Automatyka w Inżynierii
Automatyka w Inżynierii
Åšrodowiska
Åšrodowiska
Wykład 4
Wykład 4
Elementy pomiarowe
UrzÄ…dzenia pomiarowe
UrzÄ…dzenia pomiarowe
z
e u y
w
obiekt regulacji
urzÄ…dzenie
regulator
_ obiekt
wykonawcze
regulacji
ym
y
element
pomiarowy
" Prawidłowy przebieg procesów technologicznych
zależy od odpowiedniej kontroli i sterowania
parametrami pracy układów i urządzeń
technologicznych(temperatura, ciśnienieitp.).
" Kontrola ta jest możliwa dzięki sieci czujników
odczytujących poszczególne wielkości, które są
zbieranei przesyłane docentrumkontroli.
" Czujniki sÄ… zatem jednostkami warunkujÄ…cymi
sprawność i skuteczność systemu
technologicznego.
" Czujnik 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 urzÄ…dzeniami w
systemie.
" Czujniki nowej generacji mają coraz częściej
dodatkową cechę, tzw. "inteligencję", która dzięki
wbudowanemu mikroprocesorowi umożliwia, poza
zwykłym pomiarem, także raportowanie danych i
ichanalizÄ™.
" Przykłademtego są czujniki komfortu wsystemach
klimatyzacji.
" Każdy czujnik powinien spełniać określone
wymagania co do sposobu działania, wydajności i
ekonomii.
Wydajnościowe cechy czujnika:
Wydajnościowe cechy czujnika:
" Zakres: Zakres mierzonej wartości, dla której jest znana
charakterystykaczujnika.
" Dokładność: Stopień, do którego zmierzona wartość jest
zgodnaz wzorcowympunktemodniesienia.
" 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 produkowanymsygnałemwyjściowymw całym
zasięgu pomiarowymczujnika.
" Czas reakcji: Czas potrzebny na zmianę sygnału
wyjściowego, gdy zmianie ulega wartość mierzonej
wielkości nawejściu.
Praktyczne i ekonomiczne cechy czujnika:
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 wogólnymkosztorysie.
Konserwacja: Każda dodatkowa konserwacja i kalibrowanie
wymagają dodatkowej pracy i wydatków.
Kompatybilność: Zgodność z 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
Podział i rodzaje czujników
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 CO2,
" poziom cieczy,
" ruch,
" obecność itp.
Wielkością wyjściową czujnika może być:
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
przesyłana cyfrowo, w odpowiednim standardzie
komunikacyjnym.
CZUJNIKI TEMPERATURY
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.
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
" Wtypowych układach z regulatorami cyfrowymi stosowane
są czujniki z elementami zmieniającymi swoją oporność
elektrycznÄ… przy zmianietemperatury.
" 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 odtemperatury, wzrasta z temperaturą.
" Termometry rezystancyjne zrobione sÄ… z platyny, stopu rod-
żelazo, niklu, wolframulub miedzi.
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
" Konstrukcja ich musi być prosta, sygnał w
wysokimstopniuliniowy, o dużej stabilności.
" Wybór materiału na termometr
rezystancyjny zależy od zakresu
temperatury, wymagań antykorozyjnych,
wymagań co do mechanicznej trwałości i
kosztu.
Termometry rezystancyjne platynowe
Termometry rezystancyjne platynowe
" są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ
platynajest najbardziej trwała i odpornana korozję,
" termometry platynowe mierzÄ… najszerszy zakres
temperatury i majÄ… najlepsze charakterystyki metrologiczne.
(ich zależności  rezystancja-temperatura są najbardziej
zbliżone doliniowych).
" o dokładności czujnika decyduje wdużymstopniu czystość
platyny,
" przy użyciu termometrów z czystej platyny uzyskać można
powtarzalność wskazań rzędu ą0,00001 K, podczas gdy
minimalna niepewność świeżo wywzorcowanego
termoelementu, jakiej nie udaje się przekroczyć wynosi ą0,2
K.
" Termometrem platynowym do dokładnych
pomiarów jest termometr Pt 100, co oznacza,
że rezystancja czujnika w temperaturze 0°C
wynosi 100 © (R0= 100 ©).
