قياس الكميات غير الكهربائية :الحساسات والمبدالت
المقدمة :
تعد الحساسات والمبدالت من أهم المكونات في أنظمة القياس والتحكم
دورا رئيسيًا في تحويل الكميات الفيزيائية إلى
الحديثة ،حيث تلعب ً
إشارات كهربائية يمكن معالجتها وتحليلها .تُستخدم هذه األجهزة في
مجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية ،مثل أنظمة األتمتة الصناعية،
الروبوتات ،الطاقة المتجددة وأنظمة التحكم الذكية
(Sensors)-1الحساسات
تعريف :هي أجهزة تكتشف التغيرات في الكميات الفيزيائية مثل
الحرارة ،الضغط ،اإلزاحة ،السرعة ،القوة ،أو الرطوبة ،وتحولها إلى
إشارات كهربائية يمكن معالجتها بواسطة أنظمة التحكم
أنواع الحساسات
الحساسات الحرارية (مثل الثرمومترات) الحساسات الضوئية (مثل الخاليا الكهروضوئية) الحساسات الحركية (مثل مقياس التسارع) -الحساسات الخاصة بالضغط والرطوبة والغازات
(Transducers)-2المبدالت
عا من الطاقة إلى نوع آخر ،وغالبًا ما يتم استخدامها
هي أجهزة تحول نو ً
لتحويل الكميات غير الكهربائية (مثل الضغط أو الحرارة) إلى إشارات
كهربائية قابلة للقياس .جميع الحساسات تعتبر مبدالت ،لكن ليست كل
المبدالت حساسات.
أنواع المبدالت
مبدالت حرارية مبدالت ضوئية -مبدالت ميكانيكية
الفرق بين الحساسات والمبدالت :
الحساس هو جزء من المبدل ,المبدل يتضمن الحساس باإلضافة إلى
الدوائر الكهربائية التي تحول اإلشارة .
طرق اختيار الحساسات والمبدالت
عند اختيار حساس أو مبدل لقياس كمية فيزيائية معينة ،هناك عدة
عوامل يجب أخذها في االعتبار :
قادرا على قياس القيم
نطاق القياس :يجب أن يكون الحساس ًالمطلوبة دون تجاوز حدوده التشغيلية
الدقة :تحدد مدى قرب القيم المقاسة من القيم الحقيقية . االستجابة الزمنية :مدى سرعة استجابة الحساس للتغيرات في الكميةالمقاسة .
التحمل البيئي :مثل مقاومة الحساس للحرارة ،الرطوبة،واالهتزازات
قادرا على العمل
االستقرار و المتانة :يفضل أن يكون الحساس ًلفترات طويلة دون الحاجة إلى إعادة معايرة مستمرة .
النوع التناظري ام الرقمي :يتم االختيار بنا ًء على نوع اإلشارةالمطلوبة في النظام المستخدم .
أنواع الحساسات وأجهزة القياس :
(Temperature Sensors) -1الحساسات الحرارية
مبدأ العمل:
تعمل الحساسات الحرارية على قياس درجة الحرارة من خالل التغيرات
في المقاومة الكهربائية أو فرق الجهد بين معدنين مختلفين
أمثلة:
) (Thermocoupleالثرموكبل
يعتمد على التأثير الكهروحراري ،حيث يولد فرق جهد يتناسب مع
درجة الحرارة
)RTD (Resistive Temperature Detector
تتغير مقاومة السلك المعدني (عادة ً من البالتين) بتغير درجة الحرارة
) (Thermistorالثرميستور
حساس مصنوع من مواد شبه موصلة تتغير مقاومتها مع تغير درجة
الحرارة
:التطبيقات
أنظمة التدفئة والتبريد •
محطات توليد الطاقة •
أجهزة التحكم في درجة حرارة المحركات •
) (Displacement Sensorsحساسات اإلزاحة 2.
