Wykład 5

Urządzenia

pomiarowe

obiekt regulacji

regulator

urządzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

Urządzenia pomiarowe

• Prawidłowe działanie systemów OWK (HVAC) wymaga stałej kontroli

parametrów

pracy

tych

systemów

(grzejniki,

wentylatory,

pomieszczenia itp.).

• Kontrola ta jest możliwa dzięki sieci czujników, które zbierają niezbędne

informacje i przesyłają je do sterowników i stacji operatorskich.

• Czujniki są zatem jednostkami warunkującymi sprawność i skuteczność

systemu.

• Czujnik w systemie OWK można określić jako urządzenie przetwarzające

wielkości fizyczne (np. temperaturę lub wilgotność) na inne wielkości
(najczęściej sygnały elektryczne), które są dogodniejsze do zmierzenia i
dalszej obróbki, a następnie wykorzystywane do sterowania
konkretnymi urządzeniami w systemie.

• Każdy czujnik w systemie OWK powinien spełniać określone wymagania

co do sposobu działania, wydajności i ekonomii.

Wydajnościowe cechy czujnika:

•

Zakres: Zakres mierzonej wartości, dla której jest

znana charakterystyka czujnika.

• Dokładność: Stopień, do którego zmierzona wartość

jest zgodna z wzorcowym punktem odniesienia.

• Powtarzalność: Zdolność czujnika, by z tej samej

zmierzonej wartości wytwarzać konsekwentnie,

dokładnie taki sam sygnał wyjściowy.

• Wrażliwość: Najmniejsza wykrywalna zmiana w

mierzonej wielkości, która wpływa na zmianę

sygnału wysyłanego przez czujnik.

• Liniowość: Maksymalnie liniowa zależność między

zmierzoną wartością a produkowanym sygnałem

wyjściowym w całym zasięgu pomiarowym czujnika.

•Czas reakcji: Czas potrzebny na zmianę sygnału

wyjściowego, gdy zmianie ulega wartość mierzonej

wielkości na wejściu.

Praktyczne i ekonomiczne cechy czujnika:

Koszt: Należy wziąć pod uwagę koszty przetwornika,

kondycjonera sygnału (zależnie od potrzeb), kabli

przyłączeniowych oraz zapotrzebowania na prąd.

Bardzo często sam koszt instalacji czujnika jest

najbardziej znaczący w ogólnym kosztorysie.

Konserwacja:

Każda

dodatkowa

konserwacja

kalibrowanie wymagają dodatkowej pracy i wydatków.

Kompatybilność:

Zgodność

różnymi

systemami

operacyjnymi i zamienność z innymi komponentami i

standardami (wejścia sterownika, protokół komunikacji

systemu).

Środowisko: Funkcjonalność w nieprzyjaznym środowisku

(dopuszczalna temperatura, ciśnienie, wilgotność, nie

korozyjne własności medium).

Odporność na zakłócenia: Wrażliwość na otaczające

zakłócenia, takie jak fale elektromagnetyczne czy pola

elektryczne i magnetyczne.

Podział i rodzaje czujników w OWK

Automatyzacja procesów w inżynierii środowiska

wymaga zastosowania czujników służących do

pomiaru takich wielkości jak:

• temperatura,

• ciśnienie,

• wilgotność,

• prędkość przepływającego medium,

• strumień objętości,

• strumień ciepła,

• entalpia,

• jakość powietrza,

• zawartość CO

• poziom cieczy,

• ruch,

• obecność itp.

Wielkością wyjściową czujnika może

być:

• ruch mechaniczny (czujniki rozszerzalnościowe),
• oporność elektryczna (pasywne czujniki rezystancyjne,

nastawniki potencjometryczne),

• w przypadku czujników nazywanych aktywnymi standardowy

sygnał elektryczny (np. 0 do 10 V, 0 (4) do 20 mA),

• w przypadku czujników inteligentnych informacja cyfrowa

(sygnał binarny).

CZUJNIKI TEMPERATURY

• Czujniki temperatury posiadają element czuły na

temperaturę, który przy zmianie temperatury

(wejście) zmienia wartość sygnału wyjściowego.

• W zależności od zastosowanej zasady pomiaru

temperatury

czujniki

można

podzielić

na:

rezystancyjne,

termoelementy,

bimetalowe,

manometryczne i cieczowe.

• W tablicy opisano możliwości wykorzystania

poszczególnych

metod

pomiarowych

automatyzacji

systemów

grzewczych

wentylacyjnych.

