בחירת חיישן - איך בוחרים חיישן?


 

 

 

איך בוחרים חיישן? - הסבר על חיישנים, הנחיות וטיפים לבחירת חיישנים

 

 

רקע כללי

 

חיישן הוא רכיב הממיר ערכים פיזיקליים לאותות חשמליים או לתנועה מכנית. כמעט בכל מערכת אלקטרומכנית ובכל רובוט קיימים חיישנים והם חלק בלתי נפרד מהמכונה או הרובוט. החיישנים מאפשרים לרובוט או למכונה ל"הרגיש" ו"לחוש" תנאים פיזיים מסויימים ובאמצעות מערכת בקרה הרובוט או המכונה ידעו לבצע פעולות בהתאם למה שהחיישנים חשים.

גוף האדם למשל עמוס בחיישנים. חיישני ריח, חיישני טמפרטורה, חיישני אור, חיישני לחץ, חיישני מגע, חיישני איזון, חיישני קול ועוד. החיישנים מרגישים, כל אחד בתחומו, את הנתונים הפיזיקליים (חום,קור,ריח,רעש,מגע,צליל ועוד) ומתרגמים את הנתונים הללו לאותות חשמליים שעוברים דרך מערכת העצבים אל המוח. שם המוח מנתח את המידע שמתקבל ושולח פקודות לשאר האיברים בגוף בהתאם:

כשחם מדי – הגוף מתחיל להזיע, כשקר מדי – הגוף מבצע רעידות קטנות (צמרמורות) על מנת להעלות את הטמפרטורה של הגוף ועוד.

 

אותו עיקרון פועל גם בתחום המכונות או הרובוטיקה. חיישנים מגלים תנועה של עצם מסויים, מרחק של הרובוט מעצם אחר, זרמים במנועים או טמפרטורה הסביבה. כל אלה מתורגמים באמצעות החיישנים לאותו חשמליים שנשלחים דרך החיווט אל מערכת הבקרה של המכונה או הרובוט. במערכת הבקרה של המכונה או הרובוט מתבצע ניתוח של האותו שמגיעים מהחיישן ונשלחות פקודות לשאר חלקי המכונה או הרובוט:

כשחם מדי – המאוורר מתחיל לפעול, כשקרובים מדי – המנועים נעצרים וכו'.

 

דוגמא לחיישן מכני הוא המדחום הפשוט – צינור זכוכית המכיל כספית בתוכו. שינוי בטמפרטורה של הסביבה גורם לשינוי בטמפרטורה של הכספית בתוך הצינור ובהתאם גורם לשינוי בנפח שלה. כאשר הנפח משתנה, משתנה גם מפלס הכספית ובאמצעות שנתות שמסומנות על גבי צינור הזכוכית ניתן לדעת מהי הטמפרטורה.

 

 

מד טמפרטורה מדחום

Foto (CC) by Andres Rueda

 

כמעט לכל ערך פיזיקלי קיים חיישן המסוגל למדוד אותו. חלקם פשוטים וזולים וחלקם מורכבים ויקרים מאוד.

קיימים שני סוגים של חיישנים: חיישנים אקטיביים וחיישנים פסיביים.

 

חיישנים פסיביים הם חיישנים אשר מודדים ערכים פיזיקליים קיימים (לדוגמא: טמפרטורה, קרינה, צליל ועוד).

 

אנימציית חיישנים פסיביים

 

חיישנים אקטיביים הם חיישנים אשר פולטים אנרגיה וקולטים את ההחזר שלה (חיישני מרחק, לייזרים, חיישני מיקום ועוד).

 

אנימציית חיישנים אקטיביים

 

 

 

 

מבנה חיישן כללי

 

רב החיישנים מבוססים על אלמנטים חשמליים פשוטים המשנים את הערכים שלהם בעקבות השינויים הפיזיקליים אותם החיישן מודד. לדוגמא, נגד שעשוי מחומר מיוחד שמשנה התנגדות בעקבות שינוי טמפרטורה, מד עיבורים שמשנה גם הוא את ההתנגדות בעקבות לחץ או כוח שמופעל עליו ועוד.

 

כמעט לכל החיישנים האלקטרוניים יש לספק מתח הזנה (מתח אקסיטציה - Excitation voltage). באמצעות מתח זה החיישן יוכל לתפקד ולשלוח את המידע החשמלי הלאה למערכת הבקרה.

לדוגמא, לחיישן לחץ מספקים מתח אקסיטציה של 10V. כעת, כל שינוי בלחץ יגרום לשינוי במתח המתקבל מהחיישן. כאשר אין לחץ נקבל מתח של 0V וכאשר החיישן מרגיש את הלחץ המקסימלי שהוא מסוגל להרגיש נקבל 10V.

 

 

מבנה של חיישנים אקטיביים הוא יותר מורכב ומכיל מערכת חשמלית האחראית על פליטת האנרגיה. לדוגמא, בחיישן מרחק מבוסס לייזר, ישנה מערכת שמחוללת את הלייזר ומשדרת אותו כלפי חוץ. בצמוד למערכת הזו ישנה עוד מערכת שתפקידה לקלוט את ההחזרים של הלייזר. מערכת חשמלית שלישית בחיישן הזה היא מערכת התזמון שאחראית למדוד כמה זמן לקח להחזרי הלייזר לחזור מרגע השידור ועד רגע הקליטה. ניתוח של הזמן שלקח להחזרים להיקלט ולזווית שלהם נותנת את המרחק של החיישן מגוף כלשהו.

 

 

 

מאפיינים של חיישנים

לכל חיישן, לא משנה מה הוא מודד, ישנם מאפיינים המתארים את איכות המדידה שלו.

 

 

דיוק (Accuracy)

 

דיוק היא מאפיין המתאר את היכולת של חיישן לתת תוצאות מדידה קרובות ככל הניתן לערך האמיתי אותו מודדים.

לדוגמא, כאשר הטמפרטורה הנמדדת היא 100°C, חיישן בעל דיוק של ±1°C יציג תוצאה שבין 99°C ל-101°C.

הדיוק נמדד על סמך שני סוגי שגיאות: שגיאות אבסולוטיות ושגיאות יחסיות:

שגיאה אבסולוטית = תוצאת מדידה – ערך אמיתי

שגיאה יחסית = שגיאה אבסולוטית / ערך אמיתי

 

 

רזולוציה (Discrimination / Resolution)

 

רזולוציה של חיישן היא מאפיין המתאר את היכולת של החיישן לקלוט את השינוי הקטן ביותר בערך הנמדד.

לדוגמא, חיישן טמפרטורה בעל רזולוציה של 0.2°C יזהה את הטמפרטורה 100.0°C ואת הטמפרטורה 100.2°C אך את הטמפרטורה 100.1°C הוא יפספס ויציג או 100.0°C או 100.2°C.

 

 

חזרתיות (Precision)

 

חזרתיות של חיישן היא מאפיין המתאר את היכולת של החיישן לתת אותה תוצאה במספר רב של מדידות של אותו ערך.

לדוגמא, כוח של 100kN מופעל על חיישן כוח. החיישן מבצע 100 מדידות של הכוח וב-60 מהמדידות התקבל ערך של 100kN. כלומר, 60% מהפעמים שהחיישן ביצע מדידה, הוא מדד את הערך בצורה נכונה.

חזרתיות אינה מרמזת על דיוק. חיישן יכול לתת תוצאת מדידה לא מדוייקת שוב ושוב. זהו חיישן לא מדוייק אך עם חזרתיות גבוהה.

 

 

 

שגיאות (Errors)

 

שגיאות היא מאפיין של המדידה (לא של החיישן). ההגדרה של שגיאה היא כמה הערך הנמדד רחוק מהערך האמיתי. שגיאות מתחלקות לשני סוגים:

 

שגיאות קבועות (Systematic Errors) – שגיאה שמתרחשת תמיד באותו אופן ובאותו ערך. לא משנה כמה מדידות נבצע, שגיאה קבועה תמיד תופיע בכל מדידה ומדידה.

