UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET

SEMINARSKI RAD

TEMA: MEMS (MIRKOELEKTROMEHANIČKI SISTEMI) U AUTOMOBILSKOJ INDUSTRIJI – MJERENJE PROTOKA FLUIDA,

IZDUVNIH GASOVA

PREDMET: INTELIGENTNI SENZORI

Ime i prezime: Brčaninović Zijad

Broj indeksa: III-71/05

Odsjek: Mehatronika

Datum:13.05.2012 godine

SADRŽAJ

Popis slika, popis tabela...........................................................................................................2

1. Uvod......................................................................................................................................3

2. Senzori protoka.....................................................................................................................4

2.1 Metode za mjerenje protoka...............................................................................................4

2.2 Termalni anemometri (termoanemometri)..........................................................................4

2.3 Mjerenje razlike pritisaka....................................................................................................4

2.4 Vrtložni senzori..................................................................................................................7

2.5 Senzori za mjerenje zapreminskog protoka........................................................................8

2.6 Turbinski senzori protoka....................................................................................................8

2.7 Senzori masenog protoka...................................................................................................8

2.8 Elektromagnetni senzori protoka(indukcioni senzori).........................................................9

2.9. Ultrazvučni senzori protoka................................................................................................9

2.10. Laserski Doplerovi senzori protoka................................................................................10

2.11. Izbor odgovarajućeg senzora protoka............................................................................12

2.12 Instalacija i održavanje....................................................................................................13

2.13.Kalibracija.......................................................................................................................13

2.14.Održavanje......................................................................................................................14

2.15 Skorašnji napreci kod senzora protoka...........................................................................14

3. Senzori izduvnih gasova.....................................................................................................16

3.1. Senzor EGO galvanske vrste...........................................................................................18

3.2 EGO senzor otporne vrste...............................................................................................22

3.3. Monitoring katalizatorskog konvertera.............................................................................23

4.Zaključak..............................................................................................................................24

5.Literatura..............................................................................................................................25

1

Popis slika

Slika 1. Pitoova cijevSlika2. Mjerenje brzinskog pritiska korištenjem U cijevi kao manometraSlika3. PrigušnicaSlika 4.Venturijeva cijevSlika 5. Protočna mlaznicaSlika 6. Elektromagnetni senzor protokaSlika 7. LDA konfiguracijaSlika 8. Bragova ćelija koja se koristi kao djelitelj snopaSlika 9. Putanja frekvencije za MAP senzor pri punom i idealnom opterećenjuSlika 10. Kisik u auspuhu u poređenju sa zrak-gorivo odnosomSlika 11. EGO senzor kao galvanska ćelijaSlika 12. Dijagramski prikaz senzora kisika u izduvnoj cijeviSlika 13. Promjena napona senzora kao i promjena odnosa zrak-gorivoSlika14. Valni oblik napona EGO senzoraSlika 15. Otporni-tip zagrijavački elementSlika 16. Senzor kisika izduvnog gasa sa grijačemSlika17. Titanium dioksid (titania) EGO sensorSlika 18. Senzor na donjem toku koji nadgleda katalizatora

2

1.UVOD

U sedamnaestom vijeku, naučnik Anton van Leeuwenhoek je pratio mikrobe kroz grubi

optički mikroskop, za potragom prema većim performansama. Baš kao što je Lovenhukov

mikroskop imao uticaj na nauku u njegovo doba, danas mikroskopski sistemi utiču na način

na koji inžinjeri razvijaju i testiraju poluprovodnike i materijale, kao i tehnologije

mikroelektromehaničkih sistema (MEMS).Oboje destruktivni i nedestruktivni mikroskopski

alati sada komplementiraju- i prevazilaze-skeniranje elektrona mikroskopom (SEM), važan

dio dobro opremljene labaratorije. Instrumenti novije generacije, neki razumno skuplji i

korisničko-prilagodljiviji, pokreću nekada vanizvorne zadatke zamišljanja i analize u

okruženje proizvodnje. Proizvodne organizacije su pod velikim kompetitivnim pritiskom. Veće

promjene se pojavljuju sa respektom prema resursima, tržištima, proizvodnim procesima i

strategijom proizvoda. Kao rezultat unutršnjeg takmičenja, samo na produktivnije i cjenovno-

efektivne će opstati. Današnji senzori i kontrolni sistemi su se eksplozivno proširili izvan

njihove tradicionalne proizvodne baze u daleko-dosežna komercijalna ulaganja. Oni će

odrigrati važnu ulogu i opstanku inovativnih industrija. Njihova uloga u informacionoj

simulaciji, i kontroli operacija da se održi okruženje proizvodnje bez greške, pomoći će da

proizvodne organizacije ostanu efektivne na svom takmičarskom kursu.

3

2. Senzori protoka

Senzori protoka se koriste u mnogim aplikacijama kontrole i praćenja,za mjerenje protoka kako tečnosti tako i vazduha. Postoji mnogo načina definisanja protoka (maseni protok,zapreminski protok,laminarni protok,turbulentni protok). Obično je najvažnije mjeriti količinu supstance koja teče (maseni protok), ali ako je gustina fluida (supstance) konstantna mjerenje zapreminskog protoka je korisna zamjena i generalno u većini slučajeva se lakše obavlja. Postoje brojne pouzdane tehnologije i tipovi senzora koji se koriste za ovu svrhu. Neke metode se primjenjuju za mjerenje protoka i gasa i tečnosti zbog toga što njihov princip rada važi i u jednoj i u drugoj aplikaciji. Postoje pak i druge metode koje su specificirane samo za mjerenje ili protoka gasa ili protoka tečnosti. U ovom odjeljku govorićemo o nekoliko najčešćih metoda za mjerenje protoka i tečnosti i gasa. Komplementarno mjerenju protoka je mjerenje nivoa tečnosti. Kad se koriste zajedno , senzori za mjerenje protoka i senzori za mjerenje nivoa daju odgovor na jedno od najosnovnijih pitanja “ koliko?” u laboratorijama i industrijskim postrojenjima širom svijeta. Oba mjerna procesa takođe dijele još jednu odliku a to je da su veoma komplikovani.

