مقدمة مبسطة في عالم المبدلات PDF
Document Details
Uploaded by Deleted User
جابر حسن اليماني
Tags
Summary
This document provides a basic introduction to transducers, sensors, and actuators. It covers their classification and selection, touching upon different types, including active and passive sensors. The document also explores various types of temperature sensors and their applications.
Full Transcript
مقدمة مبسطة في عالم المبدلات جابر حسن اليماني November 2, 2024 المحتو يات 7 ................
مقدمة مبسطة في عالم المبدلات جابر حسن اليماني November 2, 2024 المحتو يات 7 ............. 1مقدمة عن الحساسات والمشغلات والمبدلات وتصنيفها 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المقدمة .................... I 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......... IIما هي الحساسات SENSORS 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............ IIIما هوالمبدل Transducer 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............... IVتصنيف المبدلات 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1مبدل الدخل ......... Transducer input 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 2مبدل الخرج Output Transducer 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vكيفية اختيار الحساس .............. 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............... VIتصنيف الحساسات 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1أنواع الحساسات بناء ً على متطلبات الطاقة ....... 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . الحساسات النشطة ........ Active Sensors i 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ iiحساسات خاملة Passive Sensors 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2أنواع الحساسات بناء ً على إشارة الإخراج ....... 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . الحساسات التناظر ية او التماثلية ... Analog Sensors i 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ iiالحساسات الرقمية Digital Sensors 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 3أنواع الحساسات حسب الخاصية الفيز يائية 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... الحساسات الملامسة Contact Sensors i 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iiالحساسات غير الملامسة ... Non-Contact Sensors 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4أنواع الحساسات حسب مبدأ العمل ......... 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............... حساسات المقاومة i 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............... iiالحساسات السعو ية 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iiiالحساسات الحثية ................ 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............... ivالحساسات الضوئية 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vحساسات الـكهرضغطية أو البيزوكهربائية Piezoelectricity 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viالحساسات الحرار ية ............... 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIIتصنف المشغلات ................ 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1تصنيف المُشغ ّلات حسب حركتها .......... 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......... ي Linear actuator المشغ ّل الخط ّ i 16 ............................. المشغ ّل الدوّار Rotary actuator ii 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . تصنيف المُشغ ّلات حسب مصدر الطاقة . 2 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المشغلات الـكهربائية ........ i 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المشغلات الهيدروليكية ........ ii 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المشغلات الهوائية .......... iii 33 21........................... 2الحساسات الحرار ية 21 المقدمة ........................................ I حساسات كاشف درجة الحرارة بالمقاومة RTD II 22 ...................... Resistance Temperature Detector Sensors 22 رمز حساس ................................... RTD 1 23 كيف تؤثر الحرارة على المقاومة؟ .............................. 2 24 المعادلة التي تعبر عن العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة ..................... 3 25 تصنيف كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة ........................ RTD 4 تصنيف الحساسات كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة RTDبناء ً على طر يقة بناء طر يقة بناء العنصر الحساس i 25 لدرجة الحرارة ..................................... 