:مبدأ العمل
تستخدم هذه الحساسات لقياس التغير في الموضع أو المسافة عبر عدة
.تقنيات مثل الحث الكهرومغناطيسي أو الموجات فوق الصوتية
:أمثلة
يعتمد • LVDT (Linear Variable Differential Transformer):
.على التغير في المجال المغناطيسي لتحديد الموضع بدقة عالية
ترسل موجات (Ultrasonic Sensors):الحساسات فوق الصوتية •
.صوتية وتقيس الزمن الذي تستغرقه لالنعكاس عن جسم ما
:التطبيقات
أنظمة التحكم في الروبوتات •
قياس مستوى السوائل في الخزانات •
أنظمة المالحة الذاتية •
) (Pressure Sensorsحساسات الضغط 3.
:مبدأ العمل
تعمل حساسات الضغط على قياس القوة المؤثرة على مساحة معينة
.وتحويلها إلى إشارة كهربائية
:أمثلة
تعتمد على توليد شحنة كهربائية عند • Piezoelectric Sensors:
.تعرض مادة بلورية إلجهاد ميكانيكي
تعتمد على تغير المقاومة الكهربائية • Strain Gauge Sensors:
.عند تعرض مادة لإلجهاد الميكانيكي
:التطبيقات
أنظمة مراقبة ضغط اإلطارات في السيارات •
أنظمة الهيدروليك والنيوماتيك في المصانع •
مراقبة ضغط الدم في األجهزة الطبية •
) (Speed Sensorsحساسات السرعة 4.
:مبدأ العمل
تقيس حساسات السرعة معدل التغير في الموضع مع الزمن باستخدام
.تقنيات مثل التحريض الكهرومغناطيسي أو التأثير الكهروضوئي
:أمثلة
.تعتمد على قرص مشفر دوار لقياس سرعة الدوران • Encoders:
تستخدم المجال المغناطيسي أو األشعة تحت • Tachometers:
.الحمراء لقياس السرعة الدورانية
:التطبيقات
أنظمة التحكم في المحركات الكهربائية •
مراقبة سرعة القطارات والسيارات •
أنظمة الروبوتات الصناعية •
) (Strain Sensorsحساسات اإلجهاد 5.
:مبدأ العمل
تقيس التغيرات في اإلجهاد الميكانيكي من خالل تغير المقاومة الكهربائية
.أو اإلشارات الكهروضغطية
:أمثلة
.تعتمد على تغير المقاومة عند تعرضها لإلجهاد • Strain Gauges:
.تستخدم في قياس الوزن والقوة • Piezoelectric Load Cells:
:التطبيقات
ميزان الوزن اإللكتروني •
مراقبة السالمة في الجسور والمباني •
أنظمة القياس في الروبوتات •
أمثلة على المبدالت :
تطبيقات الحساسات والمبدالت :
تستخدم الحساسات في مجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية ،ومنها :
-1األتمتة الصناعية
RTDالتحكم في درجة الحرارة داخل المصانع باستخدام حساسات
Piezoelectric Sensorsقياس الضغط في األنابيب باستخدام
-2الروبوتات
لتحديد موقع األجسام Ultrasonic Sensorsحساسات المسافة
Gyroscopes, Accelerometersحساسات السرعة والتسارع
للحفاظ على التوازن
-3الطاقة المتجددة
قياس اإلشعاع الشمسي في أنظمة الطاقة الشمسية باستخدام
Pyranometer
Anemometers.قياس سرعة الرياح في توربينات الرياح باستخدام
-4أنظمة التحكم الذكية
في أنظمة الوزن األوتوماتيكية Load Cellsاستخدام
مراقبة البيئة باستخدام حساسات الرطوبة ودرجة الحرارة في المباني
الذكية
الخاتمة :
تعتبر الحساسات والمبدالت من المكونات األساسية في أنظمة القياس
والتحكم الحديثة .فهي تتيح إمكانية مراقبة وتحليل البيئة الفيزيائية
وتحويل البيانات إلى إشارات كهربائية يمكن معالجتها بواسطة أنظمة
الذكاء االصطناعي واألتمتة مع تطور التكنولوجيا ،يتم تطوير حساسات
لجعل األنظمة أكثر كفاءة ) (IoTواكثر ذكا ًء ودمجها مع إنترنت األشياء
واستجابة .
0