Τι ονομάζουμε αισθητήρα (sensor)

Η αυτοματοποίηση των βιομηχανικών εγκαταστάσεων απαιτεί αντίστοιχα και συγκεκριμένες συσκευές που να υποκαθιστούν τις λειτουργίες που παραδοσιακά εκτελεί ο χειριστής κατά τις αλλαγές δράσης ή λειτουργίας.
Το ρόλο αυτό διαδραματίζουν οι αισθητήρες, οι οποίοι παρουσιάζουν μια ολοένα και μεγαλύτερη ποικιλία εξαιτίας της προόδου και της τελειοποίησης των αυτοματισμών.



Οι αισθητήρες εξυπηρετούν μια σειρά λειτουργιών ζωτικής σημασίας στις αυτοματοποιημένες εγκαταστάσεις οι οποίες είναι:
Παρακολούθηση του κύκλου λειτουργίας, προκειμένου να διευκολύνεται ο συγχρονισμός των διαφόρων σταδίων λειτουργίας του.
Αναγνώριση των διαφόρων εξαρτημάτων, ώστε να ενημερώνεται κατάλληλα το σύστημα ελέγχου και πληροφόρησης.
Επίβλεψη της πορείας της διαδικασίας σε πραγματικό χρόνο, ενημερώνοντας παράλληλα το σύστημα ελέγχου για οποιαδήποτε επείγουσα ανάγκη ή κατάσταση μη ομαλής λειτουργίας, προκειμένου να επιληφθεί αυτό του εκάστοτε προβλήματος.
Επίβλεψη της ενεργοποίησης των συστημάτων ασφαλείας των μηχανών, των εγκαταστάσεων, κ.α., όποτε παρουσιαστεί η πιθανότητα πρόκλησης ατυχημάτων. Ουσιαστικά, ανιχνεύονται οι καταστάσεις πιθανού κινδύνου για το προσωπικό, και αυξάνεται η ασφάλεια των εγκαταστάσεων.

Ως αισθητήρας νοείται ο μηχανισμός εκείνος που είναι ικανός να μετατρέπει κάποιο φυσικό μέγεθος (πίεση, θερμοκρασία, ταχύτητα, κ.α.) σε ένα άμεσα χρησιμοποιήσιμο από εμάς ηλεκτρικό σήμα, και ως μετατροπέας το στοιχείο που έχει τη δυνατότητα να συλλαμβάνει την οποιαδήποτε μεταβολή ενός φυσικού μεγέθους και να τη μετατρέπει σε ένα άλλο, διαφορετικό μέγεθος. Επομένως ο μετατροπέας αποτελεί κομμάτι του αισθητήρα. Εννοούμε ως μετατροπέα κάθε στοιχείο ικανό να μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε μία άλλη. Για παράδειγμα, μία γεννήτρια παραγωγής ρεύματος σε έναν υδροηλεκτρικό σταθμό είναι ένας μετατροπέας, αφού μετατρέπει το ενεργειακό δυναμικό της ορμής του νερού σε ηλεκτρική ενέργεια.

Επειδή υπάρχουν έξι είδη σημάτων θα λάβουμε ως δεδομένο ότι υπάρχουν αντίστοιχα έξι διαφορετικοί τύποι μετατροπέων, οι οποίοι μετασχηματίζουν κάποιο από αυτά τα είδη σημάτων σε ένα άλλο.

Τα έξι διαφορετικά είδη σημάτων είναι:
Μηχανικά.
Θερμικά.
Μαγνητικά.
Ηλεκτρικά.
Οπτικά.
Μοριακά ή χημικά.

ΤΥΠΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ.

Αρχικά, θα τους ταξινομήσουμε αναλόγως με το είδος του σήματος εξόδου. Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό, ταξινομούνται σε:
Αναλογικοί.
Ψηφιακοί.

Στους αναλογικούς το σήμα εξόδου ποικίλει σε πλάτος ανάλογα με τη μεταβολή του μετρούμενου μεγέθους. Στους ψηφιακούς, το σήμα εξόδου έχει τη μορφή διακριτών βημάτων.

Κατά δεύτερο λόγο, μπορούμε να ταξινομήσουμε τους αισθητήρες αναλόγως με τη μέθοδο λειτουργίας τους. Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό μπορούν να είναι:
Εκτροπής.
Σύγκρισης.

Στους αισθητήρες εκτροπής το φυσικό μέγεθος που μεταβάλλεται προκαλεί στον αισθητήρα μία παρόμοια, αλλά αντίθετη στο όργανο επίδραση, που δίναται να συσχετιστεί με κάποια ωφέλιμη μεταβλητή. Στους αισθητήρες σύγκρισης, το φυσικό μέγεθος που μεταβάλλεται προκαλεί μία επίδραση στον αισθητήρα η οποία, συγκρινόμενη με κάποιο πρότυπο, αποστέλλει τη μεταβολή της μεταβλητής.

