Urządzenia pomiarowe Urządzenia pomiarowe

(1)

Urządzenia pomiarowe Urządzenia pomiarowe

Wykład 5

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator

urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy _

(2)

Urządzenia pomiarowe 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 informacje i przesyłają je do sterowników i stacji operatorskich.

• Czujniki są zatem jednostkami warunkującymi sprawność i skuteczność systemu.

• Czujnik w systemie OWK 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.

• Każdy czujnik w systemie OWK powinien spełniać określone wymagania co do sposobu działania, wydajności i ekonomii.

(3)

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.

(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 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.

(5)

Podział i rodzaje czujników w OWK 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

• 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.

• W tablicy opisano możliwości wykorzystania poszczególnych metod pomiarowych w automatyzacji systemów grzewczych i wentylacyjnych.

(8)

Mierniki temperatury Mierniki temperatury

Zakres i niepew^- Zasada pomiaru

ność pomiaru Zastosowanie Ograniczenia

Termometry cieczowe

- 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

±0,03 do ±2 K lub cieczy promieniowania Termometry rezystancyjne

-platynowe

•z uzwojeniem rezystan- -259 do1000°C do dokładnych i/lub zdalnych po- wyższy koszt; zakłóce-

cyjnym ±0,1 do1,0 K miarów temperatury otoczenia nia od promieniowania,

bezwładność ciepła

•miniaturowe z rezystorem -50+600°C do dokładnych i/lub zdalnych po- wykonanym techniką cien- ca. 0,05 K miarów temperatury otoczenia;

kowarstwową stała czasowa nawet 10 ms; -

(9)

Mierniki temperatury 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 -

±0,05 K pomiary; mała stała czasowa, styka, ulegają starzeniu

do ±0,5 K

Termoelementy

• - -

•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 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 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 z platyny, stopu rod-żelazo, niklu, wolframu lub miedzi.

• 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.

(12)

Czujniki rezystancyjne platynowe Czujniki 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.

• 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 Czujniki rezystancyjne platynowe

Termometr rezystancyjny platynowy:

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

(14)

Czujniki rezystancyjne platynowe Czujniki rezystancyjne platynowe

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.

(15)

Czujniki rezystancyjne platynowe 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 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.

(16)

Czujniki rezystancyjne platynowe 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 i ich 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 są wielokrotnie niższe niż innych czujników i liczą się w milisekundach

(17)

Termistory Termistory

• Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w postaci spieków tlenków 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.

(18)

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

(19)

Czujniki temperatury 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 z czujnika 0-10 VDC lub 0(4)-20 mA, jako czujniki nazywane aktywnymi.

(20)

CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

• Termoelementy ze względu na ich mniejszą dokładność i bardziej złożoną budowę niż czujników rezystancyjnych są bardzo rzadko stosowane w automatyzacji systemów ciepłowniczych i klimatyzacyjnych.

• 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 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

• Zjawisko fizyczne Thomsona to występowanie różnicy potencjałów w przewodniku jednorodnym, którego końce umieszczono w środowisku 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 z trzeciego metalu to różnica potencjałów nie ulegnie zmianie.

(22)

CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

• Siła termoelektryczna na końcach złącza (różnica potencjałów) zależy od materiału, z którego wykonane są przewody, od jakości złącza i od jego temperatury. Jeśli jedno złącze (nazwane złączem „odniesienia” lub „zimnym końcem”) znajdować się będzie w znanej 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 1 tworzące złącze 2 powinny być utrzymywane w stałej temperaturze.

• Na rys. c pokazano charakterystyki napięcia wyjściowego różnych termoelementów

(23)

CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE 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 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

(25)

ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW

ZANURZENIOWYCH ZANURZENIOWYCH

(26)

Czujnik przylgowy

Czujnik przylgowy--sposób montażusposób montażu

(27)

Czujnik kanałowy

(28)

Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza

oraz czujnik temperatury z nastawnikiem

(29)

Czujnik pomieszczeniowy

Czujnik pomieszczeniowy – – zasady montażu zasady montażu

(30)

Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego

Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego –– zasady zasady montażu

montażu

(31)

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.

