הן החיישנים ההשראתיים והן המגנטיים מהווים את בחירתם המועדפת של מהנדסי התכנון למדידת מצב (position) בסביבות קשות. שניהם מציעים את היתרונות של חישה ללא-מגע לעומת הפוטנציומטר המקובל. מאמר זה מתאר את הפיזיקה הבסיסית מאחורי כל טכניקה ומדגיש את היתרונות והחולשות של כל גישה.
עקרונות פעולה – חיישנים מגנטיים
המונח “חיישן מגנטי” עשוי לבלבל מעט מאחר שמונח זה מכסה מגוון טכניקות הכוללות תופעת Hall, מגנטורזיסטיבית (magnetoresistive) ומגנטוסטריקטיבית .
חיישני תופעת Hall הם החיישנים הנפוצים ביותר והם משמשים בצורה נרחבת ביישומי כמויות גדולות ביישומי הרכב והצריכה הביתית. דוגמה טיפוסית היא במנועי DC ללא-מברשות לשם מיתוג ההספק.
תופעת Hall היא יצירת הפרש מתח (מתח Hall) על-פני מוליך חשמלי, חוצה את הזרם החשמלי במוליך ואת השדה המגנטי הניצב לזרם. הוא התגלה על-ידי Edwin Hall ב-1879. במונחים פשוטים, חיישן תופעת Hall מודד את עצמתו של שדה מגנטי. תופעה זו ניתנת לשימוש למטרת מדידת מצב, מאחר שעצמת השדה יחסית למרחק בין חיישן ה-Hall והמגנט.
אם נתבונן במגנט-מוט פשוט (כמתואר באיור 1) אנחנו נראה שקווי השטף המגנטי נמתחים מהקטבים ואליהם. צפיפות קווי השדה יורדת עם המרחק מהמגנט. תוכלו להיזכר שראיתם תופעה זו בעזרת נסורת ברזל ומלחיה בימי בית-הספר שלכם. כאשר המגנט מתקרב להתקן Hall, תופעת Hall גוברת – ומספקת בכך בסיס למדידת מצב.
עשרות מיליוני התקני תופעת Hall מיוצרים מידי שנה, ולצורכי יישומים בכמויות גבוהות למכשירים ביתיים או לרכב, ניתן להשיג שבב Hall תמורת . עם כ-10 סנטים תמורת מגנט, ניתן לתכנן חיישן במחיר נמוך באמת.
עד כה, הכול טוב. הצרה היא שהשדה המגנטי המשפיע על התקן ה-Hall משתנה גם ביחס לגורמים אחרים רבים. גורמים אלה כוללים שינוי במצב המגנט בצירי y ו-z; היסטרזיס מגנטי; שדות DC/AC חיצוניים; השפעות מעוותות של חומרים חדירי-מגנטים (לדוגמה פלדה); שינויים בטמפרטורה והבדלים בעצמת השדה בין מגנט אחד למשנהו.
כל ה”גורמים אחרים” האלה פירושם שחיישני Hall מתאימים רק לחישת המצב כאשר:
דרושים רק ביצועי מדידה צנועים (ליניאריות מעל 1%)
האפיצויות המכניות עבור התנועה היחסית של המגנט והחיישן מבוקרות מקרוב
שדות AC, שדות DC חיצוניים או עצמים מתכתיים קרובים (בעיקר שבבים או חלקיקים פרומגנטיים בשמן היכולים להיווצר על המגנט במרוצת הזמן) הם או מבוקרים היטב או לא-קיימים
הטמפרטורה מבוקרת היטב או ההשפעות המוחשיות של הטמפרטורה אינן משמעותיות לגבי הדיוק המדידה.
התקני Hall המסוגלים לפעול מעל 1200 צלסיוס הם נדירים מאחר שביצועי המערכת פוחתים במהירות בטמפרטורות גבוהות.
לסיכום, תופעת Hall מציעה טכניקה חסונה, זולה אך בעלת דיוק נמוך אשר עשויה לתפקד יפה – אך רק אם האפיצות המכנית וה-EMC מבוקרים היטב.
