Elmozdulás- és közelítésérzékelők Folyamatszabályozás
KOVÁCS Gábor
[email protected]
Elmozdulásérzékelők • Elmozdulás (displacement): a helyzet megváltozása – Transzlációs (lineáris) – a pozíció megváltozása, elmozdulás – Rotációs – a szöghelyzet (orientáció) megváltozása, elfordulás – Egy adott szögű elfordulás egy kör kerületén végzett elmozdulásnak felel meg – az alkalmazott érzékelők nagyon hasonlók!
Rezisztív elmozdulásérzékelők • Ellenálláson mozgó csúszka – potenciométer • Az ellenállás a pozíció függvénye • Régóta használt, kiforrott technika
Forgó potenciométer (Rotary potentiometer) Kivezetések A B C Mechanikus határoló 𝜑
Csúszka
• Az ellenállás az elfordulás arányában nő • Kivezetések bekötésétől függően óramutató járásával megegyező vagy ellentétes irány
Több fordulatú potenciométer Kivezetések A B C Szigetelő réteg (holtsáv) 𝜑
Csúszka 𝑈𝐾𝐼
2𝜋
4𝜋
𝜑
• A mechanikai határoló hiányzik, a csúszka tetszőlegesen körbefordulhat • Szigetelő holtsáv: végtelen ellenállás – nulla feszültség • Szigetelő és ellenállás sáv határ átlépésekor fel- vagy lefutó él • Éleket számlálva a körülfordulások száma meghatározható • Probléma: nullpont meghatározása
Helikális potenciométer
Mechanikus határoló A
B C
Kivezetések
• A csúszka spirális pályán mozog • Több teljes körülfordulást is megtehet • Megfelelő kialakítással lineáris karakterisztika • A körülfordulások száma nem végtelen • Abszolút elfordulásinformáció
Lineáris potenciométer (Linear potentiometer) Mechanikus határoló C
Csúszka
B
A Kivezetések
• Az ellenállás a transzlációs elmozdulás függvénye • Lineáris mellett akár más függvény is lehet (pl. logaritmikus) • Hossz: akár 400mm
Mérőhuzalos potenciométer (String potentiometer, yo-yo pot) Rugós visszacsévéléses dob
Ellenálláshuzal
Álló csúszka
A
B
• A csúszka stabil, az ellenállás a dobra csévélt ellenálláshuzal hosszának függvénye • Akár 100 méteres elmozdulás
Potenciométerek ellenállás-elemeinek kialakítása • Huzal potenciométerek – Korlátozott felbontás – Nagy teljesítmény (disszipáció)
• Réteg potenciométerek – Végtelen kis felbontás – Korlátozott teljesítmény – Környezetre érzékeny
• Cermet: kerámia-fém kompozit – Végtelen kis felbontás – Nagy teljesítmény, kis zaj – Környezetre érzékeny
• Karbon kompozit – Olcsó – Környezetre rendkívül érzékeny
Huzal potenciométer
Potenciométerek bekötése A 𝑥 C
𝑙
• Teljes ellenállás (𝜌: adott keresztmetszetű vezető fajlagos ellenállása [Ω m]): 𝑅0 = 𝑅𝐴𝐵 = 𝜌𝑙 • Az elmozduláshoz tartozó ellenállás: 𝑅 = 𝑅𝐴𝐶 = 𝜌𝑥
B
𝑹 𝒙 ⇒ = 𝑹𝟎 𝒍
A 𝑈𝑇
𝑅𝐴𝐵 B 𝑅𝐵𝐶 C
𝑈𝐾𝐼 •
A mérendő feszültség: 𝑅𝐴𝐵 𝑅 𝑈𝐾𝐼 = 𝑈𝐴𝐵 = 𝑈 = 𝑈 𝑅𝐴𝐵 + 𝑅𝐵𝐶 𝑇 𝑅0 𝑇 𝑈𝐾𝐼
𝑥 = 𝑈𝑇 𝑙
A hőmérsékletváltozás hatása 𝑈𝐾𝐼 𝑈𝑇
𝑅𝐴𝐵
𝜗=𝜗0
𝑅𝐴𝐵 𝑅𝐴𝐵 𝑥 = 𝑈𝑇 = 𝑈𝑇 = 𝑈𝑇 𝑅𝐴𝐵 + 𝑅𝐵𝐶 𝑅𝐴𝐶 𝑙
𝑈𝐾𝐼
Hőmérsékletváltozás hatására: 𝑅𝐵𝐶
𝑈𝐾𝐼
𝜗=𝜗0 +Δ𝜗
𝜌 1 + 𝛼Δ𝜗 𝑥 𝑥 = 𝑈𝑇 = 𝑈𝑇 𝜌 1 + 𝛼Δ𝜗 𝑙 𝑙
Terhelő ellenállás hatása
𝑈𝐾𝐼 /𝑈𝑇 1 0,9 0,8 0,7 0,6
𝑅𝐿 /𝑅0 1 5 10 100
𝑈𝑇
𝑅𝐴𝐵 𝑈𝐾𝐼
𝑅𝐿
𝑅𝐵𝐶
0,5 0,4
• 𝑈𝐾𝐼 =
0,3 0,2 0,1 0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
𝑥/𝑙
𝑅𝐴𝐵 𝑅𝐿 𝑅𝐴𝐵+ 𝑅𝐿 𝑅 𝑅 𝑅𝐵𝐶 +𝑅 𝐴𝐵 𝑅𝐿 𝐴𝐵+ 𝐿
• Használjunk végtelen nagy terhelést: erősítő
Rezisztív elmozdulásérzékelők • Jelentős probléma: mechanikai kontaktus – Súrlódás – akadályozza a mért elmozdulást – Hiszterézis (kotyogás) – Rezgésérzékenység
• Élettartam: 1-10 millió ciklus – Mennyire hosszú élettartam ez? Tegyük fel, hogy 1 másodpercenként mozgatjuk a mért testet, pl. egy munkahengert (ez nem különösebben túlzó igénybevétel) – 10 millió másodperc = 2778 óra = 115 nap!