Mierniki temperatury

Zakres i niepew

Zasada pomiaru

ność pomiaru

Zastosowanie

Ograniczenia

Termometry cieczowe

rtęć w szkle

38 do 550°C

temperatura stykającego się gazu

w gazie zakłócenia od



0,03 do

2 K

lub cieczy

promieniowania

- ciec

z organiczna w szkle

200 do 200°C

temperatura stykającego się gazu

w gazie zakłócenia od

0,03 do

2 K

lub cieczy

promieniowania

Termometry rezystancyjne

platynowe



z uzwojeniem rezystan

259 do1000°C

do dokładnych i/lub zdalnych po

wyżs

zy koszt; zakłóce

cyjnym



0,1 do1,0 K

miarów temperatury otoczenia

nia od promieniowania,

bezwładność ciepła



miniaturowe z rezystorem

50+600°C

do dokładnych i/lub zdalnych po

wykonanym techniką cien

ca. 0,05 K

miarów temperatury otoczenia;

kowarstwową

stała czasowa nawet 10 ms; -

Mierniki temperatury

 niklowe

250 do 200°C

do zdalnych pomiarów temperatu-

zakłócenia od promie-



0.05 do1,0 K

ry otoczenia

niowania

 termistory

do 200°C

do zdalnych

pomiarów, punktowe

nieliniowa charaktery-

0,05 K

pomiary; mała stała czasowa,

styka, ulegają starzeniu

do 0,5 K

Termoelementy



Typ K (Ni-Cr/Krzem)

do 1250°C

do rutynowych pomiarów raczej w

0.1 do 10K

wyższych temperaturach, do zdalnych

najmniej dokładne z

pomiarów

wymienionych termo-

elementów narażone na



Typ J (Fe/Konstantan)

do 750°C

jw.

utlenienie

0.1 do 0,6 K



Typ T (Cu/Konstantan)

do 350°C

jw; przystosowane specjalnie do

0.1 do 3K

niższych temperatur

 Typ E (Ni-

Cr/Konstantan)

do 900°C

jw; przystosowane specjalnie do

0.1 do 7K

niższych temperatur

Mierniki temperatury

CZUJNIKI REZYSTANCYJNE

• W typowych układach z regulatorami cyfrowymi stosowane są

czujniki rezystancyjne z elementami zmieniającymi swoją

oporność elektryczną przy zmianie temperatury.

• Są to przeważnie oporniki drutowe lub warstwowe z platyny lub

niklu, jak również specjalne elementy półprzewodnikowe –

termistory.

• Opór elektryczny czujnika rezystancyjnego oznaczonego w

literaturze symbolem RTD (ang. Resistance Temperature Device)

zależy od temperatury, wzrasta z temperaturą.

• Termometry rezystancyjne robione są z platyny, stopu rod-

żelazo, niklu, wolframu lub miedzi.

• Konstrukcja ich musi być prosta, sygnał w wysokim stopniu

liniowy, o dużej stabilności.

• Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu

temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do
mechanicznej trwałości i kosztu.

Czujniki rezystancyjne platynowe

• są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych,

ponieważ platyna jest najbardziej trwała i odporna na

korozję,

• termometry platynowe mierzą najszerszy zakres

temperatury

mają

najlepsze

charakterystyki

metrologiczne.

(ich

zależności

„rezystancja-

temperatura” są najbardziej zbliżone do liniowych).

• o dokładności czujnika decyduje w dużym stopniu

czystość platyny,

• przy użyciu termometrów z czystej platyny uzyskać

można powtarzalność wskazań rzędu ±0,00001 K,

podczas

gdy

minimalna

niepewność

świeżo

wywzorcowanego termoelementu, jakiej nie udaje się

przekroczyć wynosi ±0,2 K.

• termometrem platynowym do dokładnych pomiarów

jest termometr Pt 100, co oznacza, że rezystancja

czujnika w temperaturze 0°C wynosi 100 Ω (R

= 100 Ω).

Czujniki rezystancyjne platynowe

Termometr rezystancyjny platynowy:

a) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej, b)
z uzwojeniem nawiniętym na zewnątrz, c) cienkowarstwowy

Czujniki rezystancyjne platynowe

Czujnik z platynowym uzwojeniem 1 (rys. a),

umieszczonym w okrągłych studniach wywierconych

w ceramicznej obudowie 2, uzwojenie uszczelnione

jest w obudowie szklanym szczeliwem 3.

