DENEY: 13.1/../13.9 PROXĐMĐTY SENSÖRLERĐN ĐNCELENMESĐ

Transkript

1 DENEY: 13.1/../13.9 PROXĐMĐTY SENSÖRLERĐN ĐNCELENMESĐ HAZIRLIK BĐLGĐLERĐ: Sanayi fabrika otomasyonunda proximity (yaklaşım) sensörler kullanılır. Porximity sensörler profesyonel yapıda çevre şartlarından en az etkilenen kararlı çalışan sensörlerdir. Proximity sensörler şekil olarak düz kafalı ya da çıkık kafalı üretilmektedir. Düz kafalı sensörler yalnız ön kısımlarındaki malzemeleri algılar. Çıkık kafalı sensörler ise ön ve yan kısımlarındaki malzemeleri algılar. Sensörün algılama yaptığı yüzeye aktif yüzey denir. Şekil 13.1 de düz kafalı proximity sensörün klasik yapısı görülmektedir. Şekil 13.1 Proximity sensörlerin çalışabilmesi için bir enerji kaynağına ihtiyaç vardır. Otomasyonda kullanılan proximity sensörler genellikle DC 24Volt kaynak ile çalışır. Proximity sensörlerin çıkış işaretleri (özel amaçlı sensörler dışında) yaklaşık olarak kaynak gerilimidir. Proximity sensörlerin çıkış işareti pozitif (+) ya da negatif (-) olabilir. Çıkış işareti pozitif olan sensörler PNP, çıkış işareti negatif olan sensörler NPN olarak isimlenir. Proximity sensörlerde çıkış kablosu genellikle üç uçludur. Bunlar (+)(-) besleme uçları ve çıkış ucudur. Proximity sensörün arkasındaki LED sensör herhangi bir cismi algıladığı zaman ışık verir. sensörün arkasındaki bulunan hassasiyet ayar trimpotu kararlı bir çalışma için orta konumda olmalıdır. Sensör montaj edilirken bu noktaya dikkat etmek gerekir. Ayrıca metal gövdeli sensörlerin gövdeleri mutlaka topraklanmalıdır. Yakın çevrede motor sürücüsü, elektronik starterli lambalar ve üzerinden yüksek elektrik akımı geçen kablolar varsa sensör bunlardan mümkün olduğu kadar uzağa montaj edilmelidir. Kullanılacak proximity sensör seçimi önemlidir. Seçim hangi malzemenin algılanacağı, hangi mesafeden algılanacağı ve hangi hızla algılanması gerektiği bilinerek yapılmalıdır. En çok kullanılan proximity sensörler endüktif, kapasitif ve optik sensörlerdir. Bunların dışında mıknatıs, ısı, renk, nem, gaz v.b. algılayan yüzlerce sensör vardır. Endüktif ve kapasitif sensörlerin çalışma prensipleri birbirine çok benzer. Optik sensörlerin çalışması kendisine özgüdür. Bu üç sensör sırayla incelenecektir. Endüktif sensörler metalleri, kapasitif sensörler hem metalleri hem de yalıtkan malzemeleri (seramik, cam, plastik v.b.) algılar. Üretici firmalar kataloglarında çok önemli olan üç parametreyi gösterirler. Bunlar algılama mesafesi, histerisiz yüzdesi ve anahtarlama frekansıdır. SENSÖRLER 78