Rezisztív elmozdulásérzékelők + Egyszerű felépítés + Alacsony ár + Zavarokra nem érzékeny + Egyszerű illesztő áramkör
− Mechanikai kontaktus igénye − Súrlódás − Rövid élettartam − Kis pontosság
Induktív elmozdulásérzékelés • Elektromágneses induktivitáson alapul • Kontaktusmentes technológia • Nagy mérési tartomány
Nyílt mágneses hurkú átalakító (Linear variable inductor)
• A ferromágneses mag mozgatásával a tekercs induktivitása megváltozik • Az induktivitás változása érzékelhető • Probléma: nemlinearitás, jelentős hőmérsékletfüggés, kis érzékenység
Nyílt mágneses hurkú átalakító
𝑅1
𝑍1
𝑅2
𝑍2
~
• A hídkapcsolással az érzékenység jelentősen javul • Jó méretezéssel viszonylag tág linearitási tartomány • Egyszerű konstrukció • A hőmérsékletfüggés jelentős • Kb. 1%-os pontosság
−𝑑
0
Lineáris differenciáltranszformátor – LVDT
+𝑑
(Linear Variable Difference Transformer)
Egyforma szekunder tekercsek
Primer tekercs
Acél maghüvely Acél burkolat
𝑈𝑆1
𝑈𝐾𝐼
Mag
Burkolat
𝑈𝑃 𝑈𝑆2
Menetes furat
𝑈𝐾𝐼 = 𝑈𝑆1 − 𝑈𝑆2
Primer tekercs
Szekunder tekercsek
LVDT • 𝑈𝑃 = 𝑈 sin(𝜔𝑡) • 𝑈𝑆1 =
• 𝑈𝑆2 =
𝑁1 𝑈 sin 𝜔𝑡 𝑁 𝑁2 Usin 𝜔𝑡 𝑁
𝑁1 , 𝑁2 : a szekunder tekercsek effektív menetszáma
𝑈𝑆1
𝑈𝐾𝐼
𝑈𝑃
𝑈𝑆2 𝑈𝐾𝐼 = 𝑈𝑆1 − 𝑈𝑆2
LVDT −𝑑
0
+𝑑
𝑈𝑃
𝑈𝑆1
𝑈𝑆2 𝑺𝟐
𝑷 0
𝑺𝟏
𝑈𝐾𝐼
+𝑑 𝑈𝑆1
𝑺𝟐
𝑷 −𝑑
𝑺𝟏
𝑈𝑆2 𝑈𝐾𝐼
0 𝑈𝑆1
𝑺𝟐
𝑷
𝑺𝟏
𝑈𝐾𝐼 = 𝑈𝑆1 − 𝑈𝑆2
𝑈𝑆2 𝑈𝐾𝐼
LVDT • Középhelyzet – 𝑁1 = 𝑁2 ⇒ 𝑈𝐾𝐼 = 0
𝑈𝐾𝐼
• Pozitív elmozdulás
– 𝑁1 > 𝑁2 ⇒ 𝑈𝐾𝐼 = (𝑁1 − 𝑁2 )𝑈 sin(𝜔𝑡)
𝑑
• Negatív elmozdulás
– 𝑁1 < 𝑁2 ⇒ 𝑈𝐾𝐼 = 𝑁1 − 𝑁2 𝑈 sin(𝜔𝑡) < 0 – 𝑈𝐾𝐼 = 𝑁1 − 𝑁2 𝑈 sin(𝜔𝑡 − 𝜋)
𝜑𝑈𝐾𝐼
• A kimeneti feszültség
– 𝑈𝐾𝐼 = 𝑁1 − 𝑁2 𝑈 – 𝜑𝑈 𝐾𝐼 =
0 ha 𝑥 ≥ 0 −𝜋 ha 𝑥 < 0
−𝜋
𝑑
Fázisérzékeny demodulátor 𝑈𝑅1
𝑈𝑆1 𝑈𝑆2 𝑈𝑆1
𝑈𝑅1
𝑈𝑃
𝑈𝐾𝐼
𝑈𝑅2 𝑈𝐾𝐼
𝑈𝑆2
Szűrés után (ebben a kapcsolásban nem szerepel):
𝑈𝑅2
𝑈𝐾𝐼
Az egyenirányított feszültségek (𝑈𝑅1 és 𝑈𝑅2 ) iránya ellentétes!
