Seminarski rad iz predmeta Senzori i industrijska mjerenja Tema:Senzori nivoa i protoka

1. Seminarski rad iz predmeta Senzori i industrijska mjerenja Tema:Senzori nivoa i protoka Profesor: Doc.Dr.Slobodan Lubura Student: Mirko Božović

2. Senzori nivoa i protoka Senzori protoka Protok je količina sipkastog materijala tečnosti ili gasa koji protekne kroz posmatrani poprečni presjek za jedinicu vremena -maseni protok Qm=dm /dt [kg/s] -zapreminski protok Qv=dV/dt[m³/s] Senzori protoka se koriste u mnogim aplikacijama kontrole i praćenja,za mjerenje protoka kako tečnosti tako i gasova i dr. Protok se obično u mjerenju dobija tako što se prvo mjeri brzina fluida u cijevi,kanalu ili nekoj drugoj strukturi a zatim se množi sa poznatom površinom poprečnog presjeka date cijevi ,kanala ili strukture u tački u kojoj je izvršeno i mjerenje brzine.

3. Zahtijevi koje treba da zadovolje savremeni senzori protoka -Visoka tačnost (u inžinjerskim primjenama je to najčešće 1-2% -Visoka pouzdanost -Nezavisnost rezultata mjerenja od gustine fluida -Brzina odziva -Veliki korisni opseg (Qmax/Qmin tipično je od 3 do 10) -Prilagođenost za mjerenje odgovarajućem mjerenom mediju -Prilagođenost vrsti tečenja (laminarno, turbulentno , u zatvorenim ili otvorenim kanalima) -Mjerenje treba da se vrši u širokom temperaturskom opsegu Danas je to od -250 do 600 stepeni celzijusa.

4. Metode za mjerenje protoka i vrste senzora protoka -Metode za mjerenje protoka tečnosti obuhvataju mjerne sisteme na bazi razlika pritisaka(diferencijalnih pritisaka) , vrtložne senzore , senzore pozitivnih pomjeraja,senzore protoka na bazi turbina kao magnetne senzore protoka i ultrazvučne senzore protoka. Senzori na principu diferencijalnog pritiska -Rad diferencijalnog protokmetra je baziran na konceptu da je pad pritiska na dužini od jednog metra srazmjeran kvadratu brzine protoka;dakle brzinu protoka dobijamo tako što mjerimo razliku pritisaka i vadimo kvadratni korijen iz nje. -Pitoova cijev -Venturijeva cijev -Prigušnice -Protočne mlaznice -Bernulijeva jednačina i zakon održanja energije

5. Pitoova cijev Princip rada vrtložnog senzora

6. Vrtložni senzori -Frekvencija vrtloga je proporcionalna brzini isticanja fluida Nailaskom na prepreku , brzina fluida raste , a pritisak opada. -Vrtložni senzori se koriste kod brzina vazduha koje su u opsegu od 350 do 6000 stopa u minuti. -Ovi su uređaji pogodni kako za mjerenje brzine protoka tako i ukupnog protoka. Njihova upotreba za rad sa ljepljivim i visoko-viskoznim fluidima nije preporučljiva. Senzori za mjerenje zapreminskog protoka -Ovi uređaji za mjerenje protoka se koriste gdje je potrebna velika preciznost i veliki odnos između ukupnog mjernog opsega uređaja i minimalne mjerljive vrijednosti protoka i gdje neki stalni gubici pritiska neće izazvati prekomjernu potrošnju energije. -Neke od osnovnih vrsta senzora za mjerenje zapraminskog protoka su zupčasti mjerači,mjerači sa navrtnim diskom, turbinski mjerači kao i mjerači sa oscilujućim klipom

7. -Ovi se uređaji tipično prave od metala kao što su: mesing, bronza,liveno gvožđe, ali se takođe mogu praviti i od plastike u zavisnosti od namjene. Turbinski senzori protoka -Uređaji na bazi turbina i propelera koriste osobinu da tečnost koja protiče kroz turbinu ili propeler izaziva obrtanje rotora a brzina obrtanja rotora je direktno u vezi sa brzinom protoka. Elektični impulsi se broje i sabiraju. -Ovi uređaji su dostupni u verzijama sa punom cijevi, linijski montiranoj verziji a ima i verzija(umetni senzori) koja se koristi tamo gdje je potrebno mjeriti samo dio protoka koji prolazi preko rotirajućeg elementa Senzori masenog protoka -Koriolisov senzor (fenomen Koriolisove sile) -Koriolisov senzor u obliku U cijevi - Mjerenje protoka tečnosti čija se viskoznost mijenja sa promjenom brzine na datim temperaturama i pritiscima.

