Automa m tyka Inż In yn y ie i rii Środ rod w o iska Wykład 4

Transkrypt

1 Automatyka w Inżynierii Środowiska Wykład 4 Elementy pomiarowe

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

3 Prawidłowy przebieg procesów technologicznych zależy od odpowiedniej kontroli i sterowania parametrami pracy układów i urządzeń technologicznych (temperatura, ciśnienie itp.). Kontrola ta jest możliwa dzięki sieci czujników odczytujących poszczególne wielkości, które są zbierane iprzesyłane do centrum kontroli. Czujniki są zatem jednostkami warunkującymi sprawność i skuteczność systemu technologicznego.

4 Czujnik można określić jako urządzenie przetwarzające wielkości fizyczne (np. temperaturę lub wilgotność) na inne wielkości (najczęściej sygnały elektryczne), które są dogodniejsze do zmierzenia i dalszej obróbki, anastępnie wykorzystywane do sterowania konkretnymi urządzeniami w systemie.

5 Czujniki nowej generacji mają coraz częściej dodatkową cechę, tzw. "inteligencję", która dzięki wbudowanemu mikroprocesorowi umożliwia, poza zwykłym pomiarem, także raportowanie danych i ich analizę. Przykładem tego sączujniki komfortu wsystemach klimatyzacji. Każdy czujnik powinien spełniać określone wymagania co do sposobu działania, wydajności i ekonomii.

6 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.

7 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.

8 Podział i rodzaje czujników Automatyzacja procesów w inżynierii środowiska wymaga zastosowania czujników służących do pomiaru takich wielkości jak: temperatura, ciśnienie, wilgotność, prędkość przepływającego medium, strumień objętości, strumień ciepła, entalpia, jakość powietrza, zawartość CO2, poziom cieczy, ruch, obecność itp.

9 Wielkością wyjściową czujnika może być: ruch mechaniczny (czujniki rozszerzalnościowe), oporność elektryczna (pasywne czujniki rezystancyjne, nastawniki potencjometryczne), w przypadku czujników nazywanych aktywnymi standardowy sygnał elektryczny (np. 0 do 10 V, 0 (4) do 20 ma), w przypadku czujników inteligentnych informacja przesyłana cyfrowo, w odpowiednim standardzie komunikacyjnym.

10 CZUJNIKI TEMPERATURY Czujniki temperatury posiadają element czuły na temperaturę, który przy zmianie temperatury (wejście) zmienia wartość sygnału wyjściowego. W zależności od zastosowanej zasady pomiaru temperatury czujniki można podzielić na: rezystancyjne, termoelementy, bimetalowe, manometryczne icieczowe.

11 CZUJNIKI REZYSTANCYJNE Wtypowych układach zregulatorami cyfrowymi stosowane są czujniki z elementami 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 zrobione sązplatyny, stopu rodżelazo, niklu, wolframu lub miedzi.

12 CZUJNIKI REZYSTANCYJNE Konstrukcja ich musi być prosta, sygnał w wysokim stopniu liniowy, odużej stabilności. Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do mechanicznej trwałości i kosztu.

13 Termometry 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.

14 Termometrem platynowym do dokładnych pomiarów jest termometr Pt 100, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0 C wynosi 100 Ω (R0= 100 Ω).

15 CZUJNIKI REZYSTANCYJNE Termometr rezystancyjny platynowy: a) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b) z uzwojeniem nawiniętym na zewnątrz, c) cienkowarstwowy

16 CZUJNIKI REZYSTANCYJNE 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.

17 Termometry platynowe miniaturowe cienkowarstwowe (ang. Thin-Film Platinum RTD) są obecnie stosowane coraz szerzej wpomiarach cieplnych. Cechuje je rezystancja >1000 Ω. Mają jeszcze bardziej liniowe charakterystyki niż termometry rezystancyjne tradycyjne iich masowa produkcja jest bardziej efektywna. Jednakże wadą ich sąniestandardowe łącza (interfejsy) do systemów komputerowych i występowanie niekiedy szkodliwego efektu samoogrzewania się czujnika owysokiej rezystancji, gdy proces pomiaru nie jest dostatecznie kontrolowany.

18 Termometry platynowe miniaturowe cienkowarstwowe są szczególnie przydatne do pomiarów temperatury powierzchni. Uważa się, że granicą ich dokładności jest ±0,01 Klub ±0,1%. Dzięki małym (kilku lub kilkunastu milimetrowym) wymiarom ich stałe czasowe są wielokrotnie niższe niż innych czujników iliczą się wmilisekundach.

