Intelligens szenzorok 2 . E L ŐA DÁ S K ÉS ZÍ TET TE: DR . F Ü V ES I V I K TOR 2 0 1 7. 0 2 .
Mai témáink o Jel típusok
o Hőmérséklet mérés
o Nyomás mérés
2
Jel típusok
3
Jelek a világban Jel: valamely fizikai mennyiség (jelhordozó) A jel által átvitt információ és a jellemző érték kapcsolatát a kódolás szabja meg. egy jellemző értékének alakulása (többnyire időbeli változása). A jelhordozó típusa lehet: Jel (vagy jel kód o elektromos, információ) o pneumatikus, kódolás dekódolás o fény, o stb. A jelek csoportosítása: o analóg A jelhordozó lehet a jel o nagysága, o digitális o frekvenciája, o fázisa, o stb.
4
Jelek felosztása Időbeni lefolyás szerint
Értékkészlet szerint
AMPL. \ IDŐ
Példa
FOLYAMATOS
DISZKRÉT
Legtöbb fizikai v. kémiai állapothatározó (pl.: nyomás, hőmérésélet)
FOLYTONOS T0
A/D átalakító jele
DISZKRÉT T0
1
1
kapcsoló
BINÁRIS 0
0 T0
5
Jelek felosztása o Értékkészlet szerint: o Folytonos: értékkészletük összefüggő tartomány. o Diszkrét: csak kitüntetett értékeket vehetnek fel o Bináris: o diszkrét jelek speciális esete o csak két különböző értéket vehet fel o Időbeni lefolyás szerint: o Folyamatos: vizsgált időintervallumon belül bárholt meghatározható. (pl.: analóg műszerek) y=f(t), tϵR -∞ < t < ∞ t: időváltozó o Diszkrét vagy szaggatott: csak kitüntetett időpontokban (mintaételezéskor) ismert az értéke. (pl: digitális műszerek) y=f[k], kϵZ kϵ [-∞, …, -1, 0, 1, 2, …, ∞] k: diszkrét idő 6
Jelek osztályozása Szinuszos Periodikus (ismétlődik) Determinisztikus (meghatározott) Villamos jelek
Általános periodikus
Kvázi periodikus Nem periodikus (nem ismétlődik) Tranziens
Sztochasztikus (nem meghatározott) 7
Jelek osztályozása o Meghatározottság szerint: o Determinisztikus: egyértelműen, meghatározott időfüggvénnyel megadhatók. Az y(t) (y[k]) jel determinisztikus, ha értékét minden t időpillanatra előre ismerjük. Pl.: y(t) = t vagy y[k] = sin[k] o Sztochasztikus: Idő függvénnyel nem megadható jel. Általában a rendszerben fellépő zajok, zavarások okozta véletlenszerű hatások miatt a jel ebben az esetben csak valószínűségszámítási módszerekkel írható le. Az y(t) (y[k]) jel sztochasztikus, ha időfüggését nem ismerjük előre, de meg tudjuk határozni bizonyos statisztikai jellemzőit. Pl.: Tipikus sztochasztikus jelek a különböző zajok. Melyek időfüggvény formájában nem adhatók meg, de statisztikai tulajdonságaik ismertek.
8
Jelek osztályozása o Szinuszos jel 𝑔 𝑡 = 𝐴 sin(2𝜋𝑓1 𝑡 + 𝜑)
Amplitudó (A)
g(t) t
Periódusidő (T)
1 Frekvencia: 𝑓 = [𝐻𝑧] 𝑇
Körfrekvencia: 𝜔 = 2𝜋𝑓1 9
Jelátalakítók Mérő-átalakító (érzékelő, szenzor): A nem villamos mennyiséget érzékelve azzal arányos jelet állít elő.
Mérendő jel
Fizikai mennyiség
Pl.: p - I
Jelváltó: Egy fizikai mennyiséget azonos típusú mennyiséggé alakít.