8. Turbinski protokmetar

9. -primjena u širokom rasponu mjernih aplikacija od mjerenja protoka kod boja maziva i ljepila do mjerenja protoka kod tečnog azota. Elektromagnetni (indukcioni ) senzori protoka -Faradejev zakon elektromagnetne indukcije -provodnik je tečnost čiji protok mjerimo a megnetno polje stvara zavojnica montirana spolja na cijevi -Indukovani napon je proporcionalan brzini protoka -Elektomagnetski mjerači protoka se primjenjuju u mjerenjima brzine protoka provodnih tečnosti (uključujući i vodu) gdje je potreban visok kvalitet mjerenja i malo održavanje sistema. -relativno visoka cijena -mogu da mjere i reverzibilni tok

10. Induktivni senzor protoka

11. Ultrazvučni senzori protoka • -Doplerovi senzori • -tranzitni ili “time of travell” senzori • -mjerenje razlike frekvencija • Razlika frekvencija (reflektovane i poslane) ili Doplerova frekvencija prporcionalna je brzini tečnosti. • kod „time-of-travel“ senzora davači su na svakoj od strana cijevi i zvučni talasi putuju između uređaja pod uglom 45 stepeni • - tečnost čiji protok mjerimo mora da buda čista od čvrstih tijela i mjehurića gasova kako bi se smanjilo rasipanje signala i apsorpcija • - Prednost ultrazvučnih senzora je da im je cijena umjerena

12. Doplerov ultrazvučni senzor protoka

13. Laserski Doplerovi senzori protoka -Laserski Doplerov anemometar (LDA) -mjerenje je bezkontaktno -nije potrebna kalibracija -udaljenost mjerenja može se kretati u opsegu od centimetra do metra -vrijednost brzine protoka može se mijenjati od nule do nadzvučne -može mjeriti protok kod tokova promjenljivog smjera Osnovna konfiguracija LDA (slika7) se sastojiod: -kontinualnog laserskog talasa -optičkog predajnika koji sadrži djelitelj snopa kao i fokusirajući objektiv -prijemna optika koja se sastoji od fokusirajućeg objektiva interferencijskog filtra i fotodetektora -prilagođivača signala i procesora signala -Doplerov efekat - Bragova ćelija - Doplerov prasak - Informacija o brzini protoka dolazi od raspršene svjetlosti koju raspršuju malene čestice koje nosi fluid odnosno dok se kreću kroz mjernu oblast. Raspršena svjetlost sadrži Doplerovu pomjerenu i DoplerovufDfrekvenciju.

14. Izbor odgovarajućeg senzora protoka • 90% problema sa protokmetrima se dešava zbog neadekvatnog izbora uređaja za rad.Najvažniji zahtjev prilikom izbora senzora je u stvari razumijevanje šta on treba da uradi. • -Da li se mjerenje koristi za kontrolu nekog procesa gdje je ponovljivost glavna briga ili se koristi za računovodstvene ili nadzorne transfere gdje je bitna preciznost? • -Da li je indikacija signala lokalna ili se zahtijeva daljinska indikacija? Ako se zahtijeva daljinski izlaz da li će to biti proporcionalan signal i da li će blizina kontakta pustiti u rad ili zaustaviti neki drugi uređaj , jednom rječju da li će naš senzor ometati rad nekog drugog uređaja? • -Da li je tečnost čiji protok mjerimo čista, viskozna? • Da li je tečnost čiji protok mjerimo provodna u električnom smislu? • -Kolika je specifična zapreminska težina i gustina tečnosti čiji protok mjerimo? • -Koje su radne temperature i pritisci procesa? • -kolika tačnost , opseg, linearnost, ponovljivost, i zahtjevi cjevovoda moraju biti ispunjeni?