Forgó differenciáltranszformátor – RVDT (Rotary Variable Difference Transformer)
• Működési elve és módja az LVDT-vel azonos • Speciális kialakítású tekercsek és vasmag • Csak korlátozott szögelfordulást (kb. ± 40°) érzékel Vasmag
Szekunder tekercsek Primer tekercs
Tengely
LVDT - gerjesztés • AC gerjesztést igényel • Általában DC bemenet + oszcillátor • Gerjesztés frekvenciája – Minél gyorsabb elmozdulást mérünk, annál nagyobb frekvenciára van szükség – 50Hz – 10kHz – Tipikus: 250Hz-1kHz – Lassú mozgás esetén hálózati váltófeszültséggel is üzemeltethető (50Hz)
Induktív elmozdulásérzékelők + Robusztus felépítés + Kontaktus nélküli érzékelés + 0.2-0.5%-os pontosság + Vibrációra érzéketlen + Végtelen kis felbontás
− AC gerjesztés igénye − Komplex elektronika − Korlátozott mérési tartomány (tipikusan 500mm alatt)
Mágneses elmozdulásérzékelők • Állandó mágnes használatát igényelik • A mágneses térhez kapcsolódó különféle jelenségeket használják ki
Hall effektus 𝑩
• Lorentz-erő: 𝐹 = 𝑞(𝐸 + 𝑣 × 𝐵) 𝑈𝐻 𝑤 𝑙 𝑣= 𝑇 𝑄 𝐼= 𝑇
• 𝐸= •
𝑰
𝑭 𝑤
𝑡 𝑙
𝑼𝑯
•
• 𝑄 =𝑙⋅𝑤⋅𝑡⋅𝑛⋅𝑒 𝐼𝐵 𝑛⋅𝑡⋅𝑒 1 − 𝑛𝑡𝑒
• 𝑈𝐻 = − • 𝑅𝐻 =
• 𝑈𝐻 = 𝑅𝐻 𝐼𝐵 • 𝑛: töltéshordozó-sűrűség • 𝑒: elemi töltés
Hall érzékelő (Hall effect sensor, Hall sensor)
• Egyszerű félvezető lap • Problémák: – Hőmérsékletfüggés – Mechanikai feszültségből eredő piezorezisztív hatás
• Offszethiba – A Hall-feszültséghez adódik, értéke nem ismert – A szenzort akár hídként is tekinthetjük, így az offszetet magyarázhatjuk annak kiegyensúlyozatlanságával
Offszethiba kompenzálása 𝟗𝟎∘ 𝐼𝑠
𝐼𝑠 𝑹
𝑹
𝑹
𝑹
𝑹
𝑹 + 𝚫𝐑 𝑈1 = 𝑈𝐻 + 𝑈𝐸
𝑹 + 𝚫𝐑
𝑹 𝑈1 = 𝑈𝐻 − 𝑈𝐸
𝑈1 + 𝑈2 = 2𝑈𝐻 Két, egymáshoz képest 90°-os szögben elforgatott Hall-szenzort használva az offszethiba kompenzálható.
Hall érzékelő unipoláris térben 𝑈𝐻
𝑈𝐻
𝑑
𝑑 Mágnes mozgási iránya
Hall érzékelő
𝑑
Fluxus iránya
𝑑
Hall érzékelő bipoláris térben 𝑈𝐻
Közel lineáris tartomány
𝑑
𝑑
Fluxus iránya Mágnes mozgási iránya
Hall érzékelő 𝑑
𝑑
Hall szenzoros elfordulás-érzékelés 𝑈𝐻 𝝋
𝜑 Hall érzékelő Fluxus iránya
Hall érzékelők alkalmazása • Végálláskapcsolóként – Hiszterézis komparátor – Mozgó tárgyon elhelyezett állandó mágnes – Tipikus alkalmazás: pneumatikus munkahenger
• Diszkrét pozíciók mérésére – Több Hall-szenzor elhelyezése a pálya mentén
𝑑 𝑈𝐻 𝑈𝐶𝑂𝑀𝑃 ↑ 𝑈𝐶𝑂𝑀𝑃 ↓
𝑡
𝑈𝐶𝑂𝑀𝑃
𝑡
Hall érzékelők + Egyszerű és robusztus − Kis mérési tartomány felépítés (20mm) + Teljesen kontaktus − Nemlineáris nélküli érzékelés karakterisztika + Egyszerű illesztés − Kis pontosság (3-5%) + Rendkívül olcsó
Magnetorezisztív érzékelők • AMR – anisotropic magnetoresistance • Permalloy (81Ni-19Fe) • 𝜌 𝜑 = 𝜌⊥ + 𝜌∥ − 𝜌⊥ cos 2 𝜑 – 𝜑: az áram és a mágneses térerősség irányának különbsége – 𝜌⊥ : ellenállás 𝜑 = 90° esetén – 𝜌∥ : ellenállás 𝜑 = 0° esetén
• Amennyiben a mágneses térerősség elég nagy, hogy az érzékelőt telítésbe vigye (kb. 30-50 Gauss), az ellenállásváltozás a mágneses tér nagyságától nem, csak az irányától függ!