• Termometr tego typu przystosowany jest raczej do

wyższych temperatur.
Do pomiaru temperatury środowiska termicznego

umiarkowanego stosowany jest częściej typ czujnika o

prostej konstrukcji pokazany na rys. b.

• Na pręcie ceramicznym 2 nawinięte jest uzwojenie

platynowe

przyspawanymi

przewodami

zewnętrznymi 4 w obrębie czujnika), które jest pokryte

szklaną polewą 5.

Czujniki rezystancyjne platynowe

• Na rys. c pokazano konstrukcję czujników

platynowych temperatury firmy Heraeus Sensor-Nite

(ang. New Innovative Technologies for the

Environment).

• Czujnik

zawiera

(wykonaną

techniką

fotolitograficzną) cienką warstwę platynowego

rezystora 1 naniesioną na płytkę 2 pokrytą tlenkiem

glinu Al

, którą przykrywa płytka szklana 3 z

wtopionymi stykami 4 i przewodami 5.

• Dla uszczelnienia strefę styków 4 przykrywa warstwa

6 z pasty szklano-ceramicznej.

Czujniki rezystancyjne platynowe

• Termometry platynowe miniaturowe cienkowarstwowe (ang.

Thin-Film Platinum RTD) są obecnie stosowane coraz szerzej w

pomiarach cieplnych.

• Cechuje je rezystancja >1000 Ω. Mają jeszcze bardziej liniowe

charakterystyki niż termometry rezystancyjne tradycyjne i ich

masowa produkcja jest bardziej efektywna.

• Wadą ich są niestandardowe łącza (interfejsy) do systemów

komputerowych i występowanie niekiedy szkodliwego efektu

samoogrzewania się czujnika o wysokiej rezystancji, gdy proces

pomiaru nie jest dostatecznie kontrolowany.

• Termometry platynowe miniaturowe cienkowarstwowe są

szczególnie przydatne do pomiarów temperatury powierzchni.

Uważa się, że granicą ich dokładności jest ±0,01 K lub ±0,1%.

Dzięki małym (kilku lub kilkunastu milimetrowym) wymiarom ich

stałe czasowe są wielokrotnie niższe niż innych czujników i liczą

się w milisekundach

Termistory

• Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w

postaci spieków tlenków różnych metali: chromu,

manganu, żelaza, kobaltu, niklu i miedzi.

• Termistory typu NTC (ang. Negative Temperature

Coefficient) charakteryzują się dużym jednostkowym

spadkiem oporu elektrycznego przy wzroście temperatury.

• Dzięki wysokiej wartości oporności nie wymagają układów

kompensacji oporności linii łączącej czujnik z regulatorem,

co znacząco obniża koszt okablowania układu automatyki.

• Duża nieliniowość charakterystyki uniemożliwia ich

zamianę na termistorowe czujniki innych producentów.

• Małe stałe czasowe oraz duża dokładność przyczyniła się

do szerokiego stosowania tych czujników.

Temperatura

°C

Rezystancja

-5

8093

7661

7182

6667

6126

5573

5025

4492

3987

3518

3089

2702

2358

2056

1792

1563

1364

1193

1047

921

815

100

722

Pasywne i aktywne czujniki

temperatury

• W

zależności

typu

regulatora

czujniki

rezystancyjne mogą być łączone bezpośrednio do

regulatora jako czujniki pasywne,

• mogą być również wykonywane w połączeniu z

przetwornikiem elektrycznym, ze standardowym

sygnałem elektrycznym na wyjściu z czujnika 0-10

VDC lub 0(4)-20 mA, jako czujniki nazywane

aktywnymi.

CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

• Termoelementy ze względu na ich mniejszą dokładność

bardziej

złożoną

budowę

niż

czujników

rezystancyjnych są bardzo rzadko stosowane w

automatyzacji

systemów

ciepłowniczych

klimatyzacyjnych.

• Złącze termoelementu powstaje gdy dwa przewody z

różnych metali zostaną połączone przez zespawanie,

zlutowanie lub skręcenie.

• Pomiar temperatury za pomocą termopary wykorzystuje

trzy zjawiska fizyczne:

• zjawisko Thomsona,
• zjawisko Peltiera,
• prawo trzeciego metalu.

CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

• Zjawisko fizyczne Thomsona to występowanie różnicy

potencjałów w przewodniku jednorodnym, którego końce
umieszczono w środowisku o różnych temperaturach. Wartość
różnicy

potencjałów

jest

proporcjonalna

różnicy

temperatury.

