USM Automatyka w IS (wyklad 4) elementy pomiarowe ppt [tryb zgodnosci]
Automatyka w Inżynierii Automatyka w Inżynierii Środowiska Środowiska Wykład 4 Wykład 4 Elementy pomiarowe Urządzenia pomiarowe Urządzenia pomiarowe z e u y w obiekt regulacji urządzenie regulator _ obiekt wykonawcze regulacji ym y element pomiarowy " Prawidłowy przebieg procesów technologicznych zależy od odpowiedniej kontroli i sterowania parametrami pracy układów i urządzeń technologicznych(temperatura, ciśnienieitp.). " Kontrola ta jest możliwa dzięki sieci czujników odczytujących poszczególne wielkości, które są zbieranei przesyłane docentrumkontroli. " Czujniki są zatem jednostkami warunkującymi sprawność i skuteczność systemu technologicznego. " Czujnik można określić jako urządzenie przetwarzające wielkości fizyczne (np. temperaturę lub wilgotność) na inne wielkości (najczęściej sygnały elektryczne), które są dogodniejsze do zmierzenia i dalszej obróbki, a następnie wykorzystywane do sterowania konkretnymi urządzeniami w systemie. " Czujniki nowej generacji mają coraz częściej dodatkową cechę, tzw. "inteligencję", która dzięki wbudowanemu mikroprocesorowi umożliwia, poza zwykłym pomiarem, także raportowanie danych i ichanalizę. " Przykłademtego są czujniki komfortu wsystemach klimatyzacji. " Każdy czujnik powinien spełniać określone wymagania co do sposobu działania, wydajności i ekonomii. Wydajnościowe cechy czujnika: Wydajnościowe cechy czujnika: " Zakres: Zakres mierzonej wartości, dla której jest znana charakterystykaczujnika. " Dokładność: Stopień, do którego zmierzona wartość jest zgodnaz wzorcowympunktemodniesienia. " Powtarzalność: Zdolność czujnika, by z tej samej zmierzonej wartości wytwarzać konsekwentnie, dokładnie taki sam sygnał wyjściowy. " Wrażliwość: Najmniejsza wykrywalna zmiana w mierzonej wielkości, która wpływa na zmianę sygnału wysyłanego przez czujnik. " Liniowość: Maksymalnie liniowa zależność między zmierzoną wartością a produkowanymsygnałemwyjściowymw całym zasięgu pomiarowymczujnika. " Czas reakcji: Czas potrzebny na zmianę sygnału wyjściowego, gdy zmianie ulega wartość mierzonej wielkości nawejściu. Praktyczne i ekonomiczne cechy czujnika: Praktyczne i ekonomiczne cechy czujnika: Koszt: Należy wziąć pod uwagę koszty przetwornika, kondycjonera sygnału (zależnie od potrzeb), kabli przyłączeniowych oraz zapotrzebowania na prąd. Bardzo często sam koszt instalacji czujnika jest najbardziej znaczący wogólnymkosztorysie. Konserwacja: Każda dodatkowa konserwacja i kalibrowanie wymagają dodatkowej pracy i wydatków. Kompatybilność: Zgodność z różnymi systemami operacyjnymi i zamienność z innymi komponentami i standardami (wejścia sterownika, protokół komunikacji systemu). Środowisko: Funkcjonalność w nieprzyjaznym środowisku (dopuszczalna temperatura, ciśnienie, wilgotność, nie korozyjne własności medium). Odporność na zakłócenia: Wrażliwość na otaczające zakłócenia, takie jak fale elektromagnetyczne czy pola elektryczne i magnetyczne. Podział i rodzaje czujników Podział i rodzaje czujników Automatyzacja procesów w inżynierii środowiska wymaga zastosowania czujników służących do pomiaru takich wielkości jak: " temperatura, " ciśnienie, " wilgotność, " prędkość przepływającego medium, " strumień objętości, " strumień ciepła, " entalpia, " jakość powietrza, " zawartość CO2, " poziom cieczy, " ruch, " obecność itp. Wielkością wyjściową czujnika może być: Wielkością wyjściową czujnika może być: " ruch mechaniczny (czujniki rozszerzalnościowe), " oporność elektryczna (pasywne czujniki rezystancyjne, nastawniki potencjometryczne), " w przypadku czujników nazywanych aktywnymi standardowy sygnał elektryczny (np. 0 do 10 V, 0 (4) do 20 mA), " w przypadku czujników inteligentnych informacja przesyłana cyfrowo, w odpowiednim standardzie komunikacyjnym. CZUJNIKI TEMPERATURY CZUJNIKI TEMPERATURY " Czujniki temperatury posiadają element czuły na temperaturę, który przy zmianie temperatury (wejście) zmienia wartość sygnału wyjściowego. " W zależności od zastosowanej zasady pomiaru temperatury czujniki można podzielić na: rezystancyjne, termoelementy, bimetalowe, manometryczne i cieczowe. CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE " Wtypowych układach z regulatorami cyfrowymi stosowane są