Magnetorezisztív híd 𝚯
𝑩
𝑅 − Δ𝑅
𝑰
𝑅 + Δ𝑅
𝑈𝐾𝐼 𝑈𝑇
Referencia irány
𝑅 − Δ𝑅
𝑅 + Δ𝑅
𝑈𝐾𝐼 = −𝑈𝑇 𝑆 sin(2Θ)
Magnetorezisztív híd 𝑈𝐾𝐼 mV 60
• Érzékelési tartomány: ±45° • Jó linearitás ± 30°-os tartományban 0° körül
Lineáris tartomány
40
20 Offszet hiba
0
-20
-40
-60
-180
-135
-90
-45
0
45
90
135
180
𝜃 °
Magnetorezisztív hidak 𝑅𝑒𝑓𝐴
• Két azonos híd 45°-ban elforgatva • 𝑈𝐾𝐼,𝐴 = −𝑈𝑇 𝑆 sin 2Θ
𝑅𝑒𝑓𝐵
𝚯 𝐴
𝑈𝐾𝐼 mV
• 𝑈𝐾𝐼,𝐵 = −𝑈𝑇 𝑆 cos(2Θ) • A mérési tartomány ± 90°-ra nő • A linearitási tartomány szinte teljes
𝐵
60
40 20 0
• Θ = 0.5 atan
-20 A
-40
B
-60 -180
-135
-90
-45
0
45
90
135
180
𝜃 °
𝑈𝐾𝐼,𝐴 𝑈𝐾𝐼,𝐵
Magnetorezisztív érzékelés Θ
60
𝑈𝐾𝐼 mV
40
𝒅
20
𝑑 mm 10
20
30
Kis elmozdulás ≈ ±15mm esetén közel lineáris 𝑑 − 𝑈𝐾𝐼 összefüggés
Magnetorezisztív érzékelés • Érzékelési tartomány növelése: egymástól kb. 15mm-re elhelyezett érzékelők sora • Érzékelés a szenzorok jelei alapján – Elmozdulás okozta jelszintváltozásokat figyelve meghatározható, melyik érzékelő közelében van a mágnes – Az adott érzékelő lineáris kimeneti jeléből a szenzorhoz képesti pozíció meghatározható
Érzékelő lineáris tartománya
𝑑
𝑑𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 Magnetorezisztív érzékelősor 𝑈𝐾𝐼 mV
𝑑 mm
𝑑𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟
Magnetorezisztív elfordulás-érzékelés
Mágneses tárcsa
• Két érzékelő • Átfedő elhelyezés, így valamelyik szenzor mindig a lineáris érzékelési tartományban dolgozik
Tengely
Magnetorezisztív érzékelők
Magnetorezisztív érzékelők + Egyszerű és robusztus − Kis mérési tartomány felépítés (25mm) + Teljesen kontaktus − Illesztése nem nélküli érzékelés kézenfekvő − Kis pontosság (3-5%)
Magnetostrikció
𝑯
𝚫𝒍
• Domainek rendeződése mágneses tér hatására • Ferromágneses anyagokban • Népszerű anyagok: – Terfenol-D: TerbiumVas-Diszprózium – Metglas
Magnetostrikciós effektusok • Villari-effektus: egy magnetostriktív anyagra ható mechanikai feszültség megváltoztatja annak mágneses tulajdonságait (permeabilitás, szuszceptibilitás) • Wiedemann-effektus: ha egy magnetostriktív rúdon áram folyik és axiális (a rúd tengelyével megegyező irányú) mágneses térbe helyezzük, akkor ott torziós feszültség keletkezik.
Magnetostrikciós érzékelő Magnetostrkiciós tulajdonságú vezető Indukált mágneses tér Áram iránya Állandó mágnes tere
Ha magnetostriktív vezetőn áramot vezetünk át, akkor mellette megfelelő orientációval egy állandó mágnest helyezünk el, akkor a mágneses terek merőleges komponenseinek hatására a rúdra torziós feszültség hat
Állandó mágnes (pozíciómágnes)
Magnetostrikciós érzékelő Ha az áram csak impulzusszerű, akkor a torziós feszültség is csak egy impulzus, mely hullámként terjed a rúd (hullámvezető) mentén Áramimpulzus
Torziós feszültségimpulzus 𝑣 ≈ 2850m/s
𝐼
1 − 2μs Pozíció mágnes
Torziós feszültségimpulzus terjedése
Magnetostrikciós érzékelő • A torziós feszültség hullámának megérkezését a hullámvezető végén elhelyezett detektor érzékeli a Villari-effektust kihasználva: a mechanikai feszültség hatására megváltoznak a mágneses tulajdonságai, így villamos feszültség indukálódik a tekercsben • A hullámvezető másik végén csillapítás, így nincs visszavert második hullám Állandó mágnes
Torziós és általa kiváltott longitudinális feszültség 𝑈 Hullámvezető
Magnetostrikciós vezető (detektor) Tekercs
Magnetostrikciós érzékelő • Mérjük az áramimpulzus és a feszültséghullám megérkezése közti időt • Az áramimpulzus fénysebességgel halad, így terjedési ideje elhanyagolható • Az idő és a hullámvezetőre jellemző hullámterjedési sebesség alapján a torziós feszültség keletkezésének helye (a pozíciómágnes helyzete) számítható: 𝑑 = 𝜏 𝑣
Áramimpulzus
Pozíció mágnes
𝐼 1 − 2μs
𝑡=0
Torziós feszültség 𝑣 ≈ 2850m/s
𝐼
