Ogólna charakterystyka wybranych elementów wykonawczych i pomiarowych w obiektach regulacji i sterowania w inżynierii śr

1. Ogólna charakterystyka wybranych elementów wykonawczych i pomiarowych w obiektach regulacji i sterowania w inżynierii środowiska Wykład 5

2. z regulator +_ e u y w urządzenie wykonawcze obiekt regulacji obiekt regulacji ym y element pomiarowy ELEMENTY WYKONAWCZE I POMIAROWE AUTOMATYKI Schemat blokowy układu regulacji

3. Urządzenia wykonawcze • Urządzenie wykonawcze = element napędowy + element wykonawczy Urządzenie wykonawcze + element wykonawczy element napędowy

4. ELEMENTY WYKONACZE • Element wykonawczy jest to urządzenie wymuszające zmiany wielkości regulowanej. W przypadku układów regulacji i sterowania w inżynierii środowiska elementem wykonawczym jest najczęściej: • pompa, • wentylator, • podajnik, • przepustnica powietrza, • zawór regulacyjny.

5. Konstrukcje zaworów regulacyjnych przelotowych (jednodrogowych)

6. Elementy wykonawcze w węźle ciepłowniczym Zawór regulacyjny Pompa

7. c.w.u. Zco Zcw 5 WCWII WCO LC2 c.o. cyrk. 6 1 2 WCWI sieć ΔpRRC LC1 ZRRC 3 w.z. 4 Zastosowanie zaworów przelotowych – węzeł ciepłowniczy Zawór regulacyjny

8. Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b) rozdzielający

9. Sposoby montażu zaworów trójdrogowych a) zawór mieszający, b) zawór mieszający pełniący funkcję zaworu rozdzielającego, c) zawór rozdzielający

10. T T T H H T P T P T T T T STB T M STB T T Zastosowanie zaworów regulacyjnych trójdrogowych w kotłowni Zawór regulacyjny

11. y=ti T uch y w ug Zastosowanie zaworów regulacyjnych trójdrogowych w wentylacji (mieszający i rozdzielający)

12. 6-drogowy kulowy zawór regulacyjny

13. 6-drogowy kulowy zawór regulacyjny – przykład zastosowania

14. Napędy W inżynierii środowiska najczęściej stosowanymi napędami są: • siłowniki zaworów i przepustnic, • silniki pomp i wentylatorów. Siłowniki służą do zmiany stopnia otwarcia zaworów i przepustnic a silniki do utrzymania stałej lub zmiennej prędkości obrotowej pomp i wentylatorów.

15. Jako napędy zaworów regulacyjnych stosuje się a) w układach nieelektrycznych siłowniki: mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne, b) w układach elektrycznych siłowniki: elektryczne, elektrohydrauliczne, termoelektryczne, elektromagnetyczne, Napędy zaworów regulacyjnych

16. Siłownik mechaniczny • W technice z zakresu inżynierii środowiska siłowniki mechaniczne stosowane są do regulacji poziomu cieczy jako element pływakowego regulatora bezpośredniego działania, gdzie zmiany poziomu, mierzone czujnikiem pływakowym, są przenoszone za pomocą dźwigni mechanicznej na ruchy grzybka zaworu regulacyjnego.

17. Siłownik hydrauliczny • Siłownik hydrauliczny wyposażony jest w otwartą (a) lub zamkniętą (b) komorę wypełnioną cieczą manometryczną. Zmiana ciśnienia w komorze siłownika powoduje ruch membrany lub mieszka połączonego z grzybkiem i zmiany stopnia otwarcia zaworu.

18. ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW REGULACYJNYCH

19. ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW W siłownikach elektrycznych energia elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną, która wykorzystywana jest do napędzania elementu nastawczego. Trzpień siłownika napędzany jest silnikiem za pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o dużym przełożeniu (zmniejszenie prędkości) oraz przekładni ślimakowej zamieniającej ruch obrotowy w ruch posuwisty.

20. SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNEna przykładzie firmy Landis & Gyr. • Energia elektryczna w tym siłowniku służy do napędu pompy tłokowej (3) przetłaczającej olej ze zbiornika (1) nad tłokiem (2) siłownika do cylindra pod tłokiem. • Ciśnienie oleju pokonując opór sprężyny (4) powoduje przemieszczanie się przymocowanego do cylindra trzpienia siłownika (6). • Otwarcie zaworu elektromagnetycznego (5) na przewodzie upustowym do zbiornika (1) powoduje wyciskanie przez sprężynę powrotną (4) oleju spod powierzchni tłoka i przemieszczanie się trzpienia (6) siłownika w kierunku przeciwnym.

21. SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE • Elektrohydrauliczne elementy napędowe dobrze odpowiadają wymaganiom elementów nastawczych, gdyż umożliwiają łatwe realizowanie dużych sił i powolnego ruchu elementu nastawczego. • Siłowniki elektrohydrauliczne rozwijają dużą siłę nacisku w porównaniu z siłownikami elektrycznymi z zębatą przekładnią mechaniczną. • Siłowniki elektrohydrauliczne są wielokrotnie lżejsze od elektrycznych przy tej samej mocy.

22. SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE • Siłowniki termoelektryczne powstały przez modyfikację termostatów przygrzejnikowych. • W siłownikach tych sprzężony z trzpieniem (3) element (2) zamykający zawór zwiększa swoją objętość przez podgrzewanie przy pomocy grzałki elektrycznej (1). Wzrost temperatury powoduje przemieszczanie się trzpienia siłownika i zamykanie zaworu. • Wyłączenie zasilania elektrycznego powoduje ochładzanie siłownika i otwieranie zaworu. • Siłownik ma w zasadzie działanie dwustawne. Jednak ze względu na czas potrzebny do podgrzania i ponownego schłodzenia siłownika działanie to przyjmuje charakter quasiciągły.

23. SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE Zasada działania siłownika (cewki elektromagnetycznej) polega na wykorzystaniu siły działającej na materiał ferromagnetyczny w polu magnetycznym. Pole magnetyczne wytwarzane w rdzeniu wskutek przepływu prądu przez cewkę elektryczną (1) powoduje powstanie siły działającej na rdzeń (3). Rdzeń przesuwa się, powodując przestawianie połączonego z nim grzybka zaworu (5). Po wyłączeniu zasilania cewki rdzeń i połączony z nim grzybek przesuwany jest pod wpływem sprężyny (4) w położenie pierwotne.

24. SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE W zależności od rodzaju uzwojenia cewki (lewoskrętne lub prawoskrętne) oraz usytuowania sprężyny, zawory mogą być otwarte lub zamknięte w stanie beznapięciowym.

25. Elementy wykonawcze Przepustnice regulacyjne powietrza • Przepustnice regulacyjne lub nastawcze stosuje się w instalacjach powietrznych do zmian ilości lub ciśnienia powietrza w zależności od zadanych wielkości np. temperatury, prędkości, ciśnienia. • Są one jednoelementowe lub wieloelementowe, te zaś dzielą się na: • przepustnice żaluzjowe z łopatkami współbieżnymi, • przepustnice żaluzjowe z łopatkami przeciwbieżnymi.

26. Przepustnice jednoelementowe i wieloelementowe

27. Zastosowanie przepustnic • Przepustnice do zewnętrznego powietrza i powietrza wywiewanego na początku i końcu instalacji służą do zamykania i mają z tego względu mają działanie dwupozycyjne zamknięty-otwarty. • Przepustnice dławiące do zmiany ilości powietrza powinny z reguły posiadać przeciwbieżne łopatki.

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

29. Przepustnica obejściowa dla wymiennika ciepła • Przepustnice obejściowe powinny mieć opór przy otwarciu w przybliżeniu równy oporowi drugiej przepustnicy powiększonej o opór wymiennika ciepła, tak aby ilość powietrza pozostawała w przybliżeniu stała (zwężenie, duża prędkość).

30. Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych Do napędu przepustnic są stosowane siłowniki elektryczne, w których element nastawczy wykonuje ruch obrotowy w zakresie 0 do 90.

31. Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych Dobierając siłownik przepustnicy należy zwrócić uwagę na: • Moment obrotowy. Minimalna wartość tego momentu w [Nm] powinna być równa co najmniej pięciokrotnej wartości pola powierzchni czołowej przepustnicy w [m2]. • Napięcie zasilania. Napięcie zasilania 24 V lub 230 V powinno być dostosowane do napięcia stosowanego w układzie regulacji. • Sygnał sterujący. Siłowniki przepustnic mogą być sterowane sygnałem zamknij/otwórz (dwustawnie), sygnałem krokowym - pulsacyjnym (trójstawnie), proporcjonalne - sygnałem analogowym (0÷10V) lub binarnie np. magistralą LonWorks. • Funkcja bezpieczeństwa. Przepustnice, które muszą być zamykane lub otwierane po zatrzymaniu urządzenia wentylacyjnego powinny być wyposażane w siłowniki ze sprężyną powrotną.

32. Podział i rodzaje czujników Automatyzacja instalacji w inżynierii środowiska wymaga zastosowania czujników służących do pomiaru takich wielkości jak: • temperatura, • ciśnienie, • wilgotność, • prędkość przepływającego medium, • strumień objętości, • strumień ciepła, • entalpia, • jakość powietrza, • zawartość CO2, • poziom cieczy, • ruch, • obecność itp.

33. 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.

34. CZUJNIKI REZYSTANCYJNE • W typowych układach z regulatorami cyfrowymi stosowane są czujniki rezystancyjne z elementami zmieniającymi swoją oporność elektryczną przy zmianie temperatury. • Są to przeważnie oporniki drutowe lub warstwowe z platyny lub niklu, jak również specjalne elementy półprzewodnikowe – termistory. • Opór elektryczny czujnika rezystancyjnego oznaczonego w literaturze symbolem RTD (ang. Resistance Temperature Device) zależy od temperatury, wzrasta z temperaturą. • Termometry rezystancyjne robione są najczęściej z platyny i niklu. • Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do mechanicznej trwałości i kosztu.

35. Czujniki rezystancyjne platynowe • Są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ platyna jest najbardziej trwała i odporna na korozję. • Termometrem platynowym do dokładnych pomiarów jest termometr Pt1000, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0°C wynosi 1000 Ω (R0= 1000 Ω).

36. Czujniki rezystancyjne platynowe • Termometr rezystancyjny platynowy: • z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, • z uzwojeniem nawiniętym na zewnątrz, • cienkowarstwowy

37. Czujniki rezystancyjne platynowe Rysunek a: Czujnik z platynowym uzwojeniem 1, umieszczonym w okrągłych studniach wywierconych w ceramicznej obudowie 2, uzwojenie uszczelnione jest w obudowie szklanym szczeliwem 3. Termometr tego typu przystosowany jest raczej do wyższych temperatur. Rysunek b: Typ czujnika o prostej konstrukcji stosowany do pomiaru temperatury umiarkowanego środowiska termicznego. Na pręcie ceramicznym 2 nawinięte jest uzwojenie platynowe 1 (z przyspawanymi przewodami zewnętrznymi 4 w obrębie czujnika), które jest pokryte szklaną polewą 5.

38. Czujniki rezystancyjne platynowe cienkowarstwowe • Na rysunku c pokazano konstrukcję czujników platynowych temperatury firmy Heraeus Sensor-Nite (ang. New Innovative Technologies for the Environment). • Czujnik zawiera (wykonaną techniką fotolitograficzną) cienką warstwę platynowego rezystora 1 naniesioną na płytkę 2 pokrytą tlenkiem glinu Al2O3, którą przykrywa płytka szklana 3 z wtopionymi stykami 4 i przewodami 5. • Dla uszczelnienia strefę styków 4 przykrywa warstwa 6 z pasty szklano-ceramicznej.

39. Termistory • Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w postaci tlenków metali: chromu, manganu, żelaza, kobaltu, niklu i miedzi. • Małe stałe czasowe oraz duża dokładność przyczyniła się do szerokiego stosowania tych czujników. • Dzięki wysokiej wartości oporności nie wymagają układów kompensacji oporności linii łączącej czujnik z regulatorem, co znacząco obniża koszt okablowania układu automatyki. • Termistory typu NTC (ang. Negative Temperature Coefficient) charakteryzują się dużym jednostkowym spadkiem oporu elektrycznego przy wzroście temperatury. • Przykładowa charakterystyka czujnika NTC – patrz tabela poniżej.

41. Czujnik do pomiaru temperatury powietrza w kanale (kanałowy)

42. CZUJNIKI ZANURZENIOWE – POMIAR TEMPERATURY CIECZYSPOSÓB MONTAŻU

43. CZUJNIK PRZYLGOWYSPOSÓB MONTAŻU

44. Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza oraz czujnik temperatury z nastawnikiem

45. ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW POMIESZCZENIOWYCH

46. Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego Zalecenia dotyczące lokalizacji czujnika temperatury powietrza zewnętrznego w systemach ogrzewania budynków

47. ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI Czujnik kanałowy i pomieszczeniowy

48. 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.

49. ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI a) Czujnik rezystancyjny Dumnore'a, b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu: model struktury czujnika i układ zastępczy czujnika.

50. Czujnik rezystancyinyDunmor'a • Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę pokrytą warstwą z utrwalonym 2 do 5% roztworem chlorku litu.