• Zjawisko fizyczne Peltiera to występowanie różnicy potencjałów

w miejscu styku dwóch różnych przewodników. Wielkość
różnicy potencjałów zależy od rodzaju materiałów oraz różnicy
temperatur w miejscach połączenia.

• Prawo trzeciego metalu głosi, że jeżeli do obwodu wprowadzi

się przewód z trzeciego metalu to różnica potencjałów nie
ulegnie zmianie.

CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

• Siła termoelektryczna na końcach złącza (różnica

potencjałów) zależy od materiału, z którego wykonane

są przewody, od jakości złącza i od jego temperatury.

Jeśli jedno złącze (nazwane złączem „odniesienia” lub

„zimnym końcem”) znajdować się będzie w znanej

temperaturze a drugie (mierzone) znajdować się

będzie w nieznanej temperaturze, to zmierzona siła

termoelektryczna będzie funkcją różnicy temperatury

między złączem odniesienia a mierzonym.

• Zimne końce termoelementu 1 tworzące złącze 2

powinny być utrzymywane w stałej temperaturze.

• Na rys. c pokazano charakterystyki napięcia

wyjściowego różnych termoelementów

CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

• W zastosowaniach technicznych wykorzystywane są

następujące rodzaje termopar:

• Typ R (PtRh13-Pt)
• Typ S (PtRh10-Pt)
• Typ B (PtRh30-PtRh6)
• Typ J (Fe-CuNi),(żelazo-konstantan)
• Typ T (Cu-CuNi), (miedź-konstantan)
• Typ K (NiCr-NiAl)
• Typ E (NiCr-CuNi),(NiCr-konstantan)
• Dokładność pomiarów przemysłowych 0,5 do 5 K.
• Zakresy pomiarowe jak na rysunku.

CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW

ZANURZENIOWYCH

Czujnik przylgowy-sposób montażu

Czujnik kanałowy

Pomieszczeniowy czujnik temperatury

powietrza oraz czujnik temperatury z

nastawnikiem

Czujnik pomieszczeniowy – zasady

montażu

Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego –

zasady montażu

ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

• Zasada

działania

elektrycznych

czujników

wilgotności oparta jest na zastosowaniu substancji

lub złożonych układów, które absorbują lub tracą

wilgoć przy zmianie wilgotności względnej otoczenia,

co powoduje zmianę właściwości elektrycznych

układu jak impedancja i pojemność elektryczna lub

inne parametry elektryczne.

• Czujniki elektryczne mogą mieć wyjście napięciowe

lub częstotliwościowe, w przypadku którego stosuje

się przetwornik częstotliwościowo-napięciowy dla

uzyskania sygnału napięciowego proporcjonalnego

do wilgotności.

ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

• a) Czujnik rezystancyjny Dumnore'a,
• b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu: model

struktury czujnika i układ zastępczy czujnika.

Czujnik rezystancyiny Dunmor'a

• Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę

pokrytą warstwą z utrwalonym 2 do 5% roztworem
chlorku litu.

• Pełny zakres pomiarowy wilgotności względnej

pokrywa zwykle kilka czujników o odcinkowych
charakterystykach rezystancyjnych.

• Przebieg charakterystyki czujnika dla danego

zakresu wilgotności względnej dobiera się zmieniając
grubość warstwy higroskopijnej.

Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu.

• Czujnikiem jest płytka aluminiowa z naniesioną elektrolitycznie

warstwą tlenku glinu o dużej higroskopijności (ma strukturę

włóknistą z podłużnymi porami skierowanymi ku powierzchni).

• Tlenek pokrywa przepuszczalna dla wilgoci mikrowarstewka

naparowanego chromu lub złota.

• Nie trawiona część płytki aluminiowej oraz metalowa warstwa

stanowiąca

elektrodę

tworzą

dwie

elektrody,

okładki

kondensatora złożonego z warstwy tlenku glinu.

• Czujnik cechuje duża stałość charakterystyki przy zmianach

temperatury oraz mała bezwładność wskazań.

• Stała czasowa może wynosić <2s i jeszcze mniej w niższych

zakresach wilgotności.

• Przy zmianie wilgotności od dużych wartości już od 80%, czas

ustalania się wskazań wydłuża się znacznie, przez co czujnik nie

ma dobrej opinii

Czujniki pojemnościowe All Polimer

• Elementem pomiarowym czujnika wilgotności jest

niemetaliczny

kondensator

wykonany

polimerowych płytek nasycanych węglem.