שגיאות קבועות מושפעות מתנאי סביבה המשפיעים על המדידה, שינוי ידוע במאפייני החומר הנמדד או ביצועי החיישן (Drift), טעות קבועה בביצוע מדידות עם החיישן, טעויות אנוש.

ניתן להתגבר על טעויות קבועות ע"י שימוש במפצים (Compensation) – פקטורים המוכפלים במשוואת המתמטית של החיישן, חיזוק נהלי עבודה עם החיישן, מסננים ומשוב לבדיקת הסיגנלים ועוד.

 

שגיאות אקראיות (Random Errors) – שגיאה המתרחשת בצורה אקראית ולא ניתן להגדיר חוקיות בתדירות השגיאות. שם נוסף לשגיאות אלה הוא רעש (Noise). שגיאות אקראיות מושפעות משינויים בלתי ידועים בערך הנמדד (לדוגמא, חספוס של משטח הוא אקראי), רעשי רקע (לדוגמא, מיקרופון הקולט רעשי רקע מהסביבה), רעשי שידור (לדוגמא, המהום שמתקבל בתדרי 60Hz).

המדד שמגדיר את רעשי הרקע נקרא יחס אות-רעש (SNR – Signal Noise Ratio). מומלץ שבמדידות חיישנים, ערך זה יהיה גדול מאוד מ-1: SNR >>1.

 

דיוק, חזרתיות ושגיאות חיישנים

 

זחילה (Drift)

 

זחילה של חיישן היא מאפיין המתאר את השינוי בתוצאות שהחיישן מציג לאורך זמן. זחילה היא פונקציה של זמן השימוש בחיישן.

לדוגמא, חיישן כוח שמבצע מדידה בפעם הראשונה מודד ערך של 100kN. לאחר יום הוא מבצע מדידה נוספת גם של 100kN. אך לאחר שנתיים של מדידות רצופות ויומיומיות החיישן יראה מדידה של 102kN. כלומר, נתון הזחילה של החיישן הוא 1kN לשנה (או יותר נכון 1kN ל-365 מדידות).

 

 

 

יציבות (Stability)

 

יציבות של חיישן היא מאפיין הדומה מאוד למאפיין הזחילה.

 

 

רגישות (Sensitivity)

 

רגישות חיישן היא מאפיין המתאר את השיפוע של עקומת הכיול של החיישן נוסחת רגישות חיישנים . לכל חיישן ישנה עקומת כיול המתארת את הקשר בין הערך הנמדד x לבין התוצאה שהחיישן מציג y. ככל שרגישות החיישן תהיה גבוהה יותר כך השיפוע יהיה גבוה יותר.

חיישן אידיאלי יהיה חיישן בעל עקומת כיול ישרה (לינארי) לחלוטין ושיפוע גבוה מאוד.

 

 

לינאריות (Linearity)

 

לינאריות של חיישן היא מאפיין המתאר כמה קרובה עקומת הכיול נוסחת לינאריות חיישנים של החיישן לקו ישר.

לרב נתון זה מצויין באחוזים. לדוגמא, ±1% Full Scale או ±1% Reading

 

 

זיכרון (Hystheresis / Backlash)

 

זיכרון של חיישן הוא מאפיין המתאר את היכולת של החיישן לחזור ולבצע את אותה מדידה לאחר שביצע מדידה אחרת.

לדוגמא, אנקודר שמחבור לציר שמסתובב מראה נתון של 1000 פולסים כאשר הציר מסובב בזווית של 0°. כאשר הציר מסובב לזווית של 90° האנקודר מראה נתון של 2000 פולסים. לאחר מכן, מחזירים את הציר לזווית של 0°. אם האנקודר יראה שוב את הנתון 1000 פולסים ניתן להגדיר אותו כחיישן בעל Hystheresis = 0 או Backlash = 0.

 

 

טווח (Range)

 

טווח של חיישן הוא מאפיין המתאר את הערך המינימלי ואת הערך המקסימלי אותו החיישן יכול למדוד.

לדוגמא, חיישן לחץ שטווח הקליטה שלו הוא 10-200 [bar] יקלוט רק לחצים שבין הערכים הללו. אם יופעלו 220bar על החיישן, הוא לא יזהה את הלחץ או יציג תוצאות מאוד לא מדוייקות (ואף יכול להינזק).

 

 

זמן תגובה (Response Time)

 

זמן תגובה של חיישן הוא מאפיין המגדיר כמה זמן לקח לחיישן להציג את התוצאה מרגע ביצוע המדידה. חיישנים מהירים הם חיישנים עם זמן תגובה קצר המציגים כמעט באופן מיידי (לא מורגש) את התוצאה כאשר מתבצעת המדידה. ישנם חיישנים עם זמן תגובה ארוך יותר אשר מרגע ביצוע המדידה ועד להצגת התוצאה עובר זמן ארוך יותר.

 

 

מתח הזנה (Excitation Voltage)

 

מתח הזנה של חיישן הוא מאפיין המגדיר מהו המתח הדרוש להפעיל את החיישן בצורה תקינה.

 

 

 

 

סוגי חיישנים

 

כמעט לכל ערך פיזיקלי קיים חיישן המסוגל למדוד אותו. את החיישנים ניתן לסווג למספר קבוצות:

 

חיישנים אקוסטיים, קול ותנודות

 

 

מיקרופון (Microphone)

 

חיישן שממיר קול למתח.

 

חיישן קול מיקרופון

 

החיישן בנוי מגוף שנע כאשר גלי הקול פוגעים בו. התנודה של הגוף גורמת לשינוי בערכים חשמליים (שדה אלקטרומגנטי או קיבול). את השינוי בערכים החשמליים מתרגמים לרמות מתח ונוצר קשר בין גלי הקול לבין רמות המתח שהחיישן מפיק.

 

 

המיקרופון מבוסס על מספר טכנולוגיות: מיקרופון דינמי (הולכה אלקטרומגנטית), מיקרופון קונדנסר (שינוי קיבול), מיקרופון פיאזואלקטריק.

 

מיקרופון דינמי

 

עיקרון פעולה ומבנה פנימי של מיקרופון דינמי

 

 

בחיישן זה יש קונוס שמרכז את האנרגיה של גלי הקול שפוגעים בו (כמו בצלחת לווין). האנרגיה המרוכזת מתחילה להניע את הקונוס בתוך שדה מגנטי וזה גורם לשינויים בזרמים ובמתחים של המוליכים.

טכנולוגיה זו לא יודעת להתמודד היטב עם גלי קול בתדר נמוך או גבוה.

 

מיקרופון קונדנסר

 

עיקרון פעולה ומבנה פנימי של מיקרופון קונדנסר

 

 

בחיישן זה קיימת דיאפרגמה ולוחית אחורית שתומכת בה. גלי הקול שפוגעים בדיאפרגמה גורמים לתנודות שלה. התנודות בדיאפרגמה גורמות לשינוי במרחק בינה לבין הלוחית. שינוי המרחק גורם לשינוי בקיבול (הדיאפרגמה והלוחית משמשים כקבל). השינוי בקיבול גורם לשינוי בזרמים וכך מתקבל הקשר בין גלי הקול לרמות המתח.

לכל חיישן קול יש טווח יעיל שבו גלי הקול נקלטים היטב בדיאפרגמה. למשל בתמונה הבאה:

 

 

טווח קליטה של מיקרופון דינמי

© Audiolinks.com

 

חשוב לעיין בדפי המשתמש של כל חיישן על מנת להבין מהו טווח הפעולה שלו ולאיזה כיוון מומלץ לכוון אותו. שילוב של מספר חיישני קול (מערך חיישני קול) יכול לפצות על "שטחים מתים" של החיישן ויכול לספק מידע נוסף לגבי הכיוון ממנו הגיע הקול.

 

 

הידרופון (Hydrophone)

 

הידרופון

By Hannes Grobe, Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research [CC-BY-SA-2.5], via Wikimedia Commons

 

הידרופון הוא חיישן קול שבנוי לעבוד בסביבה תת-מימית. החיישן יכול לזהות גלי קול הנעים בתוך נוזל.

