חיישנים אולטראסוניים בתעשייה - סקירה

חיישנים אולטראסוניים מהווים רכיב נפוץ במערכות מדידה ובקרה בתעשיות רבות. הם מאפשרים מדידה מדויקת של מרחקים, זיהוי אובייקטים, וניטור תהליכים, תוך שימוש בגלי קול בתדרים גבוהים יותר מהטווח הנשמע לאוזן האנושית. במאמר זה נסקור את עקרונות הפעולה של חיישנים אלו, נבחן את יתרונותיהם וחסרונותיהם, נציג יישומים נפוצים, ונדון בסוגי ההתממשקות האפשריים, כולל יציאות אנלוגיות, דיגיטליות ופרוטוקולי תקשורת.

מדידת מיקום / מרחק באמצעות חיישנים אולטראסוניים

חיישנים אולטראסוניים למדידת מרחק פועלים על בסיס עקרון ההד (Echo). החיישן משדר גל קול בתדר גבוה (אולטראסוני) לכיוון האובייקט הנמדד. הגל מתפשט באוויר, פוגע באובייקט, ומוחזר חזרה לחיישן. החיישן קולט את ההד המוחזר ומחשב את הזמן שחלף בין הפליטה לקליטה. בהתאם לזמן הנמדד ולנתון מהירות הקול באוויר, ניתן לחשב את המרחק לפי הזמן שמתקבל הגל בחזרה לחיישן. המרחק יהיה שווה חצי ממכפלת הזמן במהירות הקול. החלוקה  ב-2 נדרשת מכיוון שהגל עובר את המרחק פעמיים – מהחיישן לאובייקט ובחזרה.

באמצעות טכנולוגיה זו מודדים מרחקים של בין סנטימטרים בודדים ועד כמה מטרים.

יתרונות של חיישני מרחק אולטראסוניים:

1. דיוק גבוה יחסית:  החיישנים מספקים מדידות מדויקות של מרחקים, גם בתנאים סביבתיים משתנים.
2. עמידות בתנאי סביבה קשים: החיישנים פועלים בצורה אמינה בתנאי אבק, לחות, וטמפרטורות קיצוניות.
3. יכולת זיהוי חומרים מגוונים: החיישנים מסוגלים לזהות אובייקטים מחומרים שונים, כולל מתכות, פלסטיק, נוזלים ועוד.
4. תחזוקה נמוכה: בהיעדר חלקים נעים, החיישנים דורשים תחזוקה מינימלית.

חסרונות החיישנים האולטראסוניים

1. רגישות לרעש אקוסטי: רעש בתדרים דומים עלול להשפיע על דיוק המדידה.
2. הגבלות בטווח המדידה: החיישנים מוגבלים בטווחי מדידה מסוימים, בהתאם לדגם וליצרן.
3. השפעת תנאי סביבה: שינויים בטמפרטורה ולחות יכולים להשפיע על מהירות הקול, ולכן על דיוק המדידה.
4. דיוק מוגבל: על אף שנאמר לעיל "דיוק גבוה", מעשה מדידה באמצעות לייזר תהייה בדרך כלל מדוייקת יותר.

יישומים נפוצים של חיישני מרחק אולטראסוניים

החיישנים האולטראסוניים משמשים במגוון רחב של תחומים:

• תעשייה: מדידת מפלסי נוזלים במכלים, זיהוי אובייקטים על קווי ייצור, ובקרת איכות.
• רכב: מערכות חניה אוטומטיות, זיהוי מכשולים, ומערכות עזר לנהג.
• רפואה: מדידת מרחקים בניתוחים, זיהוי מיקומים בגוף, ומערכות אולטרסאונד רפואיות.
• חקלאות: מדידת גובה צמחים, זיהוי מפלסי מים, ובקרת מערכות השקיה.

https://www.microsonic.de/en/distance-sensors/cylindrical/micplus.htm

חיישני מדידת קצה – פתרון לבקרת מיקום

חיישני קצה רשת אולטראסוניים מיועדים לזיהוי מדויק של קצוות חומרים אטומים לקול, כגון נייר, פלסטיק וחומרים דומים. חיישנים אלו פועלים ללא מגע, ומספקים פתרון אמין לבקרת מיקום החומר בתהליכי ייצור שונים.