26 تصنيف الحساسات كاشفات درجة الحرارة RTDحسب طر يقة بناء عنصر الاستشعار ......... ii 29 امثلة على حساسات كاشفات درجة الحرارة المعتمدة على المقاومة ................. 5 29 .............................. حساس درجة الحرارة PT100 i 30 حساس درجة الحرارة .............................. PT1000 ii 33 توصيل المقاومة الحرار ية في الدوائر الـكهربائية ......................... 6 33 طر يقة التوصيل بسلـكين ........................... 2 Wire RTD i 34 ........................ طر يقة التوصيل بثلاث اسلاك 3 Wire RTD ii 35 ........................ طر يقة التوصيل بأربعة أسلاك 4 Wire RTD iii 36 ........................ المزدوج الحراري الثيرموكابل Thermocouple III 37 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............ مبدأ عمل الثرموكوبل 1 38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . العلاقة الر ياضية والمعادلات الثرموكابل ...... 2 38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المقاومة الحرار ية الثرمستور .......... IV 39 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................ مبدأ العمل 1 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . تصنيف المقاومات الحرار ية .......... 2 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المقاومة الحرار ية ذات المعامل الحراري السالب NTC i 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المقاومة الحرار ية ذات المعامل الحراري الموجب . PTC ii 41 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المعادلات الر ياضية للمقاومة الحرارسة الثيرمستور ... 3 45........................... 3الحساسات الميكانيكية 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المقدمة ................ I 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . )حساسات البعد) المكان -الموضع -الازاحة . II 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... IIIحساس طول باستخدام المقاومة 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... IVحساسات الطول باستخدام الحث 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . حساس طول باستخدام السعة ....... V 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIحساس طول باستخدام الضوء ....... 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIIحساس طول باستخدام املوجات الـكهرومغناطيسية 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIIIحساس المستوى والتسارع والعزم والصوت ... 47........................... 4الحساسات الضوئية 47 المقدمة ........................................ I 47 .......................... حساس الضوء باستخدام المقاومة الضوئية II 47 .................... حساس الضوء باستخدام الثنائي الضوئي واالخلية الشمسية III 44 47 ......................... حساس الضوء باستخدام الترانزستور الضوئي IV 47 .......................... حساس ضوء باستخدام أشعة تحت الحمراء V 49............................ 5حساسات الضغط 49 . . . . . . . . . . . . . . المقدمة .......................... I 49 . . . . . . . . . . . . . . . ظاهرة الـكهرباء الإجهادية الانضغاطية Piezoelectricityوتطبيقاتها II 49 . . . . . . . . . . . . . . ظاهرة المقاومة الجهادية الانضغاطية Piezoresistivityوتطبيقاتها ... III 49 . . . . . . . . . . . . . . حساسات اللمس المقاومة و السعة وتطبيقاتها ............ IV 51..................... 6حساسات الموائع الغازات والسوائل 51 . . . . . . . . . . . المقدمة ............................. I 51 . . . . . . . . . . . حساسات الغاز غاز الاكسجين وغاز ثاني أكسيد الـكربون والغاز الطبيعي وتطبيقاتها II 51 . . . . . . . . . . . .............. حساسات موجة التنفس في القياسات الطبية III 51 . . . . . . . . . . . حساسات التدفق ،وتطبيقاتها .................... IV 53............................ 7الحساسات الحيو ية 53 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . المقدمة ................. I 53 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . الجهد الحيوي المنشأ – الانتقال –الأقطاب الحيو ية II 53 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . حساسات اشارة القلب ........... III 53 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . حساسات اشارة العضلات ......... IV 53 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......... حساسات اشارة الدماغ V 55................. 8ربط الحساسات والمبدلات بالدوائر الالـكترونية 55 المقدمة ........................................ I 55 .................................. قناطر القياس المختلفة II 55 مكبر عمليات طارح ................................... III 55 مكبر أجهزة القياس ................................... IV 1 }\documentclass[]{mathbook_arabic 55 66 الفصل الأول مقدمة عن الحساسات والمشغلات والمبدلات وتصنيفها المقدمة I تخيل عالما ً حيث تستطيع الأجهزة توقع احتياجاتنا والاستجابة لبيئتنا بسلاسة.يتحقق هذا الواقع بفضل مكونات رائعة تسمى الحساسات والمبدلات.من جهاز التحكم في درجة الحرارة البسيط الذي ينظم درجة حرارة منزلك إلى الحساسات المتطورة التي توجه السيارات ذاتية القيادة ،تلعب هذه الأجهزة دور ًا محوري ًا في التكنولوجيا الحديثة الحساس هو في الأساس جهاز يكتشف التغيرات في بيئته و يحول هذه التغيرات إلى إشارات كهربائية.يمكن بعد ذلك معالجة هذه الإشارات بواسطة الأنظمة الإلـكترونية لأداء مهام مختلفة.على سبيل المثال ،يكتشف مستشعر درجة الحرارة التغيرات في الحرارة و يحولها إلى إشارات كهربائية يمكن استخدامها للتحكم في نظام التدفئة أو التبريد من ناحية أخرى ،المبدل هو مصطلح أوسع يشير إلى أي جهاز يحول شكلًا واحدًا من الطاقة إلى آخر.في حين أن جميع الحساسات هي مبدلات ،ليس كل مبدل هو حساس.على سبيل المثال ،مكبر الصوت هو مبدل يحول الإشارات الـكهربائية إلى موجات صوتية في هذا الفصل ،سوف نتعمق في عالم الحساسات و المبدلات الرائع. سنستكشف مبادئها الأساسية ،وأنواعها المختلفة ،وتطبيقاتها العديدة.من خلال فهم كيفية عمل هذه الأجهزة ،يمكننا تقدير التكنولوجيات المتقدمة التي تشكل حياتنا اليومية ما هي الحساسات SENSORS II تمام ًا كما نستخدم حواسنا لفهم العالم من حولنا ،تستخدم الأجهزة الإلـكترونية الحساسات.الحساس هو جهاز ذكي يستطيع اكتشاف تغيرات في البيئة مثل درجة الحرارة أو الضوء ،ثم يحول هذه التغيرات إلى إشارات يمكن للأجهزة فهمها ومعالجتها. بفضل الحساسات ،تستطيع الأجهزة أن "ترى"" ،تسمع" ،و"تشعر" بما يحدث حولها.".ويمكن تعر يف الحساس على انه جهاز فيز يائي يكتشف التغيرات في الكميات الفيز يائية المختلفة و يستجيب للمحفزات من البيئة المحيطه وينتج إشارة كهربائية).قد تكون جهد او تيار( يمكن للحساسات التعرف على خصائص كهربائية مثل الحرارة والضوء والضغط والرطوبة والحركة وما إلى ذلك. الحساس :هو جهاز يقيس الكميات فيز يائية و يحولها إلى إشارات كهربائية. تعر يف نظام معالجة البيانات مع الحساس 77 ما هي الكميات الفيز يائية؟ قبل أن نتعمق في عالم الحساسات ،دعنا نفهم ما هي الكميات الفيز يائية.كل شيء حولنا يمكن قياسه ووصف باستخدام أرقام ووحدات قياس.هذه الأرقام والوحدات هي ما نسميه الكميات الفيز يائية.على سبيل المثال ،الطول يقاس بالمتر ،والوزن يقاس بالكيلوجرام ،والحرارة تقاس بالدرجة المئو ية. ما هوالمبدل Transducer III هو جهاز فيز يائي يحول الطاقة من شكل إلى آخر ،وهي عملية تُعرف باسم التحو يل او التبديل .يتكون من مكونين رئيسيين: (1عنصر الحساس : Sensing Elementهو الجزء المسؤول عن استشعار الظاهرة الفيز يائية المراد قياسها.كما ان لها مسمى اخر وهو عنصر الاستشعار في المبدل Element Detecting of Ttransducer (2عنصر التحو يل : Transduction Elementهو الجزء المسؤول عن تحو يل إشارة الحساس إلى إشارة كهربائية المكونات الرئيسية للمبدل المبدل يتضمن داخله حساس يستطيع التقاط الطاقة بشكلها الأصليّ ومن ثم ٺتولى الوحدات الإلـكترونية الأخرى ضمن المبدل عملية تغيير الطاقة إلى نمطٍ آخر. تصنيف المبدلات IV هناك نوعان من االمبدلات يمكن تصنيفها إلى نوعين رئيسيين بناء ً على وظائفها ،كما يلي: مبدل الدخل Input Transducer مبدل الخرج Output Transducer مبدل الدخل Transducer input 11 مبدل الدخل يقوم بتحو يل الطاقة الفيز يائية و يحولها إلى إشارة كهربائية يمكن قراءتها.على سبيل المثال ،الميكروفون هو مثال على المبدل ،حيث يحتوي على حساس يستشعر الموجات الصوتية و يحولها إلى إشارات كهربائية.هذه الإشارات يتم تضخيمها ومعالجتها ثم تحو يلها مرة أخرى إلى صوت 88 الشكل يوضح مبدل الدخل مبدل الخرج Output Transducer 22 مبدل الخرج ،أو المشغل (actuator)،يحول الإشارات الـكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة.ويمكن وصف المشغل المكنيكي من حيث المبدأ كجهاز يحول الطاقة إلى الحركة وكدلك مصطلح مشغل يطلق على المصباح الـكهربائي لان المصباح الـكهرباء يحول الطاقة الـكهربائية إلى ضوء ،بينما يحول المحرك الـكهرباء إلى حركة. صورة مشغل وهو صمام كهربائي للفتح والاغلاق فيما يلي ،قمنا بمقارنة جميع الخصائص لتوضيح وفهمك بشكل أفضل: 99 المشغل الحساس الميزة يحول إشارات النظام الـكهربائية إلى خصائص الأساسي يحول الخصائص الفيز يائية لبيئته إلى إشارات كهربائية فيز يائية متنوعة لبيئته. للنظام. ينتج الطاقة في شكل حرارة أو حركة. يتم توليد إشارات كهربائية عبر الحساس. نوع الخرج يتلقى الدخل من خرج النظام او وحدة التحكم . مصدر يتلقى الدخل من البيئة المحيطة. الدخل يتم وضع المشغل عند خرج النظام. يتم وضع الحساس عند دخل النظام او دخل وحدة مكان التوصيل التحكم . تشمل المحركات المحركات الـكهربائية ،والمحركات تشمل الحساسات البيولوجية ،وحساسات الحركة، الأمثلة الخطوه. وحساسات الـكيميائية. الشكل يوضح الفرق بين المبدل والمشغل والحساس ما هو الفرق بين الحساس والمشغل و المبدل ؟ المبدل :هو جهاز يقوم بتحو يل الطاقة من شكل إلى آخر ،سواء كان من الطاقة الـكهربائية إلى ميكانيكية أو حرار ية أو ضوئية، والعكس صحيح.يشمل المبدل كل من الحساس والمشغل. الحساس :هو نوع خاص من المبدل يقوم بقياس كمية فيز يائية محددة )مثل الضوء ،الحرارة ،الضغط ،الحركة( وتحو يلها إلى إشارة كهربائية يمكن قياسها ومعالجتها. المشغل :هو نوع آخر من المبدل يقوم بتحو يل إشارة كهربائية إلى تأثير فيز يائي ،مثل تحر يك محرك أو فتح صمام. كيفية اختيار الحساس V يجب مبدئيا اختيار الحساس او المبدل بحيث يناسب التطبيق او الوظيفة المنوط به القيام بها و يوجد عناصر رئيسية يجب مراعاتها عند اختيار الحساس: المدى : Rangeالفرق بين القيمة القصوى والدنيا التي يمكن للحساس استشعارها.ما هي أدنى قيمة تحتاج إلى استشعارها؟ ما هي القيمة القصوى التي تحتاج إلى استشعارها؟ الحساسية : Sensitivityهي مقياس لقدرة الحساس على اكتشاف التغيرات الصغيرة في المقدار الفيز يائي الذي يقيسه. بمعنى آخر ،هي مدى استجابة الحساس للتغيرات الطفيفة في المدخل..مرة أخرى ،الحساسية العالية جيدة ،ولـكن الحساسية العالية جدًا قد تكون مشكلة.أيضًا ،كلما زادت الحساسية ،زادت التكلفة في معظم الحالات. 10 10 الخطأ : Errorالفرق بين القيمة المقاسة والقيمة الحقيقية.يجب أن تكون هذه القيمة منخفضة.جميع المستشعرات لها هامش خطأ.هل يسمح تطبيقك بهامش الخطأ هذا؟ الدقة : Accuracyتشير إلى مدى قرب قراءة الحساس من القيمة الحقيقية.أي مدى يقترب قياس الحساس من القيمة الفعلية للمؤثر الفيز يائي الذي يقيسه.وهي عكس الخطأ ،أي مدى قرب قراءة المستشعر من القيمة الحقيقية )يجب أن تكون عالية(. الظروف لبيئة : Environmentيتطلب اختيار الحساس المناسب فهم ًا جيدًا للبيئة التي سيتم تشغيل الجهاز فيها.يمكن أن ٺتأثر العديد من الحساسات بالظروف غير المثالية للبيئة المحيطة به )مثل اختلاف درجة الحرارة ،والاهتزاز ،والرطوبة، والغازات المحيطة به ،وما إلى ذلك( لذا من المهم مراعاة البيئة المحيطة بظروف التشغيل للحساس عند اختيار الحساس. الضبط : Precisionالقدرة على إعطاء أو تكرار القيمة الدقيقة بشكل متكرر.إذا كان الحساس يعطي قيم ًا مختلفة لنفس الظروف الفيز يائية ،فهو ليس خيار ًا جيدًا. زمن الاستجابة : Response Timeالفاصل الزمني بين المدخل والإخراج )يجب أن يكون أدنى(. الشكل يوضح استجابة الحساس عند التعرض لتاثير فيز يائي نسبة الإشارة إلى الضوضاء : Signal-to-noise Ratioنسبة بين حجم الإشارة والضوضاء عند الإخراج. المعايرة : Calibrationنظرًا لأن الحساسات تحتاج إلى معايرة متكررة ،يجب أن تكون سهلة المعاير التكلفة : Costيجب ألا تكون مكلفة. طبيعة الإخراج : Output of Natureهل نحتاج إلى خرج تناظري (تماثلي) أو رقمي ،يجب أن يكون واضحًا. المرونة : Flexibilityنتحقق مما إذا كان الحساس يمكنه التكيف مع التغيرات في المنتج باستخدام تحديث بسيط للبرنامج. التوافق : Interfacingيجب أن يكون متوافق ًا للاستخدام مع مجموعة واسعة من الأدوات. الحجم والوزن : Weight and Sizeيجب أن تكون الحساسات صغيرة وخفيفة الوزن ومناسبة لحجم المشروع . ابعاد أطراف التوصيل :يجب ان يؤخ ذ في الاعتبار ابعاد كيبلات التوصيل بالنسبة الجهاز القياس من حيث الطول ومساحة المقطع وخلافه ،كذلك نسبة التشويش على إشارة القياس خاصة في حالة استخدام مكبر الإشارة وكذلك حدود التفاعل مع التردد 11 11 تصنيف الحساسات VI هناك عدة تصنيفات للحساسات قام بها الخبراء.بعضها بسيط للغاية وبعضها معقد للغاية.و يوجد عدة تصنيفات بسيطة للحساسات، ويمكن تصنيف الحساسات بطرق مختلفة بناء ً على معايير متنوعة مثل مبدأ عملها ،وتطبيقها ،وإشارة الإخراج ،وخصائصها الفيز يائية. فيما يلي تصنيف بناء ً على بعض المعايير الشائع: أنواع الحساسات بناء ً على متطلبات الطاقة 11 الحساسات النشطة Active Sensors i هي نوع من الحساسات التي تحتاج إلى مصدر طاقة خارجي لتعمل.على سبيل المثال ،الثرمستور عبارة عن مقاومة حساسة لدرجة الحرارة.لا يولد أي إشارة كهربائية ،ولـكن عن طر يق تمرير تيار كهربائي من خلاله )إشارة الإثارة( ،يمكن قياس مقاومته عن طر يق اكتشاف التغيرات في التيار والجهد عبر الثرمستور.ترتبط هذه التغيرات )المقدمة بالأوم( مباشرة بدرجة الحرارة من خلال دالة معروفة.مثال آخر على الحساس النشط هو مقياس الإجهاد المقاوم الذي يرتبط فيه المقاومة الـكهربائية بالإجهاد. لقياس مقاومة الحساس ،يجب تطبيق التيار الـكهربائي عليه من مصدر طاقة خارجي. حساسات خاملة Passive Sensors ii هي حساسات لا تحتاج إلى مصدر طاقة خارجي لتعمل.بدلا ًمن ذلك ،تعتمد على الطاقة الموجودة في البيئة المحيطة ،مثل الحرارة أو الضوء ،لتحو يلها إلى إشارات كهربائية يمكن قياسها.