 

 

חיישן אולטראסוני (Ultrasonic Sensor)

 

 

חיישני תנועה, מיקום, זווית, מרחק, מהירות ותאוצה

 

צינור פיטו (Pitot)

 

צינור פיטו וחיישני לחץ

 

צינור פיטו הוא חיישן למדידת לחץ ומהירות זרימה של גז. צינור פיטו משמש למדידת מהירות של כלי טיס ומדידה של מהירות זרימה של גזים בתעשייה.

 

עיקרון פעולה של חיישן צינור פיטו

© www.efunda.com

 

צינור פיטו מופנה נגד כיוון זרימת הגז. כאשר הגז שזורם פוגע בצינור הוא נעצר (רגעית) ונוצר לחץ על פני הצינור שנקרא לחץ סטגנציה (Stagnation Preasure) או הלחץ הטוטאלי (Total Preasure).

באמצעות שימוש במשוואת ברנולי ואם יודעים את נתוני הנוזל (צפיפות ולחץ אטמוספרי) ניתן לחשב את מהירות הנוזל.

 

נוסחת לחץ טוטלי ולחץ סטגנציה

 

או

 

נוסחת מהירות זרימה

 

V – מהירות הגז

Pt – לחץ סטגנציה

Ps – לחץ סטטי

rho – צפיפות הגז

 

כאשר הלחץ הסטטי נמדד בחרירים שממוקמים בניצב לכיוון הזרימה ע"י מנומטר.

 

 

 

 

חיישנים כימיים

 

חיישן עשן (Smoke Sensor / Smoke Detector)

 

חיישן עשן וגלאי עשן

 

 

חיישן עשן הוא חיישן שמגלה עשן כאינדיקציה לשריפה או אש. החיישן נפוץ כמעט בכל משרד או מפעל וגם בבתים פרטיים. החיישן מגלה עשן באמצעים אופטיים או באמצעות יינון של מולקולות.

חיישן המבוסס על אמצעים אופטיים בנוי מלד הפולט אור ורכיב נוסף הקולט את האור. כאשר עשן נכנס לתווך שבין שני הרכיבים, רמת המתח ברכיב שקולט יורדת וכך מתקבלת האינדיקציה לעשן.

 

מבנה פנימי של חיישן עשן

 

חיישן המבוסס על טכנולוגיית יינון מולקולות פועל באמצעות שתי לוחיות המוליכות זרם ביניהן. כאשר מולקולות העשן נכנסות לאזור שבין הלוחות, המטען החשמלי ששורר ביניהן משתנה וכך מתקבלת אינדיקציה לעשן. חיישן זה זול יותר מחיישן עשן אופטי אך נוטה יותר לתקלות ו"אזעקות שווא".

 

 

חיישן גז (Gas Sensor)

חיישני גז חיישן גז

 

חיישן גז הוא חיישן שמודד את הריכוז של הגז אותו מודדים באמצעות אלקטרודות אשר גורמות להורדה בריכוז הגז או בחמצון שלו. זה יוצר תגובה אלקטרוכימית שמייצרת זרמים באלקטרודות. מדידת הזרמים הללו נותנת אינדיקציה לרמות הגז שהחיישן קולט.

לכל גז מותאם חיישן משלו. ניתן למדוד ריכוזי חמצן, מימן, גז בישול וגזים רבים אחרים על ידי שימוש בחיישנים ייעודיים.

 

 

חיישנים חשמליים וחיישנים מגנטיים

 

 

חיישן זרם / אמטר (Ammeter / Current Sensor)

 

חיישן זרם אמטר

Foto (CC) by paulszym

 

חיישן זרם תפקידו למדוד זרם במוליך ומייצר מתח הפרופורציונאלי לזרם הנמדד. החיישן מודד גם זרמי AC וגם זרמי DC.

עיקרון הפעולה של החיישן הוא מדידת זרמי השראה או שדה מגנטי הנגרם על ידי הזרם שזורם בחוט חשמלי. שיטה נוספת למדידה מכנית של הזרם הוא על ידי הצבת גוף מתכתי בתוך סלילים. כאשר הזרם אותו מודדים זורם בסלילים, נוצר שדה מגנטי אשר דוחף או מושך את הגוף המתכתי וכך מתקבלת אינדיקציה ויזואלית לזרם הנמדד.

 

 

חיישן אפקט הול (Hall Effect Sensor)

 

חיישני הול אפקט

 

חיישן אפקט הול הוא חיישן המשנה את מתח היציאה שלו כתוצאה משינויים בשדה מגנטי. טכנולוגיה זו באה לידי ביטוי במדידת קרבה, מיקום, מהירות ומדידת זרמים.

כאשר יודעים את השדה המגנטי הפועל באזור מסויים ומבצעים קריאה של הנתונים שהחיישן מפיק (כלומר, מהי רמת השדה המגנטי שהוא מרגיש), ניתן לחשב את המרחק של החיישן מהשדה המגנטי.

באמצעות תוספת של מעגל חשמלי נוסף, ניתן להפוך את החיישן מאנלוגי לדיסקרטי – ובכך להפוך אותו למפסק אלקטרוני (ON/OFF) שתלוי ברמת שדה מגנטי מסויימת. כלומר, אם המתח שהחיישן מפיק עולה מעבר לרמה מסויימת, החיישן "נדלק".

 

אנימציית חיישנים מגנטיים והול אפקט

 

 

 

רב-מודד / מולטימטר (Multimeter)

 

רב מודד מולטימטר רב מודד שולחני מולטימטר

 

רב-מודד (או מולטימטר) זהו מכשיר המשלב בתוכו מספר חיישנים המודדים ערכים חשמליים שונים כגון: מתח, זרם, התנגדות, קיבול, פולריזציה ועוד.

 

 

חיישן מתח / וולטמטר (Voltage Detector / Voltmeter)

 

חיישן מתח וולטמטר טסטר

 

חיישן מתח הוא חיישן שבודק קיום של מתח חשמלי בנקודה מסויימת במוליך חשמלי. חיישן המתח הפשוט ביותר הוא נורה שמחוברת בטור עם נגד. כאשר קיים מתח במוליך, הנורה נדלקת ומתקבלת אינדיקציה למתח במוליך. חיישנים מורכבים יותר מספקים את הנתון של רמת המתח המדוייקת בנקודה במוליך.

חיישני ניווט והתמצאות וחיישני קרבה

 

 

ג'ירוסקופ (Gyroscope)

 

ג'ירוסקופ

 

ג'ירוסקופ הוא חיישן המשמש למדידת אוריינטציה והתמצאות של גוף במרחב. החיישן בודק את הזווית וקצב שינוי הזווית של הגוף ביחס למישורים השונים.

 

אנימציית ג'ירוסקופ

 

 

 

 

 

 

אינקלינומטר (Inclinometer)

 

אינקלינומטר מד זווית אינקלינומטר מד זווית אינקלינומטר מד זווית זעיר

courtesy of leveldevelopment

 

אינקלינומטר הוא חיישן המודד את זווית המישור של גוף כלשהו ביחס לגרביטציה.

 

אינקלינומטר מד זווית ידני

 

 

טווח לייזר (Laser Rangefinder)

 

חיישן מרחק טווח לייזר
חיישן מרחק טווח לייזר

Foto (CC) by Defence Images

 

טווח לייזר הוא חיישן המודד מרחק ומבוס על טכנולוגייה של שידור קרן לייזר אל עבר מטרה ומדידה של ההחזרים. קיימות מספר שיטות לחישוב המרחק כגון: מדידת הזמן עד לקבלת ההחזר של הקרן מרגע השידור, טריאנגולציה ועוד.

 

 

חיישן מרחק לינארי LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

 

חיישן מרחק לינארי LVDT

Foto (CC) by albiondevices

 

חיישן זה משמש למדידה לינארית של מרחק מוגבל. החיישן מורכב מגליל שבתוכו נמצאים סלילים. בתוך הסליל המרכזי זורם זרם שגורם לשדה מגנטי. בתוך הגליל מונח גליל מתכתי קטן יותר שנע קדימה ואחורה (המרחק שאותו רוצים למדוד). תנועה של הגליל גורמת לשינוי השדה המגנטי בשני הסלילים האחרים ויוצרת מתח שניתן למדוד אותו ובכך לקבל אינדיקציה למרחק שהמוט המרכזי זז.