Τέλος, θα τους ταξινομήσουμε ανάλογα με το αν πρέπει να εφαρμόσουμε σε αυτούς μια εξωτερική πηγή ενέργειας ή αν παράγουν από μόνοι τους την ενέργεια του σήματος, δηλαδή σε διαμορφωτές και σε γεννήτριες.

Οι πρώτοι χρειάζονται παροχή ενέργειας από μια εξωτερική πηγή τροφοδοσίας, η οποία παράγει το σήμα εξόδου κατά τέτοιον τρόπο ώστε το μόνο που απομένει στον αισθητήρα είναι να ρυθμίσει τη συγκεκριμένη πηγή. Οι δεύτεροι παράγουν το σήμα εξόδου, χωρίς να είναι αναγκαία η τροφοδότησή τους από κάποια εξωτερική πηγή ενέργειας.

Επίσης είναι αναγκαίο να υπάρχει η προσαρμογή σήματος, αφού το σήμα που εκπέμπει ο αισθητήρας μπορεί να μην είναι χρήσιμο για το αυτοματοποιημένο σύστημα που θέλουμε, καθώς συχνά εμφανίζεται με διαφορετική μορφή από εκείνην που μπορεί να αναγνωρίσει το στοιχείο μας. Γι’ αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η εφαρμογή στοιχείων που να μπορούν να ενισχύουν, να φιλτράρουν ή να αποδιαμορφώνουν τα σήματα που εκπέμπει ο αισθητήρας.

ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ.

Τα κριτήρια για την επιλογή των κατάλληλων αισθητήρων εξαρτώνται από τους ακόλουθους παράγοντες.
Τι μέγεθος μετράμε.
Τις ανάγκες του σήματος εξόδου.
Την τροφοδοσία ισχύος που μπορούμε να παρέχουμε στον αισθητήρα.
Τη θέση του αισθητήρα.

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ.

Η πιο συνηθισμένη μέθοδος μέτρησης αυτού μεγέθους είναι μέσω διμεταλλικών ελασμάτων. Τα διμεταλλικά ελάσματα αποτελούνται από δύο διαφορετικά μεταλλικά στοιχεία που συγκολλούνται μεταξύ τους. Ανάλογα με την θερμοκρασία στην οποία υποβάλλεται το έλασμα και με τη βοήθεια ενός αισθητήρα μετατόπισης ή θέσης, θα πάρουμε ένα τελικό σήμα που θα είναι αντίστοιχο των διάφορων ακτίνων καμπυλότητας των διμεταλλικών όπως φαίνεται παρακάτω:

Ένα παράδειγμα μετατροπέα θερμοκρασίας είναι ο διμεταλλικός θερμοστάτης.

Τοποθετείται πάνω σε μία πλάκα που αποτελείται από δύο μέταλλα με διαφορετικό συντελεστή διαστολής, η οποία καμπυλώνεται με το που θα αυξηθεί η θερμοκρασία ώσπου να επιτευχθεί η επαφή.

Χρησιμοποιούνται μέσα σε ερμάρια ή προσαρμοσμένοι απευθείας σε μετασχηματιστές, κινητήρες, γεννήτριες, κ.α..

Ένα άλλο παράδειγμα είναι ο θερμοστάτης τριχοειδούς σωλήνα όπως φαίνεται παρακάτω:

Η λειτουργία του είναι η εξής: Με το που θα διαφοροποιηθεί η θερμοκρασία εκμεταλλεύονται τις διακυμάνσεις πίεσης ενός υγρού που περιέχεται σε έναν λεπτό σωλήνα. Η διακύμνση της πίεσης ενεργεί μέσω ενός κυματοειδούς σωλήνα επί ενός ηλεκτρικού διακόπτη ο οποίος ενεργοποιείται ανάλογα με την αύξηση ή πτώση της θερμοκρασίας.

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΠΙΕΣΗΣ.

Η πίεση μπορεί να μετρηθεί με διάφορους τρόπους, είτε μέσω της σύγκρισής της με κάποια γνωστή τιμή δύναμης, αφού η πίεση αποτελεί μορφή δύναμης επί μονάδας επιφάνειας, είτε πάλι μέσω της παραμόρφωσης που αυτή προκαλεί σε κάποιο ελαστικό στοιχείο.

Ο πρώτος τρόπος είναι απλός: Τοποθετούμε ένα σωλήνα σχήματος U όπως φαίνεται παρακάτω:

Στο συγκεκριμένο σωλήνα υφίσταται μία τιμή πίεσης αναφοράς η ατμοσφαιρική (Pref), και εφαρμόζουμε διαφορετική πίεση στο άλλο στόμιο του σωλήνα, επομένως θα σημειωθεί διαφορά στάθμης στο υγρό.

