Ogólna charakterystyka Ogólna charakterystyka wybranych elementów wybranych elementów
wykonawczych i pomiarowych w wykonawczych i pomiarowych w obiektach regulacji i sterowania obiektach regulacji i sterowania
w inżynierii środowiska w inżynierii środowiska
Wykład 5 Wykład 5
ELEMENTY WYKONAWCZE I POMIAROWE ELEMENTY WYKONAWCZE I POMIAROWE
AUTOMATYKI AUTOMATYKI
Schemat blokowy układu regulacji
obiekt regulacji
w e u y
y ym
z
regulator urządzenie
wykonawcze obiekt regulacji
element pomiarowy +_
Urządzenia wykonawcze Urządzenia wykonawcze
• Urządzenie wykonawcze = element napędowy + element wykonawczy
element napędowy
element
wykonawczy
+ +
Urządzenie wykonawcze
ELEMENTY WYKONACZE ELEMENTY WYKONACZE
• Element wykonawczy jest to urządzenie wymuszające zmiany
wielkości regulowanej. W przypadku układów regulacji i sterowania w inżynierii środowiska elementem wykonawczym jest najczęściej:
• pompa,
• wentylator,
• podajnik,
• przepustnica powietrza,
• zawór regulacyjny.
Konstrukcje zaworów regulacyjnych Konstrukcje zaworów regulacyjnych
przelotowych (jednodrogowych)
przelotowych (jednodrogowych)
Elementy wykonawcze w węźle Elementy wykonawcze w węźle
ciepłowniczym ciepłowniczym
Zawór regulacyjny
Pompa
Zastosowanie zaworów przelotowych Zastosowanie zaworów przelotowych – –
węzeł ciepłowniczy węzeł ciepłowniczy
c.o.
LC1
LC2
sieć
w.z.
cyrk.
c.w.u.
1 2
4 3
5
6
WCO WCWII
WCWI
Zco Zcw
ZRRC
ΔpRRC
Zawór regulacyjny
Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b) Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b)
rozdzielający
rozdzielający
Sposoby montażu zaworów trójdrogowych Sposoby montażu zaworów trójdrogowych
a) zawór mieszający,
b) zawór mieszający pełniący
funkcję zaworu rozdzielającego,
c) zawór rozdzielający
Zastosowanie zaworów regulacyjnych Zastosowanie zaworów regulacyjnych
trójdrogowych w kotłowni trójdrogowych w kotłowni
T
T P
H
T H
T
T
P T T
T T
T T
STB T
STB
M
Zawór regulacyjny
Zastosowanie zaworów regulacyjnych Zastosowanie zaworów regulacyjnych trójdrogowych w wentylacji (mieszający i trójdrogowych w wentylacji (mieszający i
rozdzielający) rozdzielający)
T
y w uch
ug
y=ti
6
6--drogowy kulowy zawór regulacyjny drogowy kulowy zawór regulacyjny
6
6--drogowy kulowy zawór regulacyjny drogowy kulowy zawór regulacyjny – – przykład zastosowania
przykład zastosowania
Napędy Napędy
W inżynierii środowiska najczęściej stosowanymi napędami są:
- siłowniki zaworów i przepustnic, - silniki pomp i wentylatorów.
Siłowniki służą do zmiany stopnia otwarcia zaworów i przepustnic a silniki do utrzymania stałej lub zmiennej prędkości obrotowej pomp i wentylatorów.
Napędy zaworów regulacyjnych Napędy zaworów regulacyjnych
Jako napędy zaworów regulacyjnych stosuje się a) w układach nieelektrycznych siłowniki:
• mechaniczne,
• hydrauliczne,
• pneumatyczne,
b) w układach elektrycznych siłowniki:
• elektryczne,
• elektrohydrauliczne,
• termoelektryczne,
• elektromagnetyczne,
Siłownik mechaniczny Siłownik mechaniczny
• W technice z zakresu inżynierii środowiska siłowniki mechaniczne stosowane są do regulacji poziomu cieczy jako element pływakowego regulatora bezpośredniego działania, gdzie zmiany poziomu, mierzone czujnikiem pływakowym, są przenoszone za pomocą dźwigni mechanicznej na ruchy grzybka zaworu regulacyjnego.