 

מבנה פנימי ועיקרון פעולה של חיישן מרחק לינארי LVDT

 

החיישן הוא חיישן יחסי, כלומר, הוא מראה את המרחק היחסי שהמוט זז ביחס למרכז החיישן. תזוזה לקצה אחד של החיישן תראה מתח מקסימלי חיובי ותזוזה לקצה השני של החיישן תראה מתח מקסימלי שלילי.

 

רב חיישני ה-LVDT מאופיינים במתחי הזנה של 3V בתדר 2.5kHz ו-6.3V בתדר 60Hz. טווח התנועה שלהם נע מ-125µm ועד 75mm. כמו כן, הרישות מאופיינת ב-0.6-30mV לכל 25µm.

 

 

 

 

חיישן מרחק סיבובי RVDT (Rotary Variable Differential Transformer)

 

חיישן מרחק סיבובי RVDT

© Measurement Specialties

 

חיישן זה משמש למדידה סיבובית של זווית מוגבלת. החיישן דומה בעיקרון הפעולה שלו לחיישן ה-LVDT אך כאן יש שימוש במוט מתכתי שמסובב (כמו במנועים) ולא במוט שמחליק באופן לינארי. סיבוב של המוט גורם לשינויים בשדה המגנטי ועל ידי מדידת המתחים בסלילים האחרים מתקבלת אינדיקציה לזווית שהחיישן זז.

 

עיקרון פעולה של חיישן מרחק סיבובי RVDT

© efunda.com

 

החיישן הוא חיישן יחסי, כלומר, הוא מראה את הזווית היחסית שהמוט זז ביחס למרכז החיישן. תזוזה לקצה אחד של החיישן תראה מתח מקסימלי חיובי ותזוזה לקצה השני של החיישן תראה מתח מקסימלי שלילי.

רב חיישני ה-RVDT יכולים למדוד זוויות בתחום °±30. ישנם חיישנים שמגיעים אף לתחום זוויות של °±60. ככל שהזווית הנמדדת גבוהה יותר כך דיוק החיישן יורד.

 

 

 

פוטנציומטר (Potentiometer)

נגד משתנה סיבובי פוטנציומטר נגד משתנה לינארי פוטנציומטר

 

פוטנציומטר הוא רכיב חשמלי (נגד משתנה) אשר משנה את ההתנגדות שלו בהתאם לתנועת המוליכים שבתוך הפוטנציומטר. הפוטנציומטר יכול לשמש כחיישן למדידה מרחק או זווית בתחום מוגבל.

הפוטנציומטר בנוי מטבעת אשר עליה מורכב מוליך חשמלי שבקצה אחד שלו העובי שלו קטן ובקצה השני שלו העובי גדול. מוליך שלישי נמצא במגע עם המוליך החשמלי הקבוע.

 

מבנה פנימי של נגד משתנה סיבובי פוטנציומטר

 

כאשר מזיזים את המוליך השלישי מקבלים התנגדות המתאימה לנקודה בה המוליך השלישי נמצא.

כאשר המוליך השלישי בקצה אחד של הפוטנציומטר, ההתנגדות תהיה מינימאליות עד אפס. כאשר הוא יובל לקצה השני של הפוטנציומטר, ההתנגדות תהיה מקסימאלית. שינוי ההתנגדות גורם לשינוי של המתח המופק מהפוטנציומטר וכך ניתן לדעת באיזו זווית הפוטנציומטר מסובב.

 

סכימה חשמלית של חיבור נגד משתנה פוטנציומטר

 

פוטנציומטר למדידה של מרחק ליניארי נקרא String Potentiometer ובנוי מפוטנציומטר סיבובי שלציר הסיבוב שלו קשור קפיץ או חוט גמיש הנמשך וכך נמדד המרחק הליניארי.

 

נגד לינארי מבוסס חוט משיכה

© www.efunda.com

 

קיימים פוטנציומטרים ליניאריים (יחס ישר בין הסיבוב למתח המוצא) ופוטנציומטרים לוגריתמיים (יחס לוגריתמי בין הסיבוב למתח המוצא). פוטנציומטרים ליניאריים מתאימים יותר כחיישני זווית או מרחק ופוטנציומטרים ליניאריים מתאימים יותר לתחום של תדרים (למשל בתעשיית המוזיקה).

 

 

אנקודר ליניארי (Linear Encoder)

 

 

אנקודר ליניארי הוא חיישן המודד מיקום באופן ליניארי. החיישן נע על גבי משטח שעליו קיימים סימונים מוגדרים מראש. ראש החיישן שנע על גבי סימונים אלה קורא אותם ומתרגם אותם למיקום. אנקודרים ליניאריים לרב מוגבלים במרחק שאותם הם מודדים. הם מגיעים מקצה לקצה.

קיימות מספר שיטות לסימון המיקום וקריאה אך כולן סובבות סביב אותו עיקרון. המידע לגבי המיקום מסומן על גבי המשטח אותו רוצים למדוד ומקובע אליו והחיישן נע על גבי המשטח ומודד היכן הוא נמצא בהתאם לסימונים שהוא קורא.

 

סכימה של אנקודר לינארי

 

קיימות מספר שיטות לסימון המיקום של החיישן.

אנקודר ליניארי אופטי – אנקודר שנע על גבי פס מתכת או כל חומר אחר מחורץ בחרירים. כאשר באנקודר בנוי צמד אופטי (אחד פוט אור והשני קולט). הפס עובר בתוך הצמד בין האלמנטים. כאשר מתבצעת התנועה, בכל פעם שהפס זז והחריץ מתיישר מול הצמד האופטי, מתקבל סיגנל. כאשר הפס זז מרחק נוסף, החריצים מסתירים את האור והסיגנל נפסק.

אנקודר לינארי מגנטי – האנקודר נע על גבי פס עם "סימונים" מגנטיים. מדבקות או מגנטים קטנים המודבקים על הפס וכאשר החיישן עצמו עובר מעל לרכיבים הללו מתקבל סיגנל כאשר האנקודר נע הוא מספק סיגנלים של מתח לפי מיקום המגנטים.

אנקודר לינארי קיבולי – אנקודר שמודד את הקיבול בין שתי לוחות (לדוגמא, קליבר דיגיטלי עובד בשיטה הזו).

 

אנקודר לינארי בקליבר דיגיטלי

 

אנקודר לינארי מתחלק לשני סוגים: אבסולוטי ואינקרימינטלי.

באנקודר אבסולוטי לכל מיקום יש את הסימון הייחודי שלו (מן סוג של ברקוד). כאשר האנקודר קורא סימון מסויים הוא יודע בדיוק באיזה מיקום הוא נמצא. אנקודר זה טוב כאשר המכונה או הרובוט מופעלים והרובוט או המכונה מייד יודעים את מיקומם הנוכחי. אין צורך לבצע אתחול של האנקודר ולא צריך "לזכור" היכן הוא ממוקם.

 

 

באנקודר אינקרימינטלי ידיעת המיקום מתבצעת על סמך ידע התחלתי. האנקודר נע על גבי הסימונים ו"סופר" פולסים. כאשר הוא נע לכיוון אחד הוא סופר את הפולסים כלפי מעלה וכך הוא יודע שהמיקום שלו עולה. כאשר הוא נע לכיוון השני הוא סופר את הפולסים בהתאם ומפחית את המיקום שלו. לרב, באנקודרים אינקרימינטליים מופיע סיגנל נוסף שנקרא אינדקס (Index) שמטרתו לספק נקודת התחלה למדידת המרחק. אנקודרים אלה זולים בהרבה מאנקודרים אבסולוטיים אך נחשבים ל"טפשים" היות והם לא "זוכרים" את המיקום שלהם ויש לבצע אתחול של המכונה או הרובוט כאשר הם מופעלים.