2.1 Metode za mjerenje protoka

Protok se obično u mjerenju dobija tako što se prvo mjeri brzina fluida u cijevi,kanalu ili nekoj drugoj strukturi a zatim se množi sa poznatom površinom poprečnog presjeka date cijevi ,kanala ili strukture u tački u kojoj je izvršeno i mjerenje brzine. Metode za mjerenje protoka vazduha uključuju termalne anemometre,mjerne sisteme na bazi razlika pritisaka i vrtložne senzora. Metode za mjerenje protoka tečnosti obuhvataju mjerne sisteme na bazi razlike pritisaka(diferencijalnih pritisaka) , vrtložne senzore , senzore pozitivnih pomjeraja,senzore protoka na bazi turbina kao magnetne senzore protoka i ultrazvučne senzore protoka.

2.2 Termalni anemometri (termoanemometri)

Termalni (ili “hot wire”) anemometri su bazirani na principu da količina toplote koju oduzme tekući fluid sa zagrijanog temperaturnog senzora samim svojim proticanjem može biti u vezi sa brzinom proticanja tog fluida. Ovi senzori uobičajeno koriste drugi, nezagrijani temperaturni senzor da kompenzuju promjene u temperaturi vazduha. “Hot wire” senzori su dostupni u određenom mjestu kao instrumenti za testne namjene ili kao nizovi senzora u više tačaka za fiksnu ugradnju. Ovi senzori su bolji za mjerenje malih protoka vazduha od senzora baziranih na razlici pritisaka (senzori diferencijalnog pritiska) i obično se koriste za mjerenje protoka vazduha čija je brzina od 50 do 12000 metara u minuti.

2.3 Mjerenje razlike pritisaka

4

Senzorska metoda koja se zasniva na mjerenju razlike pritisaka se može koristiti i za mjerenje protoka vazduha i za mjerenje protoka tečnosti. Danas se na tržištu nalaze raznovrsni senzori koji se baziraju na mjerenju razlike pritisaka i obično se koriste za mjerenje protoka tečnosti.Protokmetri bazirani na razlici pritisaka su najčešći uređaji u upotrebi posebno kad je u pitanju mjerenje protoka tečnosti. Rad diferencijalnog protokmetra je baziran na konceptu da je pad pritiska na dužini od jednog metra srazmjeran kvadratu brzine protoka;dakle brzinu protoka dobijamo tako što mjerimo razliku pritisaka i vadimo kvadratni korijen iz nje.

Uređaji na bazi razlike pritisaka kao i većina protokmetara imaju primarne i sekundarne elemente. Primarni element izaziva promjenu kinetičke energije stvarajući tako razliku pritisaka u cijevi. Uređaj mora biti korektno podešen za veličinu cijevi, uslove protoka kao i osobine tečnosti čiji protok mjerimo. Pored toga mjerna preciznost uređaja mora biti dobra unutar razumnih granica. Sekundarni element mjeri razliku pritisaka i daje signal na izlazu koji se potom konvertuje u stvarne vrijednosti protoka.

Za mjerenje protoka vazduha,uređaji za mjerenje protoka na bazi razlike pritisaka obuhvataju Pitoove cijevi kao i brojne mnoge druge vrste cijevi,mreža i nizova za detekciju pritiska i brzine (slika1). Svi ovi elementi su kombinovani sa predajnikom diferencijalnog pritiska koji proizvodi signal proporcionalan kvadratnom korijenu iz brzine fluida.Pitoova cijev se sastoji iz dvije cijevi koje mjere pritisak na različitim mjestima jedne iste cijevi. Jedna cijev mjeri statički pritisak obično na zidu cijevi dok druga mjeri ukupni pritisak (statički pritisak +dinamički pritisak ili pritisak koji stvara brzina fronta fluida). Što je veća brzina protoka to je ukupni pritisak veći. Pitoove cijevi koriste razliku između ukupnog pritiska i statičkog pritiska za računanje brzine protoka. Pitoove cijevi su jeftini uređaji ali imaju nedostatak da mjere protok samo u jednoj tački i da moraju buti instalirane na mjestu na kojem je maksimalan protok u cijevi. Promjene u profilu brzine mogu izazvati velike greške u mjerenju protoka.Pitoove cijevi su takođe i sklone začepljenju. Prosječna Pitoova cijev ima nekoliko portova za mjerenje protoka na više lokacija što omogućava da se da se i promjena brzine protoka uzme u obzir prilikom računanja protoka.

Slika 1. Pitoova cijev

Slika 2 pokazuje primjer mjerenja brzinskog(dinamičkog) pritiska sa manometrom tipa U cijevi. Neki sistemi za mjerenje protoka koji su bazirani mjerenju razlike pritisaka sadrže i

5

predajnike i imaju i sposobnost da elektonski računaju kvadratni korijen iz izmjerene razlike pritisaka i obezbijede sgnal koji je linearan a sve to ako se pretpostavi da je brzina protoka konstantna. Drugi obezbjeđuju signal koji je proporcionalan izmjerenom pritisku i zavise od kontrolnog sistema koji proračunava kvadratni korijen iz izmjerenog pritiska. Kada se brzina dobije protok se nalazi tako što se data brzina množi sa površinom poprečnog presjeka kanala odnosno cijevi kroz koju fluid teče. Opseg u kome se brzina može mijenjati je ograničen opsegom i rezolucijom predajnika pritiska koji se koristi. Većina uređaja koji rade na bazi mjerenja razlike pritisaka je ograničena na minimalnu brzinu u opsegu od 400 do 600 stopa u minuti. Maksimalna brzina je ograničena samo trajnošću senzora. Za mjerenje protoka vode uređaji na bazi razlike pritisaka(diferencijalnog pritiska) obično mjere ili brzinski pritisak ili mjere pad pritiska u poznatim ograničenjima(cijevi , mlaznice...). Protočne mlaznice Venturijeve i Pitoove cijevi su najčešći tipovi ograničenja koji se koriste.

Slika2. Mjerenje brzinskog pritiska korištenjem U cijevi kao manometra

Umetna cijev senzora protoka se obično pravi od cijevi sa većim brojem otvora (rupa) u zidu cijevi dužinom same cijevi kako bo dobili prosječnu razliku brzina duž cijevi a takođe ima i unutrašnju pregradu između uzvodnih i nizvodnih otvora za dobijanje razlike pritisaka.