بمعني اخر ان الحساسات الخاملة تعمل على تغيير خصائصها الفيز يائية استجابة ً لتغير في البيئة المحيطة بها ،دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي لتنشيطها.على سبيل المثال ،الثرموكوبل يستغل ظاهرة توليد الجهد الـكهربائي نتيجة لفرق درجة الحرارة بين مادتيه ،بينما يتغير مقاومة الحساس الضوئي Light-Dependent Resistor ) (LDRبتغير شدة الضوء الساقط عليه.فمثلاً ،الحساس الـكهروضوئي Photoelectric Sensorيحول الطاقة الضوئية مباشرة إلى تيار كهربائي ،مما يسمح باستخدامها في العديد من التطبيقات مثل الخلايا الشمسية وأجهزة الاستشعار في الكاميرات. مثال مبدأ العمل مصدر الطاقة النوع الثرمستور ،مقياس الإجهاد يتم تحفيز الحساس بواسطة يحتاج إلى مصدر طاقة خارجي نشط إشارة خارجية ،ثم يتغير استجابة للتأثير الخارجي. الخلية الضوئية ،الثرموكوبل يحول الطاقة من البيئة المحيطة لا يحتاج إلى مصدر طاقة غير مباشرة إلى إشارة كهربائية. خارجي نشط الجدول يوضح الفرق بين الحساس النشط وغير النشط 12 12 حساس الاشعة تحت الحمراء PIRوالمقاومة الضوئية LDR معلومة الحساس الـكهروضوئي Photoelectric Sensorهو جهاز إلـكتروني يحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.عندما يسقط الضوء على سطح الحساس ،فإنه يثير الإلـكترونات الموجودة فيه ،مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي. مستشعر الأشعة تحت الحمراء PIRهو مستشعر إلـكتروني يقيس الأشعة تحت الحمراء ) (IRالمنبعثة من الأجسام الموجودة في مجال رؤيته.يتم استخدامه بشكل متكرر في أجهزة كشف الحركة التي تعتمد على PIR.يتم استخدام مستشعرات PIRبشكل شائع في أجهزة الإنذار الأمني وتطبيقات الإضاءة الأوتوماتيكية. أنواع الحساسات بناء ً على إشارة الإخراج 22 الحساسات التناظر ية او التماثلية Analog Sensors i هو نوع من الحساسات التي تقيس الكميات الفيز يائية أو الظروف البيئية وتوفر إشارة خرج في شكل تناظري.الإشارات التناظر ية مستمرة ويمكن أن ٺتغير عبر مجموعة من القيم عبر الزمن الحساسات الرقمية Digital Sensors ii تنتج الحساسات الرقمية جهدًا أو إشارة رقمية تعتبر تمثيل ًا رقميًا للقيمة المقاسة.خرج هذا الحساس خرجا ثنائيًا اي صفر او واحد 13 13 الفرق بين خرج الحساس الرقمي والتماثلي أنواع الحساسات حسب الخاصية الفيز يائية 33 الحساسات الملامسة Contact Sensors i ٺتطلب هذه الحساسات اتصال ًا فيز يائيًا بالجسم الذي يتم قياسه )مثل الحساسات حساس الحرارة LM35). الحساسات غير الملامسة Non-Contact Sensors ii يمكن لهذه الحساسات القياس دون اتصال فيز يائي بالجسم الذي يتم قياسه )مثل حساسات القرب ،والحساسات الموجات فوق الصوتية(. أنواع الحساسات حسب مبدأ العمل 44 حساسات المقاومة i ٺتغير مقاومتها استجابة ً لتغير فيز يائي )مثل درجة الحرارة أو الضغط أو الإجهاد(.ومن الأمثلة على ذلك الثرمستور ،ومقياس الإجهاد ،ومقاومات الحساسية للقوة ). Force Sensing Resistor (FSRs اشكال مختلفة لحساس القوة 14 14 الحساسات السعو ية ii هي حساسات تعتبر لا تلامسية تولد مجال ًا كهروستاتيكياً للـكشف عن الأجسام المعدنية وغير المعدنية.باستخدام لوحين موصلين، تستشعر هذه الحساسات التغيير في السعة الـكهربائية عندما يتحرك جسم ما داخل نطاق استشعارها. الحساسات الحثية iii تكتشف هذه الحساسات التغيرات في الحث الناتجة عن وجود أو عدم وجود جسم قريب.ومن الأمثلة الشائعة على ذلك حساسات القرب الحثية. الحساسات الضوئية iv تستخدم هذه الحساسات الضوء لاكتشاف التغيرات في البيئة.ومن الأمثلة على ذلك الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية ومقاومات تعتمد على الضوء (LDRs). حساسات الـكهرضغطية أو البيزوكهربائية Piezoelectricity v تولد هذه حساسات شحنة كهربائية استجابة ً للإجهاد أو الضغط الميكانيكي.ومن الأمثلة على ذلك مقاييس التسارع والحساسات الضغط البيزوكهربائية. الحساسات الحرار ية vi تقيس هذه الحساسات التغيرات في درجة الحرارة من خلال التغير في الخصائص الـكهربائية المعتمدة على درجة الحرارة.ومن الأمثلة على ذلك الثرموكوبلات ،ومقاومات كشف درجة الحرارة (RTDs)،والمحفزات الحرار ية. تصنف المشغلات VII تعتبر المشغلات من العناصر الأساسية في العديد من الأنظمة الصناعية والآلية ،حيث تقوم بتحو يل الطاقة من شكل إلى آخر لإنتاج حركة ميكانيكية.وتعتمد هذه الحركة على نوع المشغل المستخدم ،والذي يتحدد بدوره بمصدر الطاقة الذي يعمل عليه وكذلك حسب حركتها فيما يلي المزيد من التفاصيل: تصنيف المُشغ ّلات حسب حركتها 11 تقسم المُشغ ّلات بحسب طبيعة حركتها و وفق ًا لنوع الحركة الناتجة ،إلى قسمين :قسم يقوم بحركة خطية )المُشغ ّل الخطّي( ،وقسم آخر يقوم بحركة دورانية )المُشغ ّل الدوّار(. 15 15 الشكل يوضح المشغل الخطي والمشغل الدوار ي Linear actuator المشغ ّل الخط ّ i يعمل هذا النوع من المحركات عادة عن طر يق تحو يل الحركة الدورانية إلى حركة خطية.يمكن لهذه الحركة أن تكون في اتجاه واحد )دفع أو سحب( أو في كلا الاتجاهين ،وذلك حسب تصميم المشغل. المشغ ّل الدوّار Rotary actuator ii يحول الطاقة المدخلة )مثل الطاقة الـكهربائية ،الهوائية ،أو الهيدروليكية( إلى حركة دورانية.