czujniki z elementami zmieniającymi swoją oporność elektryczną przy zmianietemperatury. " Są to przeważnie oporniki drutowe lub warstwowe z platyny lub niklu, jak również specjalne elementy półprzewodnikowe termistory. " Opór elektryczny czujnika rezystancyjnego oznaczonego w literaturze symbolem RTD (ang. Resistance Temperature Device) zależy odtemperatury, wzrasta z temperaturą. " Termometry rezystancyjne zrobione są z platyny, stopu rod- żelazo, niklu, wolframulub miedzi. CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE " Konstrukcja ich musi być prosta, sygnał w wysokimstopniuliniowy, o dużej stabilności. " Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do mechanicznej trwałości i kosztu. Termometry rezystancyjne platynowe Termometry rezystancyjne platynowe " są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ platynajest najbardziej trwała i odpornana korozję, " termometry platynowe mierzą najszerszy zakres temperatury i mają najlepsze charakterystyki metrologiczne. (ich zależności rezystancja-temperatura są najbardziej zbliżone doliniowych). " o dokładności czujnika decyduje wdużymstopniu czystość platyny, " przy użyciu termometrów z czystej platyny uzyskać można powtarzalność wskazań rzędu ą0,00001 K, podczas gdy minimalna niepewność świeżo wywzorcowanego termoelementu, jakiej nie udaje się przekroczyć wynosi ą0,2 K. " Termometrem platynowym do dokładnych pomiarów jest termometr Pt 100, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0�C wynosi 100 � (R0= 100 �). CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE Termometr rezystancyjny platynowy: a) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b) z uzwojeniem nawiniętym na zewnątrz, c) cienkowarstwowy CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE Czujnik z platynowymuzwojeniem1 (rys. a), umieszczonym w okrągłych studniach wywierconych w ceramicznej obudowie 2, uzwojenie uszczelnione jest w obudowie szklanymszczeliwem3. " Termometr tego typu przystosowany jest raczej do wyższych temperatur. Do pomiaru temperatury środowiska termicznego umiarkowanego stosowany jest częściej typ czujnika o prostej konstrukcji pokazany narys. b. " Na pręcie ceramicznym 2 nawinięte jest uzwojenie platynowe 1 (z przyspawanymi przewodami zewnętrznymi 4 wobrębieczujnika), którejest pokryte szklaną polewą 5. " Termometry platynowe miniaturowe cienkowarstwowe (ang. Thin-Film Platinum RTD) są obecnie stosowane coraz szerzej wpomiarachcieplnych. " Cechuje je rezystancja >1000 �. Mają jeszcze bardziej liniowe charakterystyki niż termometry rezystancyjne tradycyjne i ich masowaprodukcjajest bardziej efektywna. " Jednakże wadą ich są niestandardowe łącza (interfejsy) do systemów komputerowych i występowanie niekiedy szkodliwego efektu samoogrzewania się czujnika o wysokiej rezystancji, gdy proces pomiaru nie jest dostatecznie kontrolowany. " Termometry platynowe miniaturowe cienkowarstwowe są szczególnie przydatne do pomiarów temperatury powierzchni. Uważa się, że granicą ich dokładności jest ą0,01 K lub ą0,1%. Dzięki małym (kilku lub kilkunastu milimetrowym) wymiaromich stałe czasowe są wielokrotnie niższe niż innych czujnikówi liczą się wmilisekundach. " Na rys. c pokazano konstrukcję czujników platynowych temperatury firmy Heraeus Sensor- Nite (ang. New Innovative Technologies for the Environment). " Czujnik zawiera (wykonaną techniką fotolitograficzną) cienką warstwę platynowego rezystora 1 naniesioną na płytkę 2 pokrytą tlenkiem glinu Al2O3, którą przykrywa płytka szklana 3 z wtopionymi stykami 4 i przewodami 5. " Dla uszczelnienia strefę styków 4 przykrywa warstwa 6z pasty szklano-ceramicznej. Termistory Termistory " Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w postaci spieków różnych metali: chromu, manganu, żelaza, kobaltu, niklu i miedzi. " Termistory typu NTC (ang. Negative Temperature Coefficient) charakteryzują się dużym jednostkowym spadkiemoporuelektrycznego przy wzroście temperatury. " Dzięki wysokiej wartości oporności nie wymagają układów kompensacji oporności linii łączącej czujnik z regulatorem, coznacząco obniża koszt okablowania układuautomatyki. " Duża nieliniowość charakterystyki uniemożliwia ich zamianę natermistorowe czujniki innych producentów. " Małe stałe czasowe oraz duża dokładność