Érzékelők és beavatkozók

Mechatronikai szakirány

Érzékelők és beavatkozók 2. előadás: Érzékelés és mérés

Dr. Soumelidis Alexandros egyetemi docens

Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

-1-

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésautomatikai Tanszék

Rendszer Beavatkozás Mérés Adatgyűjtés

Kommunikáció Irányítás Detektálás

Mérés, érzékelés Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

-2-


Mérés, érzékelés Célok: • Megismerés

Tudományos megismerés, Elméletalkotás

• Absztrakció

Matematikai modellalkotás, Rendszeridentifikáció, Modell paraméterbecslés

• Döntéshozatal

Eseménydetektálás, Változásdetektálás, u Hibadetektálás, + Hibadiagnosztika

• Irányítás Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

Vezérlés, Szabályozás

-3-

u

? y

P –

y

P

y

C Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésautomatikai Tanszék

Érzékelés, mérés x(t)

Érzékelő

y(t)

Feldolgozó

z(t)

Átalakító

Érzékelő/átalakító (szenzor, távadó): feldolgozható formára hozza a mért jellemzőt Példák: • • • • • •

Kinematikai érzékelők: sebességmérő, tachográf, GPS Dinamikai érzékelők: gyorsulás-, giro érzékelő Hőmérsékleti érzékelők: termoelem, ellenálláshőmérő Nyomásérzékelő: barométer, nyomáskülönbség távadó Villamos érzékelők: feszültségmérő, árammérő Komplex érzékelők: video kamera, GPS


-4-


Érzékelők Fizikai mennyiségeket • villamos jellegű mennyiségekre : feszültség, áram, frekvencia, vagy • Villamos elven mérhető mennyiségekre: ellenállás, kapacitás, induktivitás alakítanak át. Érzékelők osztályozása a kimenet jellege szerint: • Analóg kimenetű érzékelők: kimenet folytonos skálán változik. • Kétállapotú: a kimenet két állapot között változik. • Digitális: a kimenet diszkrét skálán változik.


-5-


Érzékelők Néhány egyszerű példa érzékelőkre:

Mikrokapcsoló (limit-switch)

Potenciométer (szervo potméter)


-6-


Érzékelés, mérés Példa: félvezető nyomásérzékelő

A nyomáskülönbség deformálja a vékony Si lapot.

A deformáció ellenállás változást okoz – villamos módszerrel, pl. mérőhidakkal (Wheatstone-híd) mérhetők. Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

-7-


Érzékelés, mérés Példa: mágneses térérzékelő

Magnetorezisztív hatás:

A mágneses tér megváltoztatja a permalloy anyag (egy vasötvözet) ellenállását. Mérés: Wheatstone-híd.


-8-


Érzékelés, mérés Példa: nyúlásmérő bélyeg

Mechanikai deformáció (nyúlás): megváltoztatja egy vékony vezető réteg ellenállását.

Alkalmazás: erőmérő cella. Mérés: Wheatstone-híd.


-9-


Hőmérséklet mérés Hőmérséklet érzékelők típusai: Kétállapotú hőmérséklet érzékelők (hőmérséklet kapcsolók, termosztátok): • Bimetál kapcsoló • Folyadék- vagy gáztöltésű harmonikás kapcsoló Arányos (analóg) hőmérséklet érzékelők: • • • • •

Ellenálláshőmérő (RTD – Resistor Temperature Detector) Termoelem (TC – Thermocouple), Termisztor Félvezető alapú érzékelők Érintkezés nélküli infravörös érzékelők


- 10 -


Hőmérséklet mérés Kétállapotú hőmérséklet érzékelők (hőmérséklet kapcsolók, termosztátok): Határoló kapcsolók (limit switch): valamilyen hőmérsékleti szint túllépésekor állapotot vált. • Bimetál kapcsoló ~T

V

Fogyasztó

≈/=

„Kettősfém” szalag – különböző hőtágulási tényezőjű fémekből összeállítva: az eltérő hossznövekedés miatt elhajlik. Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

L 

L T   L T0    T  T0  L T0 

relatív hosszváltozás - 11 -

hőmérsékleti tényező


Hőmérséklet mérés • Gáz- vagy folyadéktöltésű harmonikás kapcsoló V ≈/=

Gázok nyomásának ill. térfogatának hőmérsékletfüggése: pV (egyesített gáztörvény)  const .

