NS EAP Predavanja

ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA

Elementi automatizacije postrojenja 1

Senzori mjerni pretvornici Uvod

Za senzore jo koristimo nazive mjerni pretvornici, davai, osjetila, mjerni lanovi, detektori i slino

Osjetila su elementi ili sklopovi koji pretvaraju informaciju iz jednog oblika i zadaa im je dobiti to precizniju informaciju o procesnoj varijabli koja se mjeri

Senzor moe biti predstavljen kao cijeli mjerni sustav kojemu su osnovne komponente prikazane na slijedeoj slici:


Osjetilo: termopar napon termopara ovisan o temperaturi; kod ureaja za mjerenje naprezanja otpor osjetila ovisi o mehanikom naprezanju)

Elementi za predobradu: mosni spoj koji pretvara impedancije u naponsku promjenu; pojaalo koje pojaava mV u V; oscilator koji pretvara promjenu impedancije u napon varijabilne frekvencije

Elementi za obradu signala: A/D pretvornik za pretvorbu napona u digitalni oblik za ulaz u raunalo; mikroraunalo koje izraunava vrijednost na temelju ulaznih digitalnih podataka, na

primjer, za raunanje ukupne mase plina na temelju protoka i gustoe i sl.

Senzori mjerni pretvorniciKomponente senzora kao mjernog sustava

Senzori mjerni pretvorniciPrimjer: sustav za mjerenje teine

Senzori mjerni pretvorniciPregled svjetskog trita senzora 2013. godine

Prema literaturu, senzore najee dijelimo prema tipu mjerne veliine, nainu detekcije, tipu pretvorbe, prema materijalu od kojeg je napravljeno osjetilo, prema tipu izlaznog signala, i sl.

Najea podjela senzora je ona prema tipu mjerne veliine: Mehanike (kutna i linearna pozicija, ubrzanje, sila, naprezanje, tlak,

masa,protok, razina, moment...) Toplinske (temperatura, toplinski tok, toplinska vodljivost, ...) Elektrine (naboj, struja, napon, radnja i jalova snaga..) Magnetske (magnetsko polje, indukcija, magnetski tok, ...) Radijacijske (energija i intenzitet zraenja,...) Kemijske (koncentracije odgovarajue kemijske komponente,...) Optike (amplituda, faza i brzina vala, intenzitet emisije i refleksije vala...)

Senzori mjerni pretvorniciPodjela senzora


Mjerne veliine Mjerne veliine

Akustike Amplituda, faza i brzina vala, spektar

Optike Amplituda, faza i brzina vala, indeks refrakcije, emisija, refleksija

Bioloke Tip i koncentracija biomase

Mehanike Pozicija (linearna i kutna), ubrzanje, sila, naprezanje, tlak, masa, gustoa, moment tromosti, moment, brzina protoka, protok, vrstoa, oblik, vikoznost

Kemijske Koncentracije komponenata

Radijacijske Tip, energija, intenzitet zraenja

Elektrike Naboj,struja,potencijal,napon,amplituda i faza elektrikog polja, vodljivost i dr.

Toplinske Temperatura,toplinski tok,specifina toplina,toplinska vodljivost

Magnetske Amplituda i faza magnetskog polja,vodljivost i dr.

Senzori mjerni pretvorniciKlasifikacija senzora po mjerenoj veliini:

Nain detekcije

Bioloki Toplina, temperatura

Kemijski Mehaniki pomak ili val

Elektriki, magnetski ili elektromagnetski val

Radioaktivnost, zraenje

Senzori mjerni pretvorniciKlasifikacija senzora po materijalu izvedbe i nainu detekcije

Klasifikacija senzora po materijalu izvedbe

Klasifikacija senzora po nainu detekcije

Materijal izvedbe senzora

Neorganski Organski

Vodi Izolator

Poluvodi Tekui plin

Bioloki supstrat Plasma

Tip pretvorbe

Fizikalni Termoelektriki Kemijski Kemijska pretvorba

Fotoelektriki Fizikalna pretvorba

Fotomagnetski Elektrokemijska pretvorba

Magnetoelektriki Spektroskopija

Elektromagnetski

Termoelastini Bioloki Biokemijska pretvorba

Elektroelastini Fizikalna pretvorba

Termomagnetski Pojave na ispitnim organizmima

Termooptiki Spektroskopija

Fotoelastini

Senzori mjerni pretvorniciKlasifikacija senzora po tipu pretvorbe


Podruje primjene

Poljoprivreda Automobili

Graditeljstvo Kuanstvo

Elektroenergetika Meteorologija, ekologija

Medicina Zatita i sigurnost

Proizvodnja Informatika, telekomunikacije

Vojska Pomorstvo

Znanstvena istraivanja Rekreacija, igrake

Transport Svemirska istraivanja

Senzori mjerni pretvorniciKlasifikacija senzora po podruju primjene

Kontinuirani senzori mjere veliinu u nekom mjernom podruju i na izlazu daju signal koji je proporcionalan mjerenoj veliini; izlazni signal moe biti strujni (4-20mA, 20mA, ...) ili naponski (100mV,10V,...) analogni signal ili digitalni broj ukoliko senzor u sebi ima integriran A/D pretvornik i odgovarajui digitalni ureaj za daljnju obradu i prikaz signala (mikroprocesor, displej)

Primjer: Senzor za mjerenja tlaka 0-10 bara s izlazom 4-20mA, pri 0 bara na izlazu imamo 4mA, dok za 10 bara na izlazu je 20mA; unutar izlaznog podruja signal se skalira proporcionalno sa mjerenom vrijednou, a 0mA oznaava prekid linije ili greku u sustavu

Diskretni senzori detektiraju kada mjerena veliina poprimi jednu vrijednost; u tom trenutku na svom izlazu mijenjaju digitalno stanje; digitalni izlaz moe biti elektroniki (tranzistori), mehaniki(krajnji prekida kod mjerenja pomaka) ili elektromehaniki (relejni izlaz)

Primjeri: Foto-elija za detekciju poloaja nekog predmeta, krajnji mehaniki prekida za detekciju zatvorenosti vrata, plovak za detekciju minimalne ili maksimalne razine tekuine, tlani prekida za upravljanje radom kompresora

Senzori mjerni pretvorniciKlasifikacija senzora obzirom na mjerenu diskretnu ili kontinuiranu veliinu

Mjerno podruje (engl. range) definirano je maksimalnom i minimalnom vrijednou mjerene varijable zasebno se definira ulazno i izlazno mjerno podruje Primjeri: Senzori tlaka s ulaznim podrujem 0-10 bara i izlaznim 4-20mA.