 

סכימה בינארית של אנקודר לינארי

 

 

 

אנקודר סיבובי (Rotary Encoder)

 

 

 

אנקודר סיבובי הוא חיישן המודד מיקום באופן סיבובי. החיישן נע על גבי משטח שעליו קיימים סימונים מוגדרים מראש. ראש החיישן שנע על גבי סימונים אלה קורא אותם ומתרגם אותם למיקום.

 

 

השיטות לסימון המיקום באנקודר הסיבובי דומות לשיטות לסימון המיקום באנקודר קווי. המידע לגבי המיקום מסומן על גבי המשטח אותו רוצים למדוד ומקובע אליו והחיישן נע על גבי המשטח ומודד היכן הוא נמצא בהתאם לסימונים שהוא קורא.

 

עיקרון פעולה של חיישן מיקום סיבובי אנקודר

 

גם אנקודר סיבובי מתחלק לשני סוגים: אבסולוטי ואינקרימינטלי.

באנקודר אבסולוטי לכל מיקום יש את הסימון הייחודי שלו (מן סוג של ברקוד). כאשר האנקודר קורא סימון מסויים הוא יודע בדיוק באיזה מיקום הוא נמצא. אנקודר זה טוב כאשר המכונה או הרובוט מופעלים והרובוט או המכונה מייד יודעים את מיקומם הנוכחי. אין צורך לבצע אתחול של האנקודר ולא צריך "לזכור" היכן הוא ממוקם.

 

סכימה בינארית של חיישן מיקום סיבובי

 

באנקודר אינקרימינטלי ידיעת המיקום מתבצעת על סמך ידע התחלתי. האנקודר נע על גבי הסימונים ו"סופר" פולסים. כאשר הוא נע לכיוון אחד הוא סופר את הפולסים כלפי מעלה וכך הוא יודע שהמיקום שלו עולה. כאשר הוא נע לכיוון השני הוא סופר את הפולסים בהתאם ומפחית את המיקום שלו. לרב, באנקודרים אינקרימינטליים מופיע סיגנל נוסף שנקרא אינדקס (Index) שמטרתו לספק נקודת התחלה למדידת המרחק. אנקודרים אלה זולים בהרבה מאנקודרים אבסולוטיים אך נחשבים ל"טפשים" היות והם לא "זוכרים" את המיקום שלהם ויש לבצע אתחול של המכונה או הרובוט כאשר הם מופעלים.

 

עקרון פעולה של חיישן מיקום סיבובי

 

 

סינכרו (Synchro)

 

 

סינכרו (Synchro) או בשמו המקורי סלסין (Selsyn) הם חיישן למדידת זווית המבוסס על זרמי AC והשראות. המבנה של החיישן מזכיר מבנה של מנוע AC.

 

מבנה פנימי של חיישן מיקום סיבובי סינכרו

 

הרוטור מסתובב והזרם שזורם בו גורם להשראות בשלושת הסלילים שנמצאים סביבו – דבר הגורם לזרמי השראות בסלילים. ע"י מדידת 3 הזרמים הללו ועל סמך העובדה ששלושת הסלילים ממוקמים בהפרש של 120 מעלות אחד מהשני מאפשר לדעת את הזווית שבה הרוטור מסובב.

 

 

טכמוטר (Tachometer)

 

חיישן מהירות טכומטר

©wbo2.com

 

טכמוטר הוא חיישן למדידת מהירות סיבוב של צירים. הטכומטר יכול למדוד מהירות סיבוב של צירים במספר דרכים. לדוגמא:

כאשר מחברים טכומטר לציר הסיבוב באופן פיזי, ניתן לסובב ליבת מתכת אשר תגרום לזרמי השראה בסלילים המקיפים אותה ומדידת המתח המתקבל בסלילים. זו מעיין פעולת מנוע DC הפוכה. במקום לספק מתח ולקבל מהירות סיבוב, מסובבים את הציר ומקבלים את המתח.

שיטה נוספת היא מדידת מהירות ללא מגע בציר. זהו בעצם יישום שונה של שיטת האנקודר. ממקמים על גבי הדיסק או הציר המסתובב חומר מחזיר קרינה ומשדרים מהטכומטר קרן לעבר הדיסק או הציר. כאשר הקרן פוגעת בחומר המחזיר, הטכמוטר קולט אותו ומודד את הזמן שלקח בין החזר להחזר. מדידה של כמות ההחזרים בזמן מסויים נותנת את מהירות הסיבוב של הדיסק או הציר.

 

עיקרון פעולה של חיישן מהירות טכומטר

 

 

חיישנים אופטיים

 

נגד רגיש אור (Photoresistor)

חיישן אור פוטורזיסטור חיישן אור פוטורזיסטור

 

פוטורזיסטור הוא נגד המשנה את התנגדותו בהתאם לעוצמת האור הפוגעת בו. אות המוצא של הפוטורזיסטור הוא אנלוגי ורציף. ככל שעוצמת האור המוטלת על הפוטורזיסטור תגדל, תגדל גם התנגדותו החשמלית.

סוגים שונים של פוטורזיסטורים רגישים לרמות קרינה שונות של אור.

 

 

דיודה רגישת אור (Photodiode)

 

חיישן אור פוטודיודה

 

פוטודיודה הוא דיודה המשמשת לגילוי אור וממירה את רמות האור למתח או זרם. ככל שעוצמת האור המוטלת על הפוטודיודה תגדל, הדיודה תתקרב למתח הפריצה שלה עד שתופעל.

סוגים שונים של פוטודיודות רגישים לרמות קרינה שונות של אור.

 

 

טרנזיסטור רגיש אור (Phototransistor)

 

 

פוטוטרנזיסטור הוא טרנזיסטור המשמש לגילוי אור ומשנה את הזרם כפונקציה של האור הפוגע בו. ניתן לתאר פוטוטרנזיסטור כטרניזסטור רגיל אשר לבסיס שלו מחוברת פוטודיודה.

סוגים שונים של פוטוטרנסיטורים רגישים לרמות קרינה שונות של אור.

 

 

חיישן פוטואלקטרי (Photoelectric Sensor)

 

חיישן מרחק פוטואלקטרי

 

חיישן זה בודק הימצאות גופים מול החיישן ומרחקם ע"י שידור קרן אור ממקור פולט אור ובדיקה האם האור נקלט ברכיב שקולט את האור. טכנולוגיה זו מיושמת באנקודרים לינאריים וסיבוביים.

 

 

 

חיישן פירו-אלקטרי (Passive Infrared Sensor / PIR)

 

חיישן קרבה פירו-אלקטרי חיישן קרבה פירו-אלקטרי

©bhphotovideo

 

חיישנים פירו-אלקטריים הם חיישנים פסיביים אשר מודדים קרינת אינפרא-אדום (IR) בטווח הראייה שלהם. חיישנים אלה לרב משמשים לגילוי תנועה כאשר קרינה מסויימת משנה את מיקומה.

חיישנים פירו-אלקטריים עשויים מחומר גבישי שמייצר מטען חשמלי בהתאם לרמת הקרינה האינפרא-אדומה אליה הוא נחשף. כאשר הקרינה פוגעת בגביש, המטען החשמלי שלו משתנה. את השינוי של המטען החשמלי ניתן למדוד באמצעות טרנזיסטור המובנה בתוך החיישן. באמצעות מסננים ניתן "ללמד" את החיישן להיות רגיש לתחום מסויים של קרינה.

ניתן לשפר את רגישות החיישן ולבטל הפרעות הנגרמות מרעשי רקע על ידי חיבור שני חיישנים במקביל. כאשר גוף נע בסביבת החיישן הראשון ואז נע לעבר החיישן השני יתקבלו אותות עוקבים בשני החיישנים. כיוון שרעשי הרקע שהחיישן קולט משותף וייקלט בשני החיישנים, ניתן לסנן אותו ולבטל אותו כמעט לחלוטין.