עקרון הפעולה: החיישן בנוי בצורת מזלג, כאשר המשדר ממוקם בצד אחד והמקלט בצד השני. המשדר פולט פולסים קצרים של גלי קול בתדר גבוה, והמקלט קולט את ההדים המוחזרים. כאשר חומר נמצא בין המשדר למקלט, הוא מחליש את האות המתקבל בהתאם למידת הכיסוי. החיישן מנתח את השינויים בעוצמת האות ומפיק אות אנלוגי או דיגיטלי המתאים למידת הכיסוי.

מאפיינים עיקריים:

• עיצוב קומפקטי: החיישנים זמינים ברוחב מזלג של 30 מ"מ או 60 מ"מ, עם עומק מזלג של 43 מ"מ או 73 מ"מ, בהתאמה.
• דיוק גבוה: רזולוציה של 0.01 מ"מ עד 0.02 מ"מ, המאפשרת זיהוי מדויק של מיקום הקצה.
• ממשק IO-Link: תמיכה בפרוטוקול IO-Link, המאפשר תקשורת דו-כיוונית, כיוון פרמטרים מרחוק והעברת נתוני המדידה.
• יציאות אנלוגיות ודיגיטליות: יציאה אנלוגית ניתנת לבחירה בין 4-20mA  או 0-10V ויציאת Push-Pull  דיגיטלית מסוג  PNP או  NPN.
• תפעול פשוט: כפתור Teach-in ו-3 נורות LED על גבי המארז מאפשרים כיול והגדרה קלים של החיישן על ידי המשתמש.

יישומים נפוצים: החיישנים מתאימים במיוחד לבקרת מיקום חומרים בתהליכי ייצור הכוללים:

• חומרים שקופים במיוחד, כגון סרטי פלסטיק.
• חומרים רגישים לאור.
• חומרים עם שקיפות משתנה.
• נייר עם עומס אבק גבוה.

יתרונות:

• ביצועים אמינים: החיישנים מספקים זיהוי מדויק גם בתנאי סביבה קשים.
• גמישות: אפשרות לכוונון פרמטרים באמצעות ממשק IO-Link או כפתור ה-Teach-in.
• עמידות:  מארז מתכת עמיד עם דרגת הגנהIP65 .

לסיכום, חיישני מיקום קצה-מדיה של microsonic מציעים פתרון מתקדם לבקרת קצוות חומרים בתהליכי ייצור, עם דיוק גבוה, גמישות בתפעול ועמידות בתנאי סביבה מגוונים.

https://www.microsonic.de/en/special-sensors/web-edge-sensors/bksplus.htm

זיהוי כפילות דפים

חיישני dbk+4 של חברת microsonic הם חיישנים אולטראסוניים מתקדמים המיועדים לזיהוי מדויק של דפים כפולים בתהליכי ייצור והדפסה. הם מספקים פתרון אמין למניעת בעיות הנגרמות מהזנה שגוייה של דפים או של מדיות אחרות.

עקרון הפעולה: החיישן פועל באמצעות שליחת גל קול אולטראסוני דרך הדף הנבדק. כאשר גל הקול עובר דרך דף יחיד, הוא מגיע למקלט בעוצמה מסוימת. במקרה של דף כפול, עוצמת האות המתקבל נמוכה יותר משמעותית, בשל ההנחתה הנוספת. החיישן מזהה את ההבדלים בעוצמת האות ומספק חיווי בהתאם.

מאפיינים עיקריים:

• זיהוי אמין: החיישן מזהה דפים בודדים, דפים כפולים והיעדר דפים ללא צורך בכיול מוקדם.
• טווח עבודה גמיש: מרחק בין המשדר למקלט ניתן להתאמה בין 20 ל-60 מ"מ, עם מרחק אופטימלי של 40 מ"מ.
• כניסות בקרה: שלוש כניסות לשליטה על טריגר, Teach-in והגדרת רגישות חיצונית לפי סוג החומר הנבדק.
• אפשרות Teach-in: מאפשרת כיול לחומרים מיוחדים, כגון דפים דקים במיוחד או דפים עם ציפויים מיוחדים.
• ממשק LinkControl: מאפשר פרמטריזציה של החיישן באמצעות מחשב, להתאמה מיטבית לצרכי היישום.