Termopar moe imati ulazno podruje od -100 do 200C, a izlazno 0-10mV

Raspon (engl. span) predstavlja razliku izmeu maksimalne i minimalne vrijednosti ulaznog i

izlaznog mjernog podruja Primjer: Termopar s ulaznim podrujem od -100 do 200C, a izlaznim od 0-

10mV ima ulazni raspon 300C, a izlazni 10mV

Senzori mjerni pretvorniciStatistike karakteristike senzora

Pogreka (engl. accuracy) je razlika izmeu tone i izmjerene vrijednosti procesne varijable. Najee se prikazuje kao: apsolutna pogreka je maksimalna

pogreka bez obzira na njenu mjerenu vrijednost npr. 1C ili 0,1 bar

postotna pogreka u odnosu na izmjerenu vrijednost

postotna pogreka u odnosu na cijeli mjereni opseg (raspon)

Primjer: Apsolutna pogreka od 1C kod mjerenja temperature od 100C moe se prikazati kao pogreka od 1% mjerene vrijednosti ili pogreka od 0,33% mjerenog opsega 300C (ako je mjereno podruje od -100 do 200C)


Linearnost (engl. linearity) Idealna karakteristika senzora moe se opisati kao:

= x+bGdje je

x mjerena procesna varijabla, y idealna izlazna karakteristika, a, b parametri linearne karakteristike, y* predstavlja stvarnu izmjerenu vrijednost

Nelinearnost je izraena formulom:

= y

Senzori mjerni pretvorniciStatistike i dinamike karakteristike senzora

Maksimalna nelinearnost je najvea razlika izmeu izmjerene vrijednosti i idealne linearne karakteristike.

Ako je nelinearnost poznata moe se linearizirati analognim ili digitalnim putem

Danas se ee koristi digitalna linearizacija, pri emu se snimljena nelinearna karakteristika zapie u memoriju mikroraunala, a primjenjuje se postupak linearne interpolacije izmeu snimljenih toaka


Nepromijenjivost mjerenja definirana je ponovljivou i histerezom Primjer: rezanje duine ine od 100m na jednake dijelove.

Ponovljivost je definirana razlikom rezultata mjerenja dobivenih uzastopnim mjerenjem procesne veliine u istoj radnoj toki. Pritom se mjerenja moraju provesti na isti nain.

Primjer: Ako se ukupna teina od 5 razliitih komada mjeri 10 puta, svaki put se ti komadi na vagu moraju stavljati istim redoslijedom.

Histereza se dobiva u sluaju kada mjerena vrijednost ovisi da li mjerena varijabla raste ili pada u odnosu na prethodnu vrijednost. Histereza je razlika izmeu te dvije vrijednosti.

Primjer: Sumarno mjerenje teine vie razliitih komada tereta. Ako se mjeri ukupna teina dva komada tereta moe se dobiti razliita vrijednost ovisno o tome da li se teret poveavao (prvo smo stavili prvi komad onda drugi) ili smanjivao ( imali smo tri komada pa smo skinuli jedan komad).


Rezolucija mjerenja predstavlja najveu promjenu varijable koja se ne moe mjeriti ili se moe definirati kao najmanji iznos varijable koju je mogue izmjeriti

Primjer: mjerenje pozicije pomou ianog potenciometra najmanji mjerljivi iznos je jedan zavoj potenciometra; ako ulazno mjerno

podruje kuta iznosi 90, a potenciometar ima ukupno 180 zavoja, rezolucija mjerenja iznosi 90/180=0,5

drugi primjer je upotreba A/d pretvornika za digitalno prikazivanje mjerene veliine


Zona neosjetljivosti (engl. Dead-band) predstavlja dio mjernog podruja u kojem za promjenu mjerene varijable na izlazu senzora dobijemo nulti signal


Pojas pogreke objedinjuje sve prethodno navedene pogreke i definira se kao ukupna pogreka

Pojas pogreke koristimo jer je u mnogim primjenama teko mjeriti sve prethodno navedene karakteristike


Utjecaj okoline obino se definira kao postotna pogreka tonosti za odreenu promjenu okoline

Pogreka se moe manifestirati kao pomak karakteristike oko nule (tzv. drift) ili kao promjena osjetljivosti pri emu se mijenja nagib karakteristike

Tonost senzora deklarira se za tono definirane uvjete okoline kao to su: konstantna vanjska temperatura, napon napajanja, tlak zraka, relativna vlanost...