𝑡≈0 Detektor 𝐼
𝑡≈𝜏
𝑈
𝑣 ≈ 2850m/s
𝑑
Magnetostrikciós érzékelő felépítése Mechanikai feszültséghullám
Állandó mágnes mágneses tere Magnetostriktív hullámvezető rúd
Áramimpulzus Az áramimpulzus keltette mágneses tér
Mozgó pozíciómágnes
Detektor
Magnetorezisztív érzékelők + Teljesen kontaktus nélküli érzékelés + Környezeti zavarokra és vibrációra érzéketlen + Akár 4kHz-es frekvencia + 0.1% alatti hiba + Akár 20m-es átfogás
− Komplex felépítés − Magas ár
Kapacitív elmozdulásérzékelők
Kapacitív elmozdulásérzékelők • 𝐶= 𝐴
𝑑
𝜀𝑟
𝐴 𝜀0 𝜀𝑟 𝑑
• 𝜀0 : vákuum dielektromos állandója • 𝜀𝑟 : dielektrikum relatív dielektromos állandója • 𝐴: fegyverzetek felülete • 𝑑: fegyverzetek távolsága
Kapacitás mérése 𝐶
−
𝐶𝑟𝑒𝑓
+
𝑈𝑇
~
• 𝑈𝐾𝐼 = −𝑈𝑇
𝑈𝐾𝐼
𝑍 𝑍𝑟𝑒𝑓
= −𝑈𝑇
1 𝑗𝜔𝐶 1 𝑗𝜔𝐶𝑟𝑒𝑓
= −𝑈𝑇
𝐶𝑟𝑒𝑓 𝐶
• A kapacitás egy referencia-kapacitáshoz relatívan meghatározható
Kapacitás mérése – AC híd UT
~
R
𝑪𝟏
UKI
𝑪𝟐
R
• 𝑈𝐾𝐼 =
𝑈𝑇 𝑍1 −𝑍2 2 𝑍1 +𝑍2
=
𝑈𝑇 𝐶2 −𝐶1 2 𝐶1 +𝐶2
Fegyverzetek távolságán alapuló érzékelés • Kapacitás: –𝐶=
𝜀𝐴 𝒅
– Az elmozdulás nemlineáris függvénye 𝒅
• Impedancia: –𝑍=
𝒅 𝑗𝜔𝜀𝐴
– Az elmozdulás lineáris függvénye
Fegyverzetek távolságán alapuló érzékelés • Problémák – Billegés – X és Y irányú elmozdulás – megoldás: átlapolódó fegyverzetek
Tipikus alkalmazás • Erő- és nyomásmérés
𝐴 𝜀0 (𝜀𝑟 )
𝑑
𝑑ref
Három fegyverzetes kialakítás • Kapacitás:
𝐴 𝒅𝑨𝑪
𝐶
𝒅𝑩𝑪
𝐵
– 𝐶𝐴𝐵 =
𝜀𝐴 𝒅𝑨𝑩
– 𝐶𝐵𝐶 =
𝜀𝐴 𝒅𝑩𝑪
• Kimeneti feszültség: 𝐶𝐵𝐶
– 𝑈𝐾𝐼 =
𝑈𝑇
~
+
−
𝐶𝐴𝐵 𝑈𝐾𝐼
𝐶𝐴𝐵 𝑈𝑇 𝐶𝐵𝐶
=
𝑑𝐵𝐶 𝑈𝑇 𝑑𝐴𝐵
Felületváltozáson alapuló érzékelés • Kapacitás: 𝜀𝑨
–𝐶= 𝑑 – Az elmozdulás lineáris függvénye
• Impedancia –𝑍=
𝑑 𝑗𝜔𝜀𝑨
– Az elmozdulás nemlineáris függvénye
Három fegyverzetes kialakítás 𝑙/2
𝑙/2
𝑤
C
A
𝒙
B
𝐶𝐴𝐶 𝐴𝐴𝐶 𝑙 2 + 𝑥 = = 𝐶𝐵𝐶 𝐴𝐵𝐶 𝑙 2 − 𝑥
• 𝐴𝐴𝐶 = (𝑙 2 + 𝑥)𝑤 • 𝐴𝐵𝐶 = (𝑙 2 − 𝑥)𝑤 • 𝑑𝐴𝐶 = 𝑑𝐵𝐶 • 𝜀𝐴𝐶 = 𝜀𝐵𝐶
AC hídkapcsolás UT
~
R
𝑪𝑩𝑪
UKI R
𝑈𝐾𝐼
𝑪𝑨𝑩
𝜀𝑑𝑤 𝑙 2 + 𝑥 − 𝑙 2 − 𝑥 𝐶𝐴𝐵 − 𝐶𝐵𝐶 = 𝑈𝑇 = 𝑈𝑇 𝐶𝐴𝐵 + 𝐶𝐵𝐶 𝜀𝑑𝑤 𝑙 2 + 𝑥 + 𝑙 2 − 𝑥 𝑥 = 2𝑈𝑇 𝑙
𝐶𝑠𝑡𝑟𝑎𝑦
𝑈𝑇
~
𝐶𝐴𝐶
+ −
Kapacitásosztó kapcsolás
𝐶𝐵𝐶
𝑈𝐾𝐼
𝑍𝐵𝐶 𝑈𝐾𝐼 = 𝑈𝑇 𝑍𝐴𝐶 + 𝑍𝐵𝐶 1 𝑗𝜔𝐶𝐵𝐶 = 𝑈𝑇 1 1 + 𝑗𝜔𝐶𝐴𝐶 𝑗𝜔𝐶𝐵𝐶 𝐶𝐴𝐶 = 𝑈𝑇 𝐶𝐴𝐶 + 𝐶𝐵𝐶 𝑙 2+𝑥 1 𝑥 = 𝑈𝑇 = 𝑈𝑇 + 𝑙 2 𝑙
Probléma a háromfegyverzetes kialakítással • Mozgó fegyverzet billenése, elfordulása • Korlátozott mérési 𝑙 tartomány: 𝑥 ≤ 2
C
A
B
−
Fegyverzetek kialakítása – V alak +
𝑈𝐾𝐼
A
C B
𝑈𝑇
~
𝑥 𝐿
• A végpontokon kívül lineáris kimenet • Billenésre, fordulásra érzéketlen
𝐶𝑠𝑡𝑟𝑎𝑦
𝑈𝑇
• 𝑈𝐾𝐼 =
~
𝑈𝐾𝐼
𝐶𝐵
𝐶𝐴
𝐶𝐴 𝑈𝑇 𝐶𝐴 +𝐶𝐵
+ −
V alak – kimeneti kapcsolás
≈
𝐿−𝑥 𝑐𝑈𝑇 , 𝐿
ahol c a kialakítástól függő konstans paraméter
Vezeték nélküli kialakítás 𝑈𝐾𝐼
+
D
−
C
B A
𝑈𝑇
~
Dielektrikum változásán alapuló érzékelés • Párhuzamosan kapcsolt kondenzátorok 𝜀1
𝜀2 𝑙
𝑥
• 𝐶=
𝑥 𝑙
𝜀1 +𝜀2 𝑑
𝑙−𝑥 𝑙
𝐴
Dielektrikum változásán alapuló érzékelés 𝑥
𝑙−𝑥
• 𝐶1 =
𝜀1 𝑙 +𝜀2 𝑙 𝑑
• 𝐶2 =
𝜀1 𝑙 +𝜀2 𝑙 𝐴 𝑑
𝑙−𝑥
𝐴
𝑥
• Ha 𝜀1 ≈ 𝜀0 : • 𝐶1 = 𝑙
𝑥
• 𝐶2 =
𝑥 𝑙−𝑥 𝐴 𝜀0 ( + 𝜀𝑟 ) 𝑙 𝑙 𝑑 𝑙−𝑥 𝑥 𝐴 𝜀0 ( + 𝜀𝑟 ) 𝑙 𝑙 𝑑
Alkalmazás: folyadék szintjének mérése
Nem vezető folyadék
Vezető folyadék
Elektróda 𝜀𝑎𝑖𝑟
𝜀𝑎𝑖𝑟
𝐻
C
Szigetelés
𝜀𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑
ℎ
𝜀𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑
rövidzár
• Kalibrálás:
• Mérés:
– 𝐶𝑒𝑚𝑝𝑡𝑦 = 𝐶 – 𝐶𝑓𝑢𝑙𝑙 = 𝐶
ℎ=0
ℎ=𝐻
= 𝐻𝜀𝑎𝑖𝑟 𝛼
= 𝐻𝜀𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑 𝛼
C
– 𝐶 = 𝛼 ℎ𝜀𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑 + 𝐻 − ℎ 𝜀𝑎𝑖𝑟 𝛼 = h C H full
h H
+ Cempty − Cempty = h H 𝐶−𝐶𝑒𝑚𝑝𝑡𝑦
Cempty + (Cfull −Cempty ) – ℎ=𝐻
𝐶𝑓𝑢𝑙𝑙 −𝐶𝑒𝑚𝑝𝑡𝑦
Kapacitív érzékelők árnyékolása
+
−
Árnyékolás
• A mozgó fegyverzet és az árnyékolás egy potenciálon • Köztük nem folyik áram • A szórt kapacitásokat jelentősen csökkenti
Kapacitív érzékelők + Teljesen kontaktus nélküli érzékelés + Környezeti zavarokra és vibrációra érzéketlen + 0.1% alatti hiba + Akár szubmikronos pontosság
