Készítette: Dr. Füvesi Viktor

Készítette: Dr. Füvesi Viktor 2015. 3.

o Szintmérés o Analóg multiplexer o DA konverterek o AD konverterek

Szintmérés

o Szintmérési elvek o Szintkapcsolók o Kapacitív szintmérők o Ultrahangos szintmérők

o Radaros szintmérők

Jelzők és mérők  Úszós szintjelzés  Membrános szintmérés  Súlymérésre visszavezetett szintmérés  Mágneses szintmérés  Úszó szintkapcsoló  Hidrosztatikus elven működő szintmérés  Nyomásmérésre visszavezetett szintmérés  Fenéknyomás mérésre visszavezetett szintmérés  Lézeres szintmérés  Vezetőképességi elven működő szintmérés  Szintkapcsolók (forgó lapátos, kapacitív, billenő, vibrációs, ultrahangos)  Kapacitív elven működő szintmérés

 Ultrahangos, Radaros szintmérés

Ipari megoldások Üvegcsöves szintjelző

Úszós szintjelző

Membrános szintjelző

Elterjedt megoldások Hidrosztatikus elvű – 1

Hidrosztatikus elvű – 2

Nyomásmérésen alapuló

Előnyök és hátrányok Elektromechanikus elvű

Lézeres szintmérő

Kapacitív szintmérő

Forgó lapátos

Általános

Rezgővillás folyadékra

Billenő

Rezgővillás ömlesztett anyagra

Ultrahangos

Extrém nyomás és hőmérséklet Nagy nyomás és hőmérséklet

Kapacitív

A forgólapátos szintkapcsoló ömlesztett szilárd anyagok, különféle porok, szemcsés és granulált anyagok szintjének jelzésére szolgál (pl. gabona, pernye, fűrészpor, mészkő, szén, agyag, stb.). A forgólapátot szinkronmotor hajtja. Amint a mérendő közeg eléri a forgólapátot, azt lefékezi, megakadályozza forgását. A beépített nyomatékkapcsoló ekkor egy nagyterhelhetőségű váltóérintkezővel külső jelzésre, működtetésre alkalmas kontaktust ad, illetve egy másik érintkezővel a forgatómotort kikapcsolja  Granulátum, por, ragadós anyagok mérésére Sűrűség ≤ 15 g/l (2,19 lb/ft3) Méréstartomány: 100 mm…10 m

 Hőmérséklet és nyomás Közeg hőmérséklet: -25 …350 °C Nyomástartomány: st. 0,5 bar, op. 10 bar

 AC és DC tápfeszültségű üzem  Tele, üres és igény szerinti alarm relé  Különleges súrlódó tengelykapcsoló  Opcionálisan fail safe konfigurálás (elforgás figyelés)

Miltronics Tilt Switch Probe Működés:: Működés elektromechanikus kapcsolás – higany zárt térben

 Granulátum, ömlesztett anyagok szint kapcsolására alarm jelek biztosítására (alsó és felső szint)

 Kapcsolási adatok áram: 2 A feszültség: 24 VDC Szög: 17° bármelyik irányban

 Alkalmazási terület szállító szalagnál anyag hiánya jelzés, száraz, ömlesztett anyagoknál, folyadékoknál.

Vibrációs szintkapcsoló villa A készülékek működése a rezgővilla által érzékelt anyagtól függő rezonanciafrekvencia-változás elvén alapul. A piezokristályt tartalmazó mérővilla rezonanciafrekvenciájának a levegőben szabad oszcillálástól való eltérése a villa érintkezési felületétől, az érzékelt közegtől, annak sűrűségétől és viszkozitásától függ.  Folyadékok, zagyok, „trutymók” mérésére Bemerülés: 40 mm Hiszterézis: kb. 2 mm Kapcsolási idő: 0,5 s Kimenet: PNP tranzisztor

