ortamda çalışabileceğini gösterir.

NEM VE SU

Yukarıda sözü edildiği gibi indüktif yaklaşım anahtarının algılama işlevi su, nem, sis veya buhardan etkilenmez. Öte yandan kapasitif yaklaşım anahtarı suyun yüksek di elektrik katsayısı nedeni ile su ve tüm su içeren cisimleri algılar. Sadece kompanzasyon elektrotu bulunan tipler, çalışmalarında sorun olmadan bir film şeklinde nem yoğuşmasını kompanze edebilir.              Bununla birlikte emniyet acısından Yaklaşım anahtarının nem girişine karşı ne derecede korunduğu önemlidir. Bu, koruma sınıfı tanımlama yöntemi IP’ nin ikinci rakamında gösterilir. örneğin; 7 rakamı, 30 dakika süreyle 1 m derinliğindeki su içerisine yaklaşım anahtarı daldırıldığında zarar verecek miktarda suyun siviçe giremeyeceğini gösterir.

Genellikle yaklaşım anahtarları elektrik bağlantı şekillerine (kablolu, soketli, terminal bağlantılı) bağlı olarak IP65 ve IP67 koruma sınıfında olurlar.

KİMYASAL ETKİLER

Katı, sıvı veya gaz biçimindeki kimyasal maddelerin yaklaşım anahtarının içinde bulunduğu ortamı etkilediği her yerde siviç muhafazası ve kablosunun bu maddelere karşı yeterince dirençli olup olmadığının çok iyi bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. Çok yaygın olan cam elyafı ile güçlendirilmiş plastik ve metal ceketle kaplanmış tipler bile kimyasal maddelerden etkilenmiş ortamlarda kullanılmaya uygundur. Özellikle zor koşullardaki uygulamalar için korozyona dayanımlı paslanmaz çelik veya teflon özel muhafazalar da vardır.

ELEKTROMANYETİK ETKİLER

Yaklaşım anahtarlarının kullanıldığı endüstriyel ortamlarda, elektromanyetik etkiler değişebilir ve yüksek enerji seviyelerinde olabilir. Örneğin; radyo vericileri, enerjideki anahtarlama işlemleri indüktif yükleri anahtarlama veya yıldırım. Radyo dalgalarının dalga boyu ile karşılaştırıldığında sensörün küçük boyutları nedeni ile bu tür periyodik etki çok az bir tehlike oluşturur. kısa süreli geçici etkiler yaklaşım anahtarlarına yüksek bağışıklık veren devreler yardımı ile süzülebilir. Etkinin olabileceği diğer bir noktada kablodur. Eğer siviç kablosu uygun bir şekilde çekilmemiş ise kablo, radyo dalgalarını alan bir anten gibi davranabilir veya kendisine paralel çekilen diğer kablolardaki geçici gürültüleri kapabilir. Bu durumda süzücü devreler kullanılabilir.

Çoğu diğer tip sensörlerle karşılaştırıldığında indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları ses ve ışıktan etkilenmez.

UYGULAMALAR

İki kapasitif yaklaşım anahtarı ile silo seviye kontrolü

 

Rollar üzerindeki cam plakayı algılayan bir kapasitif yaklaşım anahtarı

 

İki kapasitif yaklaşım anahtarı PVC cidarların arkasından tank seviyesini algılar ve kontrol eder

 

Kapasitif yaklaşım anahtarı ile siloda dolum kontrolü

 

Kapasitif yaklaşım anahtarı ile seviye kontrolü

 

 

Yazar Lacka - Sevgi Girgin

İTÜ - Denizcilik Fakültesi - Gemi Makineleri İşletme Mühendisliği

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Donatan Ve Donanma İştirakı

Temel Devrelerin Karmaşık Sayılarla Çözümü