2 1- Algılama Mesafesi: Sensörler değişik yapı malzemeli cisimleri farklı mesafelerden algılar. Yapı malzemeleri aynı olduğu halde şekil değişikliği olan cisimlerde yine farklı mesafelerden algılanır. Endüktif ve kapasitif proximity sensörlerin kataloglarında gösterilen değer 20 0 C ortam sıcaklığında sensörün önüne yaklaştırılan standart plakayı algıladığı en uzak mesafedir. Standart plaka kalınlığı 1mm, kenarları sensör çapına eşit kare şeklinde St37 kodlu demir plakadır. Endüktif ve kapasitif proximity sensörlerin algılama mesafeleri genellikle 2,5cm nin altındadır. Şekil 13.2 de tipik bir endüktif sensör ün ve yine tipik bir kapasitif sensör ün standart plaka ölçülerindeki değişik malzemeleri algılama mesafeleri görülmektedir. Şekil 13.2 Proximity sensörler C ile C arasında çalışırlar. Algılama mesafeleri bu sıcaklık aralığının uç noktalarında ±%10 değişim gösterebilir. 2- Histerisiz Yüzdesi: Proximity sensörler ön tarafına yaklaştırılan uygun malzemeleri belli bir noktada algılar. Bu noktada malzeme geri çekilmeye başlanırsa algılama daha uzak bir noktaya kadar devam eder. Bu durum şekil 13.3 de görülmektedir. Şekil 13.3 Dikkat edilirse histerisiz mesafesi algılamanın başladığı nokta ile algılamanın bittiği nokta arasıdır. Histerisiz mesafesi kataloglarda algılama mesafesinin yüzdesi olarak verilir. Histerisiz yüzdesi endüktif sensörlerde yaklaşık %10, kapasitif sensörlerde %10-%20 arasıdır. SENSÖRLER 79

3 3- Anahtarlama Frekansı: Proximity sensörün bir saniyede yapabileceği en yüksek algılama sayısıdır. Anahtarlama frekansı endüktif ve kapasitif sensörlerde az, optik sensörlerde yüksektir. Sensör en yüksek anahtarlama frekansıda çalıştırılacak ise sayılacak maddeler arasında sensör çapının iki katı kadar aralık bırakılmalı ve algılama mesafesi yarıya düşürülmelidir ENDÜKTĐF PROXĐMĐTY SENSÖRLER Otomasyon sistemlerinde algılanması istenen malzemeler metal ise endüktif proximity sensörler kullanılır. Şekil 13.4 de endüktif sensörün yapısı görülmektedir. Şekil 13.4 Sistemin çalışmasında en etkili bölüm LC osilatör devresidir. Bildiğimiz gibi osilatörler alternatif sinyal üreten devrelerdir. Endüktif proximity sensörlerin osilasyon frekansı 100KHz-1MHz arasındadır. Osilatör bobini troid şeklinde bir ferit nüve içerisinde sensörün aktif yüzeyinin merkezine, dış yüzeye yakın olacak şekilde yerleştirilmiştir. Sensör e enerji uygulanınca osilatör osilasyon yapmaya başlar ve sensörün aktif yüzeyinin önünde elektromanyetik bir alan oluşur. Ferit nüve oluşan elektromanyetik alanı belli bir bölgede tutar. Bu bölge içerisinde algılanacak bir parça yok ise komparatör ve çıkış katı hiçbir işaret üretmez. Elektromanyetik alanın bulunduğu bölge içerisine herhangi bir metal parça yaklaştırılırsa manyetik alan zayıflar ya da şekil değiştirir. Osilatörün çıkış işaretindeki bu zayıflama belli bir değerin altına düşerse komparatör ve çıkış katı aktif duruma geçerek çıkış sinyali üretir. Bu sinyal ile istenilen almaç (motor, yürüyen band v.b.) kontrol edilir. Endüktif Namur Proximity Sensör: Patlayıcı ve yanıcı maddelerin bulunduğu ortamlarda çalışması endüktif sensörler aynı olan endüktif namur sensörler kullanılır. Namur sensörlerin yapısında yalnız osilatör devresi vardır. Komparatör ve çıkış katları sensörün dışında ayrı bir yerdedir. Endüktif namur sensörün kablosu iki uçludur. Namur sensörlerin çalışma gerilimleri ve çektiği akımda endüktif proximity sensör e göre çok küçüktür. Endüktif namur sensörlerin çalışma esası algılama yok iken ve algılama yaptıkları anda çektikleri akımda oluşan değişikliğe dayanır. Namur sensörlerin komparatör girişine gösterdiği direnç 1K-8K arasında değişir. SENSÖRLER 80