 Hőmérséklet és nyomás Hőmérséklet tartomány – közeg: -40…150 °C (-40..150) Nyomástartomány: 1…64 bar

 Piezoelektromos vibráció 1200 Hz rezonancia frekvenciával (beépített oszcillátor hangolódik el)  Túlfolyás, üres és igény szerinti alarm relé  Turbulens áramlás, buborékos közeg esetén is használható  Korrózió figyelésre is alkalmas

Ömlesztett anyagokra  Ömlesztett anyagok mérésére LVS100 méréstartomány: 170 mm …. 2 m LVS200 méréstartomány: 165 mm …. 4 m Frekvencia: LVS100: 200 Hz, LVS200: 125 Hz (op. 350 Hz) Kimenet: 8 A, 250 VAC vagy 5 A, 30 VDC

 Hőmérséklet és nyomás Hőmérséklet tartomány: -40 …150 °C Nyomástartomány: 10 bar

 Mechanikai behatásokra érzéketlen  Külső vibrációra nem érzékeny  Tele, üres és igény szerinti alarm relé  Az LVS200 – opcionális 4-20 mA kimenettel  Silókban, hombárokban ömlesztett anyagokra

1831



1864



1930s 1950

 

1953



1993



1998



1998



Történeti áttekintés Michael Faraday „próbarendszere” egy dielektrikummal, elektróda felhasználásával James Clerk Maxwell (skót matematikus) a Faraday elvet alkalmazza az elektromágneses hullámzásra – radar technika alapja Két elektródás rendszerek bevezetése Kapacitív elven működő tartály szintmérési eljárások fejlesztése Az Endress + Hauser kifejleszti a kapacitív szintmérést tartályokra A Meridian Instruments B.V. (Hollandia) kifejleszti a frekvenciamodulációs elvű kapacitív szintmérőt A Milltronics megvásárolja a Meridian Instruments B.V. 70%-át Milltronics bevezeti a Pointek Serie elnevezésű kapacitív elvű szintmérőt

Kondenzátor kapacitása A kondenzátor két lemeze között egy dielektrikum

Dielektromos állandó

Lemezfelület Kapacitás Lemezek közötti távolság

Különböző anyagok

Dielektromos állandók Levegő

1.0

Rizs

3.5

Víz

80 (20° C) Fly Ash

1.9 – 2.6

Formic Acid 59

Methanol 33

Petróleum

Urethán

Levegő

1.0

1.8 – 2.2

6.5 – 7.1

Aceton

Víz 20° C

21

80

Számítás

d

D

K1 x L x C = log(D/d)

r (pF)

ahol K1= 24,3 m-ben

C = Kapacitás változás (pF) L

L = Szonda távolság (m)

r = A mérendő anyag dielektromos állandója D = Tartály átmérő (cm) d = Szonda átmérő (cm)

Kondenzátor kapacitása

C=

A

24,3 * r * L B

levegő

levegő

d=16 mm

d=16 mm

2m

0,5 m

D

D

C

C

24,3 * 1 * 1 A

B

=

=

=

24,3 * 1 * 1 24,3

= 2,1

log(2/0,016)

log(125)

24,3 * 1 * 1

24,3* 1 * 1

=

=

log(0,5/0,016) log(31,25)

24,3 1,5

= 11,5 pF/m = 16,25 pF/m

Pointek® CLS200  Anyag jelenléte (nem léte) érzékelés  Szintmérésnél Hi és Lo alarm  Folyadékra, szilárd anyagra, zagyra, határfelületre  Jellemzők • Változatos csatlakoztatás • Univerzális AC/DC táplálás • Konfigurálható kimeneti opciók (relé v. Profibus PA kommunikáció)  Minden szabványos szintkapcsoló feladatra

Pointek® CLS300

 Ez is kapacitás elhangolódással mér  Szintmérésnél Hi és Lo alarm  Folyadékra, szilárd anyagra, zagyra, habra, határfelületre

