obiekt regulacji y m element pomiarowy

Transkrypt

1 Wykład 6 Urządzenia pomiarowe w e u obiekt regulacji y urządzenie _ obiekt regulator wykonawcze regulacji y m z element pomiarowy y

2 Urządzenia pomiarowe Prawidłowe działanie systemów OWK wymaga stałej kontroli parametrów pracy tych systemów (grzejniki, wentylatory, pomieszczenia itp.). Kontrola ta jest możliwa dzięki sieci czujników, które zbierają niezbędne informacjeiprzesyłają je do sterowników istacji operatorskich. Czujniki sązatem jednostkami warunkującymi sprawność iskuteczność systemu. Czujnik w systemie OWK można określić jako urządzenie przetwarzające wielkości fizyczne (np. temperaturę lub wilgotność) na inne wielkości (najczęściej sygnały elektryczne), które sądogodniejsze do zmierzenia i dalszej obróbki, a następnie wykorzystywane do sterowania konkretnymi urządzeniami wsystemie. Każdy czujnik w systemie OWK powinien spełniać określone wymagania co do sposobu działania, wydajności iekonomii.

3 Wydajnościowe cechy czujnika: Zakres: Zakres mierzonej wartości, dla której jest znana charakterystyka czujnika. Dokładność: Stopień, do którego zmierzona wartość jest zgodna zwzorcowym punktem odniesienia. Powtarzalność: Zdolność czujnika, by ztej 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 aprodukowanym sygnałem wyjściowym wcałym zasięgu pomiarowym czujnika. Czas reakcji: Czas potrzebny na zmianę sygnału wyjściowego, gdy zmianie ulega wartość mierzonej wielkości na wejściu.

4 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 wogólnym kosztorysie. Konserwacja: Każda dodatkowa konserwacja i kalibrowanie wymagają dodatkowej pracy iwydatków. Kompatybilność: Zgodność zróżnymi 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 imagnetyczne.

5 Podział i rodzaje czujników w OWK 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.

6 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 cyfrowa (sygnał binarny).

7 CZUJNIKI TEMPERATURY Czujniki temperatury posiadają element czuły na temperaturę, który przy zmianie temperatury (wejście) zmienia wartość sygnału wyjściowego. Wzależności od zastosowanej zasady pomiaru temperatury czujniki można podzielić na: -rezystancyjne, -termoelementy, -bimetalowe, -manometryczne -cieczowe. W tablicy opisano możliwości wykorzystania poszczególnych metod pomiarowych w automatyzacji systemów grzewczych iwentylacyjnych.

8 Mierniki temperatury Zasada pomiaru Termometry cieczowe Zakres i niepew - ność pomiaru Zastosowanie Ograniczenia -rtęć w szkle -38 do 550 C temperatura stykającego się gazu w gazie zakłócenia od ±0,03 do ±2 K lub cieczy promieniowania -ciecz organiczna w szkle -200 do 200 C temperatura stykającego się gazu w gazie zakłócenia od Termometry rezystancyjne - platynowe ±0,03 do ±2 K lub cieczy promieniowania z uzwojeniem rezystan do1000 C do dokładnych i/lub zdalnych po- wyższy koszt; zakłócecyjnym ±0,1 do1,0 K miarów temperatury otoczenia nia od promieniowania, miniaturowe z rezystorem C do dokładnych i/lub zdalnych powykonanym techniką cien- ca. 0,05 K miarów temperatury otoczenia; kowarstwową stała czasowa nawet 10 ms; - bezwładność ciepła