Fizikai mennyiség
Azonos típusú fizikai mennyiség
Pl.: erősítő, transzformátor, fogaskerék, stb. 10
Hőmérséklet mérés
11
Fázisdiagram
12
Hőmérséklet skála
Skála megnevezése
Beosztás
Jég olvadáspontjának hőmérséklete
Forrásban lévő víz feletti vízgőz hőmérséklete
Celsius
100
0°C
100°C
Kelvin
100
273,16 K
373,16 K
Fahrenheit
180
32°F
212°F
Réaumur
80
0°R
80°R 13
Celsius skála 1064,43C – Arany dermedéspontja 0,01C – Víz hármaspontja
-218,789 C – Oxigén hármaspontja -182,962 C – Oxigén forráspontja
231,9681C – Ón olvadáspontja
1539 C – Vas olvadáspontja (pontatlan) 1773 C – Platina olvadáspontja
-259,34 C – Hidrogén hármaspontja
14
Szabványos ellenállás hőmérő IEC 751 alapján Platina ellenállás-hőmérő Platina használatának okai: o Kémia ellenálló-képesség o Hőmérséklet állandója kellően nagy ahhoz, hogy mérhető ellenállás változás produkáljon a hőmérséklet változásával o Megmunkálás nem befolyásolja a próbatest ellenállását o Közel lineáris összefüggés a hőmérséklet és a ellenállás között
Rt = Ro [1 + At + Bt2 + C(t -100 oC) t3] α
=
(R100 - Ro)
100 · Ro
értéke 0,00385 oC-1,
A = 3,9083 ·10-3 oC-1 B = - 5,775 ·10-7 oC-2 C = - 4,183 ·10-12 oC-4 R100 az ellenállás 100 oC -on, Ro az ellenállás 0 oC -on.
Számításoknál használjuk a pontos értéket: 0,00385055 oC-1 15
Ellenállás mérés módszerei o Az ellenálláson átfolyó áram és a kapcsain észlelhető feszültségesés mérése (Volt-Amper mérés).
o Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak használatával
o Ohmmérők ellenállásméréshez kidolgozott olyan kapcsolások, amelyekkel az ismeretlen ellenállás értéke közvetlenül a műszerről leolvasható.
16
Ellenállás mérés I. o Az ellenálláson átfolyó áram és a kapcsain észlelhető feszültségesés mérése (Volt-Amper mérés).
I A U
V
Rt RU
𝑈 𝑅𝑡 𝑅𝑢 = 𝐼 𝑅𝑡 + 𝑅𝑢
…
Rt
U 1 I 1 U / I Ru
17
Ellenállás mérés II. (2 vezetékes mérés) o
Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak használatával
Rt mérendő Minden ellenállás ismert (R1, R2, RSZ, RN) Egyenfeszültség megtáplálás
A Rv
Rt
R1
Rv
DB pontok egyen potenciálon (RN állításával)
G D
B RN
C
G zérust mutat
R2 Híd kiegyenlített
Pontos értéke:
Rt RN
R1 R2
RSZ
Számított érték:
R1 Rt RN 2 Rv R2
Rv mérési hibát okot • vezetékek melegedése 18
Ellenállás mérés III. (3 vezetékes mérés) o
Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak használatával – hőmérséklet kompenzálás
Rt Rv
Rv
R Rv R1 t R2 RN Rv
Rv
R1 R2 Rt Rv RN Rv G
RN
R1
R2
Rt RN
R R1 Rv 1 1 R2 R2
o Rv kiesik, ha R1 és R2 egyenlő (arányellenállások) o Bekötésnél Rt és RN soros kapcsolásban 19
Ellenállás mérés IV. (4 vezetékes mérés) o
Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak használatával
Rv1
Im
Rv3 Rt
V
A
Rv4
Rv2
o A feszültségérzékelő kapcsokon nagy belső ellenállású (Rbe107) műszerrel mérjük az Rt ellenálláson eső feszültséget. o Rv3 és Rv4 vezeték-ellenállások nem okoznak feszültségmérési hibát, mivel a rajtuk folyó áram rendkívül kicsi nA-A nagyságrendű. o Rv1 és Rv2-n eső feszültséget pedig nem mérjük, mivel a feszültségérzékelő kapcsok közvetlenül az Rt-n vannak elhelyezve. o Az Rv ellenállások értékeinek eltérése a mérés pontosságát nem befolyásolja.