przyczyniła się doszerokiego stosowania tych czujników. Temperatura Rezystancja �C � -5 8093 0 7661 +5 7182 10 6667 15 6126 20 5573 25 5025 30 4492 35 3987 40 3518 45 3089 50 2702 55 2358 60 2056 65 1792 70 1563 75 1364 80 1193 85 1047 90 921 95 815 100 722 " W zależności od typu regulatora czujniki rezystancyjne mogą być łączone bezpośrednio do regulatora jako czujniki pasywne, " mogą być również wykonywane w połączeniu z przetwornikiem elektrycznym, ze standardowymsygnałemelektrycznymna wyjściu z czujnika 0-10 VDClub0(4)-20 mA, jakoczujniki nazywane aktywnymi. ZALECENIA DOTYCZCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZALECENIA DOTYCZCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZANURZENIOWYCH ZANURZENIOWYCH ZALECENIA DOTYCZCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZALECENIA DOTYCZCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZANURZENIOWYCH ZANURZENIOWYCH Czujnik przylgowy-sposób montażu Czujnik przylgowy-sposób montażu Czujnik kanałowy Czujnik kanałowy Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza oraz czujnik temperatury z nastawnikiem oraz czujnik temperatury z nastawnikiem Czujnik pomieszczeniowy zasady montażu Czujnik pomieszczeniowy zasady montażu Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego zasady Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego zasady montażu montażu ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI " Zasada działania elektrycznych czujników wilgotności oparta jest na zastosowaniu substancji lub złożonych układów, które absorbują lub tracą wilgoć przy zmianie wilgotności względnej otoczenia, co powoduje zmianę właściwości elektrycznych układu jak impedancja i pojemność elektrycznalub inne parametry elektryczne. " Czujniki elektryczne mogą mieć wyjście napięciowe lub częstotliwościowe, w przypadku którego stosuje się przetwornik częstotliwościowo- napięciowy dla uzyskania sygnału napięciowego proporcjonalnegodowilgotności. ELEKTRYCZNE CZUJNIKI ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI WILGOTNOŚCI " a) Czujnik Dumnore'a, " b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu: model struktury czujnika i układ zastępczy czujnika. Czujnik rezystancyiny Dunmor'a Czujnik rezystancyiny Dunmor'a " Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę pokrytą warstwą z utrwalonym2 do 5%roztworem chlorkulitu. " Pełny zakres pomiarowy wilgotności względnej pokrywa zwykle kilka czujników o odcinkowych charakterystykachrezystancyjnych. " Przebieg charakterystyki czujnika dla danego zakresu wilgotności względnej dobiera się zmieniając grubość warstwy higroskopijnej. Czujniki pojemnościowe z tlenkiem Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu. glinu. Czujniki pojemnościowe z tlenkiem Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu. glinu. " Czujnikiem jest płytka aluminiowa z naniesioną elektrolitycznie warstwą tlenku glinu o dużej higroskopijności (ma strukturę włóknistą z podłużnymi porami skierowanymi kupowierzchni). " Tlenek pokrywa przepuszczalna dla wilgoci mikrowarstewkanaparowanego chromulub złota. " Nie trawiona część płytki aluminiowej oraz metalowa warstwa stanowiąca elektrodę tworzą dwie elektrody, okładki kondensatora złożonego z warstwy tlenkuglinu. " Czujnik cechuje duża stałość charakterystyki przy zmianach temperatury oraz mała bezwładność wskazań. " Stała czasowa może wynosić <2s i jeszcze mniej wniższychzakresachwilgotności. " Przy zmianie wilgotności od dużych wartości już od 80%, czas ustalania się wskazań wydłuża się znacznie, przez co czujnik nie madobrej opinii ELEKTRYCZNE CZUJNIKI ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI WILGOTNOŚCI CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ZASADY CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ZASADY MONTAŻU MONTAŻU Czujniki ciśnienia Czujniki ciśnienia " W przetwornikach ciśnienia elementem pomiarowymjest membrana lub piezorezystor. " Piezorezystorami nazywa się czujniki wykonane z materiałów półprzewodnikowych, których rezystancjazależy odnaprężeń wmateriale. " Zachodzące pod wpływem zmian ciśnienia odkształcenia membrany lub zmiany rezystancji elementu piezorezystora w przetworniku przetwarzane są na standardowy sygnał elektryczny napięciowy lubprądowy. Czujniki ciśnienia