התקנים מגנטורזיסטיביים דומים להתקני השפעת Hall אך במקום לגלות עצמת השדה הם מגלים כיוון השדה. במונחים של מדידת מצב, היתרונות והחסרונות של הטכניקה דומים גם כן.
מגנטוסטריקציה שונה לחלוטין מתופעת Hall או הטכניקות המגנטורזיסטיביות. מגנטוסטריקציה מתייחסת לתכונה הנדירה של חומרים פרומגנטיים מסוימים הגורמת להם לשנות את צורתם או את ממדיהם במשך תהליך המגנוט. השינוי במגנוט החומר בשל השדה המגנטי המופעל עליו משנה את המאמץ המגנטוסטריקטיבי עד להשגת ערך הרוויה. תופעה זו זוהתה לראשונה ב-1842 על-ידי James Joule. ניתן לנצל תופעה זו לשם מדידת המצב על-ידי מדידת זמן המעוף של גל קול לאורך קטע של חומר מגנטוסטריקטיבי כמו ניקל.
בחיישן מצב מגנטוסטריקטיבי אורך החומר מגנטוסטריקטיבי משתרע בין שתי נקודות קבועות (כמתואר באיור 2).
פולס אנרגיה המשוגר מקצה אחד מוחזר מהקצה השני בזמן t. אם מביאים מגנט לקרבה המידית של הפס, הזמן הדרוש לפולס לחזור בחזרה מתקצר בהתאם למרחק בין המגנט והחיישן.
חיישנים מגנטוסטריקטיביים מתאימים ביותר למדידת המצב הליניארי לאורך מרחק רב – במיוחד חיישני מצב עבור איילי-ברזל הידראוליים. זהו השטח בו משמשים מעל 90% מכלל החיישנים המגנטוסטריקטיביים.
איור 1
איור 2
במהלך העשור האחרון בקירוב, חיישנים מגנטוסטריקטיביים צברו פלח שוק גובר לעומת השנאים הליניאריים המסורתיים (LVDTs) בשל היותם קומפקטיים יותר. בשנים האחרונות, המגמה התהפכה, כאשר השנאים הליניאריים זכו מחדש לפלח שוק בשל בעיות שהופיעו בעקבות יישומים מעשיים:
השפעות טמפרטורה גדולות (מהירות ההתפשטות של אנרגיה דרך חומר מוצק תלויה מאוד בטמפרטורה)
הידוק החומרים המגנטוסטריקטיביים דורש בקרה צמודה וכל נזק בסידורי ההידוק או הגלבו בשל הלם או רעידות קשות גורם לכשל קטסטרופלי
ביצועי מדידה נמוכים באורכים של מעל 150 ממ’. ככל שקנה-המידה של המדידה ארוך יותר כך גדל הדיוק באחוזים של התקן מגנטוסטריקטיבי.
טכניקה מגנטוסטריקטיבית איננה מעשית ככלל למדידת מצב סיבובי. בשל התכונות הטכניות שלה היא מתאימה ביותר ליישומים בתוך-גליל לאורך של מעל 250 ממ’, כאשר ניתן להגן על הפס המגנטוסטריקטיבי העדין נגד הלם הנוצר מתושבת מכנית איתנה.
התקן מגנטוסטריקטיבי
ככלל, התקנים מגנטוסטריקטיביים אינם נמצאים בשימוש רחב יותר בשל עלותם הגבוהה. בעוד החיישן עצמו הוא זול יחסית, לאחר שמתחשבים בעלות החלקים המכניים עבור הגלבו, מהדקי הפסים וכד’, המחיר הבסיסי של החיישן מוכפל בגורם מעל 10 והמחירים נמדדים בד”כ במאות דולרים של ארה”ב.