Prigušnica ili cijev sa kružnim grlićem(otvorom) je najjednostavniji i najjeftiniji uređaj na bazi diferencijalnog pritiska. Grlić posude se steže čime smanjuje protok tečnosti a to prouzrokuje razliku pritisaka duž cijevi(slika3). Rezultat toga je visok pritisak uzvodno i nizak pritisak nizvodno koji je prooprcionalan kvadratu brzine protoka. Prigušnica obično izaziva veći ukupni gubitak pritiska nego drugi protočni elementi. Jedna od prednosti ovog uređaja je ta da se cijena uređaja ne povećava značajno sa porastom veličine cijevi.

Slika3. Prigušnica

Venturijeve cijevi su najveći i najskuplji uređaji na bazi diferencijalnog pritiska. One rade tako što mjere pad pritiska koji nastaje postepenim sužavanjem prečnika cijevi.(slika4)

6

Slika 4.Venturijeva cijev

Širi dio cijevi potom vraća protok blizu svom prvobitnom pritisku. Kao i kod prigušnice izmjerena razlika pritisaka se prevodi(konvertuje) u odgovarajuću brzinu protoka. Venturijeve cijevi se tipično mogu koristiti samo u onim aplikacijama koje zahtijevaju mali pad pritiska i visoku tačnost očitanja. One se često koriste kod cijevi sa velikim poprečnim presjekom.

Protočne mlaznice su zapravo varijacija Venturijevih cijevi sa mlaznicom koja se otvara eliptičnim ograničenjem(valjda zatvarač) ali bez oduška(ispusta) za oporavak pritiska (slika5).

Slika 5. Protočna mlaznica

Slavine ( otvori, čepovi) za pritisak se nalaze na oko polovinu prečnika cijevi za nizvodni dio i na dužini od jednog prečnika uzvodno. Protočne mlaznice su zređaji koji se koriste pri velikim brzinama protoka. Takođe se koriste i za mjerenje protoka gdje je turbulencija velika( Rejnoldsov broj iznad 50000) kao i za aplikacije u kojima se mjeri protok pare. Pad pritiska na mlaznici je između vrijednosti padova pritisaka na Venturijevoj cijevi i onog na posudi sa grlićem (30 %do 90 %).

Prednosti instrumenata na bazi diferencijalnog pritiska se ogledaju u njihovoj niskoj cijeni, jednostavnosti rada i ugradnje kao i provjerenih performansi. To je dobro razumljiva i poznata tehnologija. Nedostaci ovih uređaja su: trajni gubitak pritiska, gomilanje prljavštine u njima i česta začepljenja, glomaznost pojedinih uređaja kao i neprikladnost za rad sa pojedinim vrstama fluida.

2.4 Vrtložni senzori

Ovi senzori protoka koriste (Fon Karmanov) princip da kada fluid teče okolo prepreke(grub objekat) koja se nalazi unutar strujnice(mlaza) kružne strujnice ili vrtložnice se prolivaju naizmjenično nizvodno od objekta. Frekvencija vrtloga je proporcionalna brzini isticanja fluida Nailaskom na prepreku , brzina fluida raste , a pritisak opada.Na taj način se na prednjoj strani prepreke formira niži a na zadnjoj strani viši pritisak .Pojedinačni senzori ovog tipa se koriste u malim kanalima dok se nizovi ovakvih senzora koriste u većim kanalima kao i sa drugim vrstama instrumenata za mjerenje protoka vazduha. Vrtložni

7

senzori se koriste kod brzina vazduha koje su u opsegu od 350 do 6000 stopa u minuti. Ovi su uređaji pogodni kako za mjerenje brzine protoka tako i ukupnog protoka. Njihova upotreba za rad sa ljepljivim i visoko-viskoznim fluidima nije preporučljiva.

2.5 Senzori za mjerenje zapreminskog protoka

Ovi uređaji za mjerenje protoka se koriste gdje je potrebna velika preciznost i veliki odnos između ukupnog mjernog opsega uređaja i minimalne mjerljive vrijednosti protoka i gdje neki stalni gubici pritiska neće izazvati prekomjernu potrošnju energije. Ovi uređaji rade sa odvojenim tečnostima u mjernim segmentima. Pogodni su za mjerenje protoka viskoznih fluida. Neke od osnovnih vrsta senzora za mjerenje zapraminskog protoka su zupčasti mjerači,mjerači sa navrtnim diskom, mjerači sa rotirajućim krilcima (propelerima) kao i mjerači sa oscilujućim klipom. Ovi se uređaji tipično prave od metala kao što su: mesing, bronza,liveno gvožđe, ali se takođe mogu praviti i od plastike u zavisnosti od namjene.

Zbog bliskih tolerancija između pokretnih dijelova ovih uređaja oni mogu biti podložni mehaničkim kvarovima koje prouzrokuju čvrsta tijela(valjda se misli na prljavštine) koje se nalaze u tečnosti čiji protok mjerimo. Ovi uređaji imaju ugrađene i indikatore protoka i sabirače tako da se očitavanje može vršiti i ručno. Ovakvi ali i slični uređaji su relativno skupi.

2.6 Turbinski senzori protoka

Uređaji na bazi turbina i propelera koriste osobinu da tečnost koja protiče kroz turbinu ili propeler izaziva obrtanje rotora a brzina obrtanja rotora je direktno u vezi sa brzinom protoka. Elektični impulsi se broje i sabiraju. Ovi uređaji su dostupni u verzijama sa punom cijevi, linijski montiranoj verziji a ima i verzija(umetni senzori) koja se koristi tamo gdje je potrebno mjeriti samo dio protoka koji prolazi preko rotirajućeg elementa. Senzori protoka na bazi turbina ako se ispravno i po specifikaciji ugrade nude dobru preciznost mjerenja posebno kad su u pitanju mjerenja kod fluida male viskoznosti. Umetni senzori(nešto tipa senzora sonde) se koriste za manje kritična mjerenja međutim često su su lakši za održavanja i ispitivanja jer mogu biti uklonjeni iz cjevovoda bez njegovog razmontiranja.