Mjerni lanovi koji ine dio mjernog sustava upravljanja, osim statistikih sadre i dinamike karakteristike

Dinamike karakteristike senzora definiraju se u vremenskom i frekvencijskom podruju

Dinamike se karakteristike u vremenskom podruju definiraju preko prijelazne funkcije koja predstavlja vremenski odziv izmjerene veliine (y) na skokovitu promjenu mjerene varijable (x)

Na slici su prikazane karakteristine prijelazne funkcije funkcija y1 predstavlja odziv sustava prvog reda (na primjer, senzor temperature), funkcija y2 predstavlja odziv sustava vieg reda (na primjer, senzor protoka)

Senzori mjerni pretvorniciDinamike karakteristike senzora

Obino se definira vrijeme porasta (engl. rise time - tr ) koje predstavlja vrijeme za koje izmjerena veliina poprimi 90% stacionarne vrijednosti

Za mjerne lanove s prijelaznom funkcijom prvog reda definira se vremenska konstanta

: y1=ym(1-e-t/)


Za prikaz u frekvencijskom podruju esto se daju amplitudna i fazna frekvencijska karakteristika

Ponekad se samo definira gornja granina frekvencija (engl. upper cutoff frequeny fc) pri kojoj normalizirano pojaanje iznosi -3dB

Za mjerne lanove s prijelaznom funkcijom prvog reda postoji veza izmeu gornje granine frekvencije i vremenske konstante:

0,159/

DYNAMIC PERFORMANCE SI

Sensitivity (10%) 10.2mV/(m/s2 )

Measurement Range 490 m/s2

Frequency Range (3 dB) 0.32 10 kHz

Mounted Resonant Freq. 22 kHz

Amplitude Linearity 1%


Rezonantna frekvencija se pojavljuje kod mjernih lanova drugog ili vieg reda

Radna frekvencija senzora treba biti ispod 60% rezonantne frekvencije

Svi vibrirajui sustavi imaju jednu ili vie rezonantnih frekvencija, koje ovise o svojstvima sustava.

Ako neka vanjska sila djeluje na sustav pri toj frekvenciji, vibracije sustava imat e naglaeno veu amplitudu u odnosu na one koje se javljaju kad sila djeluje pri frekvencija razliitim od rezonantne


Izvori smetnji (uma)

Smetnje ili umovi se pojavljuju u principu kod svakog mjernog sustava Kvaliteta ustava ovisi o tome koliko taj um utjee na tonost mjerenja Prema mjestu nastanka um se u mjernim sustavima dijeli na unutarnji um (engl.

Internal noise) i vanjski um (engl. Interference noise)

Senzori mjerni pretvorniciSmetnje u mjernim sustavima i njihovo smanjenje

Unutarnji um

Pojavljuje se unutar mjernog osjetila be zobzira kako kvalitetno je ono izvedeno unutarnji se um u pravilu ne moe eliminirati, primjerice, kod otpornikih ili

poluotpornikih sjetila pojavljuje se toplinski ili Johnsonov um kao posljedica stohastikog gibanja elektrona ovisno o radnoj temperaturi

Efektivna vrijednost napona uma u frekvencijskom podruju mjernog lana je

= 4

Gdje je: k Boltzmannova konstanta, 1.38*10/ R otpor mjernog osjetila frekvencijsko podruje mjernog lana radna temperatura

Senzori mjerni pretvorniciSmetnje u mjernim sustavima i njihovo smanjenjeUnutarnji um

Vanjski um

um koji u mjerni sustav dolazi izvana Najee je izvor uma izmjenina niskonaponska energetska mrea (380/220V,

50Hz) koja u mjerni sustav unosi sinusoidalni signal smetnje Istosmjerna mrea u pravilu ne unosi um jer nema elektromagnetske indukcije

(di/dt=0), ali uklapanje i isklapanje struje u takvim krugovima moe unijeti um

Vanjski izvori uma, koji unose um frekvencije do nekoliko MHz, mogu biti radio-frekvencijski ureaji, energetski pretvarai, elektrolune pei, i sl.

Vanjski um na mjerni sustav moe djelovati induktivnim i kapacitivnim putem.

Senzori mjerni pretvorniciSmetnje u mjernim sustavima i njihovo smanjenjeVanjski um

Senzori mjerni pretvorniciVanjski umInduktivno djelovanje

Ako je mjerni krug u blizini izmjeninog energetskog elektrinog kruga moe se pojaviti meuinduktivno djelovanje

Izmjenina struja energetskog kruga (i) inducira u mjernom krugu serijski napon smetnje iznosa:

Primjer: M1H,di/dt103A/s,USM1mV

Kapacitivno (elektrostatiko) djelovanje pojavljuje se kada je mjerni krug u blizini energetskog voda

Kapacitativno djelovanje moe se pojaviti izmeu energetskog voda, uzemljivakog voda i mjernog kruga

Kapaciteti su raspodijeljeni po itavoj duljini mjernog voda, ali se mogu nadomjestiti odgovarajuim koncentriranim djelovanjem

Potencijali u tokama B i E, zanemarujui napon senzora, iznose:

= 220

, = 220

Kao posljedica kapacitivnog djelovanja pojavljuje se napon smetnje: = -

= 220

Senzori mjerni pretvorniciVanjski umKapacitivno djelovanje

Senzori mjerni pretvorniciViestruko uzemljenje

Pretpostavlja se da uzemljenje u svakoj toki ima jednak potencijal 0V Meutim, energetski ureaji velikih snaga mogu prouzroiti protjecanje stuje kroz

uzemljenje to ima za posljedicu pojavu razliitih potencijala u tokama uzemljenja Ako bi mjerni lan bio potpuno odvojen od uzemljenja, ne bi bilo nikakvog djelovanja

na njega U stvarnosti se moe dogoditi da jedan lan mjernog kruga ima konaan otpor prema

jednoj toki, a drugi prema drugoj koja je na razliitom potencijalu te kao posljedica u mjernom sustavu se pojavljuju naponi smetnje

Napon smetnje se javlja kao pad napona na donjem vodu mjernog kruga; jednadba je definirana na slijedei nain

=

2

+ + + 2

U praksi se nastoji postii da su ZSE i ZRE to vei to nije uvijek mogue ostvariti.