Siłownik hydrauliczny Siłownik hydrauliczny
• Siłownik hydrauliczny wyposażony jest w otwartą (a) lub zamkniętą (b) komorę wypełnioną cieczą manometryczną.
Zmiana ciśnienia w komorze siłownika powoduje ruch membrany lub mieszka połączonego z grzybkiem i zmiany stopnia otwarcia zaworu.
ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW
REGULACYJNYCH
REGULACYJNYCH
ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW
W siłownikach elektrycznych energia elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną, która wykorzystywana jest do napędzania elementu nastawczego.
Trzpień siłownika napędzany jest silnikiem za pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o dużym przełożeniu (zmniejszenie prędkości) oraz przekładni ślimakowej zamieniającej ruch obrotowy w ruch posuwisty.
SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE
na przykładzie firmy
na przykładzie firmy LandisLandis & & GyrGyr. .
• Energia elektryczna w tym siłowniku służy do napędu pompy tłokowej (3) przetłaczającej olej ze zbiornika (1) nad tłokiem (2) siłownika do cylindra pod tłokiem.
• Ciśnienie oleju pokonując opór sprężyny (4) powoduje przemieszczanie się przymocowanego do cylindra trzpienia siłownika (6).
• Otwarcie zaworu elektromagnetycznego (5) na przewodzie upustowym do zbiornika (1) powoduje wyciskanie przez sprężynę powrotną (4) oleju spod powierzchni tłoka i przemieszczanie się trzpienia (6) siłownika w kierunku przeciwnym.
SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE
• Elektrohydrauliczne elementy napędowe dobrze odpowiadają wymaganiom elementów nastawczych, gdyż umożliwiają łatwe realizowanie dużych sił i powolnego ruchu elementu nastawczego.
• Siłowniki elektrohydrauliczne rozwijają dużą siłę nacisku w porównaniu z siłownikami elektrycznymi z zębatą przekładnią mechaniczną.
• Siłowniki elektrohydrauliczne są wielokrotnie lżejsze od elektrycznych przy tej samej mocy.
SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE
• Siłowniki termoelektryczne powstały przez modyfikację termostatów przygrzejnikowych.
• W siłownikach tych sprzężony z trzpieniem (3) element (2) zamykający zawór zwiększa swoją objętość przez podgrzewanie przy pomocy grzałki elektrycznej (1). Wzrost temperatury powoduje przemieszczanie się trzpienia siłownika i zamykanie zaworu.
• Wyłączenie zasilania elektrycznego powoduje ochładzanie siłownika i otwieranie zaworu.
• Siłownik ma w zasadzie działanie dwustawne. Jednak ze względu na czas potrzebny do podgrzania i ponownego schłodzenia siłownika działanie to przyjmuje charakter quasiciągły.
SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE
Zasada działania siłownika (cewki elektromagnetycznej) polega na wykorzystaniu siły działającej na materiał ferromagnetyczny w polu magnetycznym.
Pole magnetyczne wytwarzane w rdzeniu wskutek przepływu prądu przez cewkę elektryczną (1) powoduje powstanie siły działającej na rdzeń (3).
Rdzeń przesuwa się, powodując przestawianie połączonego z nim grzybka zaworu (5).
Po wyłączeniu zasilania cewki rdzeń i połączony z nim grzybek przesuwany jest pod wpływem sprężyny (4) w położenie pierwotne.
SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE
W zależności od rodzaju uzwojenia cewki (lewoskrętne lub prawoskrętne) oraz usytuowania sprężyny, zawory mogą być otwarte lub zamknięte w stanie beznapięciowym.
Elementy wykonawcze Elementy wykonawcze
Przepustnice regulacyjne powietrza Przepustnice regulacyjne powietrza
• Przepustnice regulacyjne lub nastawcze stosuje się w instalacjach powietrznych do zmian ilości lub ciśnienia powietrza w zależności od zadanych wielkości np.
temperatury, prędkości, ciśnienia.
• Są one jednoelementowe lub wieloelementowe, te zaś dzielą się na:
a) przepustnice żaluzjowe z łopatkami współbieżnymi,
b) przepustnice żaluzjowe z łopatkami przeciwbieżnymi.