2.7 Senzori masenog protoka

Procesi povezani sa masom kao što su hemijske reakcije,prenos toplote, itd zahtijevaju mnogo preciznije mjerenje protoka i sve ovo je dovelo do pojave mjerača masenog protoka. Mnogi tipovi i dizajni ovih uređaja postoje ali najčešći u upotrebi je Koriolisov senzor čiji se rad zasniva na fenomenu poznatom pod nazivom koriolisova sila. Koriolis je pravi maseni senzor koji mjeri brzinu masenog protoka direktno za razliku od mjerenja zapreminskog protoka. Kad se masa ne mijenja mjerenje je linearno bez potrebe za nadoknađivanjem zbog promjena osobina tečnosti.Takođe nije potrebna ni kompenzacija zbog promjene temperature i pritiska. Ovaj tip protokmetra se posebno koristi za mjerenje kod tečnosti čija se viskoznost mijenja sa promjenom brzine na datim temperaturama i pritiscima.

Koriolis mjerači su dostupni u različitim dizajnima. Jedan popularni uređaj se sastoji od cijevi u obliku slova U zatvorene u senzorsko kućište i povezane na elektronsku jedinicu. Senzorsko kućište i elektronska jedinica su dvije zasebne cjeline. Senzorska jedinica može biti direktno ugrađena u bilo koji proces a elektronska jedinica može biti smještena na udaljenosti i do 500 stopa od senzorske jedinice. Unutar senzorskog kućišta cijev u obliku

8

slova U vibrira na svojoj sopstvenoj (prirodnoj) frekvenciji pobuđena magnetnim uređajem koji se nalazi na krivini cijevi. Ovo je slično vibracijama zvučne viljuške pokrivajući 0.1 in. i završavajući pun ciklus za oko 80 puta u minuti. Kako tečnost protiče kroz cijev ona je prisiljena na vertikalne pokrete u cijevi. Posledica ovoga je da tečnost dejstvuje određenom silom na cijev izazivajući njeno uvrtanje. Veličina uvrtanja direktno je proporcionalna brzini masenog protoka tečnosti koja teče kroz cijev. Magnetni senzori koji se nalaze na svakoj od strana protočne cijevi mjere brzinu protoka koja se mijenja isto kao i uvrtanje cijevi. Senzori potom pohranjuju informaciju u elektronsku jedinicu gdje se ta informacija procesira i konvertuje u napon proporcionalan brzini masenog protoka. Ovaj protokmetar se može primjeniti u širokom rasponu mjernih aplikacija od mjerenja protoka kod boja maziva i ljepila do mjerenja protoka kod tečnog azota.

2.8 Elektromagnetni senzori protoka(indukcioni senzori)

Rad ovih senzora se zahtijeva na Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije koji kaže da će se indukovati napon u provodniku ako se provodnik kreće u magnetnom polju.

U našem slučaju provodnik je tečnost a magnetno polje stvara zavojnica koja se nalazi izvan protočne cijevi. Indukovani napon je proporcionalan brzini protoka. Elektrode smještene u zid cijevi detektuju indukovani napon koji se mjeri uz pomoć sekundarnog elementa. Elektomagnetski mjerači protoka se primjenjuju u mjerenjima brzine protoka provodnih tečnosti (uključujući i vodu) gdje je potreban visok kvalitet mjerenja i malo održavanje sistema.

Cijena elektromagnetnih senzora protoka je relativno visoka u odnosu na druge senzore protoka. Elektromagnetni senzori imaju mnoge prednosti uključujući i te da mogu da mjere protoke teških i korozivnih tečnosti kao i to da mogu da mjere obrnuti tok.

Slika 6. Elektromagnetni senzor protoka

2.9. Ultrazvučni senzori protoka

Ultrazvučni senzori protoka se mogu podijeliti na Doplerove senzore i tranzitne ili „time-of-travel“ senzore. Doplerovi senzori mjere frekvenciju pomjeranja izazvanu proticanjem tečnosti. Dva pretvarača (transdjusera) se postavljaju na jednu stranu cijevi; signal poznate frekvencije se predaje tečnosti kako bi se izvršilo mjerenje. Mjehurići čvrsta tijela ili bilo koji drugi diskontinuiteti u tečnosti izazivaju to da se impuls reflektuje ka

9

prijemnom elementu. Razlika frekvencija (reflektovane i poslane) ili Doplerova frekvencija prporcionalna je brzini tečnosti.

Kod tranzit ili „time-of-travel“ senzora davači se montiraju na svakoj strani cijevi tako da su zvučni talasi koji putuju između uređaja pod uglom od 45 stepeni u odnosu na pravac proticanja fluida. Brzina signala koji putuje između transdjusera povećava se ili smanjuje se u pravcu prenosa i brzine tečnosti čiji protok mjerimo. Vremensko-diferencijalna veza proporcionalna protoku može se dobiti šaljući signal naizmjenično u oba pravca. Jedno od ograničenja kod ovog tipa senzora je da tečnost čiji protok mjerimo mora da buda čista od čvrstih tijela i mjehurića gasova kako bi se smanjilo rasipanje signala i apsorpcija.

Prednost ultrazvučnih senzora je da im je cijena umjerena. Mnogi modeli su dizajnirani kao spona na već postojećim cijevima.

2.10. Laserski Doplerovi senzori protoka

Laserski Doplerov anemometar (LDA) je dobro poznata i široko rasprostranjena tehnika koja se koristi u mjerenjima u dinamici fluida već više od 30 godina. Osjetljivost na smjer i druge korisne osobine kod LDA čini ga korisnim kad je potrebno mjeriti protok promjenljivog smjera , protok hemijski reaktivnih i visokotemperturnih supstanci kao i za mjerenje protoka u rotirajućim mehanizmima gdje je druge senzore teško ili nemoguće koristiti. Kakogod ova tehnika zahtijeva tragač čestica u toku fluida.