Opisani problem prikazan je na slici:

Primjer:

Da bi se dobio to bri odziv, jedan vrh termopara dodiruje oklop koji je uronjen u metalnu posudu u kojoj se mjeri temperatura, a koja je uobiajeno uzemljena

Rezultat je mali otpor ZSE, na primjer, ZSE = 10 Ako ostali parametri kruga imaju slijedee vrijednosti RE = 1, RV/2 = 10,

UE = 1V, ZRE = 106, dobije se USR = 10V

U sluaju da se toka R spoji izravno na uzemljenje (ZRE = 0) dobio bi se USR =0.48V, to bi praktiki za sve mjerne sustave znailo veliku pogreku

Zakljuak: ako se mjerni sustav mora uzemljiti, uzemljenje se smije izvesti samo na jednom kraju


Fiziko udaljavanje

Iznosi meuinduktiviteta i kapaciteta izmeu energetskog i mjernog kruga obrnuto su proporcionalni njihovoj udaljenosti, to znai da pri projektiranju postrojenja s mjernim sustavima treba nastojati postii to veu udaljenost izmeu tih krugova

Najjednostavniji nain smanjenja induktivnih smetnji je uplitanje mjernih vodova Dva vodia mjernog kruga meusobno se upletu tako da sve petlje imaju

priblino jednake povrine pa se inducirani naponi u dvije susjedne petlje ponite

Senzori mjerni pretvorniciMetode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustaveFiziko udaljavanje

Oklapanje mjernih vodova

Oklapanjem mjernih vodova smanjuje se kapacitivno djelovanje na mjerni sustav Metalni oklop (plat) se mora uzemljiti, ali samo u jednoj toki Nema izravnog spoja izmeu mjernog kruga i plata, postoji samo visokoomska

kapacitivna veza preko kapaciteta CSM Oklop predstavlja niskoomski otpor za struju, pa su struje CSM i CE male.

Senzori mjerni pretvorniciMetode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustaveOklapanje mjernih vodova

Zbog zanemarivih struja kroz kapacitete izmeu okopa i vodova mjernog kruga, smanjuju se kapacitivne smetnje u mjernom krugu

Obino je osjetilo senzora smjeteno u kuite, a za prijenos signala koriste se oklopljeni kabeli. Oklop kabela moe se spojiti na kuite senzora koje je uzemljeno, ali oklop ne smije biti uzemljen i na drugom kraju

Suvremeni automatizirani sustavi esto sadre itav niz senzora koji su povezani s jednim kontrolerom (PLC); u tom sluaju preporua se uzemljenje oklopa svih signalnih kabela u jednoj zajednikoj toki na kontroleru

Senzori mjerni pretvorniciMetode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustaveUzemljenje uklopa signalnih kablova u zajednikoj toki kontrolera

Kod nekih senzora oklop mora biti spojen na kuite koje se uzemljuje radi sigurnosnih razloga; u tom sluaju najbolje je galvanski odvojiti (izolirati) krug senzora od kontrolera pa se u tu svrhu ugrauje se izolacijski sklop optoizolator

Optoizolator je ureaj koji ukljuuje i LED phototransistor, elektriki izolirane jedna od druge

Isto tako, moete voziti LED i phototransistor provodi, odnosno, moete prenijeti signale optiki preko elektrine izolacije barijeru

Senzori mjerni pretvorniciMetode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustaveOptoizolator

Izolacijski krug ima zadau vjerno prenijeti analogni ili digitalni signal i galvanski ga odvojiti od ulaznog kruga, a posebno su vani zbog zatite kontrolera

U sluaju da se na senzorima pojave visoki naponi koji mogu unititi senzor, izolacijski krug ih ne prenosi te na taj nain titimo kontroler

Za galvansko odvajanje analognih signala mogue je koristiti induktivne i optike izolacijske krugove

Kod induktivnog izolacijskog kruga ulazni signal modulira interno generiran visokofrekvencijski signal koji se prenosi preko transformatora, a u sekundarnom krugu nalazi se demodulator koji rekontruira ulazni signal

Senzori mjerni pretvorniciMetode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustaveIzolacijski krug

Kod linearnog optikog izolatora signal se pojaava i dovodi LED diodu koja emitira svjetlo proporcionalno ulaznom signalu

Izlazni fototranzistor prima optiki signal LED diode i pretvara ga u naponski signal koji je proporcionalan ulaznom signalu i galvanski odvojen od njega

Proporcionalnost ulaznog i izlaznog signala postignuta je koristei drugi fototranzistor u povratnoj vezi s pojaalom

Senzori mjerni pretvorniciMetode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustaveIzolacijski krug

Jednostavniji optiki krug koristi se za prijenos i galvansko odvajanje digitalnog signala Na slici je prikazana pojednostavljena shema digitalnog optoizolatora

Kada ulaz digitalnog I sklopa (TTL) poprimi stanje '0' isti se signal pojavi i na njegovu izlazu pa LED dioda provede i emitira svjetlo koje omoguuje da izlazni fototranzistor provede

Njegov izlaz (kolektor) poprima stanje logike '0', to odgovara i ulaznom signalu

Senzori mjerni pretvorniciMetode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustaveDigitalni optoizolator

Koritenje diferencijalnih pojaala U mjernoj tehnici se trai da mjerni ureaj svojim ulaznim otporom to manje

optereuje strujni krug u kojem se obavlja elektrino mjerenje Ulazni otpor operacionih pojaala s JFET tranzistorima moe iznositi desetke

MOhma

Filtriranje mjernih signala FILTAR je sklop koji proputa one frekvencijske komponente koje se nalaze

unutar njegovog propusnog opsega frekvencija dok priguuje sve ostale frekvencijske komponente

Usrednjavanje signala

Modulacija signala

Senzori mjerni pretvorniciMetode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustaveOstale metoda

Senzori mjerni pretvorniciSenzori diskretne pozicije (senzori blizine)