(32)

ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

• a) Czujnik rezystancyjny Dumnore'a,

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

(33)

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.

• 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 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.

• 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)

Czujniki pojemnościowe All Polimer Czujniki pojemnościowe All Polimer

• Elementem pomiarowym czujnika wilgotności jest niemetaliczny kondensator wykonany z polimerowych płytek nasycanych węglem.

• Płytki są rozdzielone wodochłonnym polimerem, którego własności dielektryczne zmieniają się w zależności od ilości wilgoci zaadsorbowanej z otaczającego 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

CZUJNIKI WILGOTNOŚCI –– ZASADY MONTAŻU ZASADY MONTA ŻU

(39)

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.

• Najczęściej 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.

(40)

Czujniki ciśnienia

(41)

CZUJNIK PRZEPŁYWU

(42)

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).

(43)

Pomiar prędkości

(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.

Czujniki CO² działają w oparciu o technologię nie rozproszonej podczerwieni (NDIR), dają sygnał wyjściowy 0...10Vdc odpowiadający koncentracji 0...2030 ppm (cząsteczek na milion) CO2

(45)

Pomiar zawartości CO

²²

w powietrzu 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 w analogowy sygnał wyjściowy o wartości 0...10Vdc odzwierciedlający w sposób liniowy koncentrację CO2.

(46)

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.

(47)

Czujnik jakości powietrza

Czujnik jakości powietrza -- 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.

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 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 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 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.

(50)

System zliczania liczby osób

System zliczania liczby osób – – zasada działania zasada działania

• Główną część czujnika stanowi pyroelektryczny nadajnik.

• Elementy składowe czujnika wytwarzają w zakresie strefy roboczej po dwie kurtyny po stronie wewnętrznej bramy i po stronie zewnętrznej.

• Osoby wchodzące w przestrzeń pomiędzy kurtyny wewnętrzne lub zewnętrzne generują sygnały informujące o ilości osób wchodzących i wychodzących.

(51)

System zliczania liczby osób

(52)

System zliczania liczby osób

(53)

System zliczania liczby osób

(54)

Dziękuję za uwagę !

(55)

REGULATORY REGULATORY

BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA

Wykład 6 Wykład 6

(56)

REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA

- Regulatory bezpośredniego działania charakteryzują się tym, że energię niezbędną do działania pobierają za pomocą czujnika z obiektu 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 i niski koszt.

- Wadą ich jest mała dokładność regulacji spowodowana odchyłką statyczną i histerezą oraz możliwość realizacji wyłącznie regulacji stałowartościowej.

(57)

REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA 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 Zastosowanie regulatorów bezpośredniego

działania działania

Regulatory bezpośredniego działania w systemach ogrzewania i klimatyzacji stosowane są do 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 REGULATORY TEMPERATURY

• Termostat grzejnikowy wraz z zaworem grzejnikowym tworzy pracujący bez energii pomocniczej regulator temperatury o bezpośrednim 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 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 Termostat grzejnikowy

• W czujnikach termostatów grzejnikowych wykorzystywane są następujące zjawiska fizyczne zachodzące pod wpływem temperatury:

- rozszerzalność cieplna cieczy,

- rozszerzalność cieplna ciał stałych,

- zmiana prężności pary nad powierzchnią cieczy,

- zmiana objętości substancji w czasie krzepnięcia i

topnienia.

(64)

Ograniczniki temperatury wody w Ograniczniki temperatury wody w

instalacjach instalacjach

Na podobnej zasadzie działają ograniczniki temperatury wody w instalacjach centralnego ogrzewania i cyrkulacji ciepłej wody użytkowej.

