Automatyka w Inżynierii Automatyka w Inżynierii Środowiska Środowiska

(1)

Automatyka w Inżynierii Automatyka w Inżynierii

Środowiska Środowiska

Wykład 4 Wykład 4

Elementy pomiarowe

(2)

Urządzenia pomiarowe Urządzenia pomiarowe

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt

regulacji

element pomiarowy _

(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 i przesyłane 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, a następnie 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 są czujniki komfortu w systemach 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 z wzorcowym punktem odniesienia.

• Powtarzalność: Zdolność czujnika, by z tej 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 a produkowanym sygnałem wyjściowym w całym 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 w ogólnym kosztorysie.

Konserwacja: Każda dodatkowa konserwacja i kalibrowanie wymagają dodatkowej pracy i wydatków.

Kompatybilność: Zgodność z różnymi 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 i magnetyczne.

(8)

Podział i rodzaje czujników 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

• 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.

(11)

CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE

• W typowych układach z regulatorami cyfrowymi stosowane są czujniki 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 zrobione są z platyny, stopu rod- żelazo, niklu, wolframu lub miedzi.

(12)

CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE

• Konstrukcja ich musi być prosta, sygnał w wysokim stopniu liniowy, o dużej stabilności.

• Wybór materiału na termometr

rezystancyjny zależy od zakresu

temperatury, wymagań antykorozyjnych,

wymagań co do mechanicznej trwałości i

kosztu.

(13)

Termometry rezystancyjne platynowe Termometry rezystancyjne platynowe

• są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ platyna jest najbardziej trwała i odporna na korozję,

• termometry platynowe mierzą najszerszy zakres temperatury i mają najlepsze charakterystyki metrologiczne.

(ich zależności „rezystancja-temperatura” są najbardziej zbliżone do liniowych).

• o dokładności czujnika decyduje w dużym stopniu czystość platyny,

• przy użyciu termometrów z czystej 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 (R

⁰

= 100 Ω).

(15)

CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE

Termometr rezystancyjny platynowy: a) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b) z uzwojeniem nawiniętym na

zewnątrz, c) cienkowarstwowy

(16)

CZUJNIKI REZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE

Czujnik z platynowym 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 w obrębie czujnika), które jest pokryte szklaną polewą 5.

(17)

• 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 i ich masowa produkcja jest bardziej efektywna.

• Jednakże 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.

(18)

• 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 są wielokrotnie niższe niż innych

czujników i liczą się w milisekundach.

(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 1 naniesioną na płytkę 2 pokrytą tlenkiem glinu Al

²

O

³

, którą przykrywa płytka szklana 3 z wtopionymi stykami 4 i przewodami 5.

• Dla uszczelnienia strefę styków 4 przykrywa

warstwa 6 z pasty szklano-ceramicznej.

(20)

Termistory Termistory

• Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w postaci spieków różnych metali: chromu, manganu, żelaza, kobaltu, niklu i miedzi.

• 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

-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

100 722

(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 z czujnika 0-10 VDC lub 0(4)-20 mA,

jako czujniki nazywane aktywnymi.

(23)

ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW

ZANURZENIOWYCH ZANURZENIOWYCH

(24)

ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW

ZANURZENIOWYCH ZANURZENIOWYCH

(25)

Czujnik przylgowy

Czujnik przylgowy--sposób montażusposób montażu

(26)

Czujnik kanałowy

(27)

Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza

oraz czujnik temperatury z nastawnikiem

(28)

Czujnik pomieszczeniowy

Czujnik pomieszczeniowy – – zasady montażu zasady montażu

(29)

Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego

Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego –– zasady zasady montażu

montażu

(30)

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.

(31)

ELEKTRYCZNE CZUJNIKI ELEKTRYCZNE CZUJNIKI

WILGOTNOŚCI WILGOTNOŚCI

• a) Czujnik Dumnore'a,

• b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu:

model struktury czujnika i układ zastępczy

czujnika.

(32)

Czujnik rezystancyiny Dunmor'a Czujnik rezystancyiny Dunmor'a

• Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę pokrytą warstwą z utrwalonym 2 do 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 Czujniki pojemnościowe z tlenkiem

glinu.

(34)

Czujniki pojemnościowe z tlenkiem 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 i jeszcze mniej w niższych 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 ELEKTRYCZNE CZUJNIKI

WILGOTNOŚCI

(37)

CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

CZUJNIKI WILGOTNOŚCI –– ZASADY ZASADY MONTA ŻU

MONTA ŻU

(38)

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.

(39)

Czujniki ciśnienia

(40)

• Elementem pomiarowym jest piezorezystancyjny czujnik krzemowy oddzielony od medium przez membranę separującą i wybraną ciecz manometryczną.

• Układ elektroniczny znajduje się w obudowie

o stopniu szczelności IP 65.

(41)

Czujnik przepływu płynu Czujnik przepływu płynu

• Przełącznik elektryczny z łopatką 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 Pomiar zawartości CO2 w powietrzu

• Czujniki CDS4000 działają w oparciu o

technologię nie rozproszonej podczerwieni (NDIR). Czujniki dają sygnał wyjściowy

0...10Vdc odpowiadający koncentracji

0...2030 ppm (cząsteczek na milion) CO2 .

(44)

Pomiar zawartości CO

²²

w powietrzu 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.

(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 i przy współpracy

przetwornika przetwarza go w analogowy sygnał

wyjściowy o wartości 0...10Vdc odzwierciedlający w

sposób liniowy koncentrację CO2.

(46)

CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA

• 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).

(47)

CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA CZUJNIK JAKOŚCI POWIETRZA

• Pomiar umożliwia optymalizację jakości powietrza w pomieszczeniu oraz ograniczenie zużycia energii poprzez określenie niezbędnego zapotrzebowania powietrza świeżego.

(48)

Zasada pomiaru 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 w powietrzu, w mg/m3

lub w ppm.

(49)

Nowoczesne czujniki powinny 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 System zliczania liczby osób

• Przykładowym zastosowaniem w systemach

wentylacji pomieszczeń jest ustalanie liczby

osób przebywających w danym 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 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 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.

(52)