4 13.2 KAPASĐTĐF PROXĐMĐTY SENSÖRLER Otomasyon sistemlerinde algılanması istenilen malzemeler cam, seramik, plastik, mika gibi yalıtkan malzemeler ise kapasitif proximity sensörler kullanılır. Şekil 13.5 de kapasitif proximity sensörün yapısı görülmektedir. Şekil 13.5 Kapasitif proximity sensörün çalışmasında en etkili devre RC osilatör devresidir. Osilatörün osilasyonunun oluşmasında önemli olan kondansatör bir sensör elektrodu ile blendaj muhafazadan oluşur. Sensör metal levha, blendaj muhafaza sensör elektroduna elektiriki teması olmayan kapak şeklindedir. Sensör elektrodu, sensörün aktif yüzeyinin merkezine dış yüzeye yakın olacak şekilde yerleştirilmiştir. Sensör e enerji uygulanınca sensör elektrodu ile blendaj muhafaza arasında ve sensörün aktif yüzeyinin önünde bir elektromanyetik alan oluşur. Oluşan elektromanyetik alan şekil 13.6 daki gibidir. Şekil 13.6 Osilatör elektromanyetik alan içerisinde herhangi bir madde yok iken hiçbir işaret üretmez. Elektromanyetik alan içerisine bir madde girdiği anda kondansatörün kapasitesi artar ve osilatör çıkış işareti üretmeye başlar. Bu çalışmanın sağlanması için osilatör çok iyi dizayn edilmiştir. Bu anda çıkış katıda aktif hale gelir ve çıkış katıda aktif hale gelir ve çıkış işareti üretir. Bu işaret ile istenilen almaç kontrol edilir. SENSÖRLER 81

5 13.3 OPTĐK PROXĐMĐTY SENSÖRLER Optik (ışık duyarlı) sensörler esas olarak bir ışık vericisi ile ışık alcısından oluşur. Işık dalga boyu belli olan elektromanyetik dalgadır. Optik sensörlerde kullanılan ışık insan gözünün göremediği, dalga boyu 820nm- 1000nm arasında olan enfraruj ışıktır. Optik sensörlerde ışık vericisi olarak IR LED, ışık alıcısı olarak foto-diyot ya da foto-transistör kullanılır. Şekil 13.7 de optik proximity sensörün yapısı görülmektedir. Şekil 13.7 Işık vericisinin ve ışık alcısının önündeki mercekler enfraruj ışığı ince bir demet şekline sokmak başka sözle hüzmelemek için kullanılmıştır. Optik proximity sensörlerin ışık vericisinin ve ışık alıcısının ayrı muhafazalar şeklinde olan yapısı da vardır. Şekil 13.8 de optik sensörlerin iki değişik çalışma prensibi görülmektedir. Şekil 13.8 Şekil 13.8A da verici ve alıcı aynı muhafaza içindedir. Sisteme enerji uygulandığında verici ışık yaymaya başlar. Vericiden yayınlanan ışık algılanacak madde yok iken kendi doğrultusunda gider. Bu durumda alıcıya vericiden yayılan ışık gelmez ve alıcı çıkışında hiçbir işaret olmaz. Vericiden yayılan ışığın bu andaki şekli kesik çizgiler ile görülmektedir. Vericiden yayılan ışığın önüne herhangi bir madde girerse ışık bu maddeye çarparak yansır ve alıcıya ulaşır. Bu anda alıcı aktif duruma geçer ve çıkış ucunda bir işaret oluşur. Bu işaret sinyal düzenleyici elektronik devrede değerlendirilir. SENSÖRLER 82