Glavne prednosti LDA za mjerenje protoka tečnosti nudi u sledećem;

-mjerenje je bezkontaktno

-nije potrebna kalibracija

-udaljenost mjerenja može se kretati u opsegu od centimetra do metra

-vrijednost brzine protoka može se mijenjati od nule do nadzvučne

-može mjeriti protok kod tokova promjenljivog smjera

Osnovna konfiguracija LDA (slika7) se sastojiod:

-kontinualnog laserskog talasa

-optičkog predajnika koji sadrži djelitelj snopa kao i fokusirajući objektiv

-prijemna optika koja se sastoji od fokusirajućeg objektiva interferencijskog filtra i fotodetektora

-prilagođivača signala i procesora signala

10

Slika 7. LDA konfiguracija

U principu LDA šalje monohromatski laserski snop prema meti i skuplja reflektovano zračenje. Prema Doplerovom efektu promjena talasne dužine reflektovanog zračenja je funkcija relativne brzine pogođenog objekta. Prema tome brzina objekta se može odrediti mjerenjem promjene u talasnoj dužini reflektovane laserske svjetlosti. To se radi formiranjem graničnog interferencionog obrazca (obrazac za svijetle i tamne pruge) putem superponiranja originalnog i reflektovanog signala.

Bragova ćelija se najčešće koristi kao djelitelj snopa. To je kristal stakla sa vibrirajućim pijezo kristalom zakačenim na njega (slika8). Vibracija generiše akustične talase koji djeluju poput optičkih mreža. Dva snopa jednakih intenziteta napuštaju Bragovu ćeliju sa frekvencijama f0 i fpomjereno i fokusirani su na optičko vlakno koje ih vodi na sondu. U sondi paralelni izlazni snopovi iz vlakna se fokusiraju objektivom i sjeku se u oblasti nazvanoj mjerenje jačine koja je uobičajeno udaljena par milimetara i gdje se mjerenje i obavlja. Intenzitet svjetlosti je podešen (modulisan) usled interferencije između leserskih snopova koje proizvode paralelne ploče visoke svjetlosne osjetljivosti (planparalelne ploče valjda) rasrtojanje između ploča df je definisano talasnom dužinom laserske svjetlosti i uglom između snopova.

(2.1)

Informacija o brzini protoka dolazi od raspršene svjetlosti koju raspršuju malene čestice koje nosi fluid odnosno dok se kreću kroz mjernu oblast. Raspršena svjetlost sadrži Doplerovu pomjerenu i Doplerovu fD frekvenciju koja je proporcionalna komponenti brzine normalnoj na površinu u kojoj leže dva laserska snopa koja odgovara x osi(komponenti) mjerene jačine.

Slika 8. Bragova ćelija koja se koristi kao djelitelj snopa

11

Prijemnik objektiva skuplja raspršenu svjetlost i fokusira je na fotodetektor. Interferentni filtar postavljen ispred fotodetektora propušta samo svjetlost tražene talasne dužine uklanjajući šum iz ambijentalnog svjetla i svjetlosti drugih talasnih dužina. Fotodetektor konvertuje intenzitet fluktuirajuće svjetlosti u električni signal takozvani Doplerov prasak. Doplerov prasak se filtrira i pojačava u procesoru signala koji utvrđuje fD za svaku česticu, često putem frekventne analize koristeći algoritam brze Furijeove transformacije(FFT). Razmak između paralelnih ploča(fringe) df pruža informaciju o dužini koju su prešle čestice. Doplerova frekvencija fD daje nam informaciju o vremenu :t=1/fD. Pošto je brzina jednaka udaljenosti podjeljenoj sa vremenom izraz za brzinu postaje V=df*fD.

Što se tiče rasejavanja čestica čest je slučaj da tečnosti imaju odgovarajuće prirodno rasijanje , ali tipično gasovi moraju biti rasijani. Idealno čestice bi trebalo da budu dovoljno male da prate tok fluida ali i dovoljno velike da obezbijede dovoljno raspršenje svjetlosti kako bi se postigao dobar odnos signal-šum na izlazu fotodetektora. Okvir veličine čestica je obično između 1μm i 10μm. Materijal od koga su sastavljene čestice može biti čvrst(prah) ili tečan(kapljice).

2.11. Izbor odgovarajućeg senzora protoka

90% problema sa protokmetrima se dešava zbog neadekvatnog izbora uređaja za rad.Najvažniji zahtjev prilikom izbora senzora je u stvari razumijevanje šta on treba da uradi. Ovo su neka od važnih pitanja koje treba postaviti u toku procesa selekcije odgovarajućeg uređaja:

-Da li se mjerenje koristi za kontrolu nekog procesa gdje je ponovljivost glavna briga ili se koristi za računovodstvene ili nadzorne transfere gdje je bitna preciznost?-Da li je indikacija signala lokalna ili se zahtijeva daljinska indikacija? Ako se zahtijeva daljinski izlaz da li će to biti proporcionalan signal i da li će blizina kontakta pustiti u rad ili zaustaviti neki drugi uređaj , jednom rječju da li će naš senzor ometati rad nekog drugog uređaja?-Da li je tečnost čiji protok mjerimo čista, viskozna?- Da li je tečnost čiji protok mjerimo provodna u električnom smislu?-Kolika je specifična zapreminska težina i gustina tečnosti čiji protok mjerimo?-Koje su radne temperature i pritisci procesa?-kolika tačnost , opseg, linearnost, ponovljivost, i zahtjevi cjevovoda moraju biti ispunjeni?Takođe je potrebno znati šta određeni protokmetar ne može da uradi prije nego li napravimo konačni izbor. Svaki tip senzora ima svoje prednosti i nedostatke i zadovoljavanje performansi je u direktnoj vezi sa tim koliko dobro sposobnosti i mane instrumenta se podudaraju sa zahtjevima aplikacije. Većina snadbjevača senzorima se trudi da pomogne svojim klijentima da izaberu odgovarajući senzor za određenu aplikaciju.Mnogi daju upitnike i liste pitanja kao i liste specifikacija dizajnirane tako da dobiju ključne informacije potrebne da se izabere odgovarajući protokmetar za posao. Tehnološki napredak takođe mora biti uzet u obzir. Jedna od uobičajenih grešaka je da izaberete dizajn koji je bio popularan za datu aplikaciju prije godinu dana pod prtpostavkom da je još uvijek najbolji izbor. Mnoge promjene i inovacije mogu se

12

odnositi na protokmetarsku tehnologiju u skorijim godinama pa za tu posebnu aplikaciju mogu dati mnogo veći izbor.

2.12 Instalacija i održavanje

Vazdušni senzori protoka rade najefikasnije u dijelovima cijevi i kanala koji imaju uniforman protok. Da bi mjerenja bila pouzdana vazdušni senzori moraju biti ugrađeni po reporuci proizvođača senzora da uzvodno ili nizvodno u odnosu na pravac toka.. Neki proizvođači nude i elemente za ispravljanje toka koji se ugrađuju uzvodno od senzorskog niza kako bi poboljšali nepovoljne uslove protoka. Ovo treba uzeti u obzir kada uslovi ne dozvoljavaju ugradnju u određenom pravcu kanala uzvodno ili nizvodno od senzora. Svi senzori protoka tečnosti najbolje rade kada mjere uniforman i potpuno ispunjen tok tečnosti. Kao i senzore protoka vazduha i ove senzore je neophodno ugraditi prema preporuci proizvođača u cilju dobijanja najpouzdanijih mjerenja. Iako većina proizvođača nudi instalaciju svoje opreme većina korisnika se odlučuje na instalaciju sopstvene opreme. Ovo može dovesti do gore opisanih grešaka.

Svaki senzorski dizajn ima određeni nivo tolerancije za nestabilne brzinske uslove u cijevi, ali takođe i svi uređaji zahtijevaju određene uslove za cijev kako bi radili ispravno i efikasno. Protokmetri su takođe mogu biti instalirani natraške (nazad) , posebno je to primjetno kod posuda sa grlićem.

Kod uređaja sa električnim komponentama ,unutrašnja bezbijednost se mora uzeti u obzir u opasnim uslovima. Zalutala magnetna polja mogu se javiti u mnogim industrijskim postrojenjima. Prenosni vodovi, releji, zavojnice transformatori , motori i generatori doprinose elektromagnetskoj interferenciji i smetnjama tako da korisnik mora da osigura uslov da je protokmetar koji je izabrao bude imun na gore navedene smetnje. Većina problema se javlja kod elektronskih komponenti koje moraju biti zaštićene. Striktno poštovanje preporuka proizvođača prilikom instalacije uređaja obično će spriječiti ovakve i slične probleme.

2.13.Kalibracija

Inicijalna kalibracija je neophodna je svim protokmetrima;obično kalibraciju obavlja proizvođač. Međutim ako je kvalifikovana osoba i sam kupac može izvršiti kalibraciju. Neophodnost ponovne kalibracije u mnogome zavisi od toga koliko dobro uređaj odgovara datoj aplikaciji. Neke tečnosti koje prolaze kroz protokmetar su abrazivne , erozivne, korozivne tako da s vremenom dijelovi uređaja će se pokvariti dovoljno da utiče na njegove performanse. Neki dizajni su podložniji oštećenjima od drugih. Na primjer habanje pojedinačnih lopatica turbine može izazvati promjene performansi. Ako je u pitanju neka kritična aplikacija onda tačnost protokmetra treba provjeravati češće. U drugim slučajevima ponovna kalibracija možda neće biti neophodna zato što aplikacija nije kritična i zbog toga što ništa u okruženju ne utiče na mjerne performanse protokmetra. Neki protokmetri zahtijevaju specijalnu opremu za kalibraciju. Većina proizvođača će obezbijediti ovu uslugu u svom postrojenju ili u objektu korisnika gdje će donijeti opremu za kalibraciju na lice mjesta.

13

2.14.Održavanje

Protokmetri koji nemaju pokretne dijelove obično zahtijevaju manje pažnje u održavanju nego uređaji koji imaju pokretne dijelove, ali svi protokmetri zahtijevaju neki tip održavanja. Kod protokmetara na bazi diferencjalnog pritiska primarni elementi zahtijevaju široke ventile, cijevi i ostalu opremu kada se povezuju na sekundarne elemente tako da održavanje može biti često i naporno. Protokmetri koji sadrže pokretne dijelove zahtijevaju česte periodične kontrole pogotovo ako je tečnost čiji protok mjerimo viskozna ili prljava. Ugradnja filtera ispred takvog uređaja pomoćiće u smanjenju mogućnosti začepljenja i habanja. Kod ultrazvučnih ili elektromagnetskih protokmetara problemi se javljaju obično kod njihovih sekundarnih elemenata odnosno elektronskih komponenti. Senzori pritiska u sekundarnim elementima treba da se periodično skidaju i pregledaju.

Aplikacije u kojima može da dođe do premazivanja(izolacije) predstavljaju potencijalne probleme za uređaje kao što su elektromagnetski i ultrazvučni uređaji. Ako dođe do izolacije premazivajem rad magnetnih i ultrazvučnih protokmetara će biti oslabljen ako se elektrode izoluju od tečnosti. Kod ultrazvučnih mjerača protoka uglovi prelamanja mogu se promjeniti i zvučna energija apsorbovana od strane premaza izazvaće neoperativnost uređaja.

2.15 Skorašnji napreci kod senzora protoka

Nedavna studija koju su sproveli Flow Research i Ducker Worldwide širom svijeta pokazala je da je najveci pomak na polju mjerenja protoka napravljen sa senzorima baziranim na novim tehnologijama (“new technology” protokmetri) .

Protokmetri na bazi novih tehnologija u ovoj studiji su definisani kao magnetni , ultrazvučni , Koriolis , vrtložni , senzori na bazi razlike pritisaka (diferencijalni protokmetri).Ove 4 funkcije su im zajedničke:

1.) Otkriveni (konstruisani )su u zadnjih 50 godina

2.) Oni koriste tehnološki napredak kako bi se riješili neki od stalnih problema koji su se javljali kod starijih tipova uređaja za mjerenje protoka.

3.) Imaju dominantnu ulogu odnosno u fokusu su prilikom razvijanja novih uređaja od strane proizvođača

4.) Njihove osobine uključujući i tacnost su bolje u odnosu na tradicionalne protokmetarske tehnologje

Ovi protokmetri obično imaju i neke dodatne funkcije.To uključuje softverske mogućnosti , više aplikacijski specifičnih paketa, izuzetno izdržljiv način konstrukcije. Samodijagnostika je takode jedna od osobina koju korisnici traže kod protokmetara.Najnovije inovacije je pretrpio protokmetar na bazi razlike pritisaka što obuhvata razvoj diferencijalnog predajnika veoma velike tačnosti, upotrebu multivarijabilnih predajnika kao i predajnike razlike pritisaka koji sadrže integrisani primarni element.Veoma značajan razvoj (napredak) je bio pronalazak integrisanog diferencijalng protokmetra. U prošlosti korisnici su kupovali primarne elemente od jedne kompanije a predajnike od druge.Sada u ponudi imamo predajnike koji su integrisani zajedno sa primarnim elementom.Najnoviji trendovi idu ka

14

konstrukciji pametnijih i još preciznijih predajnika. Medutim treba shvatiti i to da je predajnik samo jedan element u cijelom sistemu , a ostale promjenljive utiču na preciznost mjerenja. Pojavom ultrazvučnih protokmetara dobili smo novu klasu preciznih , jeftinih uredaja za mjerenje protoka kroz cijevi malog prečnika(0.25-2 inča u prečniku) . Oni su bazirani na mikroelektromehaničkim sistemima (MEMS) i signal-mješovitom integrisanom kontrolnom čipu (ASIC) koji je specifičan za određenu aplikaciju.Ova tehnika nudi alternativu između tradicionalnih mehaničkih mjerila ili još skupljih vrtložnih ili masenih protokmetara za odgovarajuću aplikaciju sa malim prečnikom cijevi.Elektronski izlaz može direktno biti povezan sa procesom kontrole i praćenja.Takođe uredaj može i da vrši samotestiranje. Dobro je prilagoden za mjerenje protoka gasa.

15

3. Senzori izduvnih gasova

Da bi katalizator izduvnih emisija korektno radio, omjer zrak-gorivo mora biti održan u omjeru 15:1 (po masi), i to je izduvni gas kisik (EGO) senzor koji asistira ECM senzoru da održi

Slika 9. Putanja frekvencije za MAP senzor pri punom i idealnom opterećenju

zrak-gorivo odnos unutar odgovarajućih ograničenja. EGO senzor konstantno nadgleda sadržaj kisika izduvnog gasa, stoga zrak-gorivo odnos na usisu motora, odkada je procenat kisika u izduvnom gasu tačna mjera vazduh-gorivo odnosa smjese koja ulazi u cilindre motora. Slika 10 pokazuje odnos između sadržaja kisika izduvnog gasa i zrak–gorivo odnos smjese koja ulazi u komore za sagorijevanje motora. Informacija (napon) od EGO senzora se vraća do ECM u slučaju da količina goriva ubrizgana u motor je možda promijenjena potrebno je da se osigura da zrak-gorivo odnos bude u okviru ograničenja.

16

Slika 10. Kisik u auspuhu u poređenju sa zrak-gorivo odnosom

To je uobičajna praksa koja se odnosi na zrak-gorivo odnos koja daje hemijski tačno sagorijevanje kao lambda=1. Ako je smjesa bogata, lambda je manje od 1 (vjerovatno lambda=0.97), i ako je smjesa slaba, lambda je veće od 1 (vjerovatno lambda=1.03). Iz ovog razloga, senzor izduvnog gasa se često odnosi kao lambda senzor.

Lambda =aktuelan zrak-gorivo odnos/ hemijski ispravan zrak-gorivo odnos (3)

Postoje dva tipa EGO senzora koji su trnutno u upotrebi. Jedan radi na principu galvanske ćelije, npr. To je „hemijsko-galvanski“, i drugi se oslanja na promjene u električnom otporu materijala u odzivu na kisik,npr. To je „hemijsko-otporni“.

3.1. Senzor EGO galvanske vrste

17

Galvanski, ili cirkonij (ZrO2), vrsta kisičnog senzora radi na principu razlike između kisika parcijalnog pritiska vazduha i parcijalnog pritiska kisika u izduvnom gasu. Na morskom nivou, atmosferski vazduh sadrži približno 21% kisika po težini, i ovo daje kisiku parcijalni pritisak od približno 0.2 bar. Sadržaj kisika izduvnog gasa varira od nule u bogatoj smjesi, do 10% u slaboj smjesi, kao što je prikazano na slici 10. Parcijalni pritisak kisika u izduvnom gasu prema tome doseže od nuče do približno 0.01 bar.

Slika 11. EGO senzor kao galvanska ćelija

Slika 11. pokazuje da je senzorov element u suštini ćelija (baterija). Ploče su napravljene od platine i imaju sloj keramičkog cirkonia između njih koje služe kao elektroliti. Platinijumske ploče služe kao katalizator za kisik koji takođe ima dodira sa njima, i služe da odvode

18

elektricitet od senzora. Katalizatorska akcija koja se dešava kada kisik dodirne platinumske ploče uzrokuje transport jona kisika kroz elektrolite i ovo stvara električnu struju koja daje povišenje napona senzora. Ovaj senzorski napon je tačna predstava sadržaja kisika izduvnog gasa.

U praksi senzorskih elementi se formiraju u naprstatski oblik kao što je prikazano na slici 12. Ova vrsta konstrukcije izlaže maksimalno pordučje platine izduvnom gasu na jednoj strani i atmosferskom vazduhu sa druge strane. Platinum koji je izložen izduvnom gasu je prekriven poroznim keramičkim materijalom. Ovo dopušta da kisik prođe do paltine ali štiti platinu od štetnih zagađenja u izduvnim produktima.

Slika 12. Dijagramski prikaz senzora kisika u izduvnoj cijevi

Što je veća razlika u nivou kisika između atmosferskog zraka i izduvnog gasa, veći se napon proizvodi EGO senzorima. Kada se kisik-gorivo odnos promijeni u blago bogati, recimo 14:1 (lambda=0.93) u blago slabi, 16:1 (lambda=1.06), postoji upadljiva promjena u parcjalnom pritisku kisika izduvnog gasa i dovodi do koraka promjene u naponu EGO senzora zato što keramički elektrolit (cirkonij) je veoma osjetljiv na nivo kisika, kao što je prikazano na slici 13.

19

Iznenadna promjena u naponu senzora se koristi da izazove akciju ECM, koji će promijeniti dovođenje goriva, da se održi lambda=1 ( hemijski tačan zrak-gorivo odnos).Rezultat ove akcije je da izlaz EGO senzora kruži gore i dolje, na frekvenciji koja osigurava da motor radi tečno i da katalizator funkcioniše pravilno. Stvarna frekvencija se

određuje od strane programa koji dizajner postavlja na ROM od ECM. Sve ovo znači da EGO galvanska vrsta proizvodi standardnu vrstu izlaza koja se mjeri od strane opreme koja je spremno dostupna pri popravci vozila.

Približan oblik vala napona EGO senzora u opterećenu prikazano je na slici 14. Valni oblik proizlazi iz načina na koji ECM upozorava količinu ubrizganog goriva,npr. Smanjivanjem povećavajuće količine ubrizganog goriva, na zadan način, da se zadrži odnos zrak-gorivo odnos unutar određenih granica. Ovo znači da vremenski period između maksimuma i minimuma (frekvencije) vala će varirati sa brzinom motora. Ovaj vremenski period će takođe varirati prema tome da li je sistem goriva sa jednotačkastom injekcijom, ili sa više tačkastom injekcijom. Međutim, generalni princip je dobar. Vrsta prikazanog valnog oblika može se očekivati od bilo kojeg ispravnog senzora kisika.

20

Rad senzora kisika zavisi od njegove temperature. Potrebno je da senzor dosegne temperaturu oko 2500C prije nego počne sa radom. Da bi senzor postigao temperaturu što je brže moguće od hladnog starta, uobičajno je u praksi da se na senzor postavi element zagrijavanja pokazano na slici 15.

Ovo znači da većina senzora kisika su opremljena sa četiri žice: signalna žica i tlo za element senzora i žica koja snabdijeva tlo za element zagrijavanja. Ova vrsta senzora je poznata kao senzor kisika sa zagrijačem (HEGO).prikazano na slici 16.

Mora se shvatiti da je EGO senzor dio sistema povratnih informacija. Ako je isključen prestaće da radi korektno.Mora,zbog toga, se testirati dok je sistem operativan,npr. Kada je motor zagrijan i radi. Kada sistem radi korektno izlaz EGO senzora varira između približno 200 mV i 800 mV, i približan oblik valova prikazan je na slici 14 na stranici 20.

21

3.2 EGO senzor otporne vrste

Cirkonij-vrsta galvanski EGO je malo sporiji u radu i tvrdi se da je titanium oksid (titania) senzor ima nešto brže vrijeme odgovora i zbog toga je bolji za svrhe kontrole emisija motora (slika 17.)

Slika17. Titanium dioksid (titania) EGO senzor

Titania senzor reaguje na promjene parcijalnog pritiska kisika u izduvnom gasu.Promjene u koncentraciji kisika u izduvnom gasu uzrokuju promjeni otpora materijala. Kada je senzor obskrbljen sa setom napona sa kontrolne ploče, varijacije u strujanju kroz senzorski element daju indikacije sadržaja kisika izduvnih gasova. U senzorskom elementu, titanija je važan poluprovodnik na čije otporne karakteristike utiče koncentacija kisika koji reaguje sa njim. Reakcija koja nastaje utiče na otpor senzornog elementa i rezultanta napon senzora je tačan indikator parcijalnog pritiska kisika u izduvnom gasu. Glavna razlika između ovog senzora i galvanskog senzora su visine napona su veće i da je mali napon za bogate smjese i visok napon za slabe smjese.

U kritičnom području, gdje je zrak-gorivo odnos hemijski ispravan (lambda=1), postoji označena promjena u otporu elementa senzora koja vodi stvaranju valova sličnog oblika kao ZrO2 senzor, očekivano je da je napon kroz senzor vjerovatno veći- Stvarna vrijednost je zavisna od napona koji se primjenjuje na senzor.

22

3.3. Monitoring katalizatorskog konvertera

USA OBDII i nezavisno Europsko zakonodavstvo zahtjeva da su sistemi emisije vozila opremljeni sa uređajima za osvjetljavanje lampe upozorenja (lampa indikator kvara ili MIL) ukoliko katalizatorski konverter prestane da radi korektno. Da bi uslovi bili zadovoljeni današnja praksa je da se postavi drugi senzor kisika na donji tok katalizatora kao što je prikazano na slici 18.

Slika 18. Senzor na donjem toku koji nadgleda katalizatora

Na slici 18. A predstavlja gornji tok kisika koja je na motornoj strani katalizatora. To je senzor koji daje signal povratnih informacija koje ECM koristi za kontrolu zrak-gorivo odnosa u zahtjevanim ograničenjima. Drugi senzor B šalje signal do ECM koji se koristi da se odredi efikasnost katalizatora. Amplituda napona ovog drugog senzora je ključ u procjenjivanju efikasnosti katalizatora. Kako katalizator stari, ili se ošteti lošim gorivom itd, amplituda napona ovog drugog senzora će se povećati.

23

4.Zaključak

Na kraju, možemo samo reći da oblast senzora u auto-industriji predstavlja jedno veoma privlačno polje razvoja, kako svojom inovativnošću tako i multi-milionskim tržistem okarakterisanim sa visoko kvalitetnom serijskom proizvodnjom senzora koji moraju zadovoljiti veoma velike kriterijume po pitanju pouzdanosti i cijene. MEMS senzori predstavljaju široko prihvaćenu industriju koja je u stanju da zadovolji i ove ali i neke druge manje važne zahtjeve postavljene u auto-industriji. Velika prednost ove inudstrije se može pronaći i u velikoj potražnji tržišta za mnogo sigurnijim rješenjima od postojećih. Najveća prednost MEMS industrije i ovde navedenih senzora je u tome što iz dana u dan već postojeći senzori nalaze nove primjene u kojima se mogu ustaliti, ali i pored toga postoji potražnja za novim rešenjima koja će se impementirati u već postojeća, radi poboljšavanja funkcionalnosti. Ta deviza, konstantan razvoj radi poboljšanja performansi, predstavlja pravo gorivo koje vodi MEMS industriju napred, ka poziciji industrije koja predstavlja nezaobilaznu stanicu na putu usavršenja efikasnosti, pouzdanosti i kvaliteta bilo koje industrije.

24

5. Literatura

- Allan Bonnick,Automotive Computer Controlled Systems - Diagnostic tools and techniques, 2001.

- Jon Wilson, William Hennessy, BMT Scientific Marine Services, Inc.: Sensor tehnology handbook

- M.Popović: Senzori i mjerenja, Beograd 2000.

25