حيث تتحول الحركة الخطية في اتجاه واحد إلى حركة دورانية اي ينتج حركة دائر ية حول محور ثابت. تصنيف المُشغ ّلات حسب مصدر الطاقة 22 يمكن تصنيف المشغلات بشكل عام إلى ثلاثة أنواع رئيسية بناء ً على مصدر الطاقة المستخدمة :المشغلات الـكهربائية ،والهيدروليكية، والهوائية. 16 16 المشغلات الـكهربائية i الشكل يوضح طر يقة عمل المشغل الـكهربائي تعتبر المشغلات الـكهربائية من أكثر الأنواع شيوعًا واستخدام ًا في الصناعة.تعمل هذه المشغلات عن طر يق تحو يل الطاقة الـكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.وتشمل الأمثلة الشائعة للمشغلات الـكهربائية :المحركات الـكهربائية و المحركات الخطية و المحركات الخطو ية ومن مميزاتها سرعة زكفاءة ودقة عالية وكدلك سهولة في التحكم عن طر يق أجهزة التحكم الإلـكترونية. 17 17 المشغلات الهيدروليكية ii الشكل يوضح طر يقة عمل المشغل الهيدروليكي تعمل المشغلات الهيدروليكية على مبدأ نقل الطاقة عن طر يق سائل تحت ضغط عالي.يتم توليد الضغط اللازم لتشغيل المشغل بواسطة مضخة هيدروليكية ،و يتم نقل السائل عبر أنابيب إلى أسطوانات هيدروليكية أو محركات هيدروليكية لإنتاج الحركة.و تتميز المشغلات الهيدروليكية بقوة عالية وكثافة قدرة عالية كما ان المشغلات الهيدروليكية أن تستجيب بسرعة للتغيرات في الضغط.وكذلك يمكن التحكم في حركة المشغلات الهيدروليكية بسهولة عن طر يق صمامات التحكم. 18 18 المشغلات الهوائية iii الشكل يوضح طر يقة عمل المشغل الهوائي تشبه المشغلات الهوائية المشغلات الهيدروليكية من حيث المبدأ ،ولـكنها تستخدم الهواء المضغوط بدلا ًمن السوائل.يتم توليد الهواء المضغوط بواسطة مضخة هوائية ،و يتم توز يعه عبر أنابيب إلى أسطوانات هوائية أو محركات هوائية لإنتاج الحركة.ومن مميزاتها انها تعتبر أكثر أمان ًا من المشغلات الهيدروليكية ،حيث أن الهواء المضغوط أقل ضغطًا من السوائل و أقل تكلفة من المشغلات الهيدروليكية.كما تتميز بسهولة الصيانة والاصلاح. الشكل يوضح الداخلي للمشغل الهيدروليكي والهوائي 19 19 المحركات الـكهربائية : Electrical motorsهي الأجهزة التي تحول الطاقة الـكهربائية إلى حركة دورانية.وٺتنوع تعر يف المحركات الـكهربائية من حيث النوع والحجم والقدرة ،وتستخدم في تشغيل العديد من الآلات والأجهزة ،مثل المضخات والكمبروسورات والمراوح. المحركات الخطية : Linear motorsهي محركات كهربائية تنتج حركة خطية بدلا ً من الحركة الدورانية. تستخدم المحركات الخطية في التطبيقات التي ٺتطلب حركة دقيقة وسر يعة ،مثل الروبوتات. المحركات الخطو ية : Stepper motorsهي محركات كهربائية تنتج حركة دورانية أو خطية بطر يقة متدرجة. تستخدم المحركات الخطو ية في التطبيقات التي ٺتطلب تحكمًا دقيق ًا في الحركة ،مثل طابعات ثلاثية الأبعاد وآلات الحفر بالليزر. 20 20 الفصل الثاني الحساسات الحرار ية المقدمة I الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة ،وتؤثر على جميع المواد وعلى العمليات الفيز يائية والـكيميائية.لقياس هذه الطاقة الحرار ية ،تم تطوير مجموعة متنوعة من الحساسات الحرار ية ،والتي تعتمد على مبادئ فيز يائية مختلفة.هذا الفصل من الكتاب يقدم نظرة شاملة على هذه الحساسات ،بدءًا من المبادئ الأساسية وصول ًا إلى التطبيقات المتقدمة.وسيتم تناول مواضيع مثل :أنواع الحساسات الحرار ية ،خصائصها ،دقة القياس ،ومقارنة أدائها.سنركز بشكل خاص على ثلاثة أنواع رئيسية من الحساسات الحرار ية وهي : حساس المزدوج الحراري Sensors Thermocouple حساسات كاشف درجة الحرارة بالمقاومة Sensors Detector Temperature Resistance RTD المقاومة الحرار ية أو الثرميستور Thermistor Sensors خلال رحلتنا هذه ،سنغطي العديد من الموضوعات الهامة ،بما في ذلك: مبادئ عمل كل نوع من الحساسات الحرار ية. المواد المستخدمة في تصنيع هذه الحساسات. مزايا وعيوب كل نوع من الحساسات. تطبيقات الحساسات الحرار ية في مختلف المجالات. يهدف هذا الفصل من الكتاب إلى تقديم نظرة شاملة وشاملة عن عالم الحساسات الحرار ية ،سواء كنت مهندسًا أو طالبًا أو مهتم ًا بمعرفة المزيد عن هذه التقنية الرائعة.فإذا كنت ترغب في فهم كيف تعمل الأجهزة التي نستخدمها يوميًا وكيف يتم التحكم في درجة حرارتها ،فإن هذا الكتاب هو لك.دعنا نبدأ رحلتنا مع ًا في عالم الحساسات الحرار ية ،حيث الحرارة تخبرنا الـكثير عن العالم من حولنا. 21 21 حساسات كاشف درجة الحرارة بالمقاومة RTD II Resistance Temperature Detector Sensors حساسات كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة RTD تشير اختصار ) (RTDالى Resistance Temperature Detectorال كاشف درجة الحرارة بالمقاومة .وهو نوع من الحساسات لاستشعار درجة الحرارة يعمل على مبدأ أن المقاومة الـكهربائية لمادة )عادة البلاتين النقي( ٺتغير مع تغير درجة حرارتها.يعتمد المفهوم الأساسي لمستشعر RTDعلى أن بعض المواد تظهر تغيرات متوقعة في مقاومتها الـكهربائية عند تعرضها لتغيرات في درجة الحرارة.