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
Termometr rezystancyjny platynowy: a) z uzwojeniem umieszczonym
wewnątrz obudowy ceramicznej, b) z uzwojeniem nawiniętym na
zewnÄ…trz, c) cienkowarstwowy
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
Czujnik z platynowymuzwojeniem1 (rys. a), umieszczonym
w okrągłych studniach wywierconych w ceramicznej
obudowie 2, uzwojenie uszczelnione jest w obudowie
szklanymszczeliwem3.
" Termometr tego typu przystosowany jest raczej do
wyższych temperatur.
Do pomiaru temperatury środowiska termicznego
umiarkowanego stosowany jest częściej typ czujnika o
prostej konstrukcji pokazany narys. b.
" Na pręcie ceramicznym 2 nawinięte jest uzwojenie
platynowe 1 (z przyspawanymi przewodami zewnętrznymi 4
wobrębieczujnika), którejest pokryte szklaną polewą 5.
" Termometry platynowe miniaturowe cienkowarstwowe (ang.
Thin-Film Platinum RTD) sÄ… obecnie stosowane coraz
szerzej wpomiarachcieplnych.
" Cechuje je rezystancja >1000 ©. MajÄ… jeszcze bardziej
liniowe charakterystyki niż termometry rezystancyjne
tradycyjne i ich masowaprodukcjajest bardziej efektywna.
" Jednakże wadą ich są niestandardowe łącza (interfejsy) do
systemów komputerowych i występowanie niekiedy
szkodliwego efektu samoogrzewania siÄ™ 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
ą0,01 K lub ą0,1%. Dzięki małym (kilku lub
kilkunastu milimetrowym) wymiaromich stałe
czasowe są wielokrotnie niższe niż innych
czujnikówi liczą się wmilisekundach.
" Na rys. c pokazano konstrukcję czujników
platynowych temperatury firmy Heraeus Sensor-
Nite (ang. New Innovative Technologies for the
Environment).
" Czujnik zawiera (wykonanÄ… technikÄ…
fotolitograficznÄ…) cienkÄ… warstwÄ™ platynowego
rezystora 1 naniesioną na płytkę 2 pokrytą tlenkiem
glinu Al2O3, którą przykrywa płytka szklana 3 z
wtopionymi stykami 4 i przewodami 5.
" Dla uszczelnienia strefę styków 4 przykrywa
warstwa 6z pasty szklano-ceramicznej.
Termistory
Termistory
" Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w
postaci spieków różnych metali: chromu, manganu, żelaza,
kobaltu, niklu i miedzi.
" Termistory typu NTC (ang. Negative Temperature
Coefficient) charakteryzują się dużym jednostkowym
spadkiemoporuelektrycznego przy wzroście temperatury.
" Dzięki wysokiej wartości oporności nie wymagają układów
kompensacji oporności linii łączącej czujnik z regulatorem,
coznacząco obniża koszt okablowania układuautomatyki.
" Duża nieliniowość charakterystyki uniemożliwia ich
zamianę natermistorowe czujniki innych producentów.
" Małe stałe czasowe oraz duża dokładność przyczyniła się
doszerokiego stosowania tych czujników.
Temperatura Rezystancja
°C ©
-5 8093
0 7661
+5 7182
10 6667
15 6126
20 5573
25 5025
30 4492
35 3987
40 3518
45 3089
50 2702
55 2358
60 2056
65 1792
70 1563
75 1364
80 1193
85 1047
90 921
95 815
100 722
" W zależności od typu regulatora czujniki
rezystancyjne mogą być łączone
bezpośrednio do regulatora jako czujniki
pasywne,
" mogą być również wykonywane w
połączeniu z przetwornikiem elektrycznym,
ze standardowymsygnałemelektrycznymna
wyjściu z czujnika 0-10 VDClub0(4)-20 mA,
jakoczujniki nazywane aktywnymi.