6 Şekil 13.8B de verici ve alıcı ayrı, ayrı yerlerdedir. Sisteme enerji uygulanınca verici ışık yaymaya başlar. Vericinin yaydığı ışık algılanacak madde yok iken alıcıya ulaşır. Bu anda alıcı çıkışında hiçbir işaret oluşamaz. Verici ile alıcı arasında herhangi bir madde girecek olursa vericiden yayılan ışık alıcıya ulaşamaz. Bu anda alıcı aktif hale gelir ve çıkış ucunda bir işaret oluşur. Bu işaret yine sinyal düzenleyici bir elektronik devrede değerlendirilir. Dikkat edilirse iki sistem birbirine ters çalışmaktadır. Şekil 13.8A daki sistemde alıcı ışık var iken aktiftir. Şekil 13.8B deki devrede ise alıcı ışık yok iken aktif duruma geçmektedir. Optik proximity sensörlerin otomasyonda çok kullanılan üç tipi vardır. Bunlar cisimden yansımalı, reflektörden yansımalı ve karşılıklı optik sensörlerdir. 1- Cisimden Yansımalı Optik Sensörler: Verici ve alıcının aynı muhafaza içine yerleştirildiği optik sensör tiplerinden birisidir. Çalışma prensibi şekil 13.9 da görülmektedir. Şekil 13.9 Sensöre enerji uygulandığında verici aktif hale gelir ve ışık yaymaya başlar. Yayılan bu ışık sensörün şeffaf yüzeyi önünde algılanacak madde yok ise belli bir doğrultuda gider. Bu durumda alıcıya hiçbir ışık gelmez ve alıcı çıkışında hiçbir işaret oluşmaz. Alıcı çıkışında işaret olmayınca komparatör ve çıkış katıda çalışmaz. Bu anda sensör çıkışında hiçbir işaret olmaz. Sensörün şeffaf yüzeyi önüne herhangi bir madde gelirse vericinin yaydığı ışık bu maddeye çarpar ve yansır. Sensör yansıyan ışığın alıcıya geleceği şekilde montaj edilir. Yansıyan bu ışık alıcıya geldiği anda alıcı aktif duruma gelir ve çıkış ucunda bir işaret oluşur. Oluşan bu işaret komparatör ve çıkış katını aktif hale getirir. Bu anda sensör çıkışında kaynak gerilimi görülür. Sensör çıkışında oluşan gerilim ile istenilen almaç kontrol edilir. Cisimden yansımalı sensörler ile parlak yüzeyli cisimleri daha iyi algılar. 2- Reflektörden Yansımalı Optik Sensörler: Verici ve alıcının aynı muhafaza içine yerleştirildiği optik sensör tiplerinden biriside reflektörden yansımalı optik sensörlerdir. Bu tip sensörlerin çalışması için sensörün dışında bir reflektör (ışık yansıtıcı) gereklidir. Reflektörler aynaya benzer yapıda yaklaşık 5cmx5cm ölçüsünde ışık yansıtıcılarıdır. Şekil da reflektörden yansımalı optik proximity sensörün çalışması görülmektedir. SENSÖRLER 83

7 Şekil Sensöre enerji uygulandığında verici aktif hale gelir ve ışık yaymaya başlar. Reflektör vericiden yayılan bu ışığı karşılayacak ve alıcıya doğru yansıtacak şekilde montaj edilir. Vericiden yayılan ışığın alıcıya geldiği zaman süresince alıcı çıkışında bir işaret oluşmaz. Bu durumda komparatör ve çıkış katı çalışmaz. Bu anda sensör çıkışında hiçbir işaret olmaz. Sensör ile reflektör arasına bir madde girdiği anda vericiden çıkan ışık reflektöre gelemez. Reflektöre ışık gelmemesi alıcıya ışık gelmemesi demektir. Bu anda alıcı çıkışında bir işaret oluşur. Bu işaret komparatör ve çıkış katını aktif hale getirir ve sensörün çıkış ucunda kaynak gerilimi görülür. Sensör çıkışındaki bu gerilim ile yine istenilen almaç kontrol edilir. 3- Karşılıklı Optik Sensörler: Verici ve alıcının ayrı muhafazalar içinde olduğu optik sensör tipidir. Çalışma prensibi şekil de görülmektedir. Şekil Karşılıklı optik sensörlerin çalışma prensibi reflektörden yansımalı optik sensörler ile aynıdır. Sisteme enerji uygulandığında verici ışık yaymaya başlar. Sistem vericinin yaydığı ışığın alıcıya geleceği şekilde montaj edilir. Vericiden yayılan ışığın alıcıya geldiği zaman boyunca alıcı çıkışında bir işaret oluşmaz. Bu durumda komparatör ve çıkış katı çalışmaz ve sensör çıkışında bir işaret olmaz. Verici ile alıcı arasına bir madde girerse vericiden gönderilen ışık alıcıya gelemez. Bu anda alıcı çıkışında bir işaret oluşur. Bu işaret komparatör ve çıkış katını aktif hale getirir ve sensör çıkışında kaynak gerilimi görülür. Sensör çıkışındaki bu gerilim ile yine istenilen almaç kontrol edilir. SENSÖRLER 84

