Wykład 5. urządzenie _. obiekt regulacji y m. element pomiarowy. w e u obiekt regulacji

Transkrypt

1 Urządzenia pomiarowe Wykład 5 w e u obiekt regulacji y urządzenie _ obiekt regulator wykonawcze regulacji y m z element pomiarowy y

2 Urządzenia pomiarowe Prawidłowe działanie systemów OWK (HVAC) 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 icieczowe. 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 - Termoelementy ±0,05 K pomiary; mała stała czasowa, styka, ulegają starzeniu do ±0,5 K - - 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 ±0,2 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) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b) z uzwojeniem 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. 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.

15 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.

16 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

17 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.

18 Temperatura C Rezystancja Ω

19 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.

20 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.

21 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.

22 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

23 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.

24 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

25 ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZANURZENIOWYCH

26 Czujnik przylgowy-sposób montażu

27 Czujnik kanałowy

28 Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza oraz czujnik temperatury z nastawnikiem

29 Czujnik pomieszczeniowy zasady montażu

30 Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego zasady montażu

31 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.

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

33 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.

34 Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu.

35 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

36 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.

37 ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

38 CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ZASADY MONTAŻU

39 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.

40 Czujniki ciśnienia

41 CZUJNIK PRZEPŁYWU

42 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).

43 Pomiar prędkości

44 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

45 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.

46 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.

47 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.

48 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.

49 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.

50 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.

51 System zliczania liczby osób

52 System zliczania liczby osób

53 System zliczania liczby osób

54 Dziękuję za uwagę!

55 REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA Wykład 6

56 REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA - Regulatory bezpośredniego działania charakteryzują się tym, że energię niezbędną do działania pobierają za pomocą czujnika zobiektu regulacji. - Z tego powodu nazywane są również regulatorami bez energii pomocniczej. - W regulatorze bezpośredniego działania element pomiarowy, regulator, napęd i element wykonawczy najczęściej stanowią jedną całość. - Zaletą tych urządzeń jest prosta budowa iniski koszt. - Wadą ich jest mała dokładność regulacji spowodowana odchyłką statyczną i histerezą oraz możliwość realizacji wyłącznie regulacji stałowartościowej.

57 REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA - Zazwyczaj regulatory te wykonywane są jako proporcjonalne P bez możliwości zmiany współczynnika wzmocnienia oraz realizacji regulacji programowej. - Wartość współczynnika wzmocnienia wynika z konstrukcji regulatora oraz właściwości obiektu regulacji. - Wartość zadana w regulatorach tego typu nastawiana jest mechanicznie.

58 Zastosowanie regulatorów bezpośredniego działania Regulatory bezpośredniego działania w systemach ogrzewania iklimatyzacji stosowane sądo regulacji: temperatury (termostaty przygrzejnikowe, ograniczniki temperatury powrotu, regulatory temperatury ciepłej wody), ciśnienia (regulatory i reduktory ciśnienia), różnicy ciśnień ( regulatory różnicy ciśnień), przepływu (regulatory i ograniczniki przepływu), poziomu (regulatory poziomu wody). Wykonywane są również jako wielofunkcyjne regulatory bezpośredniego działania, na przykład w ciepłownictwie do jednoczesnej regulacji różnicy ciśnień i przepływu wody sieciowej w węźle.

59 REGULATORY TEMPERATURY Termostat grzejnikowy wraz z zaworem grzejnikowym tworzy pracujący bez energii pomocniczej regulator temperatury obezpośrednim działaniu ciągłym typu P. Urządzenie sterujące (termostat) składa się z: -czujnika temperatury, -popychacza -oraz zadajnika. Zawór grzejnikowy zawierający element nastawczy (grzybek) stanowi zespół wykonawczy.

60 Termostat grzejnikowy

61 Termostat grzejnikowy

62 Termostat grzejnikowy 1 - nastawnik temperatury, 2 - cieczowy czujnik temperatury, 3 zabezpieczenie przeciążeniowe, 4 skala nastawianych temperatur, 5 dławnica, 6 tuleja, 7 połączenie gwintowe.