Przepustnice jednoelementowe i Przepustnice jednoelementowe i
wieloelementowe
wieloelementowe
Zastosowanie przepustnic Zastosowanie przepustnic
• Przepustnice do zewnętrznego powietrza i powietrza wywiewanego na początku i końcu instalacji służą do zamykania i mają z tego względu mają działanie dwupozycyjne zamknięty-otwarty.
• Przepustnice dławiące do zmiany ilości powietrza
powinny z reguły posiadać przeciwbieżne łopatki.
Zastosowanie przepustnic Zastosowanie przepustnic
• Przepustnice mieszające są stosowane w urządzeniach klimatyzacyjnych do mieszania powietrza recyrkulacyjnego z powietrzem zewnętrznym.
Przepustnica obejściowa dla wymiennika Przepustnica obejściowa dla wymiennika
ciepła ciepła
• Przepustnice obejściowe powinny mieć opór przy otwarciu w przybliżeniu równy oporowi drugiej przepustnicy powiększonej o opór wymiennika ciepła, tak aby ilość powietrza pozostawała w przybliżeniu stała (zwężenie, duża prędkość).
Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych
Do napędu przepustnic są stosowane siłowniki elektryczne, w których element nastawczy wykonuje ruch obrotowy w zakresie 0 do 90°.
Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych
Dobierając siłownik przepustnicy należy zwrócić uwagę na:
• Moment obrotowy. Minimalna wartość tego momentu w [Nm] powinna być równa co najmniej pięciokrotnej wartości pola powierzchni czołowej przepustnicy w [m2].
• Napięcie zasilania. Napięcie zasilania 24 V lub 230 V powinno być dostosowane do napięcia stosowanego w układzie regulacji.
• Sygnał sterujący. Siłowniki przepustnic mogą być sterowane sygnałem zamknij/otwórz (dwustawnie), sygnałem krokowym - pulsacyjnym (trójstawnie), proporcjonalne - sygnałem analogowym (0÷10V) lub binarnie np. magistralą LonWorks.
• Funkcja bezpieczeństwa. Przepustnice, które muszą być zamykane lub otwierane po zatrzymaniu urządzenia wentylacyjnego powinny być wyposażane w siłowniki ze sprężyną powrotną.
Podział i rodzaje czujników Podział i rodzaje czujników
Automatyzacja instalacji 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.
CZUJNIKI TEMPERATURY 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 i cieczowe.
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
• W typowych układach z regulatorami cyfrowymi stosowane są czujniki rezystancyjne z elementami zmieniającymi swoją oporność elektryczną przy zmianie temperatury.
• Są to przeważnie oporniki drutowe lub warstwowe z platyny 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 z temperaturą.
• Termometry rezystancyjne robione są najczęściej z platyny i niklu.
• Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do mechanicznej trwałości i kosztu.
Czujniki rezystancyjne platynowe Czujniki rezystancyjne platynowe
• Są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ platyna jest najbardziej trwała i odporna na korozję.
• Termometrem platynowym do dokładnych pomiarów jest termometr Pt1000, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0°C wynosi 1000 Ω (R0= 1000 Ω).
Czujniki rezystancyjne platynowe Czujniki rezystancyjne platynowe
Termometr rezystancyjny platynowy:
a) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b) z uzwojeniem nawiniętym na zewnątrz,
c) cienkowarstwowy
Czujniki rezystancyjne platynowe Czujniki rezystancyjne platynowe
Rysunek a: Czujnik z platynowym uzwojeniem 1, 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.
Rysunek b: Typ czujnika o prostej konstrukcji stosowany do pomiaru temperatury umiarkowanego środowiska termicznego. Na pręcie ceramicznym 2 nawinięte jest uzwojenie platynowe 1 (z przyspawanymi przewodami zewnętrznymi 4 w obrębie czujnika), które jest pokryte szklaną polewą 5.
Czujniki rezystancyjne platynowe Czujniki rezystancyjne platynowe
cienkowarstwowe cienkowarstwowe
• Na rysunku 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 2 pokrytą tlenkiem glinu Al2O3, którą przykrywa płytka szklana 3 z wtopionymi stykami 4 i przewodami 5.