 

 

חיישני לחץ וכוח

 

חיישן לחץ (Pressure Sensor)

חיישן לחץ חיישן לחץ זעיר

 

 

חיישני לחץ מודדים לחץ של נוזלים או של גז ומתרגמים את ערכי הלחץ לרמות מתח. החישה של הלחץ יכולה להתבצע באמצעות מגוון מאוד רחב של טכנולוגיות ביניהן: השראות, קיבול, אופטי, טרמי ועוד. העיקרון הוא דומה בכולם: הלחץ שמפעיל הנוזל או הגז מזיז לוחיות (שמשנות את הקיבול) או דיאפרגמה עם מדי עיבור אשר גורמות לשינוי בתכונות החשמליות וכך מתקבל הקשר בין המתח לללחץ.

 

חיישני לחץ נחלקים לשלושה סוגים עיקריים:

 

חיישני לחץ אבסולוטיים (Absolute Pressure Sensors)

חיישן לחץ אבסולוטי מודד את הלחץ בנקודה מסויימת יחסית לאפס המוחלט (כלומר 0kPa). חיישן זה הפתוח לסביבה נותן מתח השווה ללחץ אטמוספרי (101.325kPa) בגובה פני הים

 

 

חיישני לחץ הפרשיים (Differential Pressure Sensors)

חיישן לחץ הפרשי מודד את הלחץ בנקודה מסויימת יחסית ללחץ בנקודה אחרת. חיישן זה הפתוח לסביבה בשתי הכניסות שלו נותן מתח השווה לאפס (בשתי הכניסות מתקבל אותו לחץ וההפרש ביניהם שווה לאפס).

 

חיישן לחץ הפרשי דיפרנציאלי

© Measurement Specialties

 

 

חיישני לחץ מדידי (Gauge Pressure Sensors)

חיישן לחץ מדידי מודד את הלחץ בנקודה מסויימת יחסית ללחץ אטמוספרי. כאשר מודדים לחץ אטמוספרי נקבל קריאה השווה ל-0 (הפרש הלחצים הוא 0). כאשר הלחץ יהיה גבוה יותר או נמוך יותר מתח החיישן ישתנה בהתאם. ניתן לכייל חיישן זה ללחצים אטמוספריים שונים (בגבהים שונים).

חיישנים אלה טובים למדידת לחץ בנקודה או לחץ בין שתי נקודות, מדידת גובה על בסיס קריאת הלחץ (באמצעות הנוסחא: שמתאימה לגבהים שעד 36,090 רגל או 11,000 מטר), מדידת זרימה בצנרת (לחץ וכתוצאה מכך גם מהירות), מדידת עומק וגובה פני הנוזל (באמצעות הנוסחא: ), בדיקה לנזילות בצנרת ועוד.

 

 

מד עיבור (Strain Gauge)

 

חיישן מאמצים מד עיבור

© University of Cambridge

 

מד עיבור הוא חיישן דק מאוד וקטן מידות אשר מודד מאמצים בחומר (שינויים במבנה החומר כתוצאה מכוחות, מומנטים או לחצים הפועלים עליו). כאשר פועלים כוחות או מומנטים על חומר כלשהו הוא מתחיל לשנות את צורתו (כיפוף או פיתול). על ידי שימוש במדי עיבור, ניתן למדוד את גודל הכיפוף, הפיתול או השקיעה וכך לזהות את גודל הכוח או המומנט שהופעלו על הגוף.

מדי עיבור הם בעצם נגד שטוח (מוליך דק מאוד) שמסודר בצורה שמזכירה "נחש" ומודבקת על גבי החומר בכיוון מסוים. כאשר החומר מתכופף או מתפתל, מד העיבור משתנה יחד איתו וכתוצאה מכך משתנה גם שטח המוליך. דבר זה גורם להקטנה או הגדלה של ההתנגדות שלו. שינוי בהתנגדות מוביל לשינוי במתחים וכך ניתן להסיק מהם הכוחות או המומנטים שהופעלו שגרמו לשינויים בהתנגדות.

 

עיקרון פעולה של חיישני מאמצים מדי עיבור

 

חשוב לציין כי מד עיבור מודד מאמצים ועיבורים רק בציר שאליו הוא מודבק. על מנת לקב מידע בנוגע לעיבורים ומאמצים בשלושת הצירים אז צריך שלושה מדי עיבור המסודרים במערך מסויים. מערך של מדי עיבור נקרא "שושנת עיבורים" (Strain Rosette).

הנוסחאות עבור כל מד עיבור המסודר במערך בזווית מסויים נראות כך:

 

 

נוסחה לחישוב שושנת מאמצים במדי עיבור

 

 

סכימה זוויות כלליות של שושנת מדי עיבור

© www.efunda.com

 

ישנם שני מערכים עיקריים של מדי עיבור:

מערך שושנת עיבורים 45° :

סכימה 45 מעלות של שושנת מדי עיבור

© www.efunda.com

נוסחה לחישוב מאמצים על פי שושנת מדי עיבורים ב-45 מעלות

 

 

מערך שושנת עיבורים 60°:

סכימה 60 מעלות של שושנת מדי עיבור

© www.efunda.com

נוסחה לחישוב מאמצים על פי שושנת מדי עיבורים ב-60 מעלות

 

 

 

 

קריאת המתח החשמלי ממדי העיבור מתבצע באמצעות "גשר ויטסטון" (Wheatstone bridge). ישנן 3 שיטות לקריאת המתח ולכל אחת יתרונות וחסרונות:

  1. מעגל רבע-גשר (Quarter-Bridge Circuit)
  2.  

    סכימה חשמלית של מעגל רבע גשר ויטסטון

     

     

  3. מעגל חצי-גשר (Half-Bridge Circuit)
  4.  

    סכימה חשמלית של מעגל חצי גשר ויטסטון

     

     

  5. מעגל גשר-מלא (Full-Bridge Circuit)
  6.  

    סכימה חשמלית של מעגל גשר ויטסטון מלא

     

 

לכל מד עיבור יש פקטור המתאר את שינוי ההתנגדות כפונקציה של העיבורים. ניתן להגדיר את הפקטור הזה באמצעות הנוסחא:

 

נוסחת חישוב שינוי התנגדות במדי עיבור

 

delta R – שינוי בהתנגדות

R – התנגדות מד העיבור במצב חופשי

Delta L – שינוי בהתארכות מד העיבור

L – אורך מד העיבור במצב חופשי

epsilon – מאמץ

 

 

חיישן כוח / חיישן מומנט (Load Cell / Torque Sensor)

 

חיישן מומנט חיישן כוח חיישן כוח חיישן כוח חיישן מומנט

By Michael Laible [CC-BY-SA-2.5], via Wikimedia Commons

 

חיישן כוח הוא חיישן שמודד כוח המופעל עליו ומספק מתח כפונקציה לכוח. מד כוח מבוסס על מדי עיבור. כלומר, הלחץ שמופעל על גבי החיישן (הכוח) גורם לעיבורים שאותם מרגיש מד העיבורים. הוא זה שמבצע את התרגום למתח.

קיימים חיישני כוח המבוססים על טכנולוגיות אחרות אך הנפוצים ביותר מבוססים על מדי עיבור.

קיים סוגים שונים של חיישני כוח המודדים סוגים שונים של כוחות. לדוגמא: חיישני כוח למדידת כוחות משיכה, חיישני כוח למדידת כוחות מתיחה, כוחות גזירה, מומנטים, כפיפה בקורות ועוד.

 

מבנה פנימי של חיישן מומנטים מבנה פנימי של חיישן כוח

©www.sensorland.com

 

חיישן מומנט מגנטי לדוגמא עובד בשיטה הבאה:

 

 

הפעלת מומנט על ציר גורמת לפיתול שלו וזה משנה את השדה המגנטי בסלילים המקיפים את המוט. שינוי השדה המגנטי יוצר זרמי השראה שאותם ניתן למדוד ולקבל מדד לגודל המומנט וכיוונו.