19 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 1naniesioną na płytkę 2pokrytą tlenkiem glinu Al2O3, którą przykrywa płytka szklana 3 z wtopionymi stykami 4iprzewodami 5. Dla uszczelnienia strefę styków 4 przykrywa warstwa 6zpasty szklano-ceramicznej.

20 Termistory Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w postaci spieków 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.

21 Temperatura C Rezystancja Ω

22 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.

23 ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZANURZENIOWYCH

24 ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZANURZENIOWYCH

25 Czujnik przylgowy-sposób montażu

26 Czujnik kanałowy

27 Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza oraz czujnik temperatury z nastawnikiem

28 Czujnik pomieszczeniowy zasady montażu

29 Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego zasady montażu

30 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 ipojemność elektryczna lub inne parametry elektryczne. Czujniki elektryczne mogą mieć wyjście napięciowe lub częstotliwościowe, w przypadku którego stosuje się przetwornik częstotliwościowonapięciowy dla uzyskania sygnału napięciowego proporcjonalnego do wilgotności.

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

32 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.

33 Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu.

34 Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu. Czujnikiem jest płytka aluminiowa z naniesioną 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 z warstwy tlenku glinu.

35 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 ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

37 CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ZASADY MONTAŻU

38 Czujniki ciśnienia W przetwornikach ciśnienia elementem pomiarowym jest membrana lub piezorezystor. Piezorezystorami nazywa się czujniki wykonane z materiałów półprzewodnikowych, których rezystancja zależy od naprężeń wmateriale. Zachodzące pod wpływem zmian ciśnienia odkształcenia membrany lub zmiany rezystancji elementu piezorezystora w przetworniku przetwarzane są na standardowy sygnał elektryczny napięciowy lub prądowy.

39 Czujniki ciśnienia

40 Elementem pomiarowym jest piezorezystancyjny czujnik krzemowy oddzielony od medium przez membranę separującą iwybraną ciecz manometryczną. Układ elektroniczny znajduje się wobudowie ostopniu szczelności IP 65.

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

42 CZUJNIK KONTROLI PRZEPŁYWU

43 Pomiar zawartości CO2 w powietrzu Czujniki CDS4000 działają w oparciu o technologię nie rozproszonej podczerwieni (NDIR). Czujniki dają sygnał wyjściowy Vdc odpowiadający koncentracji ppm (cząsteczek na milion) CO2.

44 Pomiar zawartości CO2 w powietrzu Schemat blokowy czujnika optycznego zawartości CO2 wraz zukładem 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.

45 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 iprzy współpracy przetwornika przetwarza go w analogowy sygnał wyjściowy owartości Vdc odzwierciedlający w sposób liniowy koncentrację CO2.

46 CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA Czujnik jakości powietrza wpomieszczeniu służy do pomiaru zawartości niekorzystnych składników wpostaci łatwo utleniających się gazów organicznych lub par (VOC Volatile Organic Compounds - lotne składniki organiczne).

47 CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA Pomiar umożliwia optymalizację jakości powietrza w pomieszczeniu oraz ograniczenie zużycia energii poprzez określenie niezbędnego zapotrzebowania powietrza świeżego.

48 Zasada pomiaru Podgrzewany element pomiarowy wykonany na bazie półprzewodnikowego tlenku cyny SnO2 reaguje w szerokim zakresie na wszystkie utleniające się gazy organiczne i pary jak np. dym tytoniowy, ludzkie biogazy, zapachy kuchenne, tlenek węgla, alkohole, gazy techniczne, formaldehydy itp. mierząc zawartość tych gazów wpowietrzu, wmg/m3 lub wppm.

49 Nowoczesne czujniki powinny charakteryzować się; wyeliminowaniem wpływu zmiennych parametrów powietrza tj. temperatury, wilgotności i prędkości, efektu pamięci, kalibracją u producenta a nie w miejscu montażu, żywotnością i powtarzalnością wyników pomiarów, możliwością przekazywania danych w formie analogowych sygnałów standardowych lub numerycznie.

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

51 System zliczania liczby osób Czujniki umieszczone w bramach wejściowych i wyjściowych działają na zasadzie pasywnych czujników podczerwieni reagujących na promieniowanie cieplne osób przechodzących w obu 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 i osób wychodzących.

52 Budowa czujnika Główna część czujnika stanowi pyroelektryczny nadajnik. Elementy składowe czujnika wytwarzają wzakresie strefy roboczej po dwie kurtyny po stronie wewnętrznej bramy ipo stronie zewnętrznej. Osoby wchodzące wprzestrzeń pomiędzy kurtyny wewnętrzne lub zewnętrzne generują sygnały informujące o ilości osób wchodzących i wychodzących.

53 System zliczania liczby osób

54 System zliczania liczby osób

55 System zliczania liczby osób

56 Dziękuję za uwagę!