8 Optik sensörlerin algılama mesafesi algılanacak cismin fiziki boyutları ile doğru orantılı olarak değişir. Fikir vermesi yönüyle yüzeyi orta parlaklıkta, boyutları 4cmx4cmx4cm olan küp şeklindeki bir cismi, cisimden yansımalı optik sensörler yaklaşık 30cm mesafeden, reflektörden yansımalı optik sensörler yaklaşık 1metre mesafeden karşılıklı optik sensörler daha uzun mesafeden algılar. Optik proximity sensörler üretici firmalar tarafından genellikle iki çıkış uçlu üretilirler. Đki çıkış ucu elektriki olarak birbirinin tam tersi olarak çalışır. Çıkış uçlarının elektriki durumu sensörün kataloğunda ya da üzerinde gösterilir. Şekil Şekil de sensör üzerine ışık düştüğü zaman çıkış uçlarının elektriki durumu görülmektedir. Otomasyon sistemlerinde reflektörden yansımalı optik sensörler ve karşılıklı optik sensörler yaygın olarak kullanılır. Bu iki sensörün montajından sonra vericiden çıkan ışığın alıcıya gelmesini sağlamak için yön ayarı yapmak gerekir. Bu ayar işlemi beceri isteyen bir işlemdir. Sensör çıkışlarından 2.çıkış (NC) ucu kullanılarak ayar işlemi daha kolay yapılabilir. Şekil de 24Volt DC kaynak ile çalışan NPN tipi reflektörden yansımalı optik sensörün yön ayarı için gerekli devre görülmektedir. Şekil Önce sensör istenilen yere montaj edilir. Devreye enerji verilince bir an için reflektörün olmadığını kabul edersek LED ışık verecektir. Reflektör sisteme girdiğinde sensör vericisinden gelen ışık reflektöre çarparak sensör alcısına gitmez ise LED ışık vermeye devam eder. Reflektörün yönü LED in söndüğü konuma geldiğinde ayar işlemi tamamlanmış olur. Bu konumda reflektör yerine sabitlenir. Karşılıklı optik sensörlerde reflektör yerine verici sensörün yönü ayarlanır ve sabitlenir. Karşılıklı optik sensörler iyi ayar yapılırsa 10 metreye kadar kullanılabilir. Mesafe uzadıkça ayar işlemi zorlaşır. Uzak mesafelerde kontrol yapılacaksa daha hassas ayar yapmak gerekir. Ayar işlemi bitince devreden direnç ve LED çıkarılır. SENSÖRLER 85

9 Otomasyon sistemlerinde çoğunlukla reflektörden yansımalı optik sensörlerin ve karşılıklı optik sensörlerin 1.çıkış (NO) ucundaki işarete göre çalışan devreler kullanılır SENSÖR BAĞLANTILARI Otomasyon sistemlerinde bazı hallerde birden fazla sensör kullanılarak kontrol yapmak gerekebilir. Bu gibi durumlarda sensörler seri ya da paralel bağlanır. 1-Sensörlerin seri bağlantısı: Sensörlerin istenilen sıra ile hepsinin aynı anda aktif olduğunda çıkış işareti istenen yerlerde seri bağlantı kullanılır. Şekil de üç uçlu PNP iki proximity sensörün seri bağlantısı görülmektedir. Şekil Birinci sensör aktif hale geldiği zaman ikinci sensöre enerji uygulanır. Đkinci sensörde aktif hale gelince ikinci sensörün çıkışına bağlı röle ya da elektronik anahtar ile almaç kontrol edilir. 2-Sensörlerin paralel bağlantısı: Sistemde herhangi bir sensör aktif hale geldiğinde çıkış işareti isteniyorsa sensörler paralel bağlanır. Şekil de üç uçlu iki PNP sensörün paralel bağlantısı görülmektedir. Şekil Sistemde herhangi bir sensör aktif hale gelirse röle ya da elektronik anahtarda aktif hale gelerek istenilen almaç kontrol edilir. D1 ve D2 diyotları aktif hale gelen sensörün diğer sensörlere bir elektriki etki olmasını önlemek için kullanılmıştır. Deney setimizde endüktif, kapasitif ve reflektörden yansımalı proximity sensörler vardır. Deneyler bu üç sensör ile yapılacaktır. Endüktif ve kapasitif proximity sensörlerin deneylerinde yapılacak işlemler aynıdır. Deney setimizdeki kapasitif sensör endüktif sensöre göre daha görülür sonuçlara sahiptir. Bu nedenle önce kapasitif proximity sensör incelenecektir. SENSÖRLER 86