 

 

חיישנים טרמיים

 

טרמיסטור (Thermistor)

 

חיישן טמפרטורה טרמיסטור חיישן טמפרטורה טרמיסטור חיישן טמפרטורה טרמיסטור

 

טרמיסטור הוא חיישן טמפרטורה. הטרמיסטור הוא בעצם נגד שמשנה את התנגדותו באופן ברור עקב שינויי טמפרטורה (כל רכיב חשמלי מושפע משינויי טמפרטורה – כולל נגדים רגילים. אך טרמיסטור בנוי מחומר מיוחד שהרגישות שלו לטמפרטורה גדולה בהרבה מנגדים רגילים).

טרמיסטור עשוי מחומרים קראמיים או פולימרים (לעומת חיישני טמפרטורה RTD שעשויים ממתכת).

טרמיסטורים אידיאליים עבור טמפרטורות נמוכות הנעות בין -90°C לבין130°C .

הקשר בין התנגדות הטרמיסטור לטמפרטורה הוא לפי הנוסחא הבאה (מניחים שהקשר הוא לינארי):

 

נוסחה לחישוב התנגדות בחיישן טמפרטורה

 

delta R - שינוי בהתנגדות

delta T - שינוי בטמפרטורה

k - מקדם טמפרטורה מסדר ראשון

 

טרמיסטורים נחלקים לשני סוגים: PTC ו-NTC.

חיישני טמפרטורה PTC הם חיישנים אשר התנגדותם עולה כאשר הטמפרטורה עולה. עבור טרמיסטורים אלה הקבוע k חיובי.

חיישני טמפרטורה NTC הם חיישנים אשר התנגדותם יורדת כאשר הטמפרטורה עולה. עבור טרמיסטורים אלה הקבוע k שלילי.

 

ישנן שתי נוסחאות נוספות מפורטות יותר המתארות את הפרופיל השלם של היחס בין הטמפרטורה להתנגדות:

נוסחאת סטיינהרט-הרט:

 

נוסחאת סטיינהרט-הרט לחישוב התנגדות טרמיסטור

T הוא הטמפרטורה (במעלות קלווין)

R היא ההתנגדות באוהם

c,b,a הם פרמטרים המאפיינים טרמיסטור ספציפי.

 

 

נוסחאת B:

 

נוסחת B לחישוב התנגדות של טרמיסטור

T – טמפרטורה במעלות קלווין

T0 – טמפרטורה בסיסית (בדר"כ 25°C או 298.15°K)

R - ההתנגדות הנמדדת

R0 – ההתנגדות עבור טמפרטורה T0.

B – פרמטר שמאפיין את הטרמיסטור

 

 


צימוד טרמי (Thermocouple)

 

חיישן טמפרטורה צימוד טרמי טרמוקאפל חיישן טמפרטורה צימוד טרמי טרמוקאפל חיישן טמפרטורה צימוד טרמי טרמוקאפל חיישן טמפרטורה צימוד טרמי טרמוקאפל

 

צימוד טרמי (או טרמוקפל) הוא חיישן טמפרטורה המבוסס על טכנולוגיה של חיבור שתי מתכות באמצעות ריתוך מיוחד. בנקודת החיבור (שנקראת צומת או Junction) נוצר קשר כימי מיוחד שרגיש לשינויי טמפרטורה. שינויי הטמפרטורה גורמים לשינויים במתחים המתקבלים מהצימוד הטרמי כאשר מספקים לו מתח.

 

עיקרון פעולה של חיישן טמפרטורה צימוד טרמי טרמוקאפל

 

בעיקרון כל צומת בין שתי מתכות גורם לתגובה אלקטרוכימית המשנה את המתח ביניהם אך בצימוד טרמי משתמשים בסגסוגות מיוחדות אשר ניתן לחזות בוודאות את הקשר של המתח לטמפרטורה.

הקשר בין הטמפרטורה למתח בטווחים מסויימים הוא כמעט קשר לינארי. בטווחי טמפרטורה אחרים הקשר הופך לקשר מעריכי.

 

צימוד טרמי הוא חיישן טמפרטורה מאוד זול ומאוד פשוט אך עם זאת רמת הדיוק שלו בעייתי.

מומלץ לבחור בטרמוקפלים כאשר הטמפרטורה שאותה מודדים נעה בתחום של -180°C עד 2,320°C. כמו כן, כאשר זמן התגובה הדרוש הוא יחסית קצר (עשיריות שניה), כאשר יש הגבלה לגודל החיישן (חיישני טרמוקפלים יכולים להיות קטנים מ-1.6 מ"מ) ולא דרוש דיוק גבוה (טולרנס יותר מ-2°C).

 

מבנה חיישן טמפרטורה צימוד טרמי טרמוקאפל

 

 

קיימים מספר סוגים של טרמוקפלים והם ממוינים לפי הטבלה הבאה:

 

Tolerance class two (°C) Tolerance class one (°C) Temperature range °C (short term) Temperature range °C (continuous) Type
±2.5 between −40 °C and 333 °C
±0.0075×T between 333 °C and 1200 °C
±1.5 between −40 °C and 375 °C
±0.004×T between 375 °C and 1000 °C
-180 to +1300 0 to +1100 K
±2.5 between −40 °C and 333 °C
±0.0075×T between 333 °C and 750 °C
±1.5 between −40 °C and 375 °C
±0.004×T between 375 °C and 750 °C
-180 to +800 0 to +750 J
±2.5 between −40 °C and 333 °C
±0.0075×T between 333 °C and 1200 °C
±1.5 between −40 °C and 375 °C
±0.004×T between 375 °C and 1000 °C
-270 to +1300 0 to +1100 N
±1.5 between 0 °C and 600 °C
±0.0025×T between 600 °C and 1600 °C
±1.0 between 0 °C and 1100 °C
±[1 + 0.003×(T − 1100)] between 1100 °C and 1600 °C
−50 to +1700 0 to +1600 R
±1.5 between 0 °C and 600 °C
±0.0025×T between 600 °C and 1600 °C
±1.0 between 0 °C and 1100 °C
±[1 + 0.003×(T − 1100)] between 1100 °C and 1600 °C
−50 to +1750 0 to +1600 S
±0.0025×T between 600 °C and 1700 °C Not Available 0 to +1820 +200 to +1700 B
±1.0 between −40 °C and 133 °C
±0.0075×T between 133 °C and 350 °C
±0.5 between −40 °C and 125 °C
±0.004×T between 125 °C and 350 °C
−250 to +400 -185 to +300 T
±2.5 between −40 °C and 333 °C
±0.0075×T between 333 °C and 900 °C
±1.5 between −40 °C and 375 °C
±0.004×T between 375 °C and 800 °C
−40 to +900 0 to +800 E

 

 

 

טרמומטר התנגדותי (Resistance Thermometer / RTD)

 

חיישן טמפרטורה טרמומטר התנגדותי

 

טרמומטר התנגדותי (RTD) הוא חיישן טמפרטורה. החיישן מבצע מדידת טמפרטורה על סמך שינוי ידוע של ההתנגדות כפונקציה של הטמפרטורה. רב חיישני ה-RTD עשויים פלטינום ונקראים גם PRT. חיישנים אלה מאופיינים בדיוק וחזרתיות (Repeatability) גבוהים.

 

חיישני ה-RTD הנפוצים ביותר נקראים PT100. כאשר PT מציין את החומר ממנו הם עשויים (פלטינום) ו-100 מציין שלחיישן יש התנגדות של 100 אוהם בטמפרטורה 0°C. הרגישות של חיישן זה נעה באזור ה-0.385 ohm/°C. ישנם סוגים נוספים של חיישני RTD עם התנגדויות ורגישויות שונות.

 

חיישני ה-RTD לא מתאימים לשימוש עבור טמפרטורות הגבוהות מ-660°C. חיישני ה-RTD פחות רגישים לשינויים קטנים בטמפרטורה ויש להם זמן תגובה ארוך יותר מטרמיסטורים.

מומלץ לבחור בחיישני RTD כאשר הטמפרטורה שאותה מודדים נעה בתחום של -200°C עד 500°C. כמו כן, כאשר זמן התגובה הדרוש הוא יחסית ארוך (2.5-10 שניות), כאשר אין הגבלה לגודל החיישן (חיישני RTD נעים בטווח של 3.175-6.35 מ"מ) ודרוש דיוק גבוה (טולרנס פחות מ-2°C).

