2 fa1 a.osmanovic osnovni pojmovi - senzorika

dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical [email protected] / [email protected]

Fleksibilna Automatika IMainski fakultet / Proizvodno mainstvo Mehatronika / 2014-15

Predavanje 2 Predavanje 2 Predavanje 2 Predavanje 2 Osnovni pojmovi - senzorika

dr.sc. Almir Osmanovi, doc.

Mainski fakultet Tuzla / Mehatronika / Mainska automatika i robotika

1


2

1.1. Osnovni pojmovi

- esto koriteni sinonimi za senzore su: mjerni pretvornik, dava, osjetilo, mjerni lan, detektor i slino.

- Zadaa senzora je dobiti to toniju informaciju o procesnoj varijabli koja se mjeri.

- U irem smislu senzor moe predstavljati itav mjerni sistem kojemu su osnovne komponente prikazane na slijedeoj slici:

Osjetilo Predobradasignala

Obradasignala

Prikaz podataka

Tana vrijednost

Izmjerena vrijednost

Upravljanje

TemperaturaSila

Pritisak

Brzina

Protok

TermoparHallova sondaPiezo element

TahogeneratorTenzometar

PojaaloKompenz. most

OscilatorDjelilo napona

A/D pretvornikModul PLC-aMikroprocesor

Upraljaki kompjuter

Displej ili kazaljka instrumenta


3

Primjer: Sistem za mjerenje teine

Postolje s mjernom elijom

Rastezna traka

(tenzometar)TeinaDeformacija(naprezanje)

Otpornikimost

OtporPojaalomV

A/D pretvornik

Mikroprocesor(npr. line-arizacija)

Sustav za upravljanje (npr. betonara)

Display (ili D/A

pretvornik)Izmjerena vrijednost

Obrada signala

Predobrada signalaOsjetilo

V

mV


4

1.2. Pregled trita sensora


5

1.3. Podjela senzora

Podjela senzora nije jednostavna i vri se u odnosu na: vrstu izlaznog signala,

prirodu mjerne veliine,

princip rada gabarite,

prirodu izlazne veliine,

Klasifikacija prema prirodi mjerenje veliine dijele se na:

Toplotni se koriste za mjerenje temperature, toplotnog kapaciteta .... Mehaniki se koriste za mjerenje sile i momenta, pritiska... Kinematiki se koriste za mjerenje linearnog i ugaonog ubrzanja i brzine .... Geometrijski se koriste za mjerenje poloaja (koordinata) tijela razmjere, nivoa ... Radijacijski se koriste za mjerenje intenziteta nuklearnog, elektromagnetnog zraenja ... Vremenski se koriste za mjerenje vremenskog perioda i frekvencije. Elektrini se koriste za mjerenje elektromotorne sile, struje, otpora ... Hemijski senzori se koriste za mjerenje hemijskog sastava ... Fizikalni senzori se koriste za mjerenje mase, gustine, vlanosti, tvrdoe ...


6

Klasifikacija senzora prema principu rada

Aktivni senzori mogu biti: Indukcioni,

Elektromagnetni,

Elektrodinamiki,

Piezoelektrini,

Piroelektrini,

Termoelektrini,

Fotoelektrini.

Pasivni senzori se dijele na: Induktivne,

Otpornike,

Kapacitivne.

Hemijski senzori mogu biti: Polarizacioni,

Hemijsko-elektrini,

Impedantni.


7

- Podjela senzora moe biti i prema tome da li mjere kontinuiranu ili detektiraju diskretnu veliinu:

- Kontinuirani senzori mjere veliinu u nekom mjernom podruju i na izlazu daju signal koji je proporcionalan mjerenoj veliini.

- Izlazni signal moe 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 odgovarajui digitalni ureaj za daljnu obradu i prikaz signala (mikroprocesor, displej).

Primjer: Senzor za mjerenje pritiska od 0-10 bara na izlazu daje signal od 4-20 mA, pri emu 4 mA znae da je pritisak 0 bara, a 20 mA da pritisak iznosi 10 bara. Unutar tog podruja izlazni signal se proporcionalno mijenja mjerenom pritisku.


8

- Diskretni senzori detektiraju kada mjerena veliina poprimi jednu vrijednost. U tom trenutku na svom izlazu mijenjaju digitalno stanje.

- Digitalni izlaz moe biti elektroniki (tranzistor), mehaniki (krajnji prekida kod mjerenja pomaka) ili elektromehaniki (relejni izlaz).