ZALECENIA DOTYCZ
CE MONTAŻU CZUJNIKÓW
ZALECENIA DOTYCZ
CE MONTAŻU CZUJNIKÓW
ZANURZENIOWYCH
ZANURZENIOWYCH
ZALECENIA DOTYCZ
CE MONTAŻU CZUJNIKÓW
ZALECENIA DOTYCZ
CE MONTAŻU CZUJNIKÓW
ZANURZENIOWYCH
ZANURZENIOWYCH
Czujnik przylgowy-sposób montażu
Czujnik przylgowy-sposób montażu
Czujnik kanałowy
Czujnik kanałowy
Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza
Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza
oraz czujnik temperatury z nastawnikiem
oraz czujnik temperatury z nastawnikiem
Czujnik pomieszczeniowy  zasady montażu
Czujnik pomieszczeniowy  zasady montażu
Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego  zasady
Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego  zasady
montażu
montażu
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOÅšCI
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOÅšCI
" 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
elektrycznalub inne parametry elektryczne.
" Czujniki elektryczne mogą mieć wyjście
napięciowe lub częstotliwościowe, w przypadku
którego stosuje się przetwornik częstotliwościowo-
napięciowy dla uzyskania sygnału napięciowego
proporcjonalnegodowilgotności.
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI
WILGOTNOÅšCI
WILGOTNOÅšCI
" a) Czujnik Dumnore'a,
" b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu:
model struktury czujnika i układ zastępczy
czujnika.
Czujnik rezystancyiny Dunmor'a
Czujnik rezystancyiny Dunmor'a
" Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę
pokrytÄ… warstwÄ… z utrwalonym2 do 5%roztworem
chlorkulitu.
" Pełny zakres pomiarowy wilgotności względnej
pokrywa zwykle kilka czujników o odcinkowych
charakterystykachrezystancyjnych.
" Przebieg charakterystyki czujnika dla danego
zakresu wilgotności względnej dobiera się
zmieniając grubość warstwy higroskopijnej.
Czujniki pojemnościowe z tlenkiem
Czujniki pojemnościowe z tlenkiem
glinu.
glinu.
Czujniki pojemnościowe z tlenkiem
Czujniki pojemnościowe z tlenkiem
glinu.
glinu.
" Czujnikiem jest płytka aluminiowa z naniesioną
elektrolitycznie warstwą tlenku glinu o dużej
higroskopijności (ma strukturę włóknistą z
podłużnymi porami skierowanymi kupowierzchni).
" Tlenek pokrywa przepuszczalna dla wilgoci
mikrowarstewkanaparowanego chromulub złota.
" Nie trawiona część płytki aluminiowej oraz
metalowa warstwa stanowiÄ…ca elektrodÄ™ tworzÄ…
dwie elektrody, okładki kondensatora złożonego z
warstwy tlenkuglinu.
" Czujnik cechuje duża stałość charakterystyki
przy zmianach temperatury oraz mała
bezwładność wskazań.
" Stała czasowa może wynosić <2s i jeszcze
mniej wniższychzakresachwilgotności.
" Przy zmianie wilgotności od dużych wartości
już od 80%, czas ustalania się wskazań
wydłuża się znacznie, przez co czujnik nie
madobrej opinii
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI
WILGOTNOÅšCI
WILGOTNOÅšCI
CZUJNIKI WILGOTNOÅšCI  ZASADY
CZUJNIKI WILGOTNOÅšCI  ZASADY
MONTAŻU
MONTAŻU
Czujniki ciśnienia
Czujniki ciśnienia
" W przetwornikach ciśnienia elementem
pomiarowymjest membrana lub piezorezystor.
" Piezorezystorami nazywa siÄ™ czujniki wykonane z
materiałów półprzewodnikowych, których
rezystancjazależy odnaprężeń wmateriale.
" Zachodzące pod wpływem zmian ciśnienia
odkształcenia membrany lub zmiany rezystancji
elementu piezorezystora w przetworniku
przetwarzane są na standardowy sygnał
elektryczny napięciowy lubprądowy.
Czujniki ciśnienia
Czujniki ciśnienia
" Elementem pomiarowym jest
piezorezystancyjny czujnik krzemowy
oddzielony od medium przez membranÄ™
separujÄ…cÄ… i wybranÄ… ciecz manometrycznÄ….
