SENZORI I PRETVARAČI
Senzori i mjerni elementi Proces Proces
ulaz
Mjerni element (Mjerni podsistem)
Tačna vrijednost varijable
izlaz Izmjerena vrijednost varijable (mjerna vrijednost)
Struktura mjernog elementa (mjernog podsistema) Mjerni element sastoji se od tipično 4 elementa ulaz senzor
predobrada signala
obrada signala
Prikaz podataka
izlaz
1
Primjeri:
Senzor • izlaz ovog elementa, koji je u kontaktu sa procesom, zavisi od varijable koja se mjeri. Primjeri:
•mostni spoj koji pretvara promjenu impedanse u naponsku promjenu, •pojačalo koje pojačava mV u V •oscilator koji pretvara promjenu impedanse u napon promjenljive frekvencije
Termopar; napon termopara (mV) zavisi od temperature;
Element za obradu signala
Kod uređaja za mjerenje naprezanja otpro senzora zavisi od mehaničkog naprezanja.
izlaz iz elementa za predobradu pretvara u oblik pogodan za prikaz ili dalje korišćenje
Elementi za kondicioniranje signala izlaz iz senzora pretvara u oblik pogodan za dalju obradu (obično jednosmjerni napon ili struju ili frekvenciju)
Primjeri: •A/D pretvarači za pretvaranje napona u digitalni oblik za ulaz u računar •mikroprocesor koji izračunava mjerenu vrijednost na bazi ulaznih digitalnih podataka ( npr. za računanje ukupne mase gasa na bazi protoka i gustine, korekcija nelinearnih senzora)
Podsistem za mjerenje težine
Uloga senzora u sistemima upravljanja
pretvaranje fizičke veličine u električni signal pretvaranje signala u simbol
pretvaranje signala u toplotu, pomjeraj, protok itd.
pretvaranje simbola u signal
2
Podjela senzora U literaturi se mogu naći razne podjele senzora, od vrlo jednostavnih do složenih. Najčešće se dijele po: mjernoj veličini specifikacijama karakteristika načinu detekcije tipu pretvaranja materijalu izrade području primjene
Klasifikacija senzora po specifikaciji karakteristika • osjetljivost
Način detekcije
• linearnost
- mehanički pomjeraj
• mjerno područje
- hemijska reakcija
• stabilnost
- zračenje – radioaktivnost
• rezolucija
- toplota, temperatura
• tačnost • selektivnost
- električni, magnetski ili elektromagnetski
• brzina odziva • histerezis • zona neosjetljivosti • životni vijek • cijena, veličina, težina
3
Klasifikacija senzora po materijalu od koga su napravljeni: • neorganski ili organski • provodnici ili izolatori • poluprovodnici
Klasifikacija po području primjene • poljoprivreda • automobili • medicina • elektroenergetika
• biološki supstrat
• procesna tehnika i proizvodnja
• plazma
• naučna istraživanja • meteorologija, ekologija • pomorstvo •i nformatika, telekomunikacije • vojna industrija • domaćinstvo
Konstrukcija i proizvodnja senzora
Primjer: AKCELEROMETAR mjerna veličina:
ubrzanje (akceleracija)
specifikacija k-ka: osjetljivost, tačnost, preciznost, linearnost način detekcije:
mehanički (pomjeraj)
tip pretvaranja:
elastoelektrični
materijal izrada:
neorganski izolator
područje primjene: automobili, brodovi, svemirski brodovi, naučna mjerenja
Konstrukcija i proizvodnja senzora se moraju spregnuto posmatrati. U proizvodnji senzora važnu ulogu imaju materijali: •poluprovodnički materijali ( na bazi Si tehnologije) •metalni materijali ( gdje ne mogu zadovoljiti poluprovodnički materijali, npr. zbog temperaturnog područja platina za precizna mjerenja temperature, bakar – berilijum za kvalitetne opruge) •optička vlakna U novije vrijeme se intezivno razvija područje mikromehanike Mikrosenzori i MikroElektroMehaničkiSistemi (MEMS)
4
Primjer mikrosenzora: Mikroakcelerometar Analog Devices ADXL105
Opšti model mjernog elementa Karakteristike mjernog elementa: •statičke •dinamičke •statističke Statičke i dinamičke karakteristike se mogu egzaktno kvantifikovati matematički ili grafički. Statičke karakteristike Mjerno područje (Range): ulazno područje se specificira s minimalnom i maksimalnom vrijednošću mjerene veličine I: Imin i Imax izlazno područje specificira se s minimalnom i maksimalnom vrijednošću izlazne veličine O: Omin i Omax
Primjer: termopar može imati ulazno područje 1002500C, a izlazno 4-10 mV.
