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 środowis

(1)

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

(2)

ELEMENTY WYKONAWCZE I POMIAROWE ELEMENTY WYKONAWCZE I POMIAROWE

AUTOMATYKI AUTOMATYKI

Schemat blokowy układu regulacji

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy +_

(3)

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.

(4)

Konstrukcje zaworów regulacyjnych Konstrukcje zaworów regulacyjnych

przelotowych (jednodrogowych)

(5)

Elementy wykonawcze w węźle Elementy wykonawcze w węźle

ciepłowniczym ciepłowniczym

Zawór regulacyjny

Pompa

(6)

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

Δp^RRC

(7)

Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b) Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b)

rozdzielający

(8)

Sposoby montażu zaworów trójdrogowych Sposoby montażu zaworów trójdrogowych

a) zawór mieszający,

b) zawór mieszający pełniący

funkcję zaworu rozdzielającego,

c) zawór rozdzielający

(9)

Zastosowanie zaworów regulacyjnych Zastosowanie zaworów regulacyjnych

trójdrogowych w kotłowni trójdrogowych w kotłowni

T

T P

H

T H

T

P T T

T T

STB T

STB

M

(10)

Zastosowanie zaworów regulacyjnych Zastosowanie zaworów regulacyjnych trójdrogowych w wentylacji (mieszający i trójdrogowych w wentylacji (mieszający i

rozdzielający) rozdzielający)

T

y w u_ch

u_g

y=t_i

(11)

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.

(12)

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,

(13)

ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW

REGULACYJNYCH

(14)

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.

(15)

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.

(16)

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.

(17)

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.

(18)

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.

(19)

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.

(20)

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.

(21)

Przepustnice jednoelementowe i Przepustnice jednoelementowe i

wieloelementowe

(22)

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.

(23)

Zastosowanie przepustnic Zastosowanie przepustnic

• Przepustnice mieszające są stosowane w urządzeniach klimatyzacyjnych do mieszania powietrza recyrkulacyjnego z powietrzem zewnętrznym.

(24)

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).

(25)

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°.

(26)

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.

(27)

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.

(28)

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.

(29)

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.

(30)

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 Pt100, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0°C wynosi 100 Ω (R⁰= 100 Ω).

• Pt500

• Pt1000

(31)

Czujniki rezystancyjne platynowe Czujniki rezystancyjne platynowe

Termometr rezystancyjny platynowy:

a) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b) z uzwojeniem nawiniętym na zewnątrz,

c) cienkowarstwowy

(32)

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.

(33)

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.

(34)

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.

(35)

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

(36)

Pasywne i aktywne czujniki temperatury Pasywne i aktywne czujniki temperatury

• W zależności od typu regulatora czujniki rezystancyjne mogą być łączone bezpośrednio do regulatora jako czujniki pasywne (pomiar rezystancji),

• 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.

(37)

Czujnik do pomiaru temperatury powietrza w Czujnik do pomiaru temperatury powietrza w

kanale (kanałowy)

(38)

CZUJNIKI ZANURZENIOWE

CZUJNIKI ZANURZENIOWE –– POMIAR TEMPERATURY POMIAR TEMPERATURY CIECZY

CIECZY

SPOSÓB MONTAŻU

(39)

CZUJNIK PRZYLGOWY CZUJNIK PRZYLGOWY

SPOSÓB MONTAŻU

(40)

Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza

oraz czujnik temperatury z nastawnikiem

(41)

ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW

POMIESZCZENIOWYCH POMIESZCZENIOWYCH

(42)

Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego

Zalecenia dotyczące lokalizacji czujnika temperatury powietrza zewnętrznego w systemach ogrzewania budynków

(43)

ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

Czujnik kanałowy i pomieszczeniowy

(44)

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.

(45)

ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

a) Czujnik rezystancyjny Dumnore'a,

b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu: model struktury czujnika i układ zastępczy czujnika.

(46)

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.

(47)

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.

(48)

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.

(49)

CZUJNIK PRZEPŁYWU

CZUJNIK PRZEPŁYWU –– budowa i działanie budowa i działanie

Przełącznik elektryczny z łopatką zanurzoną w medium (w przewodzie) zwiera lub rozwiera styki elektryczne, co generuje sygnał alarmu o przekroczeniu lub spadku wartości strumienia poniżej wartości zadanej (określonej m. innymi wielkością łopatki).

(50)

Pomiar zawartości CO

Pomiar zawartości CO²² w powietrzu w powietrzu -- czujnik optyczny czujnik optyczny

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 0...10Vdc lub cyfrowy odpowiadający koncentracji 0...2030 ppm (cząsteczek na milion) CO2

(51)

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.

(52)

Oszczędności energii wynikające z zastosowania Oszczędności energii wynikające z zastosowania

czujników jakości powietrza VOC w systemach czujników jakości powietrza VOC w systemach

wentylacji

(53)

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.

(54)

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.

(55)

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.

(56)

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.

(57)