9 Mierniki temperatury niklowe -250 do 200 C do zdalnych pomiarów temperatu - zakłócenia od promie - ±0.05 do1,0 K ry otoczenia niowania termistory do 200 C do zdalnych pomiarów, punktowe nieliniowa charaktery - ±0,05 K pomiary; mała stała czasowa, styka, ulegają starzeniu do ±0,5 K Termoelementy - Typ K (Ni-Cr/Krzem) do 1250 C do rutynowych pomiarów raczej w ±0.1 do ±10K wyższych temperaturach, do zdalnych- najmniej dokładne z pomiarów wymienionych termo - elementów narażone na Typ J (Fe/Konstantan) do 750 C jw. utlenienie ±0.1 do ±0,6 K Typ T (Cu/Konstantan) do 350 C jw; przystosowane specjalnie do ±0.1 do ±3K niższych temperatur Typ E (Ni -Cr/Konstantan) do 900 C jw; przystosowane specjalnie do ±0.1 do ±7K niższych temperatur

10 Mierniki temperatury Termometr bimetalowy -20 do 660 C do zgrubnych pomiarów opóźnienie czasowe; nie ±1 K; zwykle nadaje się do zdalnych większa pomiarów Termometr manometryczny napełniony cieczą (zmiana -50do150 C do zdalnych pomiarów błędy z wadliwej objętości) ±2K instalacji napełniony gazem (zmia- -75do660 C do zdalnych pomiarów błędy z wadliwej na ciśnienia) ±2 K instalacji napełniony parą (zmiana -5do250 C do zdalnych pomiarów błędy z wadliwej ciśnienia) ±2 K instalacji Pirometr radiacyjny -20do1000 C do zdalnych pomiarów temperatu- wysoki koszt zwierciadłowy ±0,5 K ry powierzchni

11 CZUJNIKI REZYSTANCYJNE Wtypowych układach zregulatorami cyfrowymi stosowane sączujniki rezystancyjne zelementami zmieniającymi swoją oporność elektryczną przy zmianie temperatury. Są to przeważnie oporniki drutowe lub warstwowe zplatyny lub niklu, jak również specjalne elementy półprzewodnikowe termistory. Opór elektryczny czujnika rezystancyjnego oznaczonego w literaturze symbolem RTD (ang. Resistance Temperature Device) zależy od temperatury, wzrasta ztemperaturą. Termometry rezystancyjne robione sązplatyny, stopu rod-żelazo, niklu, wolframu lub miedzi. Konstrukcja ich musi być prosta, sygnał wwysokim stopniu liniowy, o dużej stabilności. Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do mechanicznej trwałości ikosztu.

12 Czujniki rezystancyjne platynowe Są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ platyna jest najbardziej trwała iodporna na korozję, Termometry platynowe mierzą najszerszy zakres temperatury imają najlepsze charakterystyki metrologiczne. (ich zależności rezystancja-temperatura są najbardziej zbliżone do liniowych). Odokładności czujnika decyduje wdużym stopniu czystość platyny, Przy użyciu termometrów zczystej platyny uzyskać można powtarzalność wskazań rzędu ±0,00001 K, podczas gdy minimalna niepewność świeżo wywzorcowanego termoelementu, jakiej nie udaje się przekroczyć wynosi ±0,1 K. Termometrem platynowym do dokładnych pomiarów jest termometr Pt 100, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0 C wynosi 100 Ω (R0= 100 Ω).

13 Czujniki rezystancyjne platynowe Termometrrezystancyjny platynowy: a) zuzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b) zuzwojeniem nawiniętym na zewnątrz, c) cienkowarstwowy

14 Czujniki rezystancyjne platynowe Czujnik zplatynowym uzwojeniem 1(rys. a), umieszczonym w okrągłych studniach wywierconych w ceramicznej obudowie 2, uzwojenie uszczelnione jest w obudowie szklanym szczeliwem 3. Termometr tego typu przystosowany jest raczej do wyższych temperatur.

15 Czujniki rezystancyjne platynowe Do pomiaru temperatury środowiska termicznego umiarkowanego stosowany jest częściej typ czujnika o prostej konstrukcji pokazany na rys. b. Na pręcie ceramicznym 2 nawinięte jest uzwojenie platynowe 1(z przyspawanymi przewodami zewnętrznymi 4 wobrębie czujnika), które jest pokryte szklaną polewą 5.