Bemeneti fokozat 20
Ellenállás mérés V. o Ohmmérők ellenállásméréshez kidolgozott olyan kapcsolások, amelyekkel az ismeretlen ellenállás értéke közvetlenül a műszerről leolvasható.
Folyó áram:
Rb
I
U Rb Rt
I mA
U
Műszer kitérés: kI
Rt
Soros ohmmérő kapcsolás (állandómágneses műszer)
kU Rb Rt
k: műszerállandó
U áll. és Rb áll.
α = f(Rt)
21
Hőelem v. termoelem működése o
Hőelem hatás – Seeback effektus (Thomas Seeback - 1822)
Két különböző vezetőből álló áramkörben hőelektromotoros feszültség jelenik meg, ha a vezetők illesztései különböző hőmérsékleteken vannak. Hőmérséklet növekedésével különbözőképpen nő a két anyagban töltéshordozók mozgékonysága. Melegebből
töltéshordozók vándorolnak a hidegebb felé. 𝑈 = 𝑎 𝑇1 − 𝑇2 + 𝑏 𝑇1 − 𝑇2 U
o
2
+ 𝑐 𝑇1 − 𝑇2 3 +…
T1 és T2 – hideg és meleg forrpontok hőmérsékletei a,b,c – anyagállandók E – megjelenő feszültség
Peltier hatás Ha a hőelemen áram folyik, hőátvitel következik be a melegebb illesztéstől a hidegebb felé. 22
Hőelemek alkalmazási tartományai Jel
Összetétel
Hőmérséklet tartomány 0°C ... 590°C
B
Platina-30% -Platina-6% Ródium
600°C ... 1190°C
Jel
N
Összetétel
Nikkel króm ezüst ötv. - Nikkel ezüst ötv.
1200°C ... 1810°C E
J
Chromega® - Konstantán
Vas - Konstantán
-260°C ... 340°C 350°C ... 990°C
-260°C ... 290°C K
Chromega® - Alomega®
300°C ... 840°C 850°C ... 1370°C
-260°C ... 490°C 500°C ... 1290°C -40°C ... 540°C
R
Platina-13% Ródium - Platina
550°C ... 1140°C 1150°C ... 1760°C
-200°C ... 490°C 500°C ... 1190°C
Hőmérséklet tartomány
-40°C ... 540°C S
Platina-10% Ródium - Platina
550°C ... 1140°C 1150°C ... 1760°C
T
Réz - Konstantán
-260°C ... 390°C
23
Alkalmazás K típusú a legnépszerűbb
Hidegpont kompenzáció
Linearizáció
TC
Hegesztés (kapacitív kisüléssel)
Hidegpont termosztát
𝑈 = 𝑎 𝑇1 − 𝑇2 + ⋯ +𝑏 𝑇1 − 𝑇2 2 + 𝑐 𝑇1 − 𝑇2 3 +…
TC Ua TM
TV
Cu
Ua ~ TM - TV
24
Problémák és alkalmazási megfontolások o
Csatlakoztatás o
o
Szándékolatlan hőelemképződés o
A hőelem vezetékek meghosszabbításához a hőelem típussal azonos vezetéket kell használni.
o
A csatlakozó dugók és aljzatok a hőelemnek megfelelő anyagúak és polaritásúak legyenek.