 Jellemzők • 5 DIP kapcsolóval kalibráció • Méréshatár: rúd – 1m, kábellel – 20 m • Hőmérséklet: -40…400 °C • Univerzális AC/DC táplálás • Konfigurálható kimeneti opciók (relé v. Profibus PA kommunikáció) • SIL2 alkalmazás • Lloyd hajóipari regisztráció

Felépítés

Nyomástartomány: vákuum…35 bar Hőmérséklet: - 40 …+200, op. + 400 ºC ATEX minősítés

Hőmérséklet izoláció Kerámia elválasztó Anyag SS 316L

Mérési módszerek  Nyomáskülönbségre visszavezetett Tipikusan használt (SIEMENS): DSIII  Gravimetrikus Súlymérésre visszavezetett mérés  Kapacitív Széles tartományban használt, elterjedt  Ultrahangos Zajos és poros környezetben különösen használt  Radaros Vezetett és sugárzó radaros

 Jellemzők

SITRANS LC300

méréstartomány: max. 5 m, 1,66-3300pF standard (6600pF opció), pontosság: 0,4 %

 Kimenet (galvanikusan leválasztott) Átfogás 1:10000 Kimeneti jel: 4 -20 mA / 20 - 4 mA

 Hőmérséklet tartomány Standard: -40…+200 C

 Nyomástartomány Standard: -1…35 bar

 Integrált LCD  Csatlakoztatás – rozsdamentes csavar  Technológiai csatlakozás – PFA (PerFluorAlkoxi)

Történeti áttekintés 1987

1992

MultiRanger

The Probe

1995

Echomax

1999

2001

MultiRanger 100/200

EnviroRanger ERS 500

Reflexió érzékelésen alapuló mérés

visszhang mérése

Példa: levegőben a visszhang 58,2 ms múlva érkezik:

Kompakt kivitel  Kontaktusmentes ultrahangos kapcsoló  Folyadék – 0,25…5 m  Ömlesztett szilárd – 0,25…3 m  Mérés: szilárd, folyadék és zagy közegre (még nyúlós folyadékra is)  Jól használható ragadós folyadékra is!  Két kapcsolási pont (HiHi, Hi, Lo vagy LoLo), de lehet szivattyú vezérlésre is  Beépített hőmérséklet kompenzáció  Két nyomógombos programozás

 Ex kivitel

Digitális kimenet  A piacon a legpontosabb eszköz – 0.15%  Kétvezetékes ultrahangos távadó (54 kHz)  Méréstartomány: 0,25…6 vagy 0,25…12 m

 Szint és térfogat mérése  Nagy jel/zaj viszony

IP67

 Sonic Intelligence

 Automatikus False-Echo elnyomás

IP68

 HART vagy PROFIBUS PA kimenet  SIMATIC PDM a távműködtetésre és diagnózisra

 Ex ia alkalmazás

LUT420/430/440

HydroRanger 200

HydroRanger Plus

MultiRanger 100/200

LUC500

LUC01/02/10

LU AO

Általános célú egytávadós vezérlő  Csatlakozó érzékelők: Ultrahangos érzékelő (echomax) Hőmérséklet érzékelő (Siemens TS-3)

 Méréstartomány: 0,3…60 m (távadótól függ)  Táplálás: AC vagy DC  Hőmérséklet kompenzáció (-40…150 °C)

 Pontosság: ± 1 mm (LUT440 – 0,6 mm)  Kimenet: 4-20 mA analóg 2 vezérlő, 1 alarm relé

 HART 7.0 és USB kommunikáció  Háttér világítású LCD  4 nyomógomb a helyi programozáshoz

Vízkutak, gátak monitorozására

 Víztározóknál szivattyú monitorozásra  Rendszer monitoring és hálózat analizálás  Méréstartomány: 0,3-15 m (1-50 ft)  Kimenet: 6 relé  Távadó táplálásra 44 kHz kimenet (Echomax)  Hőmérséklet kompenzáció -50…+150 °C tartományban