Nelinearnost
- OPSEG (Span): maksimalna promjena na ulazu ili izlazu,tj.: ulazni opseg Imax-Imin (20 log (Imax / Imin )) izlazni opseg Omax-Omin za gornji primjer
Imax-Imin =1500C Omax-Omin=6 mV
Linearna statička karakteristika Oideal=K*I+a
K =
O max − O min I max − I min
a = O min − KI min
5
Osjetljivost odnos promjene izlaza (O) s obzirom na promjenu ulaza (I)
dO dN =K + dI dI
Ambijentalni uticaji
Postoje dva osnovna tipa ambijentalnog uticaja modifikovani ulaz IM prouzrokuje linearnu promjenu osjetljivosti elemenata interferirajući ulaz Ii
Izlaz O u opštem slučaju ne zavisi samo od ulaznog signala nego i od uticaja ambijenta (okoline),kao što su: atmosferski pritisak, relativna vlažnost, napon napajanja, temperatura okoline i dr. Ako jednačina (*) vazi za standardne uslove neće važiti za izmijenjene uslove. Potrebno je izvršiti njenu modifikaciju kako bi se te promjene uzele u obzir.
Histerezis
Zasićenje
za datu vrijednost ulaza (I) izlaz (O) može biti različit zavisno da li ulaz (I) raste ili opada. Histerezis je razlika između te dvije vriednosti
6
Zona neosjetljivosti (Dead-Band)
Rezolucija izlaz se mijenja skokovito pri kontinualnoj promjeni ulaza najveća promjena I koja ne izaziva promjenu O
žičani potenciometar , A/D konverzija
Mjerna greška i tačnost Mjerna greška – razlika između izmjerene vrijednosti O i stvarne vrijednosti Oideal mjerene veličine Habanje i staranje Ovi efekti uzrokuju promjenu karakteristika lagano i sistematski tokom životnog vijeka elementa
Kako je stvarna vrijednost mjerene veličine nepoznata definišu se granice mjerne greške h.
PR.: promjena konstante krutosti opruge, promjena konstanti u termoparu (zbog hemijskih promjena u metalu termopara).
7
Definisane granice greške obuhvataju efekte nelinearnosti, histerezisa i rezolucije u mnogim savremenim senzorima i pretvaračima, koji su pojedinačno mali. Proizvođač deklariše da za bilo koju promjenu vrijednosti I, izlaz O biti unutar intervala ±h oko idealne vrijednosti Oideal mjerene veličine, tj. idealne statičke karakteristike mjernog elementa. Ovaj se iskaz može zamijeniti statističkim izrazom pomoću funkcije gustine vjerovatnoće p(O). Raspodjela funkcije gustine raspodjele je pravougaona u ovom slučaju
Granicama mjerne greške označava se tačnost senzora (sensor accuracy) Kod modernih senzora se umjesto tačnosti često definiše mjerna nesigurnost (measurement uncertainity). Dok tačnost definiše odstupanje od idealne statičke karakteristike, mjerna nesigurnost obuhvata sve sistemske i slučajne greške. Uopšteni model mjernog elementa Ako efekti histerezisa i rezolucije nijesu prisutni u elementu, ali su prisutni ambijentalni efekti i drugi efekti nelinearnosti, izlaz O u stacionarnom stanju može se opisati pomoću
Uređaj za mjerenje naprezanja – zanemaren nelinearni efekt i dinamika
Neopterećen mjerni član ima otpor 100Ω. Koeficijent mjerenja je 2 102, temperatura okoline utiče i na naprezanje i na otpor mjerenja
8
Dinamičke karakteristike Kada je mjerni element dio sistema upravljanja najčešće ga nije dovoljno opisati njegovom statičkom karakteristikom, već je neophodno uzeti i njegove dinamičke karakteristike. Vrijeme od priključenja na napajanje do trenutka spremnosti mjernog elementa za rad sa deklarisanim karakteristikama naziva se vrijeme zagrijavanja (warm-up time) Frekvencijski odziv (Frequency response) pokazuje brzinu odziva mjernog elementa na promjenu mjerene veličine. Izražava se u jedinicama Hz ili rad/sec.
instrument prvog reda
instrument drugog reda
odziv instrumenta prvog reda odziv instrumenta nultog reda
9
odziv instrumenta drugog reda
prigušenje
prigušenje
Gornja granična