 Η συγκεκριμένη διαφορά στάθμης αφού διαφοροποιηθεί όπως πρέπει μέσω κάποιου κατάλληλου αισθητήρα θα μετραταπεί σε ηλεκτρικό σήμα χρήσιμο για τη μέτρηση της πίεσης.

Ο δεύτερος τρόπος μέτρησης επιτυγχάνεται μέσω μιας αγκιστρωμένης στο χείλος μεμβράνης, επί της οποίας η πίεση προκαλεί μία παραμόρφωση που μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα με τη βοήθεια ενός αισθητήρα μετατόπισης όπως φαίνεται παρακάτω:

Παραδείγματα του μετατροπέα πίεσης είναι τα παρακάτω:

Ο πιεσοστάτης μεμβράνης ενεργοποιείται λόγω των διακυμάνσεων πίεσης σε ένα υδραυλικό ή πνευματικό κύκλωμα, εκπέμποντας την παραμόρφωση της μεμβράνης σε ένα έμβολο που μετατοπίζει επαφές.

Ο πιεσοστάτης σωληνοειδούς ελατηρίου λειτουργεί βάση ενός κυματοειδούς σωλήνα (μεταλλικό ελατήριο) επί της ηλεκτρικής επαφής του πιεσοστάτη, ο οποίος κλείνει ή ανοίγει κυκλώματα αναλόγως εάν αυξάνεται ή μειώνεται η πίεση.

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΡΟΗΣ ΚΑΙ ΠΑΡΟΧΗΣ.

Εννοούμε ροή κίνησης ενός υγρού μέσα σε έναν αγωγό παροχής την ποσότητα της ύλης που ρέει ανά μονάδα χρόνου.

Τα περισσότερα ροόμετρα βασίζονται σε μετρήσεις άλλων μεγεθών που στην πλειοψηφία των περιπτώσεων είναι ή πίεση.

Ένας τρόπος μέτρησης της ροής είναι το περιστρεφόμετρο καθώς με την αύξηση της ροής, ο πλωτήρας ανεβαίνει σε υψηλότερο επίπεδο προκειμένου να εξισορροπήσει τις πιέσεις. Η μέτρηση της στάθμης αυτής μέσω αισθητήρων θέσης ή μέσω άλλων αισθητήρων, μας δίνει τη μέτρηση της παροχής.

Ένας άλλος τρόπος μέτρησης της παροχής είναι μέσω υπερήχων, τοποθετώντας δύο αισθητήρες υπερήχων σε συγκεκριμένη απόσταση μεταξύ τους και σε γωνία κλίσης ως προς τον άξονα του αγωγού.

 Οι αισθητήρες αυτοί εκπέμπουν ένα κύμα από το σημείο Α στο Β, το οποίο καθυστερεί κάποιο χρόνο Τ προκειμένου να διατρέξει την απόσταση, παραχωρώντας το πλεονέκτημα στο υγρό. Στη συνέχεια, ο αισθητήρας Β εκπέμπει ένα κύμα προς τον Α, το οποίο αντίστοιχα καθυστερεί ένα χρόνο Τ στο να διατρέξει την απόσταση, ανάλογα με την ταχύτητα του υγρού που αυτή τη φορά έχει το μειονέκτημα.
 Η σύγκριση των δύο αυτών χρόνων μας επιτρέπει να υπολογίσουμε την ταχύτητα του υγρού στο σωλήνα, γνωρίζοντας ήδη την διατομή του αγωγού καθώς και την παροχή μετατρέποντας με αυτόν τον τρόπο τις ενδείξεις σε ωφέλιμο για τη μέτρηση ηλεκτρικό σήμα.


ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΤΑΘΜΗΣ.

Ένας τρόπος μέτρησης στάθμης είναι με την εκπομπή ενός ηχητικού σήματος το οποίο στη συνέχεια γίνεται αντιληπτό από την επιφάνεια του υγρού και στη συνέχεια επαναπροσλαμβάνεται απο τον αισθητήρα, ο οποίος υπολογίζει το χρόνο επιστροφής του σήματος και επομένως τη στάθμη.

Ενας ξεχωριστός αισθητήρας που βλέπει προς τα κάτω μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές με πολύ αεριούχα υγρά ή αναβρασμό.

Ο αισθητήρας αυτός μετράει την στάθμη μεταδίδοντας παλμούς υπερήχων μέσω του αέρα στην επιφάνεια του υγρού με ακρίβεια ±0.25%. Μαζί με τον αισθητήρα στάθμης , ένας υποβρύχιος αισθητήρας ταχύτητας Doppler χρησιμοποιείται για την μέτρηση ταχύτητας του νερού.