הבנת חיישנים פוטואלקטריים
א חיישן פוטואלקטרי ללא מגע הוא התקן גילוי אופטי המשלב מקור אור — נורית LED, לייזר או פולט אינפרא-אדום — עם גלאי אופטי, כדי לזהות נוכחות, היעדר או מיקום של עצם או סימון באמצעות מעבר, החזרה או חסימה של אור. בעבודה עם מכונות מסתובבות חיישנים אלה משמשים לרוב כ טכומטרים: הם מזהים מאפיין על הפיר פעם אחת בכל סיבוב כדי למדוד מהירות, ומספקים את פולס התזמון של פעם אחת לכל סיבוב, המספק מופע ייחוס עבור איזון, ומספקים Keyphasor פונקציונליות למערכות הגנה על מכונות קריטיות.
היתרון שלהם טמון בפעולה ללא מגע, בתגובה מהירה מאוד, בחסינות לשדות מגנטיים וביכולת לזהות חומרים לא-ברזליים. שילוב זה הופך אותם לכלים רב-תכליתיים לחישת מהירות ומיקום כמעט בכל סוג של ציוד מסתובב — ולבסיס של ה- טכומטרים אופטיים ו טכומטרים לייזר המשמשים בערכות איזון ניידות.
1. מצבי פעולה
חיישנים פוטואלקטריים מגיעים בשלוש תצורות חישה, הנבדלות במיקום הפולט והמקלט ובאופן שבו המטרה משפיעה על נתיב האור.
מצב חוצה-קרן (מצב מנוגד)
מקור האור והמקלט ממוקמים במארזים נפרדים הפונים זה אל זה, והזיהוי מתבצע כאשר המטרה חוסמת את קרן האור החוצה את המרווח. טווח הפעולה ארוך — ניתן להגיע למרחק של מטרים — והאמינות היא הגבוהה ביותר מבין כל המצבים, שכן הוא העמיד ביותר בפני לכלוך וסטיות ביישור. שימושים אופייניים כוללים ספירת להבים וזיהוי עצמים על מסועים.
מצב רטרו-רפלקטיבי
הפולט והמקלט חולקים מארז אחד, כאשר מחזיר אור מותקן ממול; המטרה מזוהה כאשר היא קוטעת את נתיב האור המוחזר. טווח הפעולה בינוני (מספר מטרים), וההתקנה החד-צדדית נוחה ומתאימה לספירת חלקים ולזיהוי עצמים גדולים יותר.
מצב החזרה מפוזרת — הבחירה הנפוצה לטכומטריה
גם כאן הפולט והמקלט חולקים מארז אחד, אך כאן החיישן קולט אור המוחזר ישירות ממשטח המטרה. הטווח קצר — בדרך כלל 5–500 mm — וההגדרה היא פעולה פשוטה של כיוון וזיהוי. זהו המצב המשמש לקליטת סרט מחזיר אור למדידת מהירות ופאזה, והעיקרון שעליו פועלים טכומטרים לייזר.
2. יישומים בתחום ניטור הרטט
במסגרת ניתוח רעידות אותו חיישן ממלא מספר תפקידים שונים:
- מדידת מהירות: על ידי זיהוי סרט מחזיר אור או מאפיין על הפיר פעם אחת בכל סיבוב וספירת הפולסים, המכשיר מחשב RPM, עוקב אחר המהירות באופן רציף, ומאמת אותה במהלך המדידות.
- ייחוס פאזה: הפולס המופיע פעם אחת בכל סיבוב מגדיר את נקודת הייחוס של 0°, שהיא חיונית לחישובי האיזון, ומאפשרת מדידות נעולות פאזה וסנכרון מעקב סדרים.
- פונקציית Keyphasor: חיישן פוטואלקטרי המותקן באופן קבוע יכול לשמש כ-Keyphasor, המזהה סימון, חריץ או מאפיין על הפיר בכל סיבוב כדי לספק את ייחוס הפאזה עבור proximity-probe מערכות — חיוניות לניטור מכונות טורבו בתנאים של API 670.
- טריגר לאירועים: הפולס יכול להפעיל רכישת נתונים במיקום מסוים של הפיר, להפעיל סטרובוסקופ לצפייה בתנועה מוקפאת, או לסנכרן את המדידות עם הסיבוב בדרך אחרת.
3. מפרטים חשובים
שלושה פרמטרים קובעים אם חיישן יפעל כראוי בהתקנה נתונה.
- זמן תגובה: ממיקרו-שניות עד מילי-שניות, הוא חייב להיות מהיר מספיק למהירות הגבוהה ביותר הנמדדת. פיר המסתובב ב-10,000 סל"ד חולף על פני הסימון שלו בכ-167 Hz, ולכן פולס נקי דורש זמן תגובה של פחות ממילי-שנייה.