16 Czujniki rezystancyjne platynowe 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 2pokrytą tlenkiem glinu Al2O3, którą przykrywa płytka szklana 3zwtopionymi stykami 4iprzewodami 5. Dla uszczelnienia strefę styków 4przykrywa warstwa 6z pasty szklano-ceramicznej.

17 Czujniki rezystancyjne platynowe Termometry platynowe miniaturowe cienkowarstwowe (ang. Thin-Film Platinum RTD) są obecnie stosowane coraz szerzej w pomiarach cieplnych. Cechuje je rezystancja >1000 Ω. Mają jeszcze bardziej liniowe charakterystyki niż termometry rezystancyjne tradycyjne iich masowa produkcja jest bardziej efektywna. 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 ±0,01 K lub ±0,1%. Dzięki małym (kilku lub kilkunastu milimetrowym) wymiarom ich stałe czasowe sąwielokrotnie niższe niż innych czujników iliczą się wmilisekundach

18 Termistory Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w postaci spieków tlenków różnych metali: chromu, manganu, żelaza, kobaltu, niklu imiedzi. Termistory typu NTC (ang. Negative Temperature Coefficient) charakteryzują się dużym jednostkowym spadkiem oporu elektrycznego przy wzroście temperatury. Dzięki wysokiej wartości oporności nie wymagają układów kompensacji oporności linii łączącej czujnik z regulatorem, co znacząco obniża koszt okablowania układu automatyki. Duża nieliniowość charakterystyki uniemożliwia ich zamianę na termistorowe czujniki innych producentów. Małe stałe czasowe oraz duża dokładność przyczyniła się do szerokiego stosowania tych czujników.

19 Temperatura C Rezystancja Ω

20 Pasywne i aktywne czujniki temperatury 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 standardowym sygnałem elektrycznym na wyjściu zczujnika 0-10 VDC lub 0(4)-20 ma, jako czujniki nazywane aktywnymi.

21 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE Termoelementy ze względu na ich mniejszą dokładność i bardziej złożoną budowę niż czujników rezystancyjnych są bardzo rzadko stosowane w automatyzacji systemów ciepłowniczych iklimatyzacyjnych. Złącze termoelementu powstaje gdy dwa przewody z różnych metali zostaną połączone przez zespawanie, zlutowanie lub skręcenie. Pomiar temperatury za pomocą termopary wykorzystuje trzy zjawiska fizyczne: zjawisko Thomsona, zjawisko Peltiera, prawo trzeciego metalu.

22 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE Zjawisko fizyczne Thomsona to występowanie różnicy potencjałów w przewodniku jednorodnym, którego końce umieszczono wśrodowisku o różnych temperaturach. Wartość różnicy potencjałów jest proporcjonalna do różnicy temperatury. Zjawisko fizyczne Peltiera to występowanie różnicy potencjałów w miejscu styku dwóch różnych przewodników. Wielkość różnicy potencjałów zależy od rodzaju materiałów oraz różnicy temperatur w miejscach połączenia. Prawo trzeciego metalu głosi, że jeżeli do obwodu wprowadzi się przewód ztrzeciego metalu to różnica potencjałów nie ulegnie zmianie.