63 Termostat grzejnikowy W czujnikach termostatów grzejnikowych wykorzystywane sąnastępujące zjawiska fizyczne zachodzącepod wpływem temperatury: -rozszerzalność cieplna cieczy, -rozszerzalność cieplna ciał stałych, -zmiana prężności pary nad powierzchnią cieczy, -zmiana objętości substancji wczasie krzepnięcia i topnienia.

64 Ograniczniki temperatury wody w instalacjach Na podobnej zasadzie działają ograniczniki temperatury wody winstalacjach centralnego ogrzewania i cyrkulacji ciepłej wody użytkowej. Wielkością regulowaną wtym przypadku nie jest jednak temperatura powietrza w ogrzewanym pomieszczeniu lecz temperatura wody powrotnej w miejscu zamontowania ogranicznika.

65 Regulator temperatury c.w.u. bezpośredniego działania Termostat znastawnikiem wartości zadanej, kapilarą oraz czujnikiem temperatury pracującym na zasadzie adsorbcji.

66

67 Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień i przepływu Urządzenie regulacyjne składa się z regulatora, zaworu regulacyjnego isiłownika. Sterowanie zaworem regulacyjnym odbywa się przez wykorzystanie energii przepływającego medium bez konieczności doprowadzania energii zewnętrznej. Wzrost różnicy ciśnień zamyka lub otwiera zawór.

68 Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień»»»»»» Regulator różnicy ciśnień upustowy

69 Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień

70 Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień

71 Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień zasada działania Regulowana różnica ciśnień p wytwarza na powierzchni membrany siłownika siłę Fm = p A Siła ta porównywana jest na trzpieniu grzyba zsiłą napięcia sprężyny Fs odpowiadającą wartości zadanej. Siła napięcia sprężyny może być regulowana na nastawniku wartości zadanej lub zadana na stałe. Jeżeli zmienia się wartość różnicy ciśnień p, awraz znią również siła Fm, grzyb zaworu przesuwany jest do momentu, gdy Fm=Fs. Dla zadanej powierzchni membrany A stała sprężyny nastawczej określa wielkość współczynnika wzmocnienia Kp oraz zakres proporcjonalności Xp. Urządzenia sąregulatorami proporcjonalnymi sterowanymi za pomocą medium.

72 Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień z odciążeniem ciśnieniowym Siły działające na grzyb pochodzące od ciśnienia przed zaworem lub od różnicy ciśnień zostają wyeliminowane dzięki odciążeniu ciśnieniowemu.

73 Regulator przepływu

74 Regulator przepływu Regulator wyposażony jest w dławik, za pomocą którego można dokonać nastawy wartości zadanej. Urządzenie przeznaczone jest szczególnie do stosowania w instalacjach ciepłowniczych. Ciśnienie regulowanego medium może być przenoszone do siłowników przy pomocy przewodów impulsowych lub.

75 Regulator przepływu Ciśnienie regulowanego medium może być przenoszone do siłowników przy pomocy przewodów impulsowych lub przez kanał nawiercony w trzpieniu grzyba. Podczas projektowania należy pamiętać o tym, że różnica ciśnień w instalacji obliczana jest ze spadku ciśnienia na dławiku ispadku ciśnienia przy obliczeniowym przepływie regulowanego medium winstalacji: p = pinstalacji + pmiernicze

76 Regulator przepływu - zastosowanie

77 Regulator przepływu

78 Regulator różnicy ciśnień z ograniczeniem przepływu

79 Regulator różnicy ciśnień z ograniczeniem przepływu Podczas projektowania należy pamiętać o tym, że różnica ciśnień w instalacji obliczana jest ze spadku ciśnienia na dławiku ispadku ciśnienia przy obliczeniowym przepływie regulowanego medium w instalacji: p = pinstalacji + pmiernicze

80 Regulator różnicy ciśnień z ograniczeniem przepływu

81 Regulator różnicy ciśnień i przepływu

82 Regulator różnicy ciśnień i przepływu

83 Regulator różnicy ciśnień i przepływu Regulatory tego typu sąwyposażane wdwie membrany. Za pomocą górnej membrany regulowany jest przepływ,za pomocą dolnej różnica ciśnień. Pierwszeństwo ma zawsze sygnał silniejszy.