- מרחק חישה: לכל דגם יש מרחק עבודה מינימלי ומקסימלי, המשתנה לפי ההחזריות של המטרה; חיישנים במצב החזרה מפוזרת פועלים בדרך כלל ב-50–300 mm.
- מקור האור: אור אדום נראה (630–670 nm) קל לכיוון; אינפרא-אדום (850–950 nm) מתפקד טוב יותר בתאורת סביבה חזקה; לייזר מספק אלומת אור ממוקדת היטב, טווח ארוך יותר והפעלה מדויקת יותר.
4. התקנה והגדרה
טריגר אמין תלוי בעיקר בהרכבה זהירה. יש לכוון את החיישן בניצב למשטח המחזיר אור כדי להשיג את האות החזק ביותר, יש למקם אותו במרחק שנדרש במפרט, להרכיב אותו בקשיחות כך שרטט לא יסיט את כיוונו, ולהגן עליו מפני נזק מכני. גם למטרה עצמה יש חשיבות לא פחותה: יש להדביק סרט מחזיר אור במיקום מתאים על משטח פיר נקי, ולהקפיד שיהיה בדיוק סימן אחד לכל סיבוב (סימון מחזיר אור נוסף גורם לספירה כפולה), ודאו שהסימון מאובטח ולא יתעופף במהירות. לבסוף, כוונו את החיישן אל הסימון, עקבו אחר מחוון ה-LED של החיישן כדי לוודא שהאות יציב, נעלו את המיקום, ובדקו לאורך סיבוב מלא כדי לוודא זיהוי אמין לפני שתסתמכו על הקריאה.
5. יתרונות
לעיקרון האופטי ללא מגע יש מספר יתרונות:
- ללא מגע מכני: ללא חיכוך או עומס על הפיר, ללא בלאי, פעולה בטוחה הרחק מחלקים מסתובבים, וניתן להשתמש בו בכל מהירות.
- אי-תלות בסוג החומר: הוא מתאים הן למתכות ברזליות והן למתכות לא ברזליות, כמו גם לפלסטיק, חומרים מרוכבים ועץ — כל מה שנדרש לו הוא ניגודיות אופטית.
- תגובה מהירה ונקייה: מתאים ליישומים במהירות גבוהה, ומייצר פולסים דיגיטליים חדים עם תזמון מדויק.
6. מגבלות
אותו עיקרון אופטי מטיל מספר מגבלות שכדאי לקחת בחשבון בתכנון:
- רגישות סביבתית: אור סביבתי חזק עלול להפריע, ואילו אבק וערפל שמן על האופטיקה פוגעים בביצועים, ולכן יש לנקות את העדשה מעת לעת, ובסביבות קשות ייתכן שיהיה צורך במארז מגן.
- היישור הוא קריטי: החיישן חייב להישאר מכוון אל המטרה, ורטט או שקיעה של ההתקנה עלולים להסיט אותו ממקומו — סיבה נוספת לצורך בהרכבה יציבה.
- תלות במטרה: נדרש סימון מחזיר אור או עצם מחזיר אור; שינויים בהחזריות משפיעים על הקריאה, והסרט עלול להתקלף עם הזמן.
כאשר לא ניתן להשתמש בראש קריאה אופטי קבוע, מהנדסים פונים לעתים קרובות לחלופות לא אופטיות כגון גשוש קרבה (זרמי מערבולת) הקורא חריץ מפתח, שאינו דורש סרט הדבקה ואינו מושפע מלכלוך או מאור.
7. חיישנים פוטואלקטריים באיזון מעשי בשטח
במכשיר נייד, טכומטר לייזר מסוג החזרה מפוזרת הוא אמצעי קליטת הפאזה הסטנדרטי, דווקא משום שאינו דורש כל הכנת פיר מעבר לרצועת סרט מחזיר אור. ה- Balanset-1A מגיע בדיוק עם טכומטר לייזר אופטי מסוג זה: הוא מופעל באמצעות פיסה קטנה של סרט מחזיר אור, פועל בטווח מרחק עבודה רחב, ומספק את הפולס של פעם אחת לכל סיבוב שהתוכנה צריכה כדי לחשב את הגודל והזווית של כל משקל תיקון וכדי לאמת את חוסר איזון שיורי לאחר התיקון. בקיצור, התגובה המהירה של החיישן הפוטואלקטרי, אי-התלות בסוג החומר והפעולה ללא מגע הופכים אותו לטכומטר אידיאלי, המשלים את ה מדי תאוצה במערכת מלאה לניטור מצב ואיזון.