• Płytki są rozdzielone wodochłonnym polimerem,

którego własności dielektryczne zmieniają się w

zależności od ilości wilgoci zaadsorbowanej z

otaczającego powietrza.

• Zmiany pojemności tego kondensatora, uzależnione

proporcjonalnie od zmian wilgotności, wykorzystano

jako

sygnał

wejściowy

przetwornika

normalizującego je w formie standardowego sygnału

napięciowego.

ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI

CZUJNIKI WILGOTNOŚCI – ZASADY

MONTAŻU

Czujniki ciśnienia

• W przetwornikach ciśnienia elementem pomiarowym jest

membrana lub piezorezystor.

• Piezorezystorami nazywa się czujniki wykonane z materiałów

półprzewodnikowych, których rezystancja zależy od naprężeń w

materiale.

• Zachodzące pod wpływem zmian ciśnienia odkształcenia

membrany lub zmiany rezystancji elementu piezorezystora w

przetworniku przetwarzane są na standardowy sygnał

elektryczny napięciowy lub prądowy.

• Najczęściej elementem pomiarowym jest piezorezystancyjny

czujnik krzemowy oddzielony od medium przez membranę
separującą i wybraną ciecz manometryczną.

• Układ elektroniczny znajduje się w obudowie o stopniu

szczelności IP 65.

Czujniki ciśnienia

CZUJNIK PRZEPŁYWU

Czujnik przepływu płynu

• Przełącznik elektryczny z łopatką zanurzoną w

medium (w przewodzie) zwiera lub rozwiera styki
elektryczne. Alarm przy przekroczeniu lub spadku
wartości strumienia poniżej wartości zadanej
(wielkością łopatki).

Pomiar prędkości

Pomiar zawartości CO

w powietrzu

Schemat blokowy czujnika optycznego zawartości CO

wraz z układem

przetwarzającym.

Oznaczenia: 1,2 – fotodiody odbiorcze, 3 – dioda nadawcza emitująca światło,
4,5 – wzmacniacze sygnałowe, 6 – drajwer impulsowy, 7 – mikrokontroler
zasilający, 8 – wyświetlacz, 9 – interfejs RS232/485.

Czujniki CO

działają w oparciu o technologię nie rozproszonej

podczerwieni (NDIR), dają sygnał wyjściowy 0...10Vdc
odpowiadający koncentracji 0...2030 ppm (cząsteczek na
milion) CO2

Pomiar zawartości CO

w powietrzu

• Stężenie CO

jest oznaczane przez pomiar tłumienia

określonej długości pasma podczerwieni - to znaczy
drogę światła od jego źródła do detektora wzdłuż
określonej ścieżki optycznej.

• Czujnik wykrywa stopień stężenia i przy współpracy

przetwornika przetwarza go w analogowy sygnał
wyjściowy o wartości 0...10Vdc odzwierciedlający w
sposób liniowy koncentrację CO

Czujnik jakości powietrza VOC

• Czujnik jakości powietrza w pomieszczeniu służy do

pomiaru zawartości niekorzystnych składników w
postaci łatwo utleniających się gazów organicznych
lub par (VOC – Volatile Organic Compounds - lotne
składniki organiczne).

• Pomiar umożliwia optymalizację jakości powietrza w

pomieszczeniu oraz ograniczenie zużycia energii
poprzez określenie niezbędnego zapotrzebowania
powietrza świeżego.

Czujnik jakości powietrza - zasada

pomiaru

Podgrzewany

element

pomiarowy

wykonany

bazie

półprzewodnikowego tlenku cyny SnO

reaguje w szerokim

zakresie na wszystkie utleniające się gazy organiczne i pary jak
np. dym tytoniowy, ludzkie biogazy, zapachy kuchenne, tlenek
węgla, alkohole, gazy techniczne, formaldehydy itp. mierząc
zawartość tych gazów w powietrzu, w mg/m3 lub w ppm.

Nowoczesne czujniki VOC charakteryzują się;
• wyeliminowaniem wpływu zmiennych parametrów powietrza

tj. temperatury, wilgotności i prędkości,

• kalibracją u producenta a nie w miejscu montażu,
• żywotnością i powtarzalnością wyników pomiarów,
• możliwością przekazywania danych w formie analogowych

sygnałów standardowych lub numerycznie