Czujniki ciśnienia " Elementem pomiarowym jest piezorezystancyjny czujnik krzemowy oddzielony od medium przez membranę separującą i wybraną ciecz manometryczną. " Układ elektroniczny znajduje się wobudowie ostopniuszczelności IP65. Czujnik przepływu płynu Czujnik przepływu płynu " Przełącznik elektryczny z łopatką zanurzoną w medium (w przewodzie) zwiera lub rozwiera styki elektryczne. Alarm przy przekroczeniu lub spadku wartości strumienia poniżej wartości zadanej (wielkościąłopatki). CZUJNIK KONTROLI PRZEPAYWU CZUJNIK KONTROLI PRZEPAYWU Pomiar zawartości CO2 w powietrzu Pomiar zawartości CO2 w powietrzu " Czujniki CDS4000 działają w oparciu o technologię nie rozproszonej podczerwieni (NDIR). Czujniki dają sygnał wyjściowy 0...10Vdc odpowiadający koncentracji 0...2030 ppm (cząsteczek na milion) CO2 . Pomiar zawartości CO2 w powietrzu Pomiar zawartości CO2 w powietrzu Schemat blokowy czujnika optycznego zawartości CO2 wraz z układemprzetwarzającym. Oznaczenia: 1,2 fotodiody odbiorcze, 3 dioda nadawcza emitująca światło, 4,5 wzmacniacze sygnałowe, 6 drajwer impulsowy, 7 mikrokontroler zasilający, 8 wyświetlacz, 9 interfejs RS232/485. " Stężenie CO2 jest oznaczane przez pomiar tłumienia określonej długości pasma podczerwieni - to znaczy drogę światła od jego zródła do detektora wzdłuż określonej ścieżki optycznej. " Czujnik wykrywa stopień stężenia i przy współpracy przetwornika przetwarza go w analogowy sygnał wyjściowy o wartości 0...10Vdc odzwierciedlający w sposóbliniowy koncentrację CO2. CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA " Czujnik jakości powietrza w pomieszczeniu służy do pomiaru zawartości niekorzystnych składników w postaci łatwo utleniających się gazów organicznych lub par (VOC Volatile Organic Compounds - lotne składniki organiczne). CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA " Pomiar umożliwia optymalizację jakości powietrza w pomieszczeniu oraz ograniczenie zużycia energii poprzez określenie niezbędnego zapotrzebowania powietrza świeżego. Zasada pomiaru Zasada pomiaru " Podgrzewany element pomiarowy wykonany na bazie półprzewodnikowego tlenku cyny SnO2 reaguje w szerokim zakresie na wszystkie utleniające się gazy organiczne i pary jak np. dymtytoniowy, ludzkie biogazy, zapachy kuchenne, tlenek węgla, alkohole, gazy techniczne, formaldehydy itp. mierząc zawartość tych gazówwpowietrzu, wmg/m3 lubwppm. Nowoczesne czujniki powinny Nowoczesne czujniki powinny charakteryzować się; charakteryzować się; " wyeliminowaniem wpływu zmiennych parametrów powietrza tj. temperatury, wilgotności i prędkości, " efektu pamięci, " kalibracją u producenta a nie w miejscu montażu, " żywotnością i powtarzalnością wyników pomiarów, " możliwością przekazywania danych w formie analogowych sygnałów standardowych lub numerycznie. System zliczania liczby osób System zliczania liczby osób " Przykładowym zastosowaniem w systemach wentylacji pomieszczeń jest ustalanie liczby osób przebywających wdanymmomencie w hali sprzedaży supermarketu i ustalanie na tej podstawie ilości powietrza świeżego podawanego przez wentylatory nawiewne przy założeniu jednostkowego strumienia minimalnego przypadającego na jedną osobę. System zliczania liczby osób System zliczania liczby osób " Czujniki umieszczone w bramach wejściowych i wyjściowych działają na zasadzie pasywnych czujników podczerwieni reagujących na promieniowanie cieplne osób przechodzących w obukierunkachwstrefieichzasięgu. " Informacje z czujników przesyłane są do mikroprocesorowego analizatora z możliwością dalszego przesyłania danych wformie cyfrowej, po RS 232, lub w formie niezależnych impulsów oddzielnie dla osób wchodzących i osób wychodzących. Budowa czujnika Budowa czujnika " Główna część czujnika stanowi pyroelektryczny nadajnik. " Elementy składowe czujnika wytwarzają wzakresie strefy roboczej po dwie kurtyny po stronie wewnętrznej bramy i postroniezewnętrznej. " Osoby wchodzące wprzestrzeń pomiędzy kurtyny wewnętrzne lub zewnętrzne generują sygnały informujące o ilości osób wchodzących i wychodzących. System zliczania liczby osób System zliczania liczby osób System zliczania liczby osób System zliczania liczby osób System zliczania liczby osób System zliczania liczby osób Dziękuję za uwagę ! Dziękuję za uwagę !