23 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE Siła termoelektryczna na końcach złącza (różnica potencjałów) zależy od materiału, zktórego wykonane są przewody, od jakości złącza i od jego temperatury. Jeśli jedno złącze (nazwane złączem odniesienia lub zimnym końcem ) znajdować się będzie wznanej temperaturze a drugie (mierzone) znajdować się będzie w nieznanej temperaturze, to zmierzona siła termoelektryczna będzie funkcją różnicy temperatury między złączem odniesienia a mierzonym. Zimne końce termoelementu 1tworzące złącze 2powinny być utrzymywane wstałej temperaturze. Na rys. cpokazano charakterystyki napięcia wyjściowego różnych termoelementów

24 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE W zastosowaniach technicznych wykorzystywane są następujące rodzaje termopar: Typ R (PtRh13-Pt) Typ S (PtRh10-Pt) Typ B (PtRh30-PtRh6) Typ J (Fe-CuNi),(żelazo-konstantan) Typ T (Cu-CuNi), (miedź-konstantan) Typ K (NiCr-NiAl) Typ E (NiCr-CuNi),(NiCr-konstantan) Dokładność pomiarów przemysłowych 0,5 do 5 K. Zakresy pomiarowe jak na rysunku.

25 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

26 ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZANURZENIOWYCH

27 Czujnik przylgowy-sposób montażu

28 Czujnik kanałowy

29 Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza oraz czujnik temperatury z nastawnikiem

30 Czujnik pomieszczeniowy zasady montażu

31 Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego zasady montażu

32 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 elektryczna lub inne parametry elektryczne. Czujniki elektryczne mogą mieć wyjście napięciowe lub częstotliwościowe, w przypadku którego stosuje się przetwornik częstotliwościowo-napięciowy dla uzyskania sygnału napięciowego proporcjonalnego do wilgotności.

33 ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI a) Czujnik rezystancyjny Dumnore'a, b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu: model struktury czujnika i układ zastępczy czujnika.

34 Czujnik rezystancyiny Dunmor'a Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę pokrytą warstwą zutrwalonym 2do 5% roztworem chlorku litu. Pełny zakres pomiarowy wilgotności względnej pokrywa zwykle kilka czujników o odcinkowych charakterystykach rezystancyjnych. Przebieg charakterystyki czujnika dla danego zakresu wilgotności względnej dobiera się zmieniając grubość warstwy higroskopijnej.

35 Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu.

36 Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu. Czujnikiem jest płytka aluminiowa znaniesioną elektrolitycznie warstwą tlenku glinu o dużej higroskopijności (ma strukturę włóknistą z podłużnymi porami skierowanymi ku powierzchni). Tlenek pokrywa przepuszczalna dla wilgoci mikrowarstewka naparowanego chromu lub złota. Nie trawiona część płytki aluminiowej oraz metalowa warstwa stanowiąca elektrodę tworzą dwie elektrody, okładki kondensatora złożonego zwarstwy tlenku glinu. Czujnik cechuje duża stałość charakterystyki przy zmianach temperatury oraz mała bezwładność wskazań. Stała czasowa może wynosić <2s ijeszcze mniej wniższych zakresach wilgotności. Przy zmianie wilgotności od dużych wartości już od 80%, czas ustalania się wskazań wydłuża się znacznie, przez co czujnik nie ma dobrej opinii

37 Czujniki pojemnościowe All Polimer Elementem pomiarowym czujnika wilgotności jest niemetaliczny kondensator wykonany zpolimerowych płytek nasycanych węglem. Płytki są rozdzielone wodochłonnym polimerem, którego własności dielektryczne zmieniają się wzależności od ilości wilgoci zaadsorbowanej zotaczającego powietrza. Zmiany pojemności tego kondensatora, uzależnione proporcjonalnie od zmian wilgotności, wykorzystano jako sygnał wejściowy do przetwornika normalizującego je w formie standardowego sygnału napięciowego.

38 ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

39 CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ZASADY MONTAŻU

40 Czujniki ciśnienia Wprzetwornikach ciśnienia elementem pomiarowym jest membrana lub piezorezystor. Piezorezystorami nazywa się czujniki wykonane z materiałów półprzewodnikowych, których rezystancja zależy od naprężeń w materiale. Zachodzące pod wpływem zmian ciśnienia odkształcenia membrany lub zmiany rezystancji elementu piezorezystora w przetworniku przetwarzane są na standardowy sygnał elektryczny napięciowy lub prądowy. Najczęściej elementem pomiarowym jest piezorezystancyjny czujnik krzemowy oddzielony od medium przez membranę separującą i wybraną ciecz manometryczną. Układ elektroniczny znajduje się wobudowie ostopniu szczelności IP 65.