עקרונות פעולה – חיישנים השראתיים
Michael Faraday הפך לאבי ההשראה החשמלית ב-Royal Society ב-1835 כאשר הוא גילה שזרם חילופין במוליך אחד יכול להשרות זרימת זרם בכיוון הנגדי במוליך שני. מאז, עקרונות ההשראה שימשו בהרחבה כבסיס למדידת מצב ומהירות בעזרת התקנים כגון ממירי מיקום (resolvers), התקני סינכרו ושנאים הפרשיים המשתנים ליניארית (LVDTs). ניתן להבין את התורה הבסיסית על-ידי בחינת שני סלילים – סליל שידור (Tx) וסליל קליטה (Rx). המשוואה הבאה תקפה:
VRX=-KdITX /dt
כאשר:
VRX הוא המתח המושרה בסליל הקליטה
K הוא גורם הצימוד של ההשראה ההדדית התלוי בממדם היחסיים של הסלילים, הגיאומטריה והמספר היחסי של ליפופים
dITX/dt הוא קצב השינוי של הזרם בסליל השידור
אות הקליטה הוא לכן יחסי לשטחים, הגיאומטריה וההזזה היחסית של הסלילים. אולם כמו בטכניקות מגנטיות, גורמים נוספים עשויים להשפיע כגון טמפרטורה המשנה את התנגדות הסלילים וגורמת להפרעה לכל מדידת מצב. תופעה זו נמנעת על-ידי השימוש בסליל קליטה מרובים וחישוב המצב מתוך היחס של האותות הנקלטים. בדומה לכך, אם הטמפרטורה משתנה, ההשפעה מתבטלת מאחר שיחס האותות איננו מושפע מכל מצב נתון. מאחר שהסלילים עשויים להיות מרוחקים מאוד זה מזה, ההתקנה המכנית היא הרבה פחות יקרה. שוב, דבר זה מבוסס על הטכניקה הרציומטרית הבסיסית.
גישה איתנה, אמינה ויציבה זו פירושה היה שחיישנים השראתיים הם הבחירה המועדפת בשטחים בהם שוררים תנאים קשים – כגון אזורי הגנה, אוויר, תעשייה, נפט וגז.
אם כן, מדוע חיישנים השראתיים אינן בשימוש נרחב יותר אם הם כה חסונים ואמינים?
התשובה פשוטה. חיישנים השראתיים מסורתיים משתמשים בסדרת מוליכים מלופפים או גלילים. על הגלילים להיות מלופפים במדויק כדי להשיג מדידת מצב מדויקת. יתרה מזו, כדי להפיק אותות חשמליים חזקים, דרושים הרבה מוליכים. דבר זה הופך את חיישני המצב ההשראתיים לגדולים, כבדים ויקרים.
הטכנולוגיה של Zettlex משתמשת באותם עקרונות השראתיים, אך עושה שימוש במבנים מודפסים, מרובדים במקום גלילי ליפוף. כלומר ניתן לייצר את הסלילים מנחושת חרוטה או מודפסים על מצעים כגון פוליאסטר, צלולויד, נייר, אפוקסי מרובד או קראמי. מבנים מודפסים כאלה ניתנים לייצור ביתר דיוק מאשר ליפופים. לכן ניתן להשיג ביצועי מדידה הרבה יותר טובים במחיר, גודל ומשקל מופחתים – תוך שמירה על היציבות והאיתנות המובנית.
סיכום היתרונות של כל אחת מהטכניקות
מאחר שטכניקות השראתיות פועלות במרחקי הפרדה יותר גדולים מאשר טכניקות קיבוליות, ניתן להתקין את הרכיבים העיקריים של חיישני המצב ההשראתיים באפיצויות נוחות יחסית. דבר זה לא רק עוזר למזער עלויות של ציוד החיישן והנלווה, הוא גם מאפשר לרכיבים העיקריים להיות יצוקים. דבר זה מאפשר לחיישנים לעמוד בסביבות מקומיות מאוד קשות כגון טבילה ארוכת-מועד, הלם קיצוני, רעידות או תוצאות של גזים נפיצים או סביבות רוויות אבק.
העמידות בפני רעשים אלקטרומגנטיים מוזכרת לעתים קרובות כדאגה עבור המהנדסים העוסקים בחיישני מצב השראתיים. הדאגה איננה במקומה, מאחר שהשתמשו מזה שנים רבות ברזולברים בתוך הסביבות האלקטרומגנטיות הקשות של ביתני מנועים לשם בקרת מיתוג, מהירות ומצב.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת רלקום מערכות בע”מ.
מאת: Mr. Mark Howard, ZETTLEX