84 Regulator różnicy ciśnień i przepływu - zastosowanie

85 Regulatory ciśnienia pary bezpośredniego działania (reduktory ciśnienia) Regulator ciśnienia pary [Samson]. Oznaczenia na rysunku: 1 - korpus zaworu, 2 - gniazdo, 3 - grzyb, 4 - trzpień grzyba, 5 - dyfuzor, 6 - nastawnik wartości zadanej, 7 - sprężyna nastawcza, 8 siłownik, 9 - naczynie kondensacyjne.

86 Regulatory ciśnienia pary bezpośredniego działania (reduktory ciśnienia) W wypadku ciśnienia pary w miejscu dokonywania pomiaru umieszcza się naczynie kondensacyjne - 9. Zapewnia ono gromadzenie się kondensatu i chroni membranowy system pomiarowy przed zbyt wysokimi temperaturami. Z powodu wynikającego z redukcji ciśnienia zwiększenia objętości pary, celowe jest zwiększenie średnicy przewodu za zaworem przez zamontowanie dyfuzora - 5.

87 REGULATORY DWUSTAWNE

88 REGULATORY DWUSTAWNE Regulacja dwustawna jest regulacją nieciągłą, w której wielkość sterująca przyjmuje tylko dwie wartości minimalną lub maksymalną, w zależności od tego czy sygnał uchybu jest dodatni czy ujemny. Minimalna wartość wielkości sterującej jest zwykle oznaczana jako umowne 0amaksymalna jako 1. Wartość 0 oznacza wyłączenie sygnału wyjściowego z regulatora a wartość 1 pełne włączenie sygnału wyjściowego. Przełączenie sygnału sterującego następuje po przejściu sygnału uchybu przez obszar nazywany strefą histerezy. Histereza pełni w tym przypadku pozytywną rolę zapobiegania zbyt częstemu działaniu mechanizmu załączającego regulatora (np. styki elektryczne) oraz zmniejsza częstotliwość załączania urządzeń wykonawczych.

89 Przykładowy przebieg wartości regulowanej w układzie z regulatorem dwustawnym Sygnał wyjściowy układu regulacji oscyluje pomiędzy dwoma granicami strefyhisterezy. Jakość regulacji dwustawnej ocenia się na podstawie amplitudy, częstotliwości oraz wartości średniej oscylacji. Jak wynika z rys. amplituda drgań wielkości regulowanej może być zmniejszona przez ograniczenie szerokości obszaru histerezy.spowoduje to jednak zwiększenie częstotliwości przełączeń regulatora oraz liczby zadziałań elementów wykonawczych, co może niekorzystnie wpłynąć na trwałość tych urządzeń. załącz c.o. H = 2K y(τ) 14 C 12 C Histereza H = 2K wyłącz c.o. 12 C 14 C Te 0 τ

90 Regulatory dwustawne Regulatory dwustawne są proste w budowie i działaniu oraz niedrogie. Najczęściej wykonywane są jako regulatory elektryczne sterujące napędami silnikowymi lub elektromagnetycznymi. Wklimatyzacji iciepłownictwie znalazły szerokie zastosowanie jako urządzenia zabezpieczające przed niedopuszczalnym spadkiem lub wzrostem temperatury (termostaty) oraz ciśnienia (presostaty). Służą także jako regulatory wilgotności (higrostaty) oraz regulatory poziomu cieczy.