يمكن بعد ذلك استخدام هذا التغيير في المقاومة كمقياس لتحديد درجة حرارة المادة الفعلية ،وبالتالي البيئة المحيطة بها. رمز حساس RTD 11 الرمز باستخدام المعايير الأمريكية والأوروبية الشكل السابق يوضح الرمز الالـكتروني للحساسات الحرار ية المعتمدة على تغير المقاومة بشكل عام ونجد أن هناك رمزان يعبران عن المقاومة الحرار ية يمكن استخدامهما في الدوائر و قد تختلف المعايير الأمريكية والأوروبية في بعض التفاصيل الصغيرة للرمز ،مثل شكل الزوايا أو سمك الخطوط ،ولـكن الفكرة العامة تبقى هي نفسها. 22 22 كيف تؤثر الحرارة على المقاومة؟ 22 عندما ترتفع درجة حرارة السلك ،تزداد حركة الإلـكترونات الحرة داخل السلك بشكل كبير.هذا يؤدي إلى خاصية ز يادة التصادمات بين الإلـكترونات وذرات المادة المكونة للسلك.كلما زادت التصادمات ،زادت صعوبة حركة الإلـكترونات عبر السلك ،وبالتالي تزداد مقاومته. على العكس ،عندما تنخفض درجة الحرارة ،تقل حركة الإلـكترونات ،وتقل التصادمات ،مما يؤدي إلى انخفاض المقاومة. تاثير درجة الحرارة على السلك وحركة الالـكتروانات بداخلة ملاحظة العوامل المؤثرة على العلاقة بين الحرارة والمقاومة: 1نوع المادة :تختلف المواد في مدى تأثر مقاومتها بالتغيرات في درجة الحرارة.بعض المواد ،مثل المعادن النقية ،تزداد مقاومتها بشكل كبير مع ز يادة درجة الحرارة ،بينما ٺتصرف مواد أخرى ،مثل أشباه الموصلات ،بشكل معاكس. 2درجة الحرارة 3أبعاد السلك :تؤثر أبعاد السلك ،مثل طوله ومساحة مقطعه العرضي ،على مقاومته ،ولـكنها لا تغير الشكل العام للعلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة. 23 23 برهان من المعادلة التالية يمكن معرفة العوامل التي توثر على المقاومة ρ∗l =R a حيث : :Rهي المقاومة الـكهربائية للموصل ،وتقاس بالأوم ).( Ω :ρهي المقاومية النوعية للمادة المصنوع منها الموصل ،وهي خاصية فيز يائية للمادة تعبر عن قدرتها على مقاومة مرور التيار الـكهربائي ،وتقاس بالأوم متر ).Ωم(. :lهي طول الموصل ،وتقاس بالمتر )م(. :aهي مساحة المقطع العرضي للموصل ،وتقاس بالمتر المربع )م.(²يمكن تشبيه مرور الإلـكترونات في موصل بمرور السيارات في طر يق.كلما كان الطر يق أطول )ز يادة الطول ) lزادت الزحمة واصطدام السيارات ببعضها )ز يادة المقاومة(.وكلما كان الطر يق أعرض )ز يادة مساحة المقطع العرضي ) aقلت الزحمة وسهل مرور السيارات )انخفاض المقاومة(. المعادلة التي تعبر عن العلاقة بين المقاومة ودرجة 33 الحرارة منحنى خواص حساسات كاشف درجة الحرارة بالمقاومة المعادلة التي تعبر عن العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة تعتمد المقاومة بشكل أساسي على نوعية وطبيعية الموصل ومما يتكون 24 24 منه ،ولـكنها تعتمد أيضًا على درجة الحرارة. ،بعض المواد ،مثل المعادن النقية ،تزداد مقاومتها بشكل كبير مع ز يادة درجة الحرارة ،بينما ٺتصرف مواد أخرى ،مثل أشباه الموصلات ،بشكل معاكس وعندما تكون التغيرات صغيرة في درجات الحرارة فإن المقاومة ٺتغير بشكل خطّي مع درجة الحرارة وفقا ًللمعادلة التالية: ) Rt = R0 (1 + α∆T ()2.1 حيث : : Rtمقاومة RTDعند درجة الحرارة . T : R0مقاومة RTDعند درجة حرارة مرجعية )عادة ً 0درجة مئو ية(. : αمعامل درجة الحرارة Resistance Temperature Coefficientللمواد المستخدمة في السلك او في RTDوهو عبارة عن قيمة ثابتة تصف مدى تغير مقاومة مادة ما مع تغير درجة الحرارة.في حالة ) RTDكاشف مقاومة درجة الحرارة( ،يعبر هذا المعامل عن العلاقة الخطية بين التغير في المقاومة والتغير في درجة الحرارة. T :درجة الحرارة بالكلفن ) (Kوهي وحدة قياس درجة الحرارة في النظام الدولي للوحدات ،وهي تعتبر الوحدة الأساسية لقياس الحرارة في العلوم الفيز يائية.تتميز الكلفن بأنها مقياس مطلق ،أي أن الصفر المطلق ) 0كلفن( يمثل أدنى درجة حرارة ممكنة، حيث ٺتوقف فيها حركة الجسيمات تمام ًا. ) ∆T = (Tt − T0 ()2.2 يتم التحو يل من مئوي إلى كلفن عن طر يق تحو ّيل درجة الحرارة المئو ية إلى الكلفن من خلال إضافة 273.15إلى درجة الحرارة، كما هو موضح في المعادلة الآتية K = C + 273.15 ()2.3 :Kتمثل درجة الحرارة بالكلفن. :Cتمثل درجة الحرارة المئو ية. تصنيف كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة RTD 44 ٺتنوع حساسات RTDبشكل كبير ،حيث تصنف وفق ًا لمادة صناعة عنصر الاستشعار الحساس لدرجة الحرارة وطر يقة بنائه. فيما يلي الأنواع الرئيسية للتصنيف: تصنيف الحساسات كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة RTDبناء ً i على طر يقة بناء طر يقة بناء العنصر الحساس لدرجة الحرارة (1حساسات كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة المصنوعة من البلاتين RTDs Platinum مصنوعة من سلك بلاتين نقي ولها معامل درجة حرارة موجب.