15. Instalacija i održavanje • -Vazdušni senzori protoka rade najefikasnije u dijelovima cijevi i kanala koji imaju uniforman protok. Da bi mjerenja bila pouzdana vazdušni senzori moraju biti ugrađeni po reporuci proizvođača senzora da uzvodno ili nizvodno u odnosu na pravac toka. • Svi senzori protoka tečnosti najbolje rade kada mjere uniforman i potpuno ispunjen tok tečnosti. Kao i senzore protoka vazduha i ove senzore je neophodno ugraditi prema preporuci proizvođača u cilju dobijanja najpouzdanijih mjerenja. • - Kod uređaja sa električnim komponentama ,unutrašnja bezbijednost se mora uzeti u obzir u opasnim uslovima. Zalutala magnetna polja mogu se javiti u mnogim industrijskim postrojenjima. Prenosni vodovi, releji, zavojnice transformatori , motori i generatori doprinose elektromagnetskoj interferenciji i smetnjama

16. Kalibracija • -Inicijalna kalibracija je neophodna svim protokmetrima • -Kalibraciju može izvršiti samo stručno lice • Neophodnost ponovne kalibracije u mnogome zavisi od toga koliko dobro uređaj odgovara datoj aplikaciji • - Neki dizajni su podložniji oštećenjima od drugih. Na primjer habanje pojedinačnih lopatica turbine može izazvati promjene performansi. • - Neki protokmetri zahtijevaju specijalnu opremu za kalibraciju. Većina proizvođača će obezbijediti ovu uslugu u svom postrojenju ili u objektu korisnika gdje će donijeti opremu za kalibraciju na lice mjesta.

17. Održavanje i skorašnji napreci u proizvodnji kod senzora protoka • -Protokmetri koji nemaju pokretne dijelove obično zahtijevaju manje pažnje u održavanju nego uređaji koji imaju pokretne dijelove, ali svi protokmetri zahtijevaju neki tip održavanja. • Kod ultrazvučnih ili elektromagnetskih protokmetara problemi se javljaju obično kod njhovih elektronskih dijelova • - Aplikacije u kojima može da dođe do premazivanja(izolacije) predstavljaju potencijalne probleme za uređaje kao što su elektromagnetski i ultrazvučni uređaji. • - Nedavna studija koju su sproveli Flow Research i Ducker Worldwide širom svijeta pokazala je da je najveci pomak na polju mjerenja protoka napravljen sasenzorima baziranim na novim tehnologijama (“new technology” protokmetri) . • - Protokmetri na bazi novih tehnologija u ovoj studiji su definisani kao magnetni , ultrazvučni , Koriolis , vrtložni , senzori na bazi razlike pritisaka (diferencijalni protokmetri) • - Veoma značajan razvoj (napredak) je bio pronalazak integrisanog diferencijalng protokmetra. • - Pojavom ultrazvučnih protokmetara dobili smo novu klasu preciznih , jeftinih uredaja za mjerenje protoka kroz cijevi malog prečnika(0.25-2 inča u prečniku) . Oni su bazirani na mikroelektromehanickim sistemima (MEMS)

18. Senzori nivoa -Najčešće aplikacije za mjerenje nivoa su mjerenje nivoa u rezervoarima i kontrola zadatog nivoa.Danas je dostupan veliki broj tehnologija i metoda za izradu senzora nivoa : ultrazvučna,hidrostatičkog pritaiska , RF kapacitivnosti , magnetostriktivno-bazirane a tu su i radarski sistemi za mjerenje. Hidrostatički senzori nivoa -Mjerenje nivoa uz pomoć diferencijalnog hidrostatičkog pritiska se bazira na principu razlika pritisaka koji vladaju na samom vrhu stuba tečnosti i na njegovom dnu i povezana je sa gustinom tečnosti i visinom stuba tečnosti (tj samim nivoom). -Instrumenti za mjerenje pritiska mogu biti udaljeni od samog senzora ali to onda zahtijeva kalibraciju kako bi se kompenzovala visinska razlika između senzora i tog instrumenta -Hidrostatički uređaji za mjerenje nivoa sa plovkom -Tačnost ovih senzora je usko povezana sa tačnošću senzora pritiska koji se s njima koriste

19. Primjeri hidrostatičkih senzora nivoa

20. --jednostavnost u načinu rada -tačnost od +- 0.15% -1.5 % -mogućnost primjene i na otvorene i na zatvorene rezervoare -komunikacija sa udaljenim uređajima putem strujne petlje (4-20 mA) -senzorske mreže i digitalni prenos informacija Ultrazvučni senzori nivoa -Ultrazvučni senzori nivoa emituju zvučne talase , a površina tečnosti te iste talase reflektuje nazad ka izvoru. -Vrijeme za koje putuje talas do površine tečnosti i nazad je proporcionalno udaljenosti izmedu predajnika i površine tečnosti. -Ovi senzori su idealni za bezkontaktno mjerenje nivoa nekih veoma viskoznih tečnosti kao što su mazut , lateks i veziva -Ograničenja za ovu metodu su: 1.) pjena na površini tečnosti može da apsorbuje zvuk 2.) brzina zvuka varira sa temperaturom okoline 3.) turbulencija može da dovede do pogrešnih ocitavanja vrijednosti sa senzora

21. Kapacitivni senzori nivoa -Kapacitivni senzori nivoa i predajnici rade na principu da se kondenzator može formirati između sonde i zida posude.(dielektrik je tečnost čiji nivo mjerimo) -Kapacitivnost ovog kondenzatora se mijenja sa promjenom nivoa tečnosti -RF predajnik je smješten spolja na rezervoaru -Prenos vrijednosti izmjerenog nivoa može biti u različitim formama a prijemni uredaj može biti PC računar , grafički zapisnik, PLC,...... -Ovi senzori su korisni za mjerenje nivoa "vodenih" tečnosti, organskih tečnosti , veziva , maziva , tečnih hemikalija kao što je kalcijum oksid. -Ovi senzori su robustni jednostavni za upotrebu , nemaju pokretnih dijelova i jednostavni su za cišćenje i održavanje. -RF impedansni i RF admitansni sistemi -mogu biti dizajnirani i za aplikacije u kojima se primjenjuju veliki pritisci i temperature.

22. Primjer kapacitivnog senzora nivoa

23. Magnetostriktivni senzori nivoa -Magnetostriktivni senzori nivoa se baziraju na principu da spoljašnje magnetno polje se može iskoristiti tako da izazove refleksiju elektromagnetnog talasa u talasovodu konstruisanom od magnetostriktivnog materijala. -Sonda se sastoji od tri koncentrična dijela -Unutar spoljašnje cijevi je talasovod koji je načinjen od elementa od magnetostriktivnog materijala -Ispitni impuls niske strujne vrijednosti se generiše u elektronici u predajniku (transmiteru) i potom se šalje niz talasovod, što izaziva elektromagnetno polje duž cijelog talasovoda -Kada ovo magnetno polje interaguje sa magnetnim poljem stalnog magneta koji je smješten unutar plovka to rezultuje pojavom torzionog impulsa naprezanja ili pojavom da se talasovod uvija. -Ovo uvijanje talasovoda se detektuje kao povratni impuls.

24. Mikrotalasni ( radarski ) senzori nivoa -rade na istom principu slanja mikrotalasa nadole sa senzora koji se nalazi na vrhu rezervoara ili neke druge posude -Through-air radari - (FMCW i radari sa vremenom putovanja pulsirajućeg talasa) -Talasovodni (guided wave radar (GWR) ) -Kod GWR senzora elektromagnetni impulsi koji nose energiju emituju se sa baze predajnika niz talasovod (kabal ) -Iznos refleksije signala je proporcionalan razlici u dielektričnim konstantama izmedu talasovoda i supstance. -Radarska reflektometrija u vremenskom domenu ( time domain reflectometry (TDR) radar). -Sistemi sa 2 talasovoda

25. -Impulsni radar( or pulsed time-of-flight) je sličan ultrazvučnom senzoru nivoa. • --Kod ovog tipa radarske tehnologije udaljenost (pa valjda i nivo) se izračunava iz razlike • u frekvencijama predatog (emitovanog) i primljenog (reflektovanog) signala u bilo kom • vremenskom trenutku. • Izbor odgovarajuće tehnologije za mjerenje nivoa • -Izbor odgovarajućeg tipa i veličine antene je jedan od krucijalnih faktora prilikom • izbora tehnologije (metode) za mjerenje nivoa. • -Najvažniji faktori koje proizvođač senzora mora da zna o mjerenju nivoa su: • -ime i karakteristika supstance (materije) čiji nivo mjerimo, da li je u pitanju supstanca u • čvrstom , tečnom , ljepljivom (slurry) , praškastom ili zrnastom stanju. • -Vrijednost dielektrične konstante • -viskoznost , gustina ,provodnost, i konzistentnost(uljna , vodena i td) • -informacije o procesu , kao što su pritisak i temperatura , stepen turbulentnosti i -