Kalibárciós változás o
o
Szélsőséges körülmények között szigetelés sérülhet o
Zaj o
Kis jel
o
Csavart ér pár használata
o
Közös modusú zaj kompenzálás
rossz zaj viszony
Kompenzációs vezeték
o
Speciális vezetékek a hosszabbítás ként
25
Ipari példák SITRANS TR200 DIN rail változat o
Méréstartomány o RTD: -200 °C…850 °C, Hőelem: -200 °C…1820 °C o mV: -1…+1000,
o
Érzékelő: RTD vagy hőelem
o
Kimenet: 4-20 mA (Zöld/piros LED)
o
Hidegpont kompenzáció: 0, 20, 50, 60, 70 °C
o
Pontosság: tip. 0,25 %
o
Alkalmazási terület: Univerzális alkalmazás
26
Ipari példák o
Méréstartomány: érzékelőtől függő
o
Érzékelő
o RTD: Pt25, Pt50, Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 o TC: B, C, D, E, J, K, L, N, R, S, T, U o
Mérés: RTD 2, 3, 4 vezetékes, hőelem, mV mérés
o
Kimenet: 4-20 mA kétvezetékes kimenet, (TH300 – HART)
o
Pontosság: tip. 0,1%,
o
Alkalmazási terület
SITRANS TH TH200/TH300
o távadó – Zone2, Zone1, o érzékelő – Zone2, Zone1, Zone0
o
Robbanás védett kivitel o II 1G EEx ia IIC T6/T4, PTB 05 ATEX 2040X, II 2G EEx ia/ib IIC T6/T4
27
TH200 belső felépítése
28
TH200 bekötése
2 vezetékes bekötés
3 vezetékes bekötés
4 vezetékes bekötés
Kimenet
29
TH200 tokozás Vezeték bevezetés
Szerelő fedél
Pt100
Rögzítő menet
Mérő pogácsa
30
Nyomás mérés
31
Nyomásmérés Legfontosabb jellemzők o
o o
o
Mértékegységek o Pa=N/m2, 1 bar=105 Pa, psi – pound/inch2, 14,5 psi=1 bar o Pa, MPa, Kpa, bar, torr, atm, psi, g/cm2, inH2O, mmH2O, ftH2O, inHg, mmHg Nyomás, nyomáskülönbség, vákuum o relatív – gauge és abszolút nyomástávadók Közvetlen nyomásmérők (múlt és jelen) o U csöves manométer, ferdecsöves manométer o merülőharangos, billenőgyűrűs, dugattyús Indirekt nyomásmérők (távadó alapelvek) o Bourdon csöves, csőmembrános, diafragma típusú mérőeszközök 32
Nyomástávadók Távadók, átalakítók o
Kapacitív nyomástávadó o Egy elektródás, két elektródás
o
Induktív nyomástávadó o Linear Variable Differential Transducer
o
Rezisztív típusú nyomástávadó o Nyúlásmérő bélyeges, piezorezisztív
o
Nyomáskülönbség mérők o Felépítés, jellemzők
o
Nyomás és nyomáskülönbség mérők beépítési lehetőségei o Gőz, gáz és folyadék mérése, csaptelepek használata 33
Átszámítási táblázat
Mértékegységek
34
Tipikus felépítés Siemens DS III érzékelő Si membrán
Piezorezisztív érzékelő
P
Tartó cső
Si hordozó
Hőmérséklet érzékelő
Piezorezisztivitásnak nevezzük azt a jelenséget, amikor a vezető vagy félvezető anyag mechanikai deformációk hatására megváltoztatja elektromos ellenállását. 35
Cella kialakítás érzékelő
_
elválasztó membrán
+
membrán 36
Túlterhelés védelem túlterhelés
dP 0…100% elválasztó membrán
P+
érzékelő
P-
P
mérő membrán 37
Távadó családok Kompakt sorozat
P200 sorozat
DS III sorozat
DP250
P280 sorozat
P300 sorozat 38
Relatív és abszolút nyomástávadók SITRANS P200 o
Méréstartomány: 1…60 bar relatív, 1…16 bar abszolút nyomás
o
Érzékelő o P<1bar: piezorezisztív (SS membrán) o P>1 bar: vékonyréteg nyúlásmérő bélyeg (SS membrán)
o
Kimenet: 4-20 mA, két vezetékes, vagy 0-10 V, 3 vezetékes (7 mA)
o
Pontosság: tip. 0,25 %, max. 0,5 %
o
Alkalmazási terület: energiaipar, gépgyártás, vegyipar, vízművek, hajóipar
o
Robbanásvédett kivitel: EX II 1/2 G EEx ia IIC T4
o