 

מבנה פנימי של חיישן טמפרטורה טרמומטר התנגדותי

Courtesy of NPL

 

 

חישוב הטמפרטורה על סמך ההתנגדות הידועה ניתן לעשות על ידי שימוש בקשרים המתמטיים הבאים:

 

 

נוסחה לחישוב התנגדות כתלות בטמפרטורה בטרמומטר
נוסחה לחישוב התנגדות כתלות בטמפרטורה בטרמומטר

 

RT - היא ההתנגדות עבור הטמפרטורה T

R0 -  היא ההתנגדות עבור טמפרטורה0°C

 

מקדם A בנוסחה לחישוב התנגדות כתלות בטמפרטורה בטרמומטר
מקדם B בנוסחה לחישוב התנגדות כתלות בטמפרטורה בטרמומטר
מקדם C בנוסחה לחישוב התנגדות כתלות בטמפרטורה בטרמומטר

 

כיוון שערכי B ו-C הם מאוד מאוד קטנים, ניתן להעריך קשר לינארי בין ההתנגדות לטמפרטורה.

למטה מופיעה טבלה של ערכים נפוצים של מספר חיישני RTD עבור טמפרטורות שונות

 

Temperature
in °C
Pt100
in Ω
Pt1000
in Ω
PTC
in Ω
NTC
in Ω
NTC
in Ω
NTC
in Ω
NTC
in Ω
NTC
in Ω
Typ: 404 Typ: 501 Typ: 201 Typ: 101 Typ: 102 Typ: 103 Typ: 104 Typ: 105
−50 80.31 803.1 1032
−45 82.29 822.9 1084
−40 84.27 842.7 1135 50475
−35 86.25 862.5 1191 36405
−30 88.22 882.2 1246 26550
−25 90.19 901.9 1306 26083 19560
−20 92.16 921.6 1366 19414 14560
−15 94.12 941.2 1430 14596 10943
−10 96.09 960.9 1493 11066 8299
−5 98.04 980.4 1561 31389 8466
0 100.00 1000.0 1628 23868 6536
5 101.95 1019.5 1700 18299 5078
10 103.90 1039.0 1771 14130 3986
15 105.85 1058.5 1847 10998
20 107.79 1077.9 1922 8618
25 109.73 1097.3 2000 6800 15000
30 111.67 1116.7 2080 5401 11933
35 113.61 1136.1 2162 4317 9522
40 115.54 1155.4 2244 3471 7657
45 117.47 1174.7 2330 6194
50 119.40 1194.0 2415 5039
55 121.32 1213.2 2505 4299 27475
60 123.24 1232.4 2595 3756 22590
65 125.16 1251.6 2689 18668
70 127.07 1270.7 2782 15052
75 128.98 1289.8 2880 12932
80 130.89 1308.9 2977 10837
85 132.80 1328.0 3079 9121
90 134.70 1347.0 3180 7708
95 136.60 1366.0 3285 6539
100 138.50 1385.0 3390
105 140.39 1403.9
110 142.29 1422.9
150 157.31 1573.1
200 175.84 1758.4

 

 

 

 

בחירת חיישן - אז איך בוחרים חישן?

 

 

מה רוצים לדעת?

 

מהי הטמפרטורה בסביבת הרובוט? מהי הלחות שקיימת באזור המכונה? כמה רחוק הרובוט מהמטרה? אילו לחצים מופעלים על המטוס?

השאלה הראשונה שיש לשאול היא מהו הנתון אותו רוצים לדעת ולפי התשובה לבחור את החיישן המתאים למדידה. ישנם נתונים שניתן למדוד אותם בצורה ישירה באמצעות חיישן אחד (לדוגמא, טמפרטורה ניתן למדוד באמצעות מד טמפרטורה). מצד שני, ישנם נתונים שניתן למדוד אותם בצורה עקיפה באמצעות שימוש בחיישן אחד או יותר (לדוגמא, מהירות טיסה של מטוס ניתן למדוד באמצעות מד לחץ ושימוש בקשרים מתמטיים בין מהירות ללחץ).

דוגמא נוספת היא מדידת מהירות נסיעה של רובוט: אפשרות אחת היא לחבר אנקודר לגלגלים ולבדוק כמה פולסים האנקודר סופר בשניה לפי זה לדעת את מהירות הגלגל ומהירות הנסיעה של הרובוט. אפשרות נוספת היא לחבר מגנט לגלגלים ובאמצעות חיישן מגנטי לזהות כל כמה זמן הגלגל מבצע סיבוב שלם (כאשר החיישן קולט את המגנט).

לסיכום, בשביל למדוד נתון אחד ניתן להשתמש במגוון רחב מאוד של חיישנים ואפילו לשלב סוגים שונים של חיישנים.

 

איזה מאפיינים חשובים במדידה?

 

האם חשוב שכל מדידה תהיה מדוייקת מאוד? האם חשוב שזמן התגובה יהיה מהיר? האם אין צורך בדיוק אבל חשוב שהחיישן ייתן את אותה התוצאה שוב ושוב?

אלה הם מאפיינים הנקבעים ע"י מתכנני המכונה או הרובוט.

לדוגמא, זמן תגובה מהיר חשוב במערכות המבצעות פעולות מהירות ואין להם את הזמן "לחכות" שהחיישן ייתן תוצאה.

דוגמא נוספת היא רובוט שצריך למקם חלקים במיקום מסויים. הרובוט מבצע את אותה הפעולה שוב ושוב ונתון החזרתיות חשוב ביותר.

דוגמא שלישית, נניח ואנחנו צריכים למדוד כוחות שפועלים על הרובוט ואנחנו צופים שהכוח החזק ביותר שיפעל הוא 1kN. אין צורך לבחור חיישן שמודד 20kN. נתאים את הטווח הדינמי לערכים הנמדדים הצפויים.

 

 

איך קוראים את המדידות?

 

האם התוצאות של החיישן יהיו מתח אנלוגי? או אולי פולסים של אנקודר?

יש להחליט על סוג החיישן על פי היכולת שלנו לקרוא את הנתונים שלו.

לדוגמא, שימוש באנקודר יצריך מעגל חשמלי מורכב שיודע לזהות פולסים דיסקרטיים במהירויות גבוהות.

דוגמא נוספת, מדי עיבור (strain Gauge) מספקים מתח מוצא מאוד נמוך (מיקרו-וולטים). על מנת לקרוא מתח כזה ולתרגם את המידע הזה, יש להשתמש במעגלים חשמליים המבצעים הגברה של הסיגנלים, לרב אלה מעגלים מתוחכמים המורכבים גם מפילטרים רבים המסננים רעש.

דוגמא שלישית, פוטנציומטר המודד זווית של ציר סיבוב לא דורש מעגל חשמלי מיוחד ותרגום האות היוצא מהחיישן הוא פשוט ביותר.

 

 

באיזה תנאים החיישן יעבוד?

 

האם החיישן חשוף לרטיבות? האם החיישן ייחשף לטמפרטורות גבוהות מאוד? היכן החיישן ימוקם ברובוט? האם יש לו מקום בנקודה כזו או אחרת במכונה?

אלה הם תנאים המגבילים סביבתיים המגבילים אותנו בבחירת חיישן. אם החיישן חשוף לרטיבות לא נוכל לבחור חיישן שהמוליכים החשמליים שלו חשופים לרטיבות. אם החיישן חשוף לטמפרטורות גבוהות, נאלץ לבחור בחיישן מיוחד המותאם לשימוש בטמפרטורות גבוהות. אם יש לנו מקום במכונה לחיישן באורך של 50mm לא נוכל לבחור חיישן שהאורך שלו הוא 55mm.

יש להכין רשימה מפורטת של כל תנאי הסביבה וההגבלות הגיאומטריות כאשר בוחרים את החיישן ולוודא שהחיישן הנבחר עומד בכל הקריטריונים הללו.

 

 

 

 

 


 

נכתב ע"י ערן צנציפר (מנהל אתר Robot-and-Machines-Design)