− Zavarérzékenység − Kis átfogás (0-10mm) − Magas ár
Kódadók (Encoder)
Kódadók típusai • Transzlációs kódadó (linear encoder) – Mozgás egy egyenes mentén – A mozgás jól meghatározott véghelyzetekkel rendelkezik – A végállásokban az abszolút pozíció egyszerűen érzékelhető (pl. kapcsolókkal)
• Elfordulás-adó (rotary encoder) – Szöghelyzetet (elfordulást) mér – Abszolút pozícióinformáció csak 360°-os tartományon (egy körülfordulás) belül határozható meg egyértelműen – Egy körülforduláson belül „kiterítve” megfelel egy transzlációs kódadónak
Kódadók típusai • Abszolút adó – Magát az abszolút helyzetet méri
• Inkrementális adó – Elmozdulást mér, ezeket összegezve kapható meg a helyzet – Relatív pozíciót mér – Csak a bekapcsolás (vagy nullázás) óta történt elmozdulás ismert
Kódadók működési elve Kódtárcsa
• Jól elkülöníthető sávokkal ellátott tárcsa (rotációs kódadó) vagy léc (transzlációs kódadó) • Elkülöníthető sávok kialakítása
LED
Tengely
– Mágneses / nem mágneses – Átlátszó / átlátszatlan – Fehér vagy tükröző / fekete
• Sávokat figyelő szenzor – Mágneses (Hall) – Fénykapu – Visszavert fény érzékelése
Hall szenzor Mágneses kódléc
Fényérzékelő
Inkrementális adó • Az érzékelő kimenete a váltakozó (mágneses / nem mágneses, világos / sötét stb.) sávok következtében komparálás után egy négyszögjel • A négyszögjel felfutó éleit számolva az elfordulás meghatározható • Ha a tárcsán 𝑛 sávpárt helyezünk el, akkor egy felfutó élhez 360° 𝑛 elfordulás tartozik • Ha a lefutó éleket is számláljuk, akkor az azonos mechanikai kialakítású szenzor felbontása 360° 2𝑛 kétszeres felbontás • Probléma: a forgásirány nem meghatározható
Kvadratúra enkóder • Helyezzünk el egy második sávsorozatot, az elsőhöz képes negyed fázis (tárcsa esetén 360/4𝑛°-os) eltolással! • A két érzékelő (A és B) legyen egy vonalban (sugárirányban) • Az érzékelők fel- és lefutó éleit mindkét sávsorozaton számlálva négyszeres felbontás érhető el • A jelek fázisa alapján a mozgásirány meghatározható
A
B
A
B
Mozgásirány meghatározása 1
2
3
4 1
A
B
2 4 𝑡
3
• Óramutató járásával ellentétes forgás: – B felfutó éle A pozitív szintje alatt – A felfutó éle B negatív szintje alatt
1 2 3 4
Mozgásirány meghatározása 2 1
2
3
4
3
A
B
4 𝑡
• Óramutató járásával ellentétes forgás: – B felfutó éle A negatív szintje alatt – A felfutó éle B pozitív szintje alatt
4 3 2 1
1
Rotációs kódadó indexjele • A kódtárcsa kiegészítése egy plusz sávval: indexjel (index channel, Z channel) • Egyetlen 1 értékű sáv a kerület mentén • Az indeximpulzus (nullimpulzus) egy fordulaton belül abszolút helyzetmeghatározást tesz lehetővé A
B
Index Index érzékelő
Abszolút kódadó • Egy tárcsára vagy lécre kettőnél több sávsorozat is elhelyezhető • A sávok együttesen egy bináris kódot határoznak meg • A bináris kód abszolút pozíciót ad meg • Minél több csatorna, annál jobb felbontás (pl. 8 csatorna: 1/256 felbontás)
0000 = 0 0001 = 1 0010 = 2 0011 = 3 …
Kódléc
Érzékelősor
Abszolút kódadó • Probléma: tranziensek • Ha több csatornán nem egyszerre történik meg a jelváltás, akkor rövid időre hamis pozícióinformációt kapunk • Megoldás: mindig csak egy csatorna jele váltson (Gray-kód)
0111 1000
0111 0110 0100 0000 1000
Hibás pozíciójel
Decimális
Bináris
Gray
0
0000
0000
1
0001
0001
2
0010
0011
3
0011
0010
4
0100
0110
5
0101
0111
6
0110
0101
7
0111
0100
8
1000
1100
9
1001
1101
10
1010
1111
11
1011
1110
12
1100
1010
13
1101
1011
14
1110
1001
15
1111
1000
Gray kód
Gray-bináris konverzió MSB
𝐺0
𝐵0
𝐺1
XOR XOR XOR
𝐵1
𝐺2
XOR XOR XOR
𝐵2
𝐺3
XOR XOR XOR
𝐵3
LSB
• Szokásos még: look-up-table • Nagy bitszám esetén gyorsabb lehet
Kódadók + Teljesen kontaktus nélküli érzékelés + Elektromágneses zavarokra érzéketlen + Nagy pontosság + Közvetlen digitális kimenet