" Układ elektroniczny znajduje się wobudowie
ostopniuszczelności IP65.
Czujnik przepływu płynu
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
(wielkościąłopatki).
CZUJNIK KONTROLI PRZEPA
YWU
CZUJNIK KONTROLI PRZEPA
YWU
Pomiar zawartości CO2 w powietrzu
Pomiar zawartości CO2 w powietrzu
" Czujniki CDS4000 działają w oparciu o
technologiÄ™ nie rozproszonej podczerwieni
(NDIR). Czujniki dają sygnał wyjściowy
0...10Vdc odpowiadajÄ…cy koncentracji
0...2030 ppm (czÄ…steczek na milion) CO2 .
Pomiar zawartości CO2 w powietrzu
Pomiar zawartości CO2 w powietrzu
Schemat blokowy czujnika optycznego zawartości CO2
wraz z układemprzetwarzającym.
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.
" Stężenie CO2 jest oznaczane przez pomiar
tłumienia określonej długości pasma podczerwieni -
to znaczy drogę światła od jego z
ródła 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
sposóbliniowy koncentrację CO2.
CZUJNIK JAKOÅšCI POWIETRZA
CZUJNIK JAKOÅšCI POWIETRZA
" 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).
CZUJNIK JAKOÅšCI POWIETRZA
CZUJNIK JAKOÅšCI POWIETRZA
" Pomiar umożliwia optymalizację jakości powietrza w
pomieszczeniu oraz ograniczenie zużycia energii poprzez
określenie niezbędnego zapotrzebowania powietrza
świeżego.
Zasada pomiaru
Zasada pomiaru
" Podgrzewany element pomiarowy wykonany
na bazie półprzewodnikowego tlenku cyny
SnO2 reaguje w szerokim zakresie na
wszystkie utleniajÄ…ce siÄ™ gazy organiczne i
pary jak np. dymtytoniowy, ludzkie biogazy,
zapachy kuchenne, tlenek węgla, alkohole,
gazy techniczne, formaldehydy itp. mierzÄ…c
zawartość tych gazówwpowietrzu, wmg/m3
lubwppm.
Nowoczesne czujniki powinny
Nowoczesne czujniki powinny
charakteryzować się;
charakteryzować się;
" wyeliminowaniem wpływu zmiennych parametrów
powietrza tj. temperatury, wilgotności i prędkości,
" efektu pamięci,
" kalibracją u producenta a nie w miejscu montażu,
" żywotnością i powtarzalnością wyników pomiarów,
" możliwością przekazywania danych w formie
analogowych sygnałów standardowych lub
numerycznie.
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób
" Przykładowym zastosowaniem w systemach
wentylacji pomieszczeń jest ustalanie liczby
osób przebywających wdanymmomencie w
hali sprzedaży supermarketu i ustalanie na
tej podstawie ilości powietrza świeżego
podawanego przez wentylatory nawiewne
przy założeniu jednostkowego strumienia
minimalnego przypadajÄ…cego na jednÄ…
osobÄ™.
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób
" Czujniki umieszczone w bramach wejściowych i
wyjściowych działają na zasadzie pasywnych
czujników podczerwieni reagujących na
promieniowanie cieplne osób przechodzących w
obukierunkachwstrefieichzasięgu.
" Informacje z czujników przesyłane są do
mikroprocesorowego analizatora z możliwością
dalszego przesyłania danych wformie cyfrowej, po
RS 232, lub w formie niezależnych impulsów
oddzielnie dla osób wchodzących i osób
wychodzÄ…cych.
Budowa czujnika
Budowa czujnika
" Główna część czujnika stanowi pyroelektryczny
nadajnik.
" Elementy składowe czujnika wytwarzają wzakresie
strefy roboczej po dwie kurtyny po stronie
wewnętrznej bramy i postroniezewnętrznej.
" Osoby wchodzące wprzestrzeń pomiędzy kurtyny
wewnętrzne lub zewnętrzne generują sygnały
informujące o ilości osób wchodzących i
wychodzÄ…cych.
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób
System zliczania liczby osób
Dziękuję za uwagę !
Dziękuję za uwagę !