Post on 08-Oct-2015
description
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
4
1.2. Pregled trita sensora
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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 ...
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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.
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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.
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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.
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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.
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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).
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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.
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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.
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
16
Primjer: Senzor za mjerenje magnetske indukcije
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
19
Primjer: Akcelerometar za mjerenje ubrzanja kod vibracija
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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;
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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(
( + ()
(,
(, + (-
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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.
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
26
Oklapanje mjernih vodova
- 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
Oklapanje mjernih vodova
- 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
dr.sc. Almir Osmanovi, Assistant ProfessorUniversity of Tuzla - Faculty of Mechanical Enginerringalmir.osmanovic@untz.ba / osmanovicalmir@yahoo.com
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]