− Abszolút adónál korlátozott felbontás − Relatív adónál nem áll rendelkezésre abszolút információ − Vibrációra, mechanikai behatásokra érzékeny
Végálláskapcsolók (Limit switch)
• A közelítő tárgy mechanikus kapcsolót aktivál • Többféle kivitel • Nyitó, záró és nyitó-záró kapcsolók
Karos - görgős végálláskapcsoló (Side rotary) Nyitott pozíció Záráshoz szükséges út Elengedéshez szükséges út
Elenged
Zár
Maximális úthossz
Ütközős (nyomógombos) végálláskapcsolók (Side / Top push)
Felső nyomógombos
Görgősnyomórudas
Felső nyomógörgős
Oldalsó nyomórudas
Állítható nyomórudas
Oldalsó nyomógörgős
Rugószáras végálláskapcsoló (Wobble stick / cat whisker) Záráshoz szükséges út Elengedéshez szükséges út
Tétlen pozíció
Maximális úthossz
Tetszőleges irányba billentve kapcsol
Végálláskapcsolók + Egyszerű felépítés + Alacsony ár + Környezeti paraméterekre érzéketlen + Zajokra érzéketlen + Tetszőleges jelet képes kapcsolni (AC, DC, nagyfeszültség)
− Mechanikai kontaktust igényel − Az érzékelt tárgy mozgására jelentős hatással lehet − Rövid élettartam − Karbantartásigényes
Fotoelektromos érzékelők (Photoelectric proximity switch)
Fotoelektromos érzékelők • Fényforrás: LED – Látható (ált. vörös) vagy infravörös fény – Lézer – Modulálás (PWM) a melegedés elkerülésére
• Fényérzékelő – Fotodióda vagy fototranzisztor – Spektrális érzékenység
• Optika – Fényforrás és fényérzékelő oldalán is
Érzékenység
Nyaláb átmérő [m (hüvelyk]
• Az érzékenység nagyban függ a fényforrás vetítési képétől • A vetítési kép optika használatával befolyásolható
Távolság [m (hüvelyk)]
Érzékenység • Működési küszöb (operating margin):
Működési küszöb
érzékelt fénymennyiség kapcsoláshoz szükséges minimális fénymennyiség
Névleges működési távolság: 0.75m
Működési távolság [mm (hüvelyk)]
Közvetlen fényérzékelők • Fényforrás (S) és fényérzékelő (R) külön egységben • Nagy távolságú érzékelést tesz lehetővé • Rálátás biztosítása Látószög (R) problémás lehet
Látószög (S)
Effektív nyaláb
Reflektív érzékelők • • • •
Fényforrás és fényérzékelő egy házban Fényvisszaverő a szenzorral szemben (±15°) Olcsóbb, egyszerűbb vezetékezés Csillogó tárgyak becsaphatják
Prizma
Visszavert fénysugár
Kibocsátott fénysugár
Polarizált reflektív érzékelők • Polárszűrő a fényforrás és az érzékelő előtt • Speciális prizma: megváltoztatja a fénysugár polaritását • Csillogó tárgyat is érzékel: arról azonos polaritású fény verődik vissza, amit a szenzor nem érzékel
Fotoelektromos érzékelők + + + + +
Egyszerű felépítés Kontaktusmentes Alacsony ár Zajokra érzéketlen Közvetlen digitális kimenet + Nagy érzékelési tartomány
− Környezeti hatásokra érzékeny − Fényviszonyokra érzékeny − Karbantartásigényes (tisztítás)
Induktív közelítésérzékelők (Inductive proximity switch)
Örvényáram • Akkor keletkezik, amikor egy vezető és a mágneses tér között relatív elmozdulás lép fel – A vezető mozog statikus mágneses térben – A mágneses tér változik • A Lorentz-erő hatására áram indukálódik • A Lenz-törvény értelmében ez úgy örvénylik, hogy az őt kiváltó térrel ellentétes irányú legyen • Rezisztív veszteségként jelentkezik
Örvényáram • Nagysága függ – A mágneses térerősség nagyságától – A frekvenciától – A vezető fajlagos ellenállásától – A hőmérséklettől
• Visszahat az őt gerjesztő mágneses térre: veszteséget okoz
Induktív közelítésérzékelők felépítése Tekercs
Oszcillátor
• A mágneses teret egy tekercs hozza létre • Árnyékolt és árnyékolatlan kivitel
Demodulátor
Trigger
Jelillesztés Árnyékolatlan
Árnyékolt
Induktív közelítésérzékelők felépítése Tekercs
Oszcillátor
Demodulátor
Trigger
Jelillesztés
• A tekercs táplálásáért az oszcillátor felelős • Az oszcillátor szinuszos kimenetét egy LC-kör részeként a tekercs alakítja ki
