مقدمة: ما هي الإشارة التناظرية؟

في عالمنا المادي، معظم الكميات التي نرغب في قياسها هي كميات “مستمرة” أو “تناظرية” بطبيعتها. فكر في درجة الحرارة، أو الضغط، أو مستوى سائل في خزان، أو سرعة محرك. هذه القيم لا تقفز فجأة من 10 إلى 20؛ بل تمر بكل قيمة ممكنة بينهما (10.1، 10.11، 10.12، وهكذا).

الإشارة التناظرية (Analog Signal) هي إشارة كهربائية (جهد أو تيار) تمثل هذه الكمية الفيزيائية بشكل مستمر ومتصل. ببساطة، هي “مرآة” كهربائية للعالم المادي. إذا ارتفعت درجة الحرارة بسلاسة، فإن الجهد أو التيار الناتج عن الحساس سيرتفع بسلاسة أيضًا.

دور الحساسات التناظرية

الحساس (Sensor) هو جهاز يحول كمية فيزيائية (مثل الضغط، الحرارة، الضوء، المسافة) إلى إشارة كهربائية يمكن قراءتها. الحساس التناظري هو الذي يُخرج هذه الإشارة في شكل تناظري مستمر.

على سبيل المثال:

• حساس حرارة: قد يُخرج 0 فولت عند 0 درجة مئوية و 10 فولت عند 100 درجة مئوية. عند درجة 50 مئوية، سيُخرج 5 فولت. وعند 51 درجة، سيُخرج 5.1 فولت.
• حساس ضغط: قد يُخرج 4 ميللي أمبير عند ضغط 0 بار و 20 ميللي أمبير عند 10 بار.

هذه الإشارة التناظرية المستمرة يتم إرسالها بعد ذلك إلى جهاز تحكم (مثل PLC أو شاشة) ليتمكن من قراءة القيمة وفهمها واتخاذ إجراء بناءً عليها.

الفرق الجوهري: الإشارة التناظرية مقابل الرقمية

لفهم الإشارة التناظرية بشكل أعمق، من المفيد مقارنتها بـ الإشارة الرقمية (Digital Signal):

أشهر أنواع الإشارات التناظرية في الصناعة

في البيئات الصناعية المليئة بالمحركات والضوضاء الكهربائية، لا يمكن استخدام أي إشارة تناظرية. لذلك، تم اعتماد معيارين رئيسيين هما الأكثر شيوعًا: 0-10V و 4-20mA.

1. إشارة الجهد (Voltage Signal): 0-10V DC

• كيف تعمل: يرسل الحساس إشارة جهد تتناسب طرديًا مع القيمة المقاسة.
  • مثال: 0 فولت = 0% من القيمة (مثل خزان فارغ).
  • مثال: 10 فولت = 100% من القيمة (مثل خزان ممتلئ).
• أين تُستخدم: شائعة في أنظمة إدارة المباني (BMS)، والتحكم في التكييف (HVAC)، والتطبيقات البسيطة ذات المسافات القصيرة.
• العيوب:
  • تأثرها بالمسافة: تفقد الإشارة قوتها (يحدث “هبوط في الجهد” أو Voltage Drop) كلما زادت طول الكابل، مما يؤدي إلى قراءات غير دقيقة.
  • حساسية للتشويش: تتأثر بشدة بالضوضاء الكهرومغناطيسية (EMI) الناتجة عن المحركات والكابلات الكهربائية المجاورة.
  • صعوبة اكتشاف الأخطاء: إذا قرأ جهاز التحكم 0 فولت، فهل هذا يعني أن القيمة المقاسة هي 0% (خزان فارغ)، أم أن هناك قطعًا في السلك أو عطلاً في الحساس؟ لا يمكن التمييز بسهولة.

2. إشارة التيار (Current Signal): 4-20mA DC

هذه هي الإشارة الأكثر اعتمادية والأوسع انتشارًا في عالم الأتمتة الصناعية (Industrial Automation).

• كيف تعمل: يرسل الحساس إشارة تيار (مقاسة بالمللي أمبير) تتناسب مع القيمة المقاسة.
  • 4 ميللي أمبير = 0% من القيمة (مثل 0 درجة مئوية).
  • 20 ميللي أمبير = 100% من القيمة (مثل 100 درجة مئوية).
  • 12 ميللي أمبير = 50% من القيمة (مثل 50 درجة مئوية).
• لماذا هي الأفضل؟ (المزايا):
  1. اكتشاف الأخطاء (ميزة “الصفر الحي” – Live Zero):هذه هي الميزة الأهم. القيمة الدنيا للإشارة هي 4 ميللي أمبير وليس 0.
     • ماذا يعني هذا؟ إذا قرأ جهاز التحكم (PLC) قيمة 0 ميللي أمبير، فهذا لا يعني أن القيمة المقاسة هي 0%، بل يعني بشكل مؤكد أن هناك عطلاً (مثل قطع في السلك، أو تلف في الحساس، أو انقطاع في التغذية الكهربائية). هذا يمنح النظام موثوقية هائلة لتشخيص الأخطاء فورًا.
  2. مقاومة التشويش (Noise Immunity):إشارات التيار بطبيعتها أقل تأثراً بالضوضاء الكهرومغناطيسية (EMI) مقارنة بإشارات الجهد. هذا يجعلها مثالية للبيئات الصناعية الصعبة.
  3. النقل لمسافات طويلة:يمكن لإشارة التيار أن تنتقل لمسافات طويلة جدًا (تصل إلى 1000 متر أو أكثر) عبر الكابلات دون أن تفقد دقتها (لا يحدث لها “هبوط” مثل الجهد).
  4. التغذية عبر الحلقة (Loop Powered):في كثير من الأحيان، يمكن تغذية الحساس بالكهرباء (Power) وإرسال الإشارة عبر نفس السلكين (Two-wire system)، مما يبسط عملية توصيل الكابلات ويوفر في التكاليف.

الخلاصة

تعتبر الإشارات التناظرية هي اللغة التي تستخدمها الحساسات لوصف العالم المادي المستمر لأجهزة التحكم. وبينما توفر إشارة 0-10V حلاً بسيطًا للتطبيقات قصيرة المدى، تظل إشارة 4-20mA هي المعيار الذهبي في الصناعة بفضل موثوقيتها العالية، وقدرتها على اكتشاف الأخطاء (Live Zero)، ومقاومتها للتشويش، وقدرتها على نقل البيانات بدقة لمسافات طويلة.