Víz monitoring és szabályozás

 Víz és szennyvíz monitoring  Méréstartomány: 15 m (50 ft)  Kapcsoló: 5 relé

 Jellemzők: Adatgyűjtés Beépített telemetriai képesség Szivattyú vezérlés biztosítása  MODBUS RTU/ASCII kommunikáció  SmartLinx kommunikációs opció

Echomax XPS/XCT Echomax XRS XRS--5

Echomax ST ST--H Echomax XLT

Szilárd anyag és folyadék mérésre

 Szint: XLT-30: 0,9…30 m, XLT-60: 1,8…60 m  Tápfrekvencia: XLT-30: 22 kHz, XLT-60: 13 kHz  Sugárzási szög: 5 °

 Öntisztító  Magas hőmérséklet tartomány: -40…+150 °C  Távadó távolság: max. 365 m  ATEX, CSA, FM, SAA approvals

Vegyi anyag tartályokban szintmérésre

 Szintmérés: 0,3…10 m  Hőmérséklet kompenzáció beépített érzékelővel  Táplálás 44 kHz frekvenciával  Szűk sugárzási zóna  Beépített egység 2” átmérőjű  Magas hőmérséklet (up to 150 oC)

 Széleskörű minősítés – ATEX, stb.  Olcsó, könnyen installálható

Radar elvű szintmérés 



 

   

Kontaktusmentes mérés, nem igényel közvetítő közeget (mint az ultrahang) Gőz, por, nyomás, hőmérséklet nincsen hatással a mérésre 2 vagy 4 vezetékes mérések 6 vagy 24 GHz mérőfrekvencia, 78 GHz (LR560) Auto False-Echo Suppression Terjedési idő mérés Simatic PDM, HART, Profibus PA, Foundation Fieldbus Magas jel/zaj viszony

Radar szintmérők

LR560 LR200

LR250

LR260 Probe LR LG200

LR400

LR460

SITRANS Probe LR  Kétvezetékes (sugárzó botantennás) radaros távadó folyadékok és zagyok szint és térfogat mérésére  10 mm (0.4") pontosság  Nincs hatással a gőz, vákuum, nyomás, kosz, extrém hőmérséklet  Méréstartomány: 20 m (66 ft)  Magas jel/zaj viszony  Sonic Intelligence®  Frekvencia: 5,8 GHz (6,3 GHz USA)  Auto False-Echo elnyomás  HART kommunikáció  SIMATIC® PDM

Kürtős kivitel  Két vezetékes radar távadó folyadékra és zagyra tartályban – 25 GHz  5 mm (0.2") pontosság  Antenna méret (40 mm-10 m,48,75,95 mm20m) növekvő méret=nagyobb pontosság  Intelligens távadó

 SS316 antenna (op. Hastelloy® C-220, PVDF)  Hőmérséklet -40…150 °C, nyomás max. 40 bar  HART , PROFIBUS PA és Foundation Fieldbus kommunikáció  SIMATIC PDM

Szilárd anyagokra készült radaros szintmérő  5 mm (0.2") pontosság  LR260 – 2 vezetékes, 25 GHz-es  LR460 – 4 vezetékes, 24 GHz-es (extrém koszos környezetben alkalmazható)  Méréstartomány: 100 m  Magas hőmérséklet (200 °C)  Ideális eszköz poros és koszos környezetbeli alkalmazásra

 Levegő bemenet tisztításra  HART vagy PROFIBUS PA kommunikáció  SIMATIC PDM

Vezetett radaros szintmérő  Guided Wave Radar  Folyadékok és szilárd anyagok mérésére  1 vagy két rudas rendszer

 Határfelületek mérésére is  Habos felületek nem zavarják  Maximális méréstartomány: 22,5 m