יישומים נפוצים: החיישן מתאים למגוון רחב של חומרים, כולל:

• נייר במשקלים של 20 עד 2,000 גרם למ"ר.
• סרטים מתכתיים ועצמיים בעובי עד 0.4 מ"מ.
• דפי פלסטיק, מתכת דקה, קרטון גלי דק, וופרים ומעגלים מודפסים.

יתרונות:

• דיוק גבוה: זיהוי מהיר ומדויק של דפים כפולים, המפחית תקלות בתהליך הייצור.
• גמישות בהתקנה: מגוון גרסאות להתאמה למגוון מצבי התקנה, כולל גרסה עם ראש בזווית של 90 מעלות.
• תחזוקה נמוכה: פעולה ללא מגע מבטיחה בלאי נמוך ותחזוקה מינימלית.

סיכום: חיישני dbk+4 של microsonic מספקים פתרון מתקדם ואמין לזיהוי דפים כפולים בתהליכי ייצור והדפסה, עם גמישות והתאמה למגוון רחב של חומרים ויישומים.

https://www.microsonic.de/en/special-sensors/double-sheet-control/dbkplus4.htm

זיהוי מדבקות ופלייסים

חיישן זיהוי מדבקות  של חברת microsonic הוא חיישן אולטראסוני מתקדם המיועד לזיהוי מדויק של תוויות בתהליכי ייצור ואריזה. החיישן מתוכנן לפעול במהירויות גבוהות, ומסוגל לזהות תוויות שקופות, מחזירות אור, מתכתיות ובעלות צבעים שונים.

עקרון הפעולה: החיישן בנוי בצורת מזלג, כאשר המשדר ממוקם בצד אחד והמקלט בצד השני. המשדר פולט פולסים אולטראסוניים דרך חומר הבסיס, והמקלט קולט את האותות המוחזרים. החיישן מזהה את ההבדלים בעוצמת האות בין חומר הבסיס לתווית, ומספק חיווי בהתאם.

מאפיינים עיקריים:

• מהירות תגובה גבוהה: זמן תגובה של פחות מ-300 מיקרו-שניות, המתאים לשימוש במהירויות גבוהות.
• שלוש שיטות Teach-in: מאפשרות כיול החיישן לזיהוי תוויות במצבים שונים, כולל תוויות עם חורים, בליטות, פרפורציות ועוד.
• ממשק IO-Link: תומך בפרוטוקול IO-Link, המאפשר תקשורת דו-כיוונית, עדכון פרמטרים מרחוק וקריאת נתונים. 
• :QuickTeach  תהליך כיול פשוט ומהיר באמצעות לחצן או כניסה דיגיטלית.
• מבנה קומפקטי: עיצוב מזלגי עם מידות קומפקטיות, המאפשר התקנה קלה במקומות מוגבלים.

• זיהוי תוויות במהירויות גבוהות בקווי ייצור ואריזה.
• זיהוי ספלייסים כאשר מחברים חומרים יחד.
• בקרת איכות בתהליכי הדבקת תוויות.

יתרונות:

• דיוק גבוה: זיהוי אמין של תוויות וספלייסים, גם בתנאים מאתגרים.
• גמישות: אפשרות לכיול והתאמה למגוון חומרים ותוויות.
• עמידות: מבנה עמיד עם דרגת הגנה IP65, המתאים לתנאי סביבה תעשייתיים.

לסיכום, חיישן esf  של microsonic מספק פתרון מתקדם ואמין לזיהוי מדבקות, תוויות וספלייסים בתהליכי ייצור ואריזה, עם מהירות תגובה גבוהה, גמישות בתפעול ועמידות בתנאי סביבה מגוונים.

https://www.microsonic.de/en/special-sensors/label-and-splice-sensors/esf-1.htm

זיהוי כתוצאה מחסימת גל אולטראסוני – מושלם לאובייקטים שקופים

החיישנים מסדרת ews של חברת microsonic הם חיישנים אולטראסוניים מסוג משדר מול מקלט   (through-beam), המיועדים לזיהוי אובייקטים ללא מגע, במיוחד בתנאי ייצור מאתגרים כמו בקבוקים שקופים או יריעות פלסטיק. חיישנים אלו זמינים במארזים קומפקטיים בצורת קובייה או גליל M18, ומספקים פתרון אמין ומדויק למגוון יישומים תעשייתיים.

