661 likes | 1.45k Views
Senzori. ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA. Senzori-uvod Podjela senzora Statičke i dinamičke karakteristike senzora Smetnje u mjernim sustavima. SADRŽAJ. Često korišteni sinonimi za senzore su: mjerni pretvornik, davač, osjetilo, mjerni član, detektor i slično.
E N D
Senzori ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA
Senzori-uvod Podjela senzora Statičke i dinamičke karakteristike senzora Smetnje u mjernim sustavima Predavanje 2 - EAP SADRŽAJ
Često korišteni sinonimi za senzore su: mjerni pretvornik, davač, osjetilo, mjerni član, detektor i slično. • Zadaća senzora je dobiti što točniju informaciju o procesnoj varijabli koja se mjeri. • U širem smislu senzor može predstavljati čitav mjerni sustav kojemu su osnovne komponente prikazane na slijedećoj slici: Predavanje 2 - EAP Senzori: osnovni pojmovi Izmjerena vrijednost Predobrada signala Obrada signala Prikaz podataka Osjetilo Točna vrijednost Upravljanje Temperatura Sila Tlak Brzina Protok Termopar Hallova sonda Piezo element Tahogenerator Tenzometar Pojačalo Kompenz. most Oscilator Djelilo napona A/D pretvornik Modul PLC-a Mikroprocesor Displej ili kazaljka instrumenta Upravljačko računalo
Predavanje 2 - EAP Primjer: sustav za mjerenje težine mV Postolje s mjernom ćelijom Rastezna traka (tenzometar) Deformacija Otpor mV V Otpornički most Pojačalo Težina (naprezanje) Osjetilo Predobrada signala Mikroprocesor (npr. line-arizacija) Display (ili D/A pretvornik) Izmjerena vrijednost A/D pretvornik Obrada signala Sustav za upravljanje (npr. betonara)
Predavanje 2 - EAP Pregled tržišta senzora po državama (2000 g.) Ostatak – 14%, 1,82 mlrd $ Japan – 28%, 3.64 mlrd $ Europa – 26%, 3.38 mlrd $ USA – 32%, 4.16 mlrd $ • Najznačajnija područja primjene senzora – 2000. god. • Automobilska industrija – 56% (brzina – 23%, temperatura – 13%, ubrzanje – 19% • pozicija – 21%, tlak – 11%, ostalo -13% ) • Industrijske primjene – 28% • Biomedicinske primjene – 8% • Računalna industrija – 7% • Potrošačka roba – 1%
Senzore je moguće klasificirati na različite načine, pa se primjerice u literaturi spominju raznorazne podjele prema: - tipu mjerne veličine, - načinu detekcije, - tipu pretvorbe, - materijalu od kojeg je napravljeno osjetilo, - tipu izlaznog signala, - … Predavanje 2 - EAP Senzori: podjela
Najčešća podjela senzora je po tipu mjerne veličine: Mehaničke (kutna i linearna pozicija, ubrzanje, sila, naprezanje, tlak, masa, protok, razina, moment, ..) Toplinske ( temperatura, toplinski tok, toplinska vodljivost, ...) Električne (naboj, struja, napon, radna i jalova snaga, ...) Magnetske (magnetsko polje, indukcija, magnetski tok, ...) Radijacijske (energija i intezitet zračenja, ...) Kemijske (koncentracija odgovarajuće kemijske komponente, ...) Optičke (amplituda, faza i brzina vala, intezitet emisije i refleksije vala, ... ) Predavanje 2 - EAP Senzori: podjela
Podjela senzora može biti i prema tome da li mjere kontinuiranu ili detektiraju diskretnu veličinu: Kontinuirani senzori – mjere veličinu u nekom mjernom području i na izlazu daju signal koji je proporcionalan mjerenoj veličini. Izlazni signal može biti strujni (4-20 mA, ±20 mA,..) ili naponski (100mV, 10V, ...) analogni signal, ili digitalni broj ukoliko senzor u sebi ima integriran A/D pretvornik i odgovarajući digitalni uređaj za daljnu obradu i prikaz signala (mikroprocesor, displej). Primjer: Senzor za mjerenje tlaka od 0-10 bara na izlazu daje signal od 4-20 mA, pri čemu 4 mA znače da je tlak 0 bara, a 20 mA da tlak iznosi 10 bara. Unutar tog područja izlazni signal se proporcionalno mijenja mjerenom tlaku. Predavanje 2 - EAP Senzori: podjela
Podjela senzora može biti i prema tome da li mjere kontinuiranu ili detektiraju diskretnu veličinu: Diskretni senzori – detektiraju kada mjerena veličina poprimi jednu vrijednost. U tom trenutku na svom izlazu mijenjaju digitalno stanje. Digitalni izlaz može biti elektronički (tranzistor), mehanički (krajnji prekidač kod mjerenja pomaka) ili elektromehanički (relejni izlaz). Primjeri: Foto-ćelija za detekciju položaja nekog predmeta, krajnji mehanički prekidač za detekciju zatvorenosti vrata, plovak za detekciju minimalne ili maksimalne razine tekućine, tlačni prekidač za upravljanje radom kompresora. Predavanje 2 - EAP Senzori: podjela
Mjerno područje (engl. range) definirano je maksimalnom i minimalnom vrijednošću mjerene varijable. Posebno se definira ulazno i izlazno mjerno područje. Primjeri - Senzori tlaka s ulaznim područjem od 0-10 bara i izlaznim od 4-20 mA. -- Termopar može imati ulazno područje od –100 do 200 0C, a izlazno od 0-10 mV. Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike
Raspon(engl. span) predstavlja razliku između maksimalne i minimalne vrijednosti ulaznog ili izlaznog mjernog područja. Primjer - Termopar s ulaznim područjem od –100 do 200 0C, a izlaznim od 0-10 mV ima ulazni raspon 300 0C, a izlazni 10 mV. Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike
Pogreška (engl. accuracy) je razlika između točne i izmjerene vrijednosti procesne varijable. Najčešće se prikazuje kao: - apsolutna pogreška je maksimalna pogreška bez obzira na mjerenu vrijednost, npr. ± 10C ili ± 0,1 bar - postotna pogreška u odnosu na izmjerenu vrijednost - postotna pogreška u odnosu na cijeli mjerni opseg (raspon) Primjer Apsolutna pogreška od 10C kod mjerenja temperature od 100 0C može se prikazati kao pogreška 1% od mjerene vrijednosti ili pogreška od 0,33% od mjernog opsega 3000C (ako je mjerno područje od –100 do 2000C). Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike
Linearnost (engl. linearity) – Idealna linearna karakteristika senzora može se opisati kao: gdje je: x - mjerena procesna varijabla, y – idealna izlazna vrijednost, a, b – parametri linearne karakteristike. Ako je y* stvarna izmjerena vrijednost onda je nelinearnost: Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike y Stvarna karakteristika Maksimalna nelinearnost x N x
Maksimalna nelinearnost je najveća razlika između izmjerene vrijednosti i idealne linearne karakteristike. Ako je nelinearnost poznata može se linearizirati analognim ili digitalnim putem. Danas se češće koristi digitalna linearizacija, pri čemu se snimljena nelinearna karakteristika zapiše u memoriju mikroračunala, a primjenjuje se postupak linearne interpolacije između snimljenih točaka. Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike y Stvarna karakteristika Maksimalna nelinearnost x N x
Nepromjenljivost mjerenja je često važnija od točnosti. Npr. rezanje ukupne dužine šine od 100 m na jednake djelove. Nepromjenjivost mjerenja definirana je ponovljivošću i histerezom. • Ponovljivost je definirana razlikom rezultata mjerenja dobivenih uzastopnim mjerenjem procesne veličine u istoj radnoj točki. • Pritom se mjerenja moraju provesti na isti način. Npr. ako se ukupna težina od 5 različitih komada mjeri 10 puta, svaki put se ti komadi na vagu moraju stavljati istim redoslijedom. Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike
Histereza se dobiva u slučaju kada mjerena vrijednost ovisi da li mjerena varijabla raste ili pada u odnosu na prethodnu vrijednost. • Histereza je razlika između te dvije vrijednosti. • Primjer Sumarno mjerenje težine više različitih komada tereta. Ako se mjeri ukupna težina dva komada tereta može se dobiti različita vrijednost ovisno o tome da li se teret povećavao (prvo smo stavili prvi komad pa onda drugi) ili smanjivao (imali smo tri komada pa smo skinuli jedan komad). Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike y Histereza -h Maksimalna histereza x
Rezolucija mjerenja predstavlja najveću promjenu varijable koja se ne može mjeriti, ili se može definirati kao najmanji iznos varijable koju je moguće mjeriti. • Primjer – mjerenje pozicije pomoću žičanog potenciometra. Najmanji mjerljivi iznos je jedan zavoj potenciometra. Ako ulazno mjerno područje kuta iznosi 900 a potenciometar ima ukupno 180 zavoja, rezolucija mjerenja iznosi 90/180=0.50. Drugi primjer je upotreba A/D pretvornika za digitalno prikazivanje mjerene veličine. Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike y Rezolucija x
Zona neosjetljivosti (engl. dead –band) predstavlja dio mjernog područja u kojemu se za promjenu mjerene varijable na izlazu senzora dobiva nulti signal. • Pojas pogreške – U mnogim primjenama teško je sve prethodno navedene karakteristike mjeriti, pa se u posljednje vrijeme često definira ukupna pogreška ili pojas pogreške koji uzima u obzir sve navedene pogreške. Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike y x Dead-band y Stvarna karakteristika Pojas pogreške Idealna karakteristika x
Utjecaj okoline – Točnost senzora deklarira se za točno definirane uvjete okoline, kao što su npr. konstantna vanjska temperatura, napon napajanja, tlak zraka, relativna vlažnost, ... • Utjecaj okoline obično se definira kao postotna pogreška točnosti za određenu promjenu okoline. • Ta se pogreška može manifestirati kao pomak karakteristike oko nule (tzv. drift) ili kao promjena osjetljivosti pri čemu se mijenja nagib karakteristike. Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike y x a) Pomak oko nule y x b) Promjena osjetljivosti
Utjecaj okoline – Točnost senzora deklarira se za točno definirane uvjete okoline, kao što su npr. konstantna vanjska temperatura, napon napajanja, tlak zraka, relativna vlažnost, ... • Utjecaj okoline obično se definira kao postotna pogreška točnosti za određenu promjenu okoline. • Ta se pogreška može manifestirati kao pomak karakteristike oko nule (tzv. drift) ili kao promjena osjetljivosti pri čemu se mijenja nagib karakteristike. Predavanje 2 - EAP Senzori: statičke karakteristike Primjer: Senzor za mjerenje magnetske indukcije –tip HGT-2010
Kada je mjerni član dio sustava upravljanja, osim statičkih karakteristika, važne su i njegove dinamičke karakteristike. • Dinamičke karakteristike senzora definiraju se u vremenskom i frekvencijskom području. • U vremenskom području dinamičke karakteristike se definiraju preko prijelazne funkcije koja predstavlja vremenski odziv izmjerene veličine (y) na skokovitu promjenu mjerene varijable (x). Predavanje 2 - EAP Senzori: dinamičke karakteristike
Na slici su prikazane karakteristične prijelazne funkcije: funkcija y1predstavlja odziv sustava prvog reda (npr. senzor temperature), a y2je odziv sustava višeg reda (npr. senzor protoka) • Obično se definira vrijeme porasta (engl. rise time - tr) koje predstavlja vrijeme za koje izmjerena veličina poprimi 90% stacionarne vrijednosti. • Za mjerne članove s prijelaznom funkcijom prvog reda definira se vremenska konstanta : Predavanje 2 - EAP Senzori: dinamičke karakteristike Prijelazna karakteristika y ym x 0.9ym y1 0.63ym y2 t tr2 tr1
Predavanje 2 - EAP Senzori: dinamičke karakteristike • Za prikaz u frekvencijskom području često se daju amplitudna i fazna frekvenc. karakteristika. • Ponekad se samo definira gornja granična frekvencija (engl. upper cutoff frequency - fc) pri kojoj normalizirano pojačanje iznosi – 3dB. • Za mjerne članove s prijelaznom funkcijom prvog reda postoji veza između gornje granične frekvencije i vremenske konstante: • Rezonantna frekvencija se pojavljuje kod mjernih članova drugog ili višeg reda. Radna frekvencija senzora treba biti ispod 60% rezonantne frekvencije. Fazna karakteristika 0 0 db - 600 -20 -40 -1200 Amplitudna karakteristika -60 -1800 Hz 0.1 1 10 100 1000
Predavanje 2 - EAP Senzori: dinamičke karakteristike Primjer: Akcelerometar za mjerenje ubrzanja kod vibracija Tip: CMCP 1100 • Za prikaz u frekvencijskom području često se daju amplitudna i fazna frekvenc. karakteristika. • Ponekad se samo definira gornja granična frekvencija (engl. upper cutoff frequency - fc) pri kojoj normalizirano pojačanje iznosi – 3dB. • Za mjerne članove s prijelaznom funkcijom prvog reda postoji veza između gornje granične frekvencije i vremenske konstante: • Rezonantna frekvencija se pojavljuje kod mjernih članova drugog ili višeg reda. Radna frekvencija senzora treba biti ispod 60% rezonantne frekvencije.
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Izvori smetnji • Smetnje (šumovi) pojavljuju se u principu kod svakog mjernog sustava, a kvaliteta tog sustava ovisi o tome koliko taj šum utječe na točnost mjerenja. • Prema mjestu nastanka šum se u mjernim sustavima može podijeliti na unutarnji šum (engl. Internal noise) i vanjskišum (engl.Interference noise). • Unutarnji šum • Pojavljuje se unutar mjernog osjetila bez obzira kako kvalitetno je ono izvedeno. U pravilu se taj šum ne može eliminirati. Primjerice, kod otporničkih i poluvodičkih osjetila pojavljuje se toplinski ili Johnsonov šum kao posljedica stohastičkog gibanja elektrona ovisno o radnoj temperaturi.
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Izvori smetnji – unutarnji šum • Efektivna vrijednost napona šuma u frekvencijskom području mjernog člana je: • gdje je: • k – Boltzmannova konstanta, k=1.38·10-23 J/K; Primjer: • R - otpor mjernog osjetila, [Ω], R=1MΩ, Δf =1MHz, Θ=300 K • Δf – frekvencijsko područje mjernog člana, [Hz], URMS=0,13 mV • Θ – radna temperatura, [K].
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Izvori smetnji – vanjski šum • Vanjski (interferencijski) šum • To je šum koji u mjerni sustav dolazi izvana. • Najčešći izvor vanjskog šuma je izmjenična niskonaponska energetska mreža (380/220 V, 50 Hz) koja u mjerni sustav unosi sinusni signal smetnje. • Istosmjerna mreža u pravilu ne unosi šum jer nema elektromagnetske indukcije (di/dt=0), ali uklapanje i isklapanje struje u takvim krugovima može unijeti šum. • Vanjski izvori šuma mogu biti radio-frekvencijski uređaji, energetski pretvarači, elektrolučne peć, koji unose šum frekvencije do nekoliko MHz. • Vanjski šum na mjerni sustav može djelovati induktivnim ili kapacitivnim putem.
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Izvori smetnji – vanjski šum • Induktivno djelovanje • Ako je mjerni krug u blizini izmjeničnog energetskog električnog kruga, može se pojaviti međuinduktivno djelovanje. Izmjenična struja energetskog kruga (i) inducira u mjernom krugu serijski napon smetnje iznosa: • Primjer: M ≈1μH, di/dt ≈103A/s, USM ≈1mV i Energetski krug 220 V 50 Hz ~ Teret M Senzor Mjerni krug Teret
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Izvori smetnji – vanjski šum • Kapacitivno djelovanje • Kapacitivno (elektrostatičko) djelovanje pojavljuje se kada je mjerni krug u blizini energetskog voda. Između energetskog voda, uzemljivačkog voda i mjernog kruga može se pojaviti kapacitivno djelovanje. • Kapaciteti su raspodijeljeni po čitavoj duljini mjernog voda, ali se mogu nadomjestiti odgovarajućim koncentriranim djelovanjem. • Potencijali u točkama B i E, zanemarujući napon senzora, iznose: Energetski vod 220 V 50 Hz C1 B C3 C2 Senzor Teret E C4 Uzemljenje
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Izvori smetnji – vanjski šum • Kapacitivno djelovanje • Kao posljedica kapacitivnog djelovanja pojavljuje se napon smetnje: Energetski vod 220 V 50 Hz C1 B C3 C2 Senzor Teret E C4 Uzemljenje
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Izvori smetnji – vanjski šum • Višestruko uzemljenje • Često se pretpostavlja da uzemljenje u svakoj točki ima jednak potencijal 0V. Međutim, energetski uređaji velikih snaga mogu prouzročiti protjecanje struje kroz uzemljenje što ima za posljedicu pojavu različitih potencijala u točkama uzemljenja. • Ako bi mjerni član bio potpuno odvojen od uzemljenja, ne bi bilo nikakvog djelovanja na njega. • U stvarnosti se može dogoditi da jedan član mjernog kruga ima konačan otpor prema jednoj točki, a drugi prema drugoj koja je na različitom potencijalu. • Posljedica: u mjernom sustavu se pojavljuju naponi smetnje.
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Izvori smetnji – vanjski šum • Višestruko uzemljenje • Problem je ilustriran na slici. Napon smetnje se javlja kao pad napona na donjem vodu mjernog kruga: • U praksi se nastoji postići da su ZSE i ZRE što veći, a to nije uvijek moguće ostvariti. • Zaključak: Ako se mjerni sustav mora uzemljiti, uzemljenje se smije izvesti samo na jednom kraju. Rv /2 Mjerni krug Teret Senzor Rv /2 R S ZRE ZSE ZE UE
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Fizičko udaljavanje • Iznosi međuinduktiviteta i kapaciteta između energetskog i mjernog kruga obrnuto su proporcionalni njihovoj udaljenosti, što znači da pri projektiranju postrojenja s mjernim sustavima treba nastojati postići što veću udaljenost između tih krugova. • Uplitanje mjernih vodova • Najjednostavniji način smanjenja induktivnih smetnji je uplitanje mjernih vodova. • Dva vodiča mjernog kruga međusobno se upletu tako da sve petlje imaju približno jednake površine, pa se inducirani naponi u dvije susjedne petlje ponište. x y z Teret Senzor Uxy Uyz
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Oklapanje mjernih vodova • Oklapanjem mjernih vodova smanjuje se kapacitivno djelovanje na mjerni sustav. • Metalni oklop (plašt) mora se uzemljiti, ali samo u jednoj točki. Nema izravnog spoja između mjernog kruga i plašta. Postoji samo visokoomska kapacitivna veza preko kapaciteta CSM. • Oklop predstavlja niskoomski otpor za struju i, pa su struje kroz CSM i CE male. Energetski vod 220 V 50 Hz i i CS i Oklop CSM CS CE Senzor CSM CE 2i i Uzemljenje
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Oklapanje mjernih vodova • Zbog zanemarivih struja kroz kapacitete između oklopa i vodova mjernog kruga, smanjuju se kapacitivne smetnje u mjernom krugu. • Obično je osjetilo senzora smješteno u kućište, a za prijenos signala koriste se oklopljeni kabeli. Oklop kabela može se spojiti na kućište senzora koje je uzemljeno, ali oklop ne smije biti uzemljen i na drugom kraju. Oklop kabela Osjetilo Teret Kućište
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Oklapanje mjernih vodova • Suvremeni automatizirani sustavi često sadrže čitav niz senzora koji su povezani s jednim kontrolerom (PLC). U tom slučaju preporuča se uzemljenje oklopa svih signalnih kabela u jednoj zajedničkoj točki na kontroleru. Kontroler (PLC) Senzori Senzori
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Oklapanje mjernih vodova • Kod nekih senzora oklop mora biti spojen na kućište koje se uzemljuje radi sigurnosnih razloga. U tom slučaju najbolje je galvanski odvojiti (izolirati) krug senzora od kontrolera. U tu svrhu ugrađuje se izolacijski sklop – optoizolator. Kontroler (PLC) Izolacijski krug
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Izolacijski krugovi • Izolacijski krug ima zadaću vjerno prenijeti analogni ili digitalni signal i galvanski ga odvojiti od ulaznog kruga. • Izolacijski krugovi posebno su važni radi zaštite kontrolera. U slučaju da se na senzorima pojave visoki naponi koji mogu uništiti senzor, izolacijski krug ih ne prenosi i na taj se način štiti kontroler. • Za galvansko odvajanje analognih signala moguće je koristiti induktivne i optičke izolacijske krugove. • Kod induktivnog izolacijskog kruga ulazni signal modulira interno generiran visokofrekvencijski signal. Taj se signal prenosi preko transformatora, a u sekundarnom krugu nalazi se demodulator koji rekonstruira ulazni signal.
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Izolacijski krugovi Demodulator Modulator
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Izolacijski krugovi • Kod linearnog optičkog izolatora ulazni signal se pojačava i dovodi na LED diodu koja emitira svjetlo propocionalnu ulaznom signalu. Izlazni fototranzistor prima optički signal od LED diode i pretvara ga u naponski signal koji je proporcionalan ulaznom signalu i galvanski je odvojen od njega. Proporcionalnost ulaznog i izlaznog signala postignuta je koristeći drugi fototranzistor u povratnoj vezi pojačala. + LED
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Izolacijski krugovi • Jednostavniji optički krug koristi se za prenos i galvansko odvajanje digitalnog signala. Na slici je prikazana pojednostavljena shema jednog digitalnog optoizolatora. Kada ulaz digitalnog I sklopa (TTL) poprimi stanje “0” isti se signal pojavi i na njegovu izlazu, pa LED dioda provede i emitira svjetlo koje omogućuje da izlazni fototranzistor provede. Njegov izlaz (kolektor) poprima stanje logičke “0”, što odgovara i ulaznom signalu. 1 kΩ 1 kΩ 5 V LED 5 V 5 V
Predavanje 2 - EAP Senzori: smetnje i njihovo smanjenje • Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sustave • Ostale metode za smanjivanje smetnji • Korištenje diferencijalnih pojačala • Filtriranje mjernih signala • Usrednjavanje signala • Modulacija signala