Senzori diskretne pozicije (ponekad nazivani i binarnim senzorima) detektiraju prisustvo nekog objekta (ili njegovog dijela) unutar odreenog podruja Njihov izlaz je digitalan, 0 ili 1, odnosno, oni daju informaciju nalazi li se na

odreenom podruju (ili odreenoj udaljenosti) promatrani objekt U engleskoj terminologiji uobiajeni naziv za ove senzore je proximity sensors, pa

bi adekvatan naziv u hrvatskom jeziku mogao biti senzori blizine Primjena: u svim granama industrije, u robi iroke potronje, svakodnevnom

ivotu, .... Pojava senzora diskretne pozicije datira od poetka razvoja automatiziranih

industrijskih procesa, a prvo su se pojavili kontaktni (mehaniki) senzori Prije priblino 40 godina pojavljuju se razliite vrste bezkontaktnih senzora, koji u

odnosu na kontaktne senzore imaju slijedee prednosti: nema kontakta s objektom promatranja, otpornost na troenje, nema iskrenja,

neogranien broj prekapanja, primjena u eksplozivnoj sredini, visoka tonost detekcije, itd.

Bezkontaktni senzori dijele se prema principu rada na optike (fotoelektrine), induktivne, kapacitivne, magnetske i ultrazvune


1.4.1 Mehaniki(kontaktni) senzori


Senzori mjerni pretvorniciMehaniki (kontaktni) senzori

U industrijskoj praksi za ove se senzore esto koriste i slijedei nazivi: krajnji prekidai, krajnje sklopke, mikroprekidai i graninici

Osnovni dijelovi mehanikog senzora diskretnog poloaja su aktuator (pomini dio) i kontakti

Kada promatrani objekt doe u dodir s aktuatorom, uzrokuje njegovo gibanje, a aktuator u tono definiranoj toki detekcije mehaniki zatvara ili otvara izlazni kontakt senzora

Kada objekt vie ne dodiruje aktuator, aktuator se vraa u poetni poloaj, a kontakti ponovno poprimaju poetno stanje nakon to aktuator pree reset toku

Toka detekcije i reset toka nisu na istom mjestu, to znai da senzori imaju histereznu karakteristiku

Obzirom na izvedbu aktuatora i nain njegova gibanja ovi se senzori dijele na: senzore s poluno rotacijskim aktuatorom senzore s linearno utisnutim aktuatorom senzore s klimavom ipkom (maji brk)

Krajnji prekidai obino imaju dva para izlaznih kontakata, od kojih je jedan mirni a drugi radni

Poluno rotacijski aktuator


Senzori s klimavom ipkom(maji brk)




Primjer linearno otisnutog aktuatora i njegove karakteristike

Reed kontakt je senzor blizine kojeg aktivira magnetizam

Sastoji se od dva kontakta smjetena u staklenu cijev ispunjenu inertnim plinom

Magnetsko polje uzrokuje ukljuenje reed senzora

Kontaktna pera se zatvaraju kada dovedemo permanentni magnet ispod reed senzora, te se time omoguuje tok struje u strujnom krugu

U sluaju kada upravljanje elektropneumatskog sistema zahtijeva da su kontakti reed senzora spojeni u normalno zatvorenom poloaju (mirnikontakt), dodaje se konstrukcijski mali permanentni magnet koji dri kontakte u spojenom stanju

Kontakti se odpajaju kada se pojavi jaemagnetsko polje

Dobre strane magnetskih senzora su dugi vijek trajanja, veliku pouzdanost i vrlo kratko vrijeme spajanja (oko 0,2ms)

Loe strane magnetskih senzora su nemogunost uporabe u okruenju jakih magnetskih polja i blizini prostora gdje se zavaruje, te injenica da su predvieni za malu snagu (do 2 A) te da su osjetljivi na vibracije


Senzori mjerni pretvorniciMagnetski senzori (reed senzori)


Iskljuen kontakt senzora Ukljuen kontakt senzora

Primjeri reed senzora

Senzori mjerni pretvorniciMagnetski senzori (reed senzori)


Senzori mjerni pretvorniciInduktivni senzori

Induktivni senzor slui za detekciju metalnog objekta koji moe biti feritni ili neferitni, a mogua je varijanta da senzor detektira i grafitni predmet

Induktivni senzor sastavljen je od

zavojnice s feritnom jezgrom,

oscilatora,

okidnog stupnja (engl. trigger) i

izlaznog pojaala

Prikljuenjem napona na induktivni senzor oscilator napaja zavojnicu i generira visokofrekventno elektromagnetsko polje koje se rasprostire u aktivnu sklopnu zonu senzora

Ako se u tu zonu unese metalni dio u njemu se induciraju vrtlone struje koje troe energiju oscilatora, dolazi do priguenja oscilatornih titraja koje se detektira okidnim stupnjem; pomou izlaznog pojaala dobiva se binarni signal odgovarajue snage koji daje informaciju o prisustvu metalnog dijela

Kuite ovih senzora se uglavnom pravi od nehrajueg elika ili polimera; na samom kuitu se esto ugrauju LED-diode za vizualnu indikacijustanja i ispravnost napajanja

Induktivni senzori se lako ugrauju


Metalnipredmet

Zavojnica Oscilator Okidni Izlaznosklop pojaalo

Primjeri induktivnih senzora

Senzori mjerni pretvorniciInduktivni senzori

Princip rada kapacitivnog senzora temelji se na promjenljivom kapacitetu kondenzatora ovisno o dielektrinosti prostora ispred senzora

U okviru senzora realiziran je RC oscilator kojemu amplitude oscilacija ovise o kapacitetu kondenzatora

Elektrostatiko polje kondenzatora prostire se u prostoru ispred senzora

Dolaskom promatranog predmeta u blizinu poveava se kapacitet kondenzatora, te se mijenjaju amplitude oscilacija

Pomou okidnog sklopa i pojaala generira se binarni izlazni signal

Kapacitivni senzori blizine ne reagiraju samo na materijale visoke vodljivosti kao tosu metali, ve i na izolatore s veom dielektrikom konstantom kao to su plastika, staklo, keramika, tekuina i drvo