עקרון הפעולה:  בדומה לחיישנים אופטיים מסוג זה, חיישן ews מורכב משני רכיבים: משדר ומקלט. המשדר פולט פולסים אולטראסוניים בתדר גבוה, והמקלט קולט אותם. כאשר אובייקט חוצה את הקרן בין המשדר למקלט, האות נקטע, והחיישן מזהה את הנוכחות או ההיעדרות של האובייקט. המרחק בין המשדר למקלט ניתן להתאמה בטווח של 10 מ"מ עד 2,500 מ"מ, בהתאם לנדרש.

מאפיינים עיקריים:

• תדר מיתוג גבוה: עד 500 הרץ, המאפשר דגימה מהירה ותגובה מיידית.
• יציאת מיתוג: יציאה דיגיטלית מסוג PNP, המאפשרת אינטגרציה קלה עם מערכות בקרה שונות.
• כיול פשוט: באמצעות לחצן Teach-in, ניתן להגדיר את זמן התגובה ואת פונקציית היציאה (NOC/NCC)  בקלות.
• מארז קומפקטי: זמינות במארז קובייתי מיניאטורי או גלילי M18, המתאימים להתקנה במקומות מוגבלים.
• חיווי LED: שני נורות LED מציגות את מצב הפעולה ומצב יציאת המיתוג של המקלט.

יישומים נפוצים:

• זיהוי אובייקטים שקופים: כגון בקבוקי זכוכית או פלסטיק בקווי ייצור.
• זיהוי יריעות פלסטיק: במכונות אריזה ותהליכי למינציה.
• בקרת איכות: זיהוי נוכחות או היעדרות של רכיבים בתהליכי ייצור שונים.

יתרונות:

• דיוק גבוה:  זיהוי אמין של אובייקטים, גם בתנאים סביבתיים מאתגרים.
• עמידות:  החיישנים מתוכננים לפעול בתנאי סביבה קשים, כולל אבק, לחות וטמפרטורות קיצוניות (מקומות בהם חיישנים אופטים יתקשו לזהות).
• גמישות: התאמה למגוון יישומים תעשייתיים בזכות טווח עבודה רחב ומארזים שונים.

סיכום: חיישני ews של microsonic מספקים פתרון מתקדם ואמין לזיהוי אובייקטים ללא מגע בתהליכי ייצור תעשייתיים. עם תדר מיתוג גבוה, כיול פשוט ומארזים קומפקטיים, הם מתאימים למגוון רחב של יישומים, במיוחד בתנאים מאתגרים כמו זיהוי אובייקטים שקופים או יריעות פלסטיק.

https://www.microsonic.de/en/special-sensors/through-beam-barrier/ews.htm

סוגי התממשקות:

החיישנים האולטראסוניים מספקים מגוון אפשרויות התממשקות:

1. יציאות אנלוגיות: החיישן מספק מתח או זרם פרופורציונלי למרחק הנמדד. לדוגמה, מתח יציאה של 0-10 וולט המתאים לטווח מדידה מסוים. יתרון השיטה הוא בפשטות החיבור והיכולת לקבל ערכים רציפים. עם זאת, יש לקחת בחשבון את הצורך בהמרה לאות דיגיטלי במערכות הבקרה ואת הרעשים החשמליים שעלולים להתוסף לאותות מהחיישן.
2. יציאות דיגיטליות On/Off: לחיישנים יציאות המיועדות לזיהוי מכשול, או קיום אובייקט. היציאות מסוג NPN, PNP, או Push-Pull.
3. יציאות דיגיטליות למידע הנמדד: אות דיגיטלי, כגון PWM (רוחב פולס משתנה) או פרוטוקול תקשורת דיגיטלי. שיטה זו מאפשרת העברת נתונים מדויקת ואמינה, במיוחד במערכות עם רעש חשמלי.
4. פרוטוקולי תקשורת: חיישנים מתקדמים תומכים בפרוטוקולים כמו IO-Link, המאפשרים תקשורת דו-כיוונית בין החיישן לבקר. פרוטוקול זה מאפשר קונפיגורציה, ניטור, ואבחון מרחוק של החיישן, ומשפר את גמישות המערכת.

סיכום