• Dla uszczelnienia strefę styków 4 przykrywa warstwa 6 z pasty szklano-ceramicznej.
Termistory Termistory
• Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w postaci tlenków metali: chromu, manganu, żelaza, kobaltu, niklu i miedzi.
• Małe stałe czasowe oraz duża dokładność przyczyniła się do szerokiego stosowania tych czujników.
• Dzięki wysokiej wartości oporności nie wymagają układów kompensacji oporności linii łączącej czujnik z regulatorem, co znacząco obniża koszt okablowania układu automatyki.
• Termistory typu NTC (ang. Negative Temperature Coefficient) charakteryzują się dużym jednostkowym spadkiem oporu elektrycznego przy wzroście temperatury.
• Przykładowa charakterystyka czujnika NTC – patrz tabela poniżej.
Temperatura
°C
Rezystancja Ω
-5 8093
0 7661
+5 7182
10 6667
15 6126
20 5573
25 5025
30 4492
35 3987
40 3518
45 3089
50 2702
55 2358
60 2056
65 1792
70 1563
75 1364
80 1193
85 1047
90 921
95 815
Czujnik do pomiaru temperatury powietrza w Czujnik do pomiaru temperatury powietrza w
kanale (kanałowy)
kanale (kanałowy)
CZUJNIKI ZANURZENIOWE
CZUJNIKI ZANURZENIOWE –– POMIAR TEMPERATURY POMIAR TEMPERATURY CIECZY
CIECZY
SPOSÓB MONTAŻU
CZUJNIK PRZYLGOWY CZUJNIK PRZYLGOWY
SPOSÓB MONTAŻU
Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza
oraz czujnik temperatury z nastawnikiem
oraz czujnik temperatury z nastawnikiem
ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW
POMIESZCZENIOWYCH POMIESZCZENIOWYCH
Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego
Zalecenia dotyczące lokalizacji czujnika temperatury powietrza zewnętrznego w systemach ogrzewania budynków
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI
Czujnik kanałowy i pomieszczeniowy
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI 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.
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI
a) Czujnik rezystancyjny Dumnore'a,
b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu: model struktury czujnika i układ zastępczy czujnika.
Czujnik
Czujnik rezystancyiny rezystancyiny Dunmor'a Dunmor'a
• Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę pokrytą warstwą z utrwalonym 2 do 5% roztworem chlorku litu.
Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu.
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.
Czujniki ciśnienia Czujniki ciśnienia
• W przetwornikach 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.
Czujnik jakości powietrza VOC 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.
Oszczędności energii wynikające z zastosowania Oszczędności energii wynikające z zastosowania
czujników jakości powietrza VOC w systemach czujników jakości powietrza VOC w systemach
wentylacji
wentylacji
System zliczania liczby osób System zliczania liczby osób
• Systemy zliczania liczby osób stosuje się do ustalania liczby osób przebywających w danym momencie w obiekcie np.
hali sprzedaży supermarketu i wyznaczania na tej podstawie w systemach wentylacji pomieszczeń ilości powietrza świeżego podawanego przez wentylatory nawiewne, przy założeniu jednostkowego strumienia minimalnego przypadającego na jedną osobę.
• W systemach tych wykorzystuje się pyroelektryczne czujniki podczerwieni.
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób -- zasada działania zasada działania
• Czujniki umieszczone w bramach wejściowych i wyjściowych działają na zasadzie pasywnych czujników podczerwieni reagujących na promieniowanie cieplne osób przechodzących w obu kierunkach w strefie ich zasięgu .
• Informacje z czujników przesyłane są do mikroprocesorowego analizatora z możliwością dalszego przesyłania danych w formie cyfrowej, po RS 232, lub w formie niezależnych impulsów oddzielnie dla osób wchodzących i osób wychodzących.
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób – – zasada działania zasada działania
• Elementy składowe czujników pyroelektrycznych wytwarzają w zakresie strefy roboczej po dwie kurtyny po stronie wewnętrznej bramy i po stronie zewnętrznej.
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób – – zasada działania zasada działania
• Osoby wchodzące w przestrzeń pomiędzy kurtyny wewnętrzne lub zewnętrzne generują sygnały informujące o ilości osób wchodzących i wychodzących.