Kapacitivni senzori reagiraju i na pribliavanje materijala ija je dielektrina konstanta neto vea od 1 (cement, eer, brano, granulati), ali se u tom sluaju promatrani objekt (materijal) mora pribliiti vie senzoru


Senzori mjerni pretvorniciKapacitivni senzori

Prednosti primjene kapacitivnih senzora su

mogunost detekcije razliitih krutih materijala i tekuina,

razliiti naini montae,

mogunost detekcije kroz materijal, te

neogranien broj preklapanja

Nedostatak kapacitivnih senozra je taj to toka (udaljenost) detekcije je relativno mala i znaajno ovisi o materijalu koji se detektira, kao i velika osjetljivost na uvjete okoline (vlaga, prljavtine, itd.)



Tipine primjene kapacitivnih senzora

detekcija razine tekuih materijala u bocama i drugim posudama,

detekcija razine rasutih materijala (brano, eer,..),

detekcija nekih predmeta u zatvorenim kutijama

Udaljenost ukapanja kapacitivnih senzora blizine ovisi o vrsti, duljini i debljini materijala koji se uoava

Osjetljivost (udaljenost ukapanja) veine kapacitivnih senzora moemo podesiti pomou potenciometra ime se moe sprijeiti uoavanje nekih materijala, na primjer, mogue je uoiti razinu vodenih otopina kroz stjenku boce, a da senzor ne reagira na stjenku boce




Primjer kapacitivnog senzora i njegove karakteristike


Optiki senzori temelje se na primjeni optoelektronike; veina senzora u sebi imaugraen optiki predajnik (izvor svjetla) i prijamnik, a postoji varijanta kada supredajnik i prijamnik odvojeni djelovi senzora

Princip rada temelji se na detekciji svjetlosne zrake koju generira predajnik adetektira prijamnik

Na svom putu zraka se odbija od odgovarajueg reflektora (ako postoji) idetektira se na prijamniku ako se na njenom putu ne nalazi promatrani objekt;ako zraka nailazi na promatrani objekt, zraka se prekida i mijenja se stanjebinarnog izlaza senzora, te se na taj nain detektira prisustvo objekta upromatranoj zoni

Izvori svjetla su obino poluvodike foto diode (LED) koje mogu generiratiinfracrveno (nevidljivo) ili vidljivo (crveno, plavo ili zeleno) svjetlo

Kao prijamnici se obino koriste fototranzistori ili fotodiode, koji provedu kada na njihpadne dovoljna koliina svjetla

Osim predajnika i prijemnika, u okviru senzora nalazi se elektroniki logiki sklop zamodulaciju napajanja LED diode, te obradu i pojaanje izlaznog signala


Senzori mjerni pretvorniciOptiki senzori

Kao prijamnici se obino koriste fototranzistori ili fotodiode, koji provedu kada na njih padne dovoljna koliina svjetla

Osim predajnika i prijemnika, u okviru senzora nalazi se elektroniki logiki sklop za modulaciju napajanja LED diode, te obradu i pojaanje izlaznog signala




Razlikujemo tri mogue konfiguracije postavljanja optikih senzora

Senzor s odvojenim predajnikom i prijemnikom (prolazni senzor) sastoji se od dva dijela koji se moraju montirati tako da je svjetlosna zraka predajnika usmjerena na prijemnik

Optiki su senzori najkvalitetniji i najpouzdaniji senzori, koriste se za velike daljine (do 300 m) i otporni su na kontaminaciju sredine kroz koju prolazi zraka


Senzor s predajnikom i prijemnikom u istom kuitu, a zraka se reflektira od posebno montiranog reflektora

Prednost je cijena, a nedostaci manja udaljenost detekcije i mogunost krive detekcije ako promatrani objekt ima reflektirajuu povrinu


Senzor s predajnikom i prijemnikom u istom kuitu, a zraka se reflektira od promatranog objekta

Zbog takvog principa rada ovaj se senzor upotrebljava na manjim udaljenostima, a promatrani objekt mora imati dobru reflektirajuu povrinu (na primjer, poliranametalna povrina ili svjetlo obojenapovrina).


Najkvalitetniji izvori svjetlosti su LED diode s infracrvenom (nevidljivom) svjetlosti, jeremitiraju najvie svjetlosti i najmanje se zagrijavaju (koriste za daljine do ak nekolikostotina metara)

Koriste se za daljine do nekoliko stotina metara te u primjenama gdje se detektirajurazliite boje ili kontrasti na promatranim objektima

Odnedavno se koriste i laserske diode koje emitiraju svjetlo fiksne valne duljine,svjetlosna zraka ima manji promjer i jai doseg pa moe pokriti vee mjerno podruje

Mana im je to su skuplje od LED dioda, a osim toga uska laserska zraka moe bitiprekinuta zbog malih estica u zraku

Vrijeme odziva senzora ovisi o njegovoj izvedbi i tipu

izlaznog stupnja, a varira od 30 s do 30 ms

Senzori za veu udaljenost obino imaju sporiji odziv,

tj. vee vrijeme odziva

Svi senzori imaju veu ili manju histerezu, koja je

esto poeljna zbog neidealnih reflektirajui povrina,

promjene inteziteta svjetla, vibriranja promatranog

objekta



Princip rada temelji se na slanju ultrazvunih valova (kostantne brzine i frekvencijevee od 20 kHz) iz odailjaa prema promatranom objektu od kojeg se valovi odbijajui vraaju do prijamnika

Udaljenost objekta od senzora odreuje se mjerenjem vremena za koji signalproe od odailjaa do prijamnika, uz poznavanje brzine signala

Izlazni signal moe biti digitalan (detektira se prisustvo objekta na odreenojudaljenosti) ili analogan kada se kontinuirano mjeri udaljenost objekta od senzora.