91 TERMOSTATY Termostatem nazywamy urządzenie składające się zczujnika temperatury iregulatora. Wtermostatach najczęściej stosowane sączujniki rozszerzalnościowe: bimetalowe, prętowe lub membranowe.

92 TERMOSTATY Różne termostaty elektryczne: a -bimetalowy, b -prętowy, c membranowy.

93 TERMOSTATY Sprężyna bimetalowa to zwinięte razem dwa metalowe paski oróżnej rozszerzalnościcieplnej. Czujnik prętowy stanowią dwa powiązane ze sobą pręty. Jeden z materiału o dużej rozszerzalności cieplnej, drugi wykonany z inwaru, charakteryzujący się znikomą rozszerzalnością cieplną. Czujniki membranowe (ew. z kapilarą) wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieczy (nafta) igazów (butan, fluorowęglowodór np.freon) oraz zjawisko adsorbcji.

94 Termostaty-przykłady zastosowań w technice grzewczo-wentylacyjnej. wentylacyjnej. Termostaty pomieszczeniowe służą do sterowania: wentylokonwektorami, gdzie mogą załączać nagrzewnice elektryczne, otwierać lub zamykać zawory regulacyjne doprowadzające czynnik grzejny lub chłodniczy, zmieniać obroty silników napędzających wentylatory, sterować grzejnikami elektrycznymi, sterować pracą gazowych urządzeń grzewczych.

95 Termostaty zabezpieczające Termostaty zabezpieczające stosowane sądo: zabezpieczania kotłów i wymienników ciepła przed nadmiernym wzrostem temperatury czynnika grzejnego: termostaty ze stykiem przełączającym iautomatycznym powrotem do zadanego położenia (STW), termostaty ze stykiem otwierającym i blokadą (powrót do zadanego położenia po naciśnięciu przycisku wyzwalacza tylko po spadku temperatury poniżej wartości granicznej -reset) - (STB), zabezpieczania nagrzewnic elektrycznych przed nadmiernym wzrostem temperatury, Termostat ogranicznik temperatury bezpieczeństwa (STB) firmy SAMSON, ze stykiem otwierającym i blokadą

96 Termostaty przeciwzamrożeniowe (f-my Johnson Controls)

97 Termostaty przeciwzamrożeniowe Stosowane są do zabezpieczania przed zamrożeniem nagrzewnic wodnych central wentylacyjnych oraz przewodów wypełnionych zamarzającą cieczą. Elementem pomiarowym jest kapilara odługości 2do 6m, która rozpinana jest na powierzchni zabezpieczanej nagrzewnicy. Przełączenie zestyku termostatu następuje, gdy temperatura dowolnego odcinka o długości 30 cm lub dłuższej elementu pomiarowego spadnie poniżej wartości zadanej. Termostaty posiadają nastawialny zakres oraz stałą strefę histerezy. Termostat w zależności od wykonania, po ponownym wzroście temperatury może sam wrócić do stanu normalnego (STW) lub przywrócenie tego stanu musi być poprzedzone ręcznym odblokowaniem dźwigni kasującej (termostat zręcznym resetem STB).

98 Termostaty przeciwzamrożeniowe Przy montażu termostatu należy zwrócić uwagę na to aby cała powierzchnia nagrzewnicy była pokryta elementem pomiarowym. Przy bardzo dużych powierzchniach nagrzewnic stosuje się dwa lub trzy termostaty zabezpieczeniowe.