Wielkością regulowaną w tym 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 bezpośredniego działania

• Termostat z nastawnikiem wartości zadanej, kapilarą oraz czujnikiem temperatury pracującym na zasadzie adsorbcji

.

(66)

(67)

Regulatory bezpośredniego działania Regulatory bezpośredniego działania

różnicy ciśnień i przepływu różnicy ciśnień i przepływu

• Urządzenie regulacyjne składa się z regulatora, zaworu regulacyjnego i siłownika.

• 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 Regulatory bezpośredniego działania

różnicy ciśnień różnicy ciśnień

»

» Regulator różnicy ciśnień upustowy

(69)

Regulatory bezpośredniego działania Regulatory bezpośredniego działania

różnicy ciśnień

(70)

Regulatory bezpośredniego działania Regulatory bezpośredniego działania

różnicy ciśnień

(71)

Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień ––

zasada działania zasada działania

• Regulowana różnica ciśnień ∆p wytwarza na powierzchni membrany siłownika siłę

Fm = ∆p × A

• Siła ta porównywana jest na trzpieniu grzyba z siłą 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, a wraz z nią 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 są regulatorami proporcjonalnymi sterowanymi za pomocą medium.

(72)

Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień

z odciążeniem ciśnieniowym 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 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 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 i spadku ciśnienia przy obliczeniowym przepływie regulowanego medium w instalacji:

∆p = ∆p^instalacji + ∆p^miernicze

(76)

Regulator przepływu

Regulator przepływu -- zastosowanie zastosowanie

(77)

Regulator przepływu

(78)

Regulator różnicy ciśnień

z ograniczeniem przepływu

(79)

Regulator różnicy ciśnień Regulator różnicy ciśnień z ograniczeniem przepływu z ograniczeniem przepływu

Podczas projektowania należy pamiętać o tym, że różnica ciśnień w instalacji obliczana jest ze spadku ciśnienia na dławiku i spadku ciśnienia przy obliczeniowym przepływie regulowanego medium w instalacji:

∆p = ∆p^instalacji + ∆p^miernicze

(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 Regulator różnicy ciśnień i przepływu

Regulatory tego typu są wyposażane w dwie membrany.

Za pomocą górnej membrany regulowany jest przepływ, za pomocą dolnej różnica ciśnień.

Pierwszeństwo ma zawsze sygnał silniejszy.

(84)

Regulator różnicy ciśnień i przepływu Regulator różnicy ciśnień i przepływu --

zastosowanie

(85)

Regulatory ciśnienia pary bezpośredniego działania Regulatory ciśnienia pary bezpośredniego działania

(reduktory ciśnienia) (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 Regulatory ciśnienia pary bezpośredniego działania

(reduktory ciśnienia) (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 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 0 a maksymalna 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 Przykładowy przebieg wartości regulowanej w

układzie z regulatorem

układzie z regulatorem dwustawnym dwustawnym

Histereza H = 2K

τ 0

y(τ)

14°C 12°C

załącz c.o.

wyłącz c.o.

H = 2K

Te

12°C 14°C

Sygnał wyjściowy układu regulacji oscyluje pomiędzy dwoma granicami strefy histerezy.

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.

(90)

Regulatory dwustawne Regulatory dwustawne

• Regulatory dwustawne są proste w budowie i działaniu oraz niedrogie.

• Najczęściej wykonywane są jako regulatory elektryczne sterujące napędami silnikowymi lub elektromagnetycznymi.

• W klimatyzacji i ciepłownictwie 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 TERMOSTATY

• Termostatem nazywamy urządzenie składające się z czujnika temperatury i regulatora.

• W termostatach najczęściej stosowane są czujniki rozszerzalnościowe:

• bimetalowe,

• prętowe

• lub membranowe.

(92)

TERMOSTATY TERMOSTATY

• Różne termostaty elektryczne: a - bimetalowy,

b - prętowy, c – membranowy.