41 Czujniki ciśnienia

42 CZUJNIK PRZEPŁYWU

43 Czujnik przepływu płynu Przełącznik elektryczny złopatką zanurzoną wmedium (w przewodzie) zwiera lub rozwiera styki elektryczne. Alarm przy przekroczeniu lub spadku wartości strumienia poniżej wartości zadanej (wielkością łopatki).

44 Pomiar prędkości

45 Pomiar zawartości CO2 w powietrzu Schemat blokowy czujnika optycznego zawartości CO2 wraz z układem przetwarzającym. 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. Czujniki CO2 działają w oparciu o technologię nie rozproszonej podczerwieni (NDIR), dają sygnał wyjściowy Vdc odpowiadający koncentracji ppm (cząsteczek na milion) CO2

46 Pomiar zawartości CO2 w powietrzu Stężenie CO2 jest oznaczane przez pomiar tłumienia określonej długości pasma podczerwieni -to znaczy drogę światła od jego źródła do detektora wzdłuż określonej ścieżki optycznej. Czujnik wykrywa stopień stężenia i przy współpracy przetwornika przetwarza go wanalogowy sygnał wyjściowy o wartości Vdc odzwierciedlający w sposób liniowy koncentrację CO2.

47 Czujnik jakości powietrza VOC 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). Pomiar umożliwia optymalizację jakości powietrza w pomieszczeniu oraz ograniczenie zużycia energii poprzez określenie niezbędnego zapotrzebowania powietrza świeżego.

48 Czujnik jakości powietrza - zasada pomiaru Podgrzewany element pomiarowy wykonany na bazie półprzewodnikowego tlenku cyny SnO2 reaguje wszerokim zakresie na wszystkie utleniające się gazy organiczne i pary jak np. dym tytoniowy, ludzkie biogazy, zapachy kuchenne, tlenek węgla, alkohole, gazy techniczne, formaldehydy itp. mierząc zawartość tych gazów wpowietrzu, wmg/m3 lub wppm. Nowoczesne czujniki VOC charakteryzują się; wyeliminowaniem wpływu zmiennych parametrów powietrza tj. temperatury, wilgotności i prędkości, kalibracją u producenta a nie w miejscu montażu, żywotnością i powtarzalnością wyników pomiarów, możliwością przekazywania danych w formie analogowych sygnałów standardowych lub numerycznie.

49 System zliczania liczby osób Przykładowym zastosowaniem jest ustalanie liczby osób przebywających w danym momencie w hali sprzedaży supermarketu i ustalanie na tej podstawie w systemach wentylacji pomieszczeń ilości powietrza świeżego podawanego przez wentylatory nawiewne przy założeniu jednostkowego strumienia minimalnego przypadającego na jedną osobę.

50 System zliczania liczby osób Zasada działania Czujniki umieszczone w bramach wejściowych i wyjściowych działają na zasadzie pasywnych czujników podczerwieni reagujących na promieniowanie cieplne osób przechodzących wobu kierunkach wstrefie ich zasięgu. 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 iosób wychodzących.

51 System zliczania liczby osób zasada działania Główną część czujnika stanowi pyroelektryczny nadajnik. Elementy składowe czujnika wytwarzają wzakresie strefy roboczej po dwie kurtyny po stronie wewnętrznej bramy ipo stronie zewnętrznej. Osoby wchodzące w przestrzeń pomiędzy kurtyny wewnętrzne lub zewnętrzne generują sygnały informujące o ilości osób wchodzących iwychodzących.

52 System zliczania liczby osób

53 System zliczania liczby osób

54 System zliczania liczby osób

55 Dziękuję za uwagę!