Az érzékelés elve • A tekercs terébe egy vezető kerül • A vezetőben örvényáram indukálódik • Az örvényáram az oszcillátor LC-körében rezisztív terhelésként jelentkezik • Az oszcillátor csillapítása megnő • Az oszcillátor kimenetének frekvenciája és amplitúdója csökken, majd az oszcillátor leáll
Oszcillátor kimenet
Induktív közelítésérzékelők felépítése Tekercs
Oszcillátor
Demodulátor
Trigger
Jelillesztés
• A demodulátor feladata az oszcillátor AC kimenetéből DC feszültség előállítása • Felépítés – Egyenirányító – Aluláteresztő szűrő
Induktív közelítésérzékelők felépítése Tekercs
Oszcillátor
Demodulátor
Trigger
• Trigger: a DC feszültség szintjének figyelése • Hiszterézis • Schmitt-trigger 𝑈𝐾𝐼
Jelillesztés 𝑈𝐵𝐸
Induktív közelítésérzékelők felépítése Tekercs
Oszcillátor
Demodulátor
Trigger
Jelillesztés
• Tápfeszültség biztosítása a többi modul számára • Trigger kimenet jelillesztése • Ritka: analóg kimenet
Induktív közelítésérzékelők érzékenysége • Függ – Gerjesztési frekvencia (2kHz – 10MHz) – Árnyékolás – Érzékelt tárgy anyaga
• Adatlapon: általában acél érzékelési távolsága • Egyéb anyagokra: korrekciós tényező – Rozsdamentes acél: 0.9 – Bronz: 0.5 – Réz: 0.4
• Ökölszabály: az adatlapon megadott érték felével dolgozzunk • Érzékelési távolság: 1-100 mm (ökölszabály: kb. a szenzor átmérője)
Induktív közelítésérzékelők + Kontaktusmentes + Hosszú élettartam + Környezeti paraméterekre érzéketlen + Közepes érzékelési távolság + Alacsony ár
− Csak vezető anyagokat érzékel − Fémes környezetben a zavarokra ügyelni kell
Kapacitív közelítésérzékelők (Capacitive proximity switch)
Tejesdoboz Selejt (üres doboz)
Kapacitív érzékelő Tolórúd
Megfelelő termék (teli doboz)
Kapacitív közelítésérzékelők • Az érzékelés elve: kapacitásváltozás • Fegyverzetek: – Szenzor – Érzékelendő tárgy
• Az érzékelés függ – A tárgy távolságától – A tárgy nagyságától – A tárgy anyagától – A környezeti hatásoktól
Kapacitív közelítésérzékelők felépítése Kapacitás
Oszcillátor
• A kapacitás egyik fegyverzete a szenzoron • Árnyékolt és árnyékolatlan kialakítás
Detektor
Trigger
Jelillesztés
Árnyékolatlan
Árnyékolt
Kapacitív közelítésérzékelők felépítése Kapacitás
Oszcillátor
Detektor
Trigger
Jelillesztés
• Az oszcillátor szinuszos kimenetét egy RC-kör részeként a kondenzátor alakítja ki
Az érzékelés elve • Amíg nincs tárgy a szenzor közelében, addig a kondenzátor kapacitása nulla, az oszcillátor nem működik • A tárgyat közelítve a kapacitás egyre nő • A növekvő kapacitás növeli az oszcillátor frekvenciáját és amplitúdóját
Szenzor Tárgy
Oszcillátor kimenet
Kapacitív közelítésérzékelők felépítése Kapacitás
Oszcillátor
Detektor
Trigger
Jelillesztés
• A detektor feladata az oszcillátor AC kimenetéből DC feszültség előállítása • Felépítés – Egyenirányító + aluláteresztő szűrő – Frekvencia – feszültség átalakító – Frekvencia kimenet
Kapacitív közelítésérzékelők felépítése Kapacitás
Oszcillátor
Detektor
Trigger
Jelillesztés
• Trigger: a DC feszültség szintjének figyelése vagy frekvencia-komparálás • Hiszterézis • A trigger szint egyes típusoknál állítható (anyaghoz igazítás)
Kapacitív közelítésérzékelők felépítése Kapacitás
Oszcillátor
Detektor
Trigger
Jelillesztés
• Tápfeszültség biztosítása a többi modul számára • Trigger kimenet jelillesztése • Ritka: analóg kimenet
Kapacitív közelítésérzékelők + Kontaktusmentes + Vezető és nem vezető, mágneses és nem mágneses tárgyakat is érzékel + Hosszú élettartam + Megfelelő beállítás esetén képes „átlátni” egyes anyagokon (ld. tejesdoboz)
− Kis érzékelési távolság (2-10mm) − Környezeti hatásokra (pl. páratartalom) különösen érzékeny − Költséges