10 DENEY: 13.1 KAPASĐTĐF PROXĐMĐTY SENSÖRÜN ALGILAMA MESAFESĐNĐN ÖLÇÜLMESĐ 1- Devre bağlantılarını yapmadan önce Y-0040 sensör deney setine enerji uygulayınız. Ayarlı güç kaynağı çıkış gerilimini 24Volt a ayarlayınız. Güç kaynağının enerjisini kesiniz. 2- Dairesel hareket mekanizması üzerine A1 yuvasına demir, A2 yuvasına pirinç, B1 yuvasına alüminyum, B2 yuvasına plastik malzemeyi takınız. Dairesel hareket mekanizmasını yatay doğrultuda pirinç-demir olacak şekilde elle çeviriniz. 3- Devre bağlantılarını şekil deki gibi yapınız. Sensörden gelen konnektörü yerine takarken tırnağına dikkat ediniz. Devreye enerji uygulayınız. Şekil SENSÖRLER 87

11 4- Deneyimizde kullanılan demir silindir şeklinde özel ölçüdedir.katalog değeri için algılama mesafesi ölçülecekse nasıl bir demir kullanmak gerekir? Kataloga konulacak algılama mesafesi için standart plaka şekil ve ölçülerinde (kalınlığı 1mm, kenarları sensör çapı olan kare şeklinde) St 37 kodlu demir olmalıdır. 5- Doğrusal hareket kontrol devresinin hız potansiyometresini maksimuma, anahtarını yukarı konuma getiriniz. Bu anda sensör sağa ya da sola doğru hareket etmeye başlayacaktır. Sensör ortada bir yere gelince anahtarı aşağı konuma alınız. Bu işlem yapılırken sensörün hareket yönü LS1-LS2 limit switch lerinin yayını switch e doğru elle iterek değiştirilebilir. 6- Doğrusal hareket mekanizmasının anahtarını tekrar yukarı konuma alınız. Sensör bu deneyde demir silindire doğru yaklaşmalıdır. Hareket ters yönde ise LS2 limit switch in yayını el ile switch e doğru itiniz. Bu anda sensör demir silindire doğru yaklaşmaya başlayacaktır. Hareket devam ederken sensör algılama ölçüm devresi LED i ışık verdiği anda doğrusal hareket mekanizmasının anahtarını aşağı konuma alınız. Bu anda sensör hareketi bitecek, sensör ve demir silindir şekil deki duruma benzer bir şekilde kalacaktır. Şekil SENSÖRLER 88

12 Algılama mesafesi demir silindir ile sensörün aktif yüzeyi arasındaki mesafedir. Deney setimizde algılama mesafesi matematiksel olarak; Algılama Mesafesi=2,5mm+A dır. Şekil de A mesafesi sensör ile demir silindir arasında ve cetvel üzerinde görülmektedir. Bu mesafe dikkat edilirse A=9,5mm dir. Buna göre şekil için algılama mesafesini hesaplayalım. Algılama Mesafesi=2,5+9,5 Algılama Mesafesi=12mm dir. Bu bilgilere göre ölçtüğünüz algılama mesafesini hesaplayınız? Deneyde A=8mm dir. Buna göre; Algılama Mesafesi=2,5+8 Algılama Mesafesi=10,5mm dir. Deneyi daha doğru yapabilmek için doğusal hareketin hızını azaltabilir, anahtar yerine butonu kullanabilirisiniz. 7- Disk üzerine taktığınız diğer malzemeleri (Pirinç, Alüminyum, Plastik) tek, tek el ile demir silindirin yerine getirerek her malzeme için algılama mesafelerini ölçünüz ve bir tabloda gösteriniz. Şekil Değişik üretici firmaların ürettikleri proximity sensörlerin algılama mesafeleri birbirinden faklıdır. 8- Algılama anında sensör çıkış ucundaki gerilim değerini okuyunuz ve yazınız. Algılama anında sensör çıkış ucunda 23,8Volt DC gerilim okunmaktadır. SENSÖRLER 89