 2,5 mm pontosság  Magas hőmérsékletű (427 °C) és nyomású (430 bar) alkalmazás  HART vagy PROFIBUS PA kommunikáció  SIMATIC PDM

Technológia

. . . Multiplexer

Mintavételező, tartó áramkör

Analóg / digitális átalakító kész

csatorna kiválasztás

mintavétel, tartás

start

adat

Input/output illesztés Központi egység (CPU)

1. csatorna

2. csatorna

A1

B1

A2

B2

Ai Bi

Szűrő

Szűrő Erősítő

An n. csatorna

Vezérlő egység

Szűrő

Bn

A/D konverter

Kiválasztási szempontok 

Elemek Relé, FET, CMOS



Csatornaszám 2, 4, 8, 16, 32 vagy több



Típus egypontos, kétpontos (single ended, differential)



Jelszint alacsony szintű vagy magas szintű AMUX,



Hierarcia egyszerű, hierarchikus



Forrás ellenállás kicsi vagy erősítőkapcsolással alkalmazott (instrumentation amplifier)



Beállási idő lassú vagy gyors

BRM – Break Before Make megoldás Repülő kondenzátoros elv Élettartam

AD és DA konverterek

Definíciók és jellemzők •

Abszolút pontosság

•

Stabilitás

•

Relatív pontosság

•

Tápfeszültség érzékenység

•

Felbontás

•

Hőmérsékleti tartomány

•

Átalakítási idő

•

Tárolási hőmérséklet

•

Feléledési idő

•

Működési hőmérséklet

•

LSB (Least Significant Bit)

•

Nulla hiba

•

MSB (Most Significant Bit)

•

Erősítési hiba

•

Linearitás

•

CMRR

•

DAC

•

Szorzó típusú DAC

•

ADC

digitális bemenetek 3. bit - LSB

2. bit

1.bit - MSB

Egyszerű 3 bites D/A konverter

I 0 1 mA

1

0 1/2 mA 20k

10k 10 V

1

1/2 FS

1/4 FS

0 1/4 mA

1

40k

R 5k

1/8 FS

Uki = - R Σ I Uki

Uref

Jellemzők: • • • •

egyszerű felépítés különböző ellenállások negatív kimenet növekvő felbontás, növekvő ár

Érték

MSB

2. bit

LSB

I [mA]

Uki [V]

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0.25

-1.25

2

0

1

0

0.5

-2.5

3

0

1

1

0.75

-3.75

4

1

0

0

1

-5

5

1

0

1

1.25

-6.25

6

1

1

0

1.5

-7.5

7

1

1

1

1.75

-8.75

R-2R létrahálózat Jellemzők: R

R

2R

2R bn

uref 0

1

R

2R

bn-1 0

1

2R

2R

1

R

b0

b1 0

• Két ellenállás érték • Egyszerű összegzés • Pozitív kimenet

0

1

+ Műveleti erősítő

b b  b b u x  ur  n1  n 21  1n  n01  2 2 2  2 MSB

LSB

ux

Kiválasztási szempontok 

Milyen felbontásra van szükség? 8, 10, 12, 16, stb.



Milyen a bemeneti jel? TTL, 2’s komplemens, BCD,



Bemenet típusa soros, párhuzamos, egyéb



Milyen kimeneti jelre van szükség? feszültség, áram



Milyen a referencia jel? fix (belső, vagy külső), változtatható



A digitális illesztés? szűrt, tranziens, frekvencia



Hőmérséklet tartomány környezeti, extra, katonai

Számláló típusú Jellemzők: • • • • •

Ube – analóg bemenet komparátor UDA

egyszerű, olcsó, lassú, S/H erősítőt igényel, pontatlan, alig használt, komparátorral szembeni igény

D/A átalakító D0…Dn digitális kimenet

Start

vezérlő logika

Ube

órajel

feszültség

Számláló és regiszterek

UDA

0111

idő

Sorozatos közelítésű (Szukcesszív approximációs) Ube - analóg bemenet

Ukomp komparátor

Jellemzők:

• • • • •

UDA

D/A átalakító

gyors, S/H erősítőt igényel, pontos, sokbites, komparátorral szembeni igény

D0…Dn digitális kimenet Sorozatos közelítésű regiszter SAR Start

vezérlő logika

órajel

Szukcesszív approximációs konverter működése Ube = 6,8 V

Ur = 10,0 V

lépés 0 (törlés) 1 2 3 4 5 6 7 8

D/A input 00000000 01111111 10111111 10011111 10101111 10100111 10101011 10101001 10101010

n = 8 bit UDA 0,00 4,96 7,46 6,21 6,84 6,52 6,68 6,60 6,64

A/D kimenet: 10101011 Ukomp false (0) false (0) true (1) false (0) true (1) false (0) true (1) false (0) false (0)

bit érték b7=1 b6=0 b5=1 b4=0 b3=1 b2=0 b1=1 b0=1

Szukcesszív approximációs konverter működése

10

feszültség (V)

9 8 7 Ube=6,8 V 6 U DA

5 4 3 2 1

törl.

0 0

1

1.

2. 2

3. 3

4. 4

5. 5

6. 6

7. 7

8. kész 8

9

10

Excel példa

U (V)

Szukcesszív approxiációs A/D konverter offset 0,5 Lépés Helyiérték b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 7 0 1 1 1 1 1 1 1 2 6 0 0 1 1 1 1 1 1 3 5 0 1 0 1 1 1 1 1 4 4 0 1 0 0 1 1 1 1 5 3 0 1 0 1 0 1 1 1 6 2 0 1 0 1 0 0 1 1 7 1 0 1 0 1 0 1 0 1 8 0 0 1 0 1 0 1 0 0 Eredmény 0 1 0 1 0 1 0 1

DAinput 0 127 63 95 79 87 83 85 84 85

Uref Ux DAoutput 0,023 5,977 2,977 4,477 3,727 4,102 3,914 4,008 3,961 4,008

12 4 Komp.

Bitérték

IGAZ HAMIS IGAZ HAMIS IGAZ HAMIS IGAZ HAMIS IGAZ

0 1 0 1 0 1 0 1

16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

1

2

3

4

5 Lépés

6

7

8

9

Kettős meredekségű Start C

komparátor vezérlő logika

órajel

Reset + Uref

Status

számláló

integrátor

Ube

D0…Dn digitális kimenet

Jellemzők: • lassú, • jó soros zajelnyomás, a konverziós idő és hálózati frekvencia viszonya

• pontos, • fő alkalmazási területek

Kettős meredekségű működése

jel integrálás

-U

referencia integrálás

Ube

0

Uref

t

tbe tref tbe  t ref

tbe

 U 0

Be

d 

U

tbe

ref

d  0  U be  U ref

tref tbe



uref nbe

nref

Párhuzamos (flash) típusú 3 bites A/D Gray kódú kimenettel Jellemzők: Ube Uref

3R 2R 2R 2R 2R 2R

• • • •

13/16 11/16 9/16 7/16

&

&

1. Bit (MSB)

&

&

2. Bit

&

3. Bit (LSB)

5/16 3/16

& 2R R

1/16

&

nagyon gyors, drága, sok alkatrészt igénylő, alkalmazás: képfeldolgozás, radar, TV, űripar.

Kiválasztási szempontok





Analóg bemenet unipoláris, bipoláris



Felbontás bitszám



Felbontás, linearitási hiba, stabilitás 1%; 0.5%; 0.2%; 0.1%



 

Konverziós idő lassú, gyors, nagysebességű, flash

Referencia fix, szabályozható, változó (aránymérés) tápegység disszipáció, érzékenység

Bemeneti jel zajos, szűrt, gyorsan változó, lassan változó 

Digitális interfész párhuzamos, soros, CMOS, TTL, három állapotú