إن خطيتها واستقرارها على المدى الطو يل تجعل عناصر RTD البلاتينية دقيقة للغاية للتطبيقات الصناعية تعتبر RTDالمصنوعة من البلاتين النقي هي الأكثر شيوعًا واستخدام ًا. تتميز بدقة عالية واستقرار طو يل الأمد ،مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي ٺتطلب قياسات دقيقة لدرجة الحرارة. تستخدم على نطاق واسع في الصناعات المختلفة ،مثل صناعة السيارات ،والطيران ،والبتروكيماو يات ،والأجهزة الطبية. 25 25 (2حساسات كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة المصنوعة من النيكل RTDs Nickel عناصر النيكل لها نطاق درجة حرارة أكثر محدودية مقارنة بالبلاتين ،حيث ٺتغير مقاومتها بشكل كبير مع درجة الحرارة وتصبح غير خطية فوق 300درجة مئو ية ) 572درجة فهرنهايت( ،مما يتطلب تصحيح الأخطاء لقياس درجة الحرارة بدقة.على الرغم من أنها توفر مقاومة جيدة للتآكل وأقل تكلفة من مقاييس RTDالبلاتينية ،فإن عمر عناصر النيكل قصير وتقل دقتها تدر يجيا ً بمرور الوقت.يمتد نطاق درجة حرارتها الفعال من 80-درجة مئو ية إلى 260درجة مئو ية ) 112-درجة فهرنهايت إلى 500 درجة فهرنهايت(. أقل تكلفة من تلك المصنوعة من البلاتين. تتميز بدقة أقل واستقرار أقل مقارنة بالبلاتين. تستخدم في التطبيقات التي لا ٺتطلب دقة عالية في القياس ،مثل أجهزة التدفئة المنزلية. (3حساسات كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة المصنوعة من النحاس RTDs Copper يوفر النحاس مقاومة خطية جيدة مع تغييرات درجة الحرارة ،ولـكن مقاومته النوعية المنخفضة ٺتطلب ان يكون طول المستشعر أطول في الحساس مقارنة بحساس المصنوع من البلاتين.نظرًا لتأكسد النحاس ،فإن استخدامه يقتصر على درجات الحرارة أقل من 150درجة مئو ية ) 302درجة فهرنهايت(.تستخدم مقاييس RTDالنحاسية بشكل أساسي لقياس درجات حرارة ملفات المحركات والمولدات والتوربينات.بينما تكون عناصر النحاس رخيصة نسبيًا وتظهر خطية جيدة ،فإنها تفقد خطيتها بسرعة و تنحرف عن قيمتها الاساسية ،مما يمكن أن يؤثر على دقة درجة الحرارة.فهي مناسبة بشكل أفضل للتطبيقات في البيئات غير المؤكسدة حيث تفوق مزاياها الخطية والتكلفة حدودها. الأقل تكلفة من بين الأنواع الثلاثة. لها نطاق درجة حرارة تشغيل محدود مقارنة بالبلاتين والنيكل. تستخدم في التطبيقات ذات درجة الحرارة المنخفضة ،مثل قياس درجة حرارة الملفات والماء. (4حساسات كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة المصنوعة من مواد أخرى RTDs Metals Other يمكن استخدام مواد أخرى غير البلاتين والنيكل والنحاس في صناعة مقاييس مقاومة البلاتين الحراري ،مثل البالـكو (Balco). الحساسات المصنوعة من بالـكو ٺتكون من 70%نيكل 30%حديد.يقدم مستشعر بالـكو بقيمة 500أوم مقاومة خطية نسبيا ً ضمن نطاق درجة الحرارة من -40درجة مئو ية إلى 116درجة مئو ية) -40درجة فهرنهايت إلى 240درجة فهرنهايت(.تتميز بالـكو بتوصيل حراري مماثل للنيكل ولـكن مع ضعف المقاومة النوعية.مثل تتميز هذه الأنواع بخصائص مختلفة من حيث المقاومة ،ومعامل درجة الحرارة ،ونطاق التشغيل. تستخدم في تطبيقات محددة ٺتطلب خصائص معينة. تصنيف الحساسات كاشفات درجة الحرارة RTDحسب ii طر يقة بناء عنصر الاستشعار هناك ثلاثة أنواع رئيسية من بناء مستشعر RTDوهم حساسات RTDذات الطبقة الرقيقة Thin Film RTD Sensors و حساسات RTDالملفوفة بشكل حلزوني Coiled RTD Sensorsوكذلك حساس RTDالملفوف بسلك Wire Wound RTD Sensorsيعتمد اختيار مستشعر RTDعلى البيئة والتطبيق اللذين سيتم استخدامه فيهم لكل منها مزايا وعيوب.دعونا نلقي نظرة عليها. 26 26 (1حساسات RTDذات الطبقة الرقيقة Thin Film RTD Sensors ٺتكون حساسات RTDذات الطبقة الرقيقة من طبقة رقيقة جدا ً من مادة موصلة )عادة البلاتين( ،وعندما ٺتغير درجة الحرارة ٺتغير مقاومة هذه الطبقة.هذه التغيرات في المقاومة يتم قياسها لتحو يلها إلى قراءات دقيقة لدرجة الحرارة.تتميز هذه الحساسات بدقتها العالية ،واستجابتها السر يعة ،وصغر حجمها ،مما يجعلها مثالية للاستخدامات التي ٺتطلب قياسات دقيقة لدرجة الحرارة حساسات كاشفات درجة الحرارة بالمقاومة RTD تُظهر الصورة مكونات عناصر RTDذات الطبقة الرقيقة حيث يتكون من طبقة معدنية رقيقة ترسب على ركيزة سيراميك.يتم نقش هذه الطبقة المعدنية في نمط دائرة كهربائية محدد لتوفير المقاومة المطلوبة.يتم توصيل أسلاك التوصيل ) lead) wiresإلى نمط الدائرة الـكهربائية ،و يتم تطبيق طلاء طبقة واقية من الزجاج أو مادة أخرى على كامل العنصر لحمايته من العوامل الخارجية. تشتهر مستشعرات RTDذات الطبقة الرقيقة بمتانتها وموثوقيتها ،حيث توفر مقاومة للصدمات والاهتزاز.وكذلك صغرحجمها مما يسهل تركيبها في الأماكن الضيقة و تكلفتها المنخفضة حيث تعتبر هذه الحساسات أقل تكلفة من أنواع أخرى من حساسات ، RTDوهي متوفرة في مجموعة من أنواع المقاومة والتفاوتات والأحجام والأشكال (2حساس RTDالملفوف بسلك Wire Wound RTD Sensors يتكون مستشعر RTDالملفوف بسلك من سلك رفيع )سلك المقاومة الذي سيقوم بالاستشعار( ملفوف حول قلب غير موصل، والذي يكون غالبًا مصنوعًا من السيراميك.يتم استخدام البلاتين والنيكل والنحاس بشكل شائع لسلك المقاومة لأن لكل منها علاقة?