T

~T

A harmonika állandó nyomást tart fenn: Fogyasztó

V T   V T0  

k T  T0  p

L T   L T0  

V

 LA 

k T  T0  pA

Folyadékok térfogatának hőmérsékletfüggése: relatív térfogatváltozás

V 

V T   V T0    T  T0    V T0 térfogati hőmérsékleti tényező


- 12 -


Hőmérséklet mérés Ellenálláshőmérő (RTD – Resistor Temperature Detector)

Alapelv: a vezető anyagok ellenállásának hőmérsékletfüggése: R T   R T0    T  T0  R T   R T 0 1    T  R T0  hőmérsékleti tényező

(lineáris közelítés)

Másodrendű közelítés:



R T   R T0  1    T    T  magasabb rendű közelítések: az R(T) függvény Taylor-sor alapján

2



R

Rref=R(T0) T0


- 13 -

T


Hőmérséklet mérés Ellenálláshőmérők: a leggyakoribb Pt100 – 100 Ω platina

Szabvány: DIN IEC 751 Osztályok – tolerancia szerint: A: ± [ (0.15 + 0.002 | t | ] °C B: ± [ (0.30 + 0.005 | t | ] °C

Anyagok: Platina Réz Nikkel Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

- 14 -

0.00385 Ω/Ω/°C -260 – 850 °C 0.00427 Ω/Ω/°C -100 - 260 °C 0.00672 Ω/Ω/°C -100 – 260 °C Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésautomatikai Tanszék

Hőmérséklet mérés Pt100 RTD jellemzői (IEC751 szabvány szerint): • Névleges ellenállás 100°C hőmérsékleten: 100Ω. • Lineáris hőmérsékleti tényező α=0.00385 (átlagos meredekség 0 és 100 °C között) • Pontosabb – nemlineáris – összefüggés:



R T   R0 1  sT  bT 2  c (T  100 )T 3



a = 3.90830 x 10-3 b = -5.77500 x 10-7 c=-4.18301 x 10-12 -200°C < T < 0°C, és 0 0°C < T < +850°C (Callendar-Van Dusen összefüggés)


- 15 -


Hőmérséklet mérés Mérés ellenálláshőmérővel: az RTD-re eső I

Feszültséggenerátoros gerjesztés

RS

UO  U I

RRTD RS  RRTD

nem lineáris torzító tag

UI RRTD

Áramgenerátoros gerjesztés

UO

U O  IRRTD

lineáris

Állandó árammal való gerjesztés a kedvezőbb: • nincs torzítás, • a hozzávezetések ellenállása nem játszik szerepet. Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

- 16 -


Hőmérséklet mérés Mérés ellenálláshőmérővel: mérőhíd – egy Wheatston-híd A híd egyik eleme a változó ellenállású RTD, a többi (legtöbbször azonos) értékű konstans ellenállás. Mérjük Uo kimeneti feszültséget.

R±r

R

Ue

R±r

R

R

R

I

R

R

Uo

Feszültséggenerátoros gerjesztés Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

Uo

Áramgenerátoros gerjesztés - 17 -


Hőmérséklet mérés Termoelemek (ThermoCouple – TC) Termoelektromos hatás (Seebeck effektus): különböző fémekben az elektronok mozgékonysága különböző hőmérsékleten eltérő: ez potenciálkülönbséget kelt, amely mérhető. kromel

réz árnyékolás

Tsense Tref

alumel

V

Tm szigetelőanyag

réz

K-jelű termoelem (IEC 584 szerint) kromel(+) - alumel(-) 41μV/ºC

„Csupasz”

Burkolt

Árnyékolt (földelt csomópontú)

kromel: nikkel (90%) – króm (10%) ötvözet alumel: nikkel (95%) – mangán (2%) – alumínium (2%) - szilícium (1%) ötvözet Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

- 18 -


Hőmérséklet mérés Termisztorok Félvezető kerámia anyagokból készült ellenállások: • NTC – negatív hőmérsékleti tényezőjű ellenállás • PTC – pozitív hőmérsékleti tényezőjű ellenállás Általában NTC-t használunk: (Steinhart-Hart)

A, B, C, D általában tapasztalati úton nyert konstansok (katalógusadatok)

Hőmérsékletmérés: feszültségmérés • áramgenerátoros gerjesztéssel vagy feszültségosztóként, • Hídkapcsolásban. Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

- 19 -


Hőmérséklet mérés Termisztorok Félvezető kerámia anyagokból készült ellenállások: • NTC – negatív hőmérsékleti tényezőjű ellenállás • PTC – pozitív hőmérsékleti tényezőjű ellenállás Általában NTC-t használunk: (Steinhart-Hart)

A, B, C, D általában tapasztalati úton nyert konstansok (katalógusadatok)

Hőmérsékletmérés: feszültségmérés • áramgenerátoros gerjesztéssel vagy feszültségosztóként, • Hídkapcsolásban. Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2015-16. I. félév

- 20 -


Hőmérséklet mérés Félvezető hőmérsékletmérő szenzorok, példa: LM20 Si félvezető PN átmenet hőfokfüggését használja ki. Analóg kimenetű közel lineáris érzékelő:


- 21 -


Érzékelők és beavatkozók

Recommend Documents