Primjeri: Foto-elija za detekciju poloaja nekog predmeta, krajnji mehaniki prekida za detekciju zatvorenosti vrata, plovak za detekciju minimalne ili maksimalne razine tekuine, tlani prekida za upravljanje radom kompresora.


9

1.4. Karakteristike sensora

- Mjerno podruje definirano je maksimalnom i minimalnom vrijednou mjerene varijable(promjenljive).

- Posebno se definira ulazno i izlazno mjerno podruje.

Primjeri:Senzori pritiska s ulaznim podrujem od 0-10 bara i izlaznim od 4-20 mA. Termopar moe imati ulazno podruje od 100 do 200 0C, a izlazno od 0-10 mV.

- Raspon predstavlja razliku izmeu maksimalne i minimalne vrijednosti ulaznog ili izlaznog mjernog podruja.

Primjer Termopar s ulaznim podrujem od 100 do 200 0C, a izlaznim od 0-10 mV ima ulazni raspon 300 0C, a izlazni 10 mV.


10

- Pogreka je razlika izmeu tane i izmjerene vrijednosti procesne varijable. Najee se prikazuje kao:

apsolutna pogreka je maksimalna pogreka bez obzira na mjerenu vrijednost, npr. 10oC ili 0,1 bar,

postotna pogreka u odnosu na izmjerenu vrijednost, postotna pogreka u odnosu na cijeli mjerni opseg (raspon).

Primjer:Apsolutna pogreka od 10oC kod mjerenja temperature od 100 oC moe se prikazati kao pogreka 1% od mjerene vrijednosti ili pogreka od 0,33% od mjernog opsega 300oC (ako je mjerno podruje od 100 do 200oC).


11

- Linearnost Idealna linearna karakteristika senzora moe 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: =

y a x b= +

x

y

Stvarna karakteristika

Maksimalna nelinearnost

y *

x

N

- Maksimalna nelinearnost je najvea razlika izmeu izmjerene vrijednosti i idealne linearne

karakteristike.

- Ako je nelinearnost poznata moe se lineariziratianalognim ili digitalnim putem.

- Danas se ee koristi digitalna linearizacija, pri emu se snimljena nelinearna karakteristika zapie u memoriju mikroraunala, a primjenjuje se postupak linearne interpolacije izmeu snimljenih toaka.


12

- Nepromjenljivost mjerenja je esto vanija od tanosti.

- Primjer: rezanje ukupne duine ine od 100 m na jednake dijelove.

- Nepromjenjivost mjerenja definirana je ponovljivou i histerezom.

- Ponovljivost je definirana razlikom rezultata mjerenja dobivenih uzastopnim mjerenjem procesne veliine u istoj radnoj taki.

- Pritom se mjerenja moraju provesti na isti nain.

- Primjer: ako se ukupna teina od 5 razliitih komada mjeri 10 puta, svaki put se ti komadi na vagu moraju stavljati istim redoslijedom.


13

- Histereza se dobiva u sluaju kada mjerena vrijednost ovisi da li mjerena varijabla raste ili pada u odnosu na prethodnu vrijednost.

- Histereza je razlika izmeu te dvije vrijednosti.

Primjer:Sumarno mjerenje teine vie razliitih komada tereta. Ako se mjeri ukupna teina dva komada tereta moe se dobiti razliita vrijednost ovisno o tome da li se teret poveavao (prvo smo stavili prvi komad pa onda drugi) ili smanjivao (imali smo tri komada pa smo skinuli jedan komad).

x

y

Maksimalna histereza

Histereza -h


14

- Rezolucija mjerenja predstavlja najveu promjenu varijable koja se ne moe mjeriti, ili se moe definirati kao najmanji iznos varijable koju je mogue mjeriti.

Primjer:Mjerenje pozicije pomou ianog potenciometra. Najmanji mjerljivi iznos je jedan zavoj potenciometra. Ako ulazno mjerno podruje ugla iznosi 900 a potenciometar ima ukupno 180 zavoja, rezolucija mjerenja iznosi 90/180=0.50. Drugi primjer je upotreba A/D pretvaraa za digitalno prikazivanje mjerene veliine.

- Zona neosjetljivosti - predstavlja dio mjernog podruja u kojemu se za promjenu mjerene varijable na izlazu senzora dobiva nulti signal.

x

y

Rezolucija

x

y

Dead-band


15

x

y

Idealna karakteristika

Stvarna karakteristikaPojas pogreke

- Pojas pogreke U mnogim primjenama teko je sve prethodno navedene karakteristike mjeriti, pa se u posljednje vrijeme esto definira ukupna pogreka ili pojas pogreke koji uzima u obzir sve navedene pogreke.