Feléledési idő (response time): < 0,005 s
39
Relatív nyomástávadók kis nyomásra SITRANS P210 o
Méréstartomány: 100…600 mbar relatív nyomás
o
Érzékelő: piezorezisztív (SS membrán)
o
Kimenet: 4-20 mA, két vezetékes, vagy 0-10 V, 3 vezetékes
o
Pontosság: tip. 0,25 %, max. 0,5 %
o
Alkalmazási terület: energiaipar, gépgyártás, vegyipar, vízművek, hajóipar
o
Technológiai csatlakozás: G½” male, ¼”-18 NPT male (female), M20x1,5 male, special version
40
Relatív nyomástávadók nagy nyomásra SITRANS P220 o
Méréstartomány
o 2,5…600 bar relatív nyomás o
Kimenet o 4-20 mA, két vezetékes, vagy 0-10 V, 3 vezetékes
o
Pontosság
o o
tip. 0,25 %, max. 0,5 %
Alkalmazási terület o energiaipar, gépgyártás, vegyipar, vízművek, hajóipar
o
Robbanás védett kivitel
o EX II 1/2 G EEx ia IIC T4
41
Nyomáskülönbség távadók SITRANS P250 Méréstartomány: 0…100 mbar (0-40 inchH2O) …. 0-25 bar (0-363 psi) Érzékelő: piezorezisztív (kerámia diafragma), 1.4305 acél membránnal Kimenet: 4-20 mA két vezetékes, 0-5 V, 0-10 V feszültség kimenet (< 5 mA) Pontosság: 1% Alkalmazási terület: folyadékok és (természetes) gázok mérése, Gyártásautomatizálás, épület automatika, vízipar
Robbanás védett kivitel:
Alkalmazás: szűrő eltömődés figyelése szivattyú üzem figyelése
EX II 1/2 G EEx d IIC T4/T6, PTB 99 ATEX 1160 EX II 1/2 G EEx ia/ib IIC T4/T6, PTB 98 ATEX 2003 42
Alkalmazási példák S I T R A N S
P 2 5 0
43
Bemerülő nyomásmérő MPS Series
o
Méréstartomány: 0-2 … 0-20 mH2O,
o
Érzékelő: piezorezisztív, SS membránnal
o
Kimenet: 4-20 mA
o
Pontosság: tip. 0,3 %
o
Alkalmazási terület o
olaj és gázipar, hajóipar, vízművek
(ivóvizes engedély, OTH engedély) o
Robbanásvédett kivitel: EX II 1 G EEx ia IIC T4
o
Védettség: IP68 44
Higéniás követelmények Compact Sorozat o
Méréstartomány: 0…160 mbar… 0…40 bar relatív és abszolút nyomás
o
Érzékelő: piezorezisztív, SS membránnal, vákuum védett
o
Kimenet: 4-20 mA két vezetékes, 0-20 mA három vezetékes
o
Pontosság: tip. 0,2 %
o
Alkalmazási terület: o élelmiszeripar, gyógyszeripar, biotechnológia (higiéniai követelményeknek megfelelő)
o
Robbanás védett kivitel: EX II 2G EEx ib IIC T6
Lehetőségek: o Technológia: max. 200 °C o Mérőrendszer vákuum védett o IP65 védettség o Beszerelés: bármilyen helyzetű lehet
45
Abszolút és relatív nyomásmérés P300 Series
o
Méréstartomány 4…400 bar (OR: 600) relatív nyomás,
1…30 bar (100 bar) abszolút nyomás
46
Nagy teljesítményű távadók SITRANS P500
o
Alkalmazási terület: o nyomáskülönbség, o áramlás o szintmérés.
o
Méréstartomány: 1,25…250 – 6,25…1250 mbar, Pstat: 160 bar
o
Egyéb jellemzők: A DSIII adataival megegyező
47
Elválasztó membránok alkalmazása Felhasználási terület
o Hőmérséklet magasabb, mint a távadó specifikációja o A közeg korrozív o A közeg viszkozitása, vagy a szilárd anyag tartalma magas
o A közeg pulzál o A közeg polimerizálódik, vagy kristályosodik mérés közben o A folyamat érdekében tisztán kell tartani az érzékelési helyet
(gyógyszeripar)
48
Elválasztó membránok Relatív nyomás
MK II, P300, DS III, DS III PA Abszolút nyomás
P300, DS III, DS III PA, DS IIFF Nyomáskülönbség és áramlás
DS III, DS III PA, DS IIFF
49
Nyomás távadók beépítése a mért médium szerint folyadék
gáz, gőz
dp folyadék
50