Podruja primjene ultrazvunih senzora u procesnoj industriji su izrazito velika

koriste se za mjerenje razine, protoka, debljine i sastava nekih materijala

iroka primjena u medicini

Osnovni djelovi ultrazvunog senzora blizine su predajnik, prijamnik, elektronikisklop za obradu signala i izlazni krug


Predajnik / Prijamnik

Elektroniki sklop za obradu signala

Izlazni krug

Senzori mjerni pretvorniciUltrazvuni senzori

Ultrazvuni valovi predstavljaju valove na frekvencijama viim od pojasa ujnostiovjejeg uha (iznad 18 kHz)

Najee koriteni ureaji za ultrazvune odailjae i prijamnike su piezoelektrikiosjetilni elementi koji su izraeni od kristala (kvarc, Segnettova sol, barijev titanit)

Uslijed djelovanja sile Fna kristal dolazi do njegove deformacije iznosa x=F/k (k -konstanta krutosti kristala), koja rezultira razdvajanjem pozitivnih i negativnih nabojau smjeru okomitom na smjer djelovanja sile

Iznos polariziranog naboja odreen je izrazom:gdje je kp piezoelektrika konstanta (tzv. piezomodul)

Opisani se efekt naziva izravnim piezoelektrinim efektom, a postoji i obratni piezoelektrini efekt, kada narinuti napon (U) na kristal stvara u njemu silu koja uzrokuje njegovu deformaciju:

Piezoelektrini odailjai koriste obratni piezoelektrini efekt, a prijamnici izravnipiezoelektrini efekt

Kada se na pezoelektrini odailja narine izmjenini napon on zatitra i izaziva tlanepromjene ultrazvune frekvencije u prijenosnom mediju, a te promjene registrirapiezoelektrini ultrazvuni prijamnik. Ultrazvuna frekvencija signala ovisi omehanikim karakteristikama kristala.


FkFk

KKxq p

Udk

Fx *


Radno podruje ultrazvunih senzoradaljine definirano je minimalnom imaksimalnom duljinom detekcije

Minimalna daljina postoji zbog togato predajnik zahtijeva odreenovrijeme slanja valova koje mora bitivee od vremena refleksije istih


Maxim. daljina detekcije

Maksimalna daljina detekcije ovisi o snazi predajnika i materijalu od kojeg sevalovi reflektiraju; materijali koji vie apsorbiraju valove (guma, spuva, pamuk)imaju manju daljinu detekcije od dobro reflektirajuih materijala (staklo, metal,..)

Prednosti primjene ultrazvunih senzora: velike daljine detekcije (do 15 m),refleksija ne ovisi o boji objekta, mala histereza kod diskretnih senzora, zbogkonst. brzine ultrazvunih valova analogni senzori imaju linearnu karakteristiku

Nedostaci su: objekt mora imati odgovarajuu povrinu refleksije, zahtjeva seodgovarajue vrijeme putovanja vala pa je minimalno vrijeme odziva oko 0.1 s,postoji minimalna daljina detekcije, promjena uvjeta okoline (temperatura, vlaga,neistoe u zraku) utjee na tonost, objekti manje gustoe apsorbiraju valove


Primjer i karakteristike ultrazvunog senzora



Senzori mjerni pretvorniciSenzori za kontinuirano mjerenje pomaka

Za kontinuirano mjerenje pozicije ili pomaka mogue je koristiti razliite vrste senzora:

ultrazvuni

otporniki (poteciometarski, rastezne mjerne trake...)

kapacitivni,

induktivni,

optiki (linearni enkoderi) i

magnetske trake

Ultrazvuni senzori opisani su u prethodnom poglavlju.

Optiki senzori (linearni enkoderi) rade na istom principu kao i enkoderi za mjerenje kutne pozicije, koji su opisani u slijedeem poglavlju

U ovom poglavlju opisat emo otpornike, kapacitivne i induktivne senzore pomaka


Senzori mjerni pretvorniciOtporniki pretvornici pomaka :

Podjela otpornikih pretvornika:

za mjerenje linearnog pomaka

linearni ("iber") potenciometar

sa uetom (sajlom)

za mjerenje kutnog pomaka

1-okretajni

vieokretajni (3, 5 ili 10) helikoidalni

vieokretajni (10 ili 20) linearni pretvaraju rotacijsko u linearno gibanje

rotacijski (bez ogranienja

broja okretaja, na osovini motora,

mali moment trenja)


Advantages Disadvantages

Easy to use Limited bandwidth

Low cout Frictional loading

Nonelectronic Inertial loading

High - amplitude output signal

Wear

Proven technology

Prednosti i nedostaci potenciometara kao pretvornika pomaka

Senzori mjerni pretvorniciPotenciometarski senzori

Potenciometarski senzori mogu biti linearni ili okretni

Osjetilo pomaka spaja se na osovinu

potenciometra; senzor se spaja u potenciometarski spoj;

Izlazni napon Uiz nije proporcionalan pomaku, tj.

omjeru d/L, ve je ovisan i o otporu tereta Rt;

pogreka se smanjuje za Rt Rp .


Otpornikielement

Osovina

Otpornikielement

Osovina

Kliznikontakt

Kliznikontakt

Nultipoloaj

Linearni potenciometar Okretni potenciometar

U0 L

Rt

d

Rp

Uiz

UxU

x xR

R

izp

t

0

1 1( )

gdje su:x - d/L, omjer potenciometra Uiz izlazni napon ekvivalentan pomaku d Rt otpor tereta Rp otpor potenciometra

Senzori mjerni pretvornici Rastezne mjerne trake


Rastezne mjerne trake ili tenzometri (engl. strain gages), osim za mjerenje pomaka, koriste se i za mjerenje naprezanja, sile, momenta, deformacije, ...

