ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA

1. Senzori (nastavak) ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA

2. Senzori-uvod Podjela senzora Statičke i dinamičke karakteristike senzora Smetnje u mjernim sustavima Predavanje 3 - EAP Prethodno predavanje

3. Senzori - diskretne pozicije - za kontinuirano mjerenje pomaka - za mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje Predavanje 3 - EAP SADRŽAJ

4. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Senzori diskretne pozicije detektiraju prisustvo nekog objekta (ili njegovog dijela) unutar određenog područja. Njihov izlaz je digitalan, “0“ ili “1”, tj. daju informaciju da li se na određenom području (ili određenoj udaljenosti) nalazi promatrani objekt, pa se ponekad nazivaju binarni senzori. • U engleskoj terminologiji uobičajeni naziv za ove senzore je “proximity sensors”, pa bi adekvatan naziv u hrvatskom jeziku mogao biti “senzori blizine”. • Primjene ovih senzora mogu se pronaći u svim granama industrije, u robi široke potrošnje, svakodnevnom životu, ...

5. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Pojava ovih senzora datira od početka razvoja automatiziranih industrijskih procesa, a prvo su se pojavili kontaktni (mehanički) senzori. • Prije približno 40 godina pojavljuju se različite vrste bezkontaktnih senzora, koji u odnosu na kontaktne senzore imaju slijedeće prednosti: • - nema kontakta s objektom promatranja, • - otpornost na trošenje jer nemaju pokretnih djelova koji se dodiruju s promatranim objektom, • - nema iskrenja, • - neograničen broj prekapčanja, primjena u eksplozivnoj sredini, • - visoka točnost detekcije, ... • Bezkontaktni senzori dijele se prema principu rada na: optičke (fotoelektrične), induktivne, kapacitivne, magnetske, ultrazvučne.

6. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Mehanički (kontaktni) senzori • U industrijskoj praksi za ove se senzore često koriste i slijedeći nazivi: krajnji prekidači, krajnje sklopke, mikroprekidači, graničnici • Osnovni dijelovi mehaničkog senzora diskretnog položaja su aktuator (pomični dio) i kontakti. • Kada promatrani objekt dođe u dodir s aktuatorom, uzrokuje njegovo gibanje, a aktuator u točno definiranoj točki detekcije mehanički zatvara ili otvara izlazni kontakt senzora. • Kada objekt više ne dodiruje aktuator, aktuator se vraća u početni položaj, a kontakti ponovno poprimaju početno stanje nakon što aktuator pređe reset točku. • Točka detekcije i reset točka nisu na istom mjestu, što znači da senzori imaju histereznu karakteristiku.

7. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Mehanički (kontaktni) senzori • S obzirom na izvedbu aktuatora i način njegova gibanja ovi se senzori mogu podijeliti na: • senzori s polužno rotacijskim aktuatorom • senzori s linearno utisnutim aktuatorom • senzori s klimavom šipkom (“mačji brk”) • Krajnji prekidači obično imaju dva para izlaznih kontakata, od kojih je jedan mirni a drugi radni.

8. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Mehanički (kontaktni) senzori Polužno rotacijski aktuator Mirno stanje Reset točka Točka detekcije Histereza Maxim. hod

9. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Mehanički (kontaktni) senzori Senzori s klimavom šipkom (“mačji brk”)

10. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Magnetski senzori (reed senzori) • Reed senzor blizine aktivira vanjsko magnetsko polje. Sastoji se od dva kontakta smještena u staklenu cijev ispunjenu inertnim plinom. Magnetsko polje uzrokuje uključenje reed senzora. Kontaktna pera se zatvaraju kada dovedemo permanentni magnet ili elektromagnet ispod reed senzora. Isključen kontakt senzoraUključen kontakt senzora

11. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Magnetski senzori (reed senzori) • U slučaju kada sustav upravljanja zahtjeva da su kontakti reed senzora spojeni kada nema vanjskog magnetskog polja (mirni kontakt), dodaje se konstrukcijski mali permanentni magnet koji drži kontakte u spojenom stanju. Kontakti se odspajaju kada se pojavi vanjsko jače magnetsko polje. Ova vrsta senzora ima dugi vijek trajanja, veliku pouzdanost i vrlo kratko vrijeme spajanja (oko 0,2 ms ). Loše strane su što se ne može upotrebljavati u okruženju jakih magnetskih polja, predviđeni su za malu snagu (do 2 A) i osjetljivi su na vibracije. Isključen kontakt senzoraUključen kontakt senzora

12. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) Metalni predmet Izlazno pojačalo Okidni sklop Zavojnica Oscilator • Induktivni senzori • Induktivni senzor služi za detekciju metalnog objekta koji može biti feritni ili neferitni, a moguća je varijanta da senzor detektira i grafitni predmet. • Induktivni senzor sastavljen je od: zavojnice s feritnom jezgrom, oscilatora, okidnog stupnja (engl. „trigger”) i izlaznog pojačala. • Priključenjem napona na induktivni senzor oscilator napaja zavojnicu i generira visokofrekventno elektromagnetsko polje koje se rasprostire u aktivnu sklopnu zonu senzora. Ako se u tu zonu unese metalni dio u njemu se induciraju vrtložne struje koje troše energiju oscilatora, što uzrokuje prigušenje oscilatornih titraja. To se prigušenje detektira okidnim stupnjem, a pomoću izlaznog pojačala dobiva se binarni signal odgovarajuće snage koji daje informaciju o prisustvu metalnog dijela.

13. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) Izlazno pojačalo Okidni sklop Elektroda Oscilator Promatrani objekt • Kapacitivni senzori • Princip rada kapacitivnog senzora temelji se na promjenljivom kapacitetu kondenzatora ovisno o dielektričnosti prostora ispred senzora. • U okviru senzora realiziran je RC oscilator, kojemu amplitude oscilacija ovise o kapacitetu kondenzatora. • Elektrostatičko polje kondenzatora prostire se u prostoru ispred senzora. • Dolaskom promatranog predmeta u blizinu povećava se kapacitet kondenzatora, te se mijenjaju amplitude oscilacija. • Pomoću okidnog sklopa i pojačala generira se binarni izlazni signal.

14. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) Izlazno pojačalo Okidni sklop Elektroda Oscilator Promatrani objekt • Kapacitivni senzori • Kapacitivni senzori blizine ne reagiraju samo na materijale visoke vodljivosti (kao što su metali) već i na izolatore s većom dielektričkom konstantom kao što su plastika, staklo, keramika, tekućina i drvo. • Kapacitivni senzori reagiraju i na približavanje materijala čija je dielektrična konstanta nešto veća od 1 (cement, šećer, brašno, granulati), ali se u tom slučaju promatrani objekt (materijal) mora približiti više senzoru.

15. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Kapacitivni senzori • Prednosti primjene kapacitivnih senzora su: mogućnost detekcije različitih krutih materijala i tekućina, različiti načini montaže, mogućnost detekcije “kroz” materijal, neograničen broj preklapanja. • Nedostaci su: točka (udaljenost) detekcije je relativno mala i značajno ovisi o materijalu koji se detektira, velika osjetljivost na uvjete okoline (vlaga, prljavštine, ..). • Tipične primjene: detekcija razine tekućih materijala u bocama i drugim posudama, detekcija razine rasutih materijala (brašno, šećer,..), detekcija nekih predmeta u zatvorenim kutijama, ...

16. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Kapacitivni senzori • Udaljenost ukapčanja kapacitivnih senzora blizine ovisi o vrsti, duljini i debljini materijala koji se uočava. • Osjetljivost (udaljenost ukapčanja) većine kapacitivnih senzora možemo podesiti pomoću potenciometra. • Tako se može spriječiti uočavanje nekih materijala. • Na primjer, moguće je uočiti razinu vodenih otopina kroz stjenku boce, a da senzor ne reagira na stjenku boce.

17. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Optički senzori • Optički senzori temelje se na primjeni optoelektronike. • Većina senzora u sebi ima ugrađen optički predajnik (izvor svjetla) i prijamnik, a postoji varijanta kada su predajnik i prijamnik odvojeni djelovi senzora. • Princip rada temelji se na detekciji svjetlosne zrake koju generira predajnik a detektira prijamnik. • Na svom putu zraka se odbija od odgovarajućeg reflektora (ako postoji) i detektira se na prijamniku ako se na njenom putu ne nalazi promatrani objekt. • Ako zraka nailazi na promatrani objekt, zraka se „prekida” i mijenja se stanje binarnog izlaza senzora, te se na taj način detektira prisustvo objekta u promatranoj zoni. LED dioda Fototranz. Reflektor Izlazno pojačalo Logički sklop Promatrani objekt

18. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Optički senzori • Izvori svjetla su obično poluvodičke foto diode (LED) koje mogu generirati infracrveno (nevidljivo) ili vidljivo (crveno, plavo ili zeleno) svjetlo. • Kao prijamnici se obično koriste fototranzistori ili fotodiode, koji provedu kada na njih padne dovoljna količina svjetla. • Osim predajnika i prijemnika, u okviru senzora nalazi se elektronički logički sklop za modulaciju napajanja LED diode, te obradu i pojačanje izlaznog signala. LED dioda Fototranz. Reflektor Izlazno pojačalo Logički sklop Promatrani objekt

19. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Optički senzori • Najkvalitetniji izvori svjetlosti su LED diode s infracrvenom (nevidljivom) svjetlosti, jer emitiraju najviše svjetlosti i najmanje se zagrijavaju. Zbog toga se takvi senzori koriste za daljine do čak nekoliko stotina metara. • LED diode s vidljivim (crvenim, plavim ili žutim) svjetlom koriste se između ostalog u primjenama gdje se detektiraju različite boje ili kontrasti na promatranim objektima. Vidljivo Infracrveno Infracrvena LED Snaga spektra Crvena LED 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 (μm) Valna duljina

20. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Ultrazvučni senzori • Princip rada temelji se na slanju ultrazvučnih valova (kostantne brzine i frekvencije veće od 20 kHz) iz odašiljača prema promatranom objektu od kojeg se valovi odbijaju i vraćaju do prijamnika. Mjerenjem vremena za koji signal prođe od odašiljača do prijamnika, uz poznavanje brzine signala, određuje se udaljenost objekta od senzora. • Izlazni signal može biti digitalan (detektira se prisustvo objekta na određenoj udaljenosti) ili analogan kada se kontinuirano mjeri udaljenost objekta od senzora.

21. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Ultrazvučni senzori • Područja primjene ultrazvučnih senzora u procesnoj industriji su izrazito velika. Osim mjerenja udaljenosti pokretnih objekata, koriste se za mjerenje razine, protoka, debljine i sastava nekih materijala. Široko se primjenjuju i u medicini. • Osnovni dijelovi ultrazvučnog senzora blizine su: predajnik, prijamnik, elektronički sklop za obradu signala, izlazni krug. Predajnik / Prijamnik Elektronički sklop za obradu signala Izlazni krug Promatrani objekt

22. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Ultrazvučni senzori Maxim. daljina detekcije • Radno područje ultrazvučnih senzora daljine definirano je minimalnom i maksimalnom duljinom detekcije. • Minimalna daljina postoji zbog toga što predajnik zahtijeva određeno vrijeme slanja valova, koje mora biti veće od vremena refleksije tih valova. Minim. daljina detekcije • Maksimalna daljina detekcije ovisi o snazi predajnika i materijalu od kojeg se valovi reflektiraju. Materijali koji više apsorbiraju valove (guma, spužva, pamuk) imaju manju daljinu detekcije od dobro reflektirajućih materijala (staklo, metal,..). • Za kvalitetnu primjenu ultrazvučnih senzora važna je vrsta i položaj površine od koje se valovi reflektiraju. Primjerice, nije poželjno da zagrijana reflektirajuća površina zrači energiju u smjeru senzora, što značajno pogoršava točnost.

23. Predavanje 3 - EAP Senzori diskretne pozicije (senzori blizine) • Ultrazvučni senzori • Prednosti primjene ultrazvučnih senzora: • velike daljine detekcije (do 15 m), • refleksija ne ovisi o boji objekta, • mala histereza kod diskretnih senzora, • zbog konst. brzine ultrazvučnih valova analogni senzori imaju linearnu karakteristiku. • Nedostaci su: • objekt mora imati odgovarajuću površinu refleksije, • zahtjeva se odgovarajuće vrijeme putovanja vala pa je minimalno vrijeme odziva oko 0.1 s, • postoji minimalna daljina detekcije, • promjena uvjeta okoline (temperatura, vlaga, nečistoće u zraku) utječe na točnost, • objekti manje gustoće apsorbiraju valove.

24. Za kontinuirano mjerenje pozicije ili pomaka, osim ultrazvučnih senzora, moguće je koristiti i druge vrste senzora kao što su: - otpornički (poteciometarski, rastezne mjerne trake), - kapacitivni, - induktivni, - optički (linearni enkoderi) - magnetske trake • Optički senzori (linearni enkoderi) rade na istom principu kao i enkoderi za mjerenje kutne pozicije, koji su opisani kada budemo opisivali postupke i senzore za mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje. • Sada ćemo opisati otporničke, kapacitivne i induktivne senzore pomaka. Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka

25. Potenciometarski senzori • Potenciometarski senzori mogu biti linearni ili okretni. • Osjetilo pomaka spaja se na osovinu potenciometra. • Senzor se spaja u potenciometarski spoj. • Izlazni napon Uiz nije proporcionalan pomaku, tj. omjeru d/L, već je ovisan i o otporu tereta Rt. • Pogreška se smanjuje za Rt»Rp . Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka gdje su: x = d/L, omjer potenciometra Uiz – izlazni napon ekvivalentan pomaku d Rt – otpor tereta Rp – otpor potenciometra Rp U0 L d Uiz Rt

26. Potenciometarski senzori • Potenciometarski senzori mogu biti linearni ili okretni. Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka Linearni potenciometar Okretni potenciometar

27. Rastezne mjerne trake • Rastezne mjerne trake ili tenzometri (engl. straingages), osim za mjerenje pomaka, koriste se i za mjerenje naprezanja, sile, momenta, deformacije, tlaka … • Otpor mjerne trake, načinjene iz metala ili poluvodiča, mijenja se pri njenoj deformaciji. • Traka se obično lijepi na element kojemu mjerimo deformaciju ili ga koristimo kao osjetilo pomaka. Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka

28. Rastezne mjerne trake • Otpor mjerne trake na slici je: gdje je: l – duljina elementa A – poprečni presjek ρ - specifični otpor • Pod djelovanjem naprezanja otpor mjerne trake se mijenja za ΔR prema izrazu: Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka l A F l -ΔA

29. Rastezne mjerne trake • Za mjerenje malih promjena otpora trake se spajaju u različite mosne spojeve. • Ako se trake lijepe potrebno je koristiti specijalizirana ljepila, te posebnu pozornost treba posvetiti postupku lijepljenja. • U suprotnom često se kao problem javlja povećana histereza, koja je inače svojstvena rasteznim mjernim trakama. Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka

30. Induktivni senzori pomaka • Pomična kotva • Pomična kotva povezana je sa sustavom kojemu mjerimo pomak. • Za male pomake induktivitet zavojnice je , gdje je: S - presjek jezgre, l – srednja duljina magnetskih silnica, w – broj zavoja, μ0 – permeabilnost zraka, μr – relativna permeabilnost željeza, x – mjereni pomak Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka

31. Induktivni senzori pomaka • Pomična kotva • Nedostatak ovog senzora je nelinearna ovisnost induktiviteta o pomaku (x), a nelinearnost se može kompenzirati spajanjem kondenzatora paralelno zavojnici. Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka L K1 x

32. Induktivni senzori pomaka • Diferencijalni transformator • Jedan primarni i dva sekundarna namota smješteni su na šupljem izolatoru kroz koji se slobodno giba feromagnetska jezgra koja je spojena na osjetilo pomaka. • Kada je jezgra u neutralnom položaju (x = 0, kao što je na slici), inducirani naponi oba sekundarna namota su jednaki, pa je istosmjerni izlazni napon (njihova razlika) jednak nuli. • Kada se jezgra pomakne u jednu ili drugu stranu, u jednom sekundarnom namotu se inducira veći, a u drugom manji napon, te se na izlazu pojavljuje pozitivni ili negativni istosmjerni napon koji je proporcionalan pomaku jezgre x. Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka

33. Kapacitivni senzori pomaka • Kapacitivni senzori primjenjuju se za mjerenje vrlo malih pomaka reda veličine od 1μm, te za mjerenje dinamičkih pomaka frekvencije reda do 1 kHz. • Kapacitet pločastog kondenzatora dan je izrazom: gdje je ε – dialektrična konstanta dialektrika između ploča, A – površina ploča i d razmak između ploča. Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka pomično fiksno pomično fiksno fiksno pomak fiksno

34. Kapacitivni senzori pomaka • Svaka od navedenih varijabli može biti promjenljiva i služiti za mjerenje pomaka. • U svim slučajevima ovisnost kapaciteta i pomaka je nelinearna funkcija. • Najčešće korišteni način je mjerenje pomaka s promjenom razmaka između ploča (d). • Da bi se u tom slučaju postigla linearna ovisnost o pomaku koristi se tropločasti kondenzator u mosnom spoju. Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka pomično fiksno pomično fiksno fiksno pomak fiksno

35. Kapacitivni senzori pomaka • Kondenzator se sastoji iz tri ploče, od kojih je srednja pomična i vezana za element čiji se pomak mjeri. • Pomakom srednje ploče jedan kapacitet raste, a drugi se smanjuje. gdje je C0 kapacitet kondenzatora za x = 0. • Kondenzator se spaja u mjerni most tako da se dobije izlazni napon (Uiz ) koji je direktno proporcionalan pomaku srednje ploče. Predavanje 3 - EAP Senzori za kontinuirano mjerenje pomaka C1 d x C2 d C1 Uiz U0 ~ C2

36. Inkrementalni enkoder • Inkrementalni enkoderi mogu biti pravocrtni ili kutni. • Izvor svjetla (npr. foto dioda) šalje svjetlosni impuls koji prolazi kroz odgovarajuću matricu i aktivira fotoosjetljivu komponentu (npr. foto tranzistor), koja na svom izlazu daje jedinični ili nulti signal. • Kutnim ili pravocrtnim pomakom matrice (vezana za osjetilo pomaka) dobiva se niz impulsa koji se broje pomoću digitalnog brojača da bi se odredio pomak. Predavanje 3 - EAP Mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje Foto -tranzistori Izvor svjetla A B Z ω 900 A B Z A B Z

37. Inkrementalni enkoder • Danas kutni enkoderi obično imaju 6 izlaznih kanala. Osim osnovnog izlaznog signala (A), za 900 fazno je pomaknut signal (B), dok nulti signal (Z) ima jedan impuls po okretaju kojim se detektira nulti položaj. Sva tri kanala imaju i svoje invertirane kanale. • Uobičajene izvedbe enkodera imaju 512 (29), 1024 (210) i 2048 (211) impulsa po okretaju. Digitalnom obradom (binarne operacije) signala A i B može se učetverostručiti broj impulsa po okretaju, a isto tako odrediti smjer vrtnje enkodera. • Nedostatak inkrementalnih enkodera je što se kod nestanka napajanja gubi podatak o poziciji. Predavanje 3 - EAP Mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje Foto -tranzistori Izvor svjetla A B Z ω 900 A B Z A B Z

38. Inkrementalni enkoder Mjerenje brzine vrtnje pomoću enkodera • Najčešće metode za digitalno mjerenje brzine vrtnje koriste impulsne izlaze iz enkodera. • M-metoda – U točno određenom vremenu broje se impulsi iz inkrementalnog enkodera. • Metoda je prikladna za veće brzine kada se u promatranom periodu izbroji veliki broj impulsa pa moguća greška od krivo izbrojenog jednog impulsa predstavlja relativno malu pogrešku. Predavanje 3 - EAP Mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje

39. Inkrementalni enkoder • T-metoda – Mjeri se vrijeme između dva (ili više točno određenih) impulsa iz enkodera. Metoda je pogodna za mjerenje malih brzina jer se točnost mjerenja brzine (uz konstantnu rezoluciju mjerenja vremena) povećanje smanjenjem brzine, budući da se povećanje vrijeme između dva impulsa. • M/T metoda – Predstavlja kombinaciju prethodne dvije metode pri čemu se pri velikim brzinama koristi M-metoda, a pri nižim T-metoda. Metoda je značajno složenija. Predavanje 3 - EAP Mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje

40. Apsolutni enkoder • Apsolutni enkoder na svom izlazu daje n-bitni digitalni signal koji u svakom trenutku određuje poziciju rotora. • Na slikama (sljedeći slajd) je dan shematski prikaz, maska i izlazni digitalni signali 4-bitnog apsolutnog binarnog enkodera koji ima 16 (24) pozicija po jednom okretaju rotora. • Brzina vrtnje određuje se na sličan način kao i kod inkrementalnog enkodera. • Osim opisanog enkodera s klasičnim binarnim kodom postoje i enkoderi s tzv. “gray” kodom. Prednost enkodera s gray kodom je što se, za razliku od binarnog koda, kod svake promjene pozicije mijenja samo jedan bit. To povećaje njegovu robusnost, budući da pogreške (smetnje) kod promjene bita znače pogrešku samo jedne pozicije. Predavanje 3 - EAP Mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje

41. Apsolutni enkoder Predavanje 3 - EAP Mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje A B C D “gray” kod A B C D binarni kod A B C D

42. Istosmjerni tahogenerator • Istosmjerni tahogenerator je senzor brzine vrtnje analognog tipa. • Na stezaljkama daje istosmjerni napon proporcionalan brzini vrtnje: E = k·Φ·ω = k1 ·Φ·n • Tahogenerator predstavlja istosmjerni generator s konstantnom uzbudom koja je najčešće realizirana permanentnim magnetima. Predavanje 3 - EAP Mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje S N Φ E ω E ω, n