99 Warunki techniczne umożliwiające zabezpieczenie nagrzewnic wentylacyjnych przed zamrożeniem 1 W celu uzyskania prawidłowej i bezpiecznej pracy nagrzewnic wentylacyjnych wzakresie temperatur powietrza zewnętrznego poniżej 0ºC, należy spełnićoprócz konieczności zastosowania termostatu przeciwzamrożeniowego, poniżej wymienione dodatkowe warunki techniczne: właściwie wymiarować nagrzewnicę powietrza, gdyż jej przewymiarowanie znacznie obniża przepływ wody ibardzo zwiększa gradient temperatury powierzchni nagrzewnicy (duże schłodzenie czynnika grzejnego),

100 2 stosować zawory o charakterystykach stałoprocentowych z prawidłowo dobraną przepustowością, unikać pary jako czynnika grzejnego ze względu na duże wychłodzenie kondensatu na odpływie z nagrzewnicy, doprowadzać czynnik grzejny od dołu nagrzewnicy, gdzie na ogół przepływa powietrze o najniższej temperaturze, unikać uwarstwiania powietrza przez zapewnienie odpowiedniego wymieszania powietrza świeżego z powietrzem recyrkulowanym wkomorze mieszania,

101 3 odsuwać czerpnie powietrza od nagrzewnic, tak aby utrudnić dostęp zimnego powietrza do nagrzewnicy przy zamkniętej przepustnicy iwyłączonym wentylatorze, do napędu przepustnic świeżego powietrza stosować siłowniki zfunkcją bezpieczeństwa (ze sprężyną powrotną), w miarę możliwości nagrzewnice umieszczać w pomieszczeniach ogrzewanych, stosować pompy cyrkulacyjne wymuszające stały, duży przepływ przez nagrzewnice i małe zróżnicowanie temperaturypowierzchni nagrzewnicy,

102 4 nagrzewnice dachowych central wentylacyjnych wyposażać w dodatkowe grzałki elektryczne sterowne termostatem, także przewody doprowadzające czynnik grzejny do central dachowych powinny być wyposażone w elektryczne elementy grzejne nie dopuszczające do zamarznięcia wody w przypadku zatrzymania przepływu, zapewnić minimalny przepływ czynnika grzejnego przez nagrzewnice umieszczone poza ogrzewanymi pomieszczeniami, przez pozostawienie zaworów w stanie niewielkiego otwarcia (do 10%) lub zastosowanie obejścia zaworów regulacyjnych, zastosować w regulatorze funkcję gorącego startu tj. uruchamiać wentylatory z opóźnieniem w stosunku do otwierania zaworów regulacyjnych.

103 Higrostaty Jako elementy wydłużające się stosowane są w higrostatach włosy ludzkie, nici nylonowe, błony zwierzęce, drewno ipapier. Czujniki cechuje nieliniowość i histereza. Zasada działania higrostatu włosowego (z ustawianiem wartości zadanej przy użyciu krzywki).

104 Presostaty - presostat różnicy ciśnień Presostat różnicy ciśnień znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie muszą być sygnalizowane zmiany normalnych różnic ciśnienia (również nadciśnienia ipodciśnienia). Monitorowanie i sterowanie ciśnieniem różnicowym, monitorowanie przepływu, automatyczna kontrola stacji filtrów iawarii wentylatorów. Presostat z wyświetlaczem wartości zadanej

105 Napęd wentylatora ze sprzęgłem paskowym

106 Presostat różnicy ciśnień Sposób montażu i nastawiania wartości zadanej

107 Presostat różnicy ciśnień - konstrukcje Osobne konstrukcje dla powietrza igazów oraz dla cieczy. Element pomiarowy: Mieszki sprężyste lub membrana z gumy lub silikonu (w zależności od parametrów). Odkształcenie membrany powoduje styk elektryczny. Półprzewodnikowe oporniki na membranie wykrywają mechaniczne odkształcenie i generują wyjściowy sygnał elektryczny. Ułożenie kilku oporników na powierzchni membrany kompensuje wpływ temperatury. Ciśnienie przełączające nastawne wzadanym zakresie (np mbar) poprzez pokrętło regulujące napięcie sprężyny.

108 Zastosowanie presostatów Zabezpieczenie kotłów Zabezpieczenie agregatów chłodniczych Zabezpieczenie wymienników płytowych przed oszronieniem Kontrola sprężu wentylatorów Kontrola stanu filtrów

109 Dziękuję za uwagę!