(93)

TERMOSTATY TERMOSTATY

• Sprężyna bimetalowa to zwinięte razem dwa metalowe paski o różnej rozszerzalności cieplnej.

• 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) i gazów (butan, fluorowęglowodór np.freon)

oraz zjawisko adsorbcji.

(94)

Termostaty

Termostaty--przykłady zastosowań w technice przykłady zastosowań w technice grzewczo

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

Termostaty zabezpieczające stosowane są do:

• zabezpieczania kotłów i wymienników ciepła przed nadmiernym wzrostem temperatury czynnika grzejnego:

• termostaty ze stykiem przełączającym i automatycznym 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

Termostaty przeciwzamrożeniowe przeciwzamrożeniowe

• (f-my Johnson Controls)

(97)

Termostaty przeciwzamrożeniowe Termostaty przeciwzamrożeniowe

• Stosowane są do zabezpieczania przed zamrożeniem nagrzewnic wodnych central wentylacyjnych oraz przewodów wypełnionych zamarzającą cieczą.

• Elementem pomiarowym jest kapilara o długości 2 do 6 m, 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 z ręcznym resetem STB).

(98)

Termostaty przeciwzamrożeniowe 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 Warunki techniczne umożliwiające zabezpieczenie

nagrzewnic wentylacyjnych przed zamrożeniem nagrzewnic wentylacyjnych przed zamrożeniem

1 1

W celu uzyskania prawidłowej i bezpiecznej pracy nagrzewnic wentylacyjnych w zakresie 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 i bardzo zwiększa gradient temperatury powierzchni nagrzewnicy (duże schłodzenie czynnika grzejnego),

(100)

2 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 w komorze mieszania,

(101)

3 3

• odsuwać czerpnie powietrza od nagrzewnic, tak aby utrudnić dostęp zimnego powietrza do nagrzewnicy przy zamkniętej przepustnicy i wyłączonym wentylatorze,

• do napędu przepustnic świeżego powietrza stosować siłowniki z funkcją bezpieczeństwa (ze sprężyną powrotną),

• w miarę możliwości nagrzewnice umieszczać w pomieszczeniach ogrzewanych,

• stosować pompy cyrkulacyjne wymuszające stały, duży przepływ przez nagrzewnice i małe zróżnicowanie temperatury powierzchni nagrzewnicy,

(102)

4 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 Higrostaty

• Jako elementy wydłużające się stosowane są w higrostatach włosy ludzkie, nici nylonowe, błony zwierzęce, drewno i papier.

• Czujniki cechuje nieliniowość i histereza.

Zasada działania higrostatu włosowego (z ustawianiem wartości zadanej przy użyciu krzywki).

(104)

Presostaty

Presostaty -- presostat różnicy ciśnień presostat różnicy ciśnień

Presostat z wyświetlaczem wartości zadanej

Presostat różnicy ciśnień znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie muszą być sygnalizowane zmiany normalnych różnic ciśnienia (również nadciśnienia i podciśnienia).

Monitorowanie i sterowanie ciśnieniem różnicowym, monitorowanie przepływu, automatyczna kontrola stacji filtrów i awarii wentylatorów.

(105)

Napęd wentylatora ze sprzęgłem paskowym

(106)

Presostat różnicy ciśnień Presostat różnicy ciśnień

Sposób montażu i nastawiania wartości zadanej

(107)

Presostat różnicy ciśnień

Presostat różnicy ciśnień -- konstrukcje konstrukcje

• Osobne konstrukcje dla powietrza i gazów 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 w zadanym zakresie (np.

100...600mbar) poprzez pokrętło regulujące napięcie sprężyny.

(108)

Zastosowanie presostatów Zastosowanie presostatów

• Zabezpieczenie kotłów

• Zabezpieczenie agregatów chłodniczych

• Zabezpieczenie wymienników płytowych przed oszronieniem

• Kontrola sprężu wentylatorów

• Kontrola stanu filtrów

(109)