Otpor mjerne trake, nainjene iz metala ili poluvodia, mijenja se pri njenoj deformaciji; traka se obino lijepi na element kojemu mjerimo deformaciju ili ga koristimo kao osjetilo pomaka

Otpor mjerne trake na slici je:

gdje je: l duljina element, A popreni presjek, -specifini otpor

Pod djelovanjem naprezanja otpor mjerne trake se mijenja za R prema izrazu:

Rl

A

RR

ll

R

AA

R

A

l

l

F

-A

+l


Parcijalnim deriviranjem izraza za otpor po svim varijablama (l, A, ) dobiva se:

, gdje je:

, gdje je Poissonova konstanta koja definira smanjenje presjekauslijed istezanja trake

promjena specinog otpora uslijed istezanja trake, tzv. piezootporniki efekt

, gdje je G faktor osjetljivosti mjerne trake, tzv. gage faktor

Promjena otpora (R/R) linearna je s promjenom duljine mjerne trake (l/l)

RA

ll

AA

l

AR

2:

R

R

l

l

A

A

A

A

l

l 2

l

l

R

R

l

l

l

lG ( )1 2

Rl

A



Primjer : Proraun promjene otpora mjerne trake

R = 120 , G = 2, l/l = 1 ppm = (110-6)

R = R G l/l = 120 2 (110-6) = 0.00024

R/R = 0.00024/120 = 2 10-6 = 0.0002 %

Mjerne trake s relativno malim G (~2) izrauju se od slitine: 54% Cu, 44% Ni, 1% Mn

Mjerne trake od poluvodikih elemenata (dopiran silicij) imaju velik piezootporniki lan (), pa gage faktor (G) ima vrijednosti od 100 175

Prednosti poluvodikih mjernih traka u odnosu na metalne je vea osjetljivost, a mana je vei utjecaj promjene temperature

Za mjerenje malih promjena otpora trake se spajaju u razliite mosne spojeve

Ako se trake lijepe potrebno je koristiti specijalizirana ljepila, te posebnu pozornost treba posvetiti postupku lijepljenja. U suprotnom esto se kao problem javlja poveana histereza, koja je inae svojstvena rasteznim mjernim trakama



Primjer primjene: Mjerenje

torzije plastine cijevi

Izvedbe mjernih traka

Kataloki podaci rasteznih mjernih traka firme HBM


1.5.3 Induktivni senzori pomaka Pomina kotva


Pomina kotva povezana je sa sustavom kojemu mjerimo pomak.

Za male pomake induktivitet zavojnice je: , gdje je:

S - presjek jezgre, l srednja duljina magnetskih silnica, w broj zavoja, 0 permeabilnost zraka, r relativna permeabilnost eljeza, x mjereni pomak

Nedostatak ovog senzora je nelinearna ovisnost induktiviteta o pomaku (x), a nelinearnost se moe kompenzirati spajanjem kondenzatora paralelno zavojnici

S

x

A

V

l

w

Pominakotva

L

w S

lx

l

K

K x

r

r

02

1

212 1

x

L

K1


Jedan primarni i dva sekundarna namota smjeteni su na upljem izolatoru kroz koji se slobodno giba feromagnetska jezgra koja je spojena na osjetilo pomaka

Kada je jezgra u neutralnom poloaju (x = 0, kao to je na slici), inducirani naponi oba sekundarna namota su jednaki, pa je istosmjerni izlazni napon (njihova razlika) jednak nuli

Kada se jezgra pomakne u jednu ili drugu stranu, u jednom sekundarnom namotu se inducira vei, a u drugom manji napon, te se na izlazu pojavljuje pozitivni ili negativni istosmjerni napon koji je proporcionalan pomaku jezgre x

x

- x

u=

u=

+ x

Senzori mjerni pretvornici Diferencijalni transformator

Senzori mjerni pretvorniciKapacitivni senzori pomaka


Kapacitivni senzori primjenjuju se za mjerenje vrlo malih pomaka reda veliine od 1m, te za mjerenje dinamikih pomaka frekvencije reda do 1 kHz

Kapacitet ploastog kondenzatora dan je izrazom:

gdje je dialektrina konstanta dialektrika izmeu ploa, A povrina ploa i d razmak izmeu ploa.

Svaka od gornjih varijabli moe biti promjenljiva i sluiti za mjerenje pomaka. U svim sluajevima ovisnost kapaciteta i pomaka je nelinearna funkcija

Najee koriteni nain je mjerenje pomaka s promjenom razmaka izmeu ploa (d). Da bi se u tom sluaju postigla linearna ovisnost o pomaku koristi se troploasti kondenzator u mosnom spoju

CA

d

pomak

fiksno

pomino

pomak

fiksno

pomino

pomak

fiksno

fiksno


Kondenzator se sastoji iz tri ploe, od kojih je srednja pomina i vezana za element iji se pomak mjeri; pomakom srednje ploe jedan kapacitet raste, a drugi se smanjuje

gdje je C0 kapacitet kondenzatora za x = 0

Kondenzator se spaja u mjerni most tako da se dobije izlazni napon (Uiz ) koji je direktno proporcionalan pomaku srednje ploe

C Cd

d x1 0

C C

d

d x2 0

U Ux

diz 0

2

d

dx

C1

C2

~U0Uiz

C1

C2

Senzori mjerni pretvorniciKapacitivni senzori pomaka

Senzori mjerni pretvornici Primjer kapacitivni senzor pomakaFirma PI tip D-015, D-050-D-100


Senzori mjerni pretvornici Magnetske mjerne trake

Magnetski pretvornici pomaka:

Beskontaktni pretvornici pomaka nema problema s trenjem i habanjem.

Podjela:

magnetostriktivni

magnetorezistivni

Hall-efekt

magnetski enkoderi

Magnetostrictive sensor with position magnet


Magnet

Sensor

Electronics

Documents

NS EAP Predavanja