- Utjecaj okoline Tanost senzora deklarira se za tano definirane uslove okoline, kao to su npr. konstantna vanjska temperatura, napon napajanja, pritisak zraka, relativna vlanost, ...

- Utjecaj okoline obino se definie kao postotna pogreka tanosti za odreenu promjenu okoline.

- Ta se pogreka moe manifestirati kao pomak karakteristike oko nule (tzv. drift) ili kao promjena osjetljivosti pri emu se mijenja nagib karakteristike.

x

y

a) Pomak oko nule

y

b) Promjena osjetljivostix


16

Primjer: Senzor za mjerenje magnetske indukcije


17

1.5. Dinamike karakteristike

- Kada je mjerni lan dio sistema upravljanja, osim statikih karakteristika, vane su i njegove dinamike karakteristike.

- Dinamike karakteristike senzora definiraju se u vremenskom i frekvencijskom podruju.

- U vremenskom podruju dinamike karakteristike se definiraju preko prijelazne funkcije koja predstavlja vremenski odziv izmjerene veliine (y) na skokovitu promjenu mjerene varijable (x).

- Na slici su prikazane karakteristine prijelazne funkcije: funkcija y1 predstavlja odziv sistema prvog reda (npr. senzor temperature), a y2 je odziv sistema vieg reda (npr. senzor protoka)

- Obino se definira vrijeme porasta koje predstavlja vrijeme za koje izmjerena veliina poprimi 90% stacionarne vrijednosti. Za mjerne lanove s prijelaznom funkcijom prvog reda definira se vremenska konstanta:

= 1 t

y

x

y2

y1

Prijelazna karakteristika

tr1 tr2

0.9ym

0.63ym

ym


18

- Za prikaz u frekvencijskom podruju esto se daju amplitudna i fazna frekvencijska karakteristika.

- Ponekad se samo definira gornja granina frekvencija, pri kojoj normalizirano pojaanje iznosi 3dB.

- Za mjerne lanove s prijelaznom funkcijom prvog reda postoji veza izmeu gornje granine frekvencije i vremenske konstante:

=0,159

- Rezonantna frekvencija se pojavljuje kod mjernih lanova drugog ili vieg reda. Radna frekvencija senzora treba biti ispod 60% rezonantne frekvencije.

0.1 1 10 100 1000

-20

0

-40

-60

db

Hz

0

- 600

-1200

-1800

Fazna karakteristika

Amplitudna karakteristika

fc


19

Primjer: Akcelerometar za mjerenje ubrzanja kod vibracija


20

1.6. Izvori smetnje

- Smetnje (umovi) pojavljuju se u principu kod svakog mjernog sistema, a kvaliteta tog sistema ovisi o tome koliko taj um utjee na tanost mjerenja.

- Prema mjestu nastanka um se u mjernim sistemima moe podijeliti na unutarnji um i vanjski um.

- Unutarnji um - Pojavljuje se unutar mjernog osjetila bez obzira kako kvalitetno je ono izvedeno. U pravilu se taj um ne moe eliminirati.

Primjer:kod otpornikih i poluvodikih osjetila pojavljuje se toplinski ili Johnsonov um kao posljedica stohastikog kretanja elektrona ovisno o radnoj temperaturi.

- Efektivna vrijednost napona uma u frekvencijskom podruju mjernog lana je:

= 4!

gdje je: k Boltzmannova konstanta, k =1.3810-23 J/K;


21

- Vanjski (interferencijski) um - je um koji u mjerni sistem dolazi izvana.

- Najei izvor vanjskog uma je izmjenina niskonaponska energetska mrea (380/220 V, 50 Hz) koja u mjerni sistem unosi sinusni signal smetnje.

- Istosmjerna mrea u pravilu ne unosi um jer nema elektromagnetske indukcije (di/dt=0), ali uklapanje i isklapanje struje u takvim krugovima moe unijeti um.

- Vanjski izvori uma mogu biti:radio-frekvencijski ureaji, energetski pretvarai, elektrolune pe, koji unose um frekvencije do nekoliko MHz.

- Vanjski um na mjerni sistem moe djelovati induktivnim ili kapacitivnim putem.

Induktivno djelovanje

- Ako je mjerni krug u blizini izmjeninog energetskog elektrinog kruga, moe se pojaviti

meuinduktivno djelovanje. - Izmjenina struja energetskog kruga (i) inducira u

mjernom krugu serijski napon smetnje iznosa:

= "#$

#%

~

M

Energetski krug

Mjerni krug

i

Senzor

220 V 50 Hz

Teret

Teret


22

Kapacitivno djelovanje

- Kapacitivno (elektrostatiko) djelovanje pojavljuje se kada je mjerni krug u blizini energetskog voda. Izmeu energetskog voda, uzemljivakog voda i mjernog kruga moe se pojaviti kapacitivno djelovanje.

- Kapaciteti su raspodijeljeni po itavoj duini mjernog voda, ali se mogu zamijeniti odgovarajuim koncentriranim djelovanjem.

- Potencijali u tokama B i E, zanemarujui napon senzora, iznose:

& = 220(

( + (); + = 220

(,

(, + (-

Senzor

220 V 50 Hz

Teret

Energetski vod

Uzemljenje

C1

C2 C3

C4

B

E

- Kao posljedica kapacitivnog djelovanja pojavljuje se napon smetnje:

= & +

= 220(

( + ()

(,

(, + (-


23

Viestruko uzemljenje

- esto se pretpostavlja da uzemljenje u svakoj taki ima jednak potencijal 0V.

- Meutim, energetski ureaji velikih snaga mogu prouzroiti protjecanje struje kroz uzemljenje to ima za posljedicu pojavu razliitih potencijala u takama uzemljenja.

- U stvarnosti se moe dogoditi da jedan lan mjernog kruga ima konaan otpor prema jednoj taki, a drugi prema drugoj koja je na razliitom potencijalu.

- Posljedica: u mjernom sistemu se pojavljuju naponi smetnje.

Mjerni krugSenzor Teret

S R

UEZE

ZSE ZRE

Rv /2

Rv /2

- Problem je ilustriran na slici. Napon smetnje se javlja kao pad napona na donjem vodu mjernog kruga:

= +./2

0+ + 0+ + 0+ + ./2

Zakljuak: Ako se mjerni sistem mora uzemljiti,

uzemljenje se smije izvesti samo na jednom

kraju.


24

1.7. Metode za smanjenje djelovanja smetnji na mjerne sistem

Fiziko udaljavanje

- Iznosi meu induktiviteta i kapaciteta izmeu energetskog i mjernog kruga obrnuto su proporcionalni njihovoj udaljenosti, to znai da pri projektiranju postrojenja s mjernim sistemima treba nastojati postii to veu udaljenost izmeu tih krugova.

Uplitanje mjernih vodova

- Najjednostavniji nain smanjenja induktivnih smetnji je uplitanje mjernih vodova.

- Dva vodia mjernog kruga meusobno se upletu tako da sve petlje imaju priblino jednake povrine, pa se inducirani naponi u dvije susjedne petlje ponite.

Senzor Teret

Uxy Uyz

x y z


25

Oklapanje mjernih vodova

- Oklapanjem mjernih vodova smanjuje se kapacitivno djelovanje na mjerni sustav.

- Metalni oklop (plat) mora se uzemljiti, ali samo u jednoj taki. Nema izravnog spoja izmeu mjernog kruga i plata.

Senzor

220 V 50 HzEnergetski vod

Uzemljenje

CSM

CE

CSM

CS

CS

CE

ii

i

i

2i

Oklop


26


- Zbog zanemarivih struja kroz kapacitete izmeu oklopa i vodova mjernog kruga, smanjuju se kapacitivne smetnje u mjernom krugu.

- Obino je osjetilo senzora smjeteno u kuite, a za prijenos signala koriste se oklopljeni kabal.

OsjetiloTeret

Kuite

Oklop kabela


- Suvremeni automatizirani sistemiesto sadre itav niz senzora koji su povezani s jednim kontrolerom (PLC).

- U tom sluaju preporua se uzemljenje oklopa svih signalnih kabela u jednoj zajednikoj taki na kontroleru.

Kontroler (PLC)

Senzori Senzori


27

Dodatna literatura:

1. http://www.sfsb.unios.hr/~vgalzina/Elementi_automat_01.pdf [dostupan: 15/10/2014]2. http://ccd.uns.ac.rs/aus/zzs/zzs_doc/5.Senzori.pdf [dostupan: 15/10/2014]3. http://www.riteh.uniri.hr/zav_katd_sluz/zvd_kons_stroj/nas/ekms/ekms_2012-

2013/EKMS%20-%20P05%20-%20WEB.pdf [dostupan: 15/10/2014]

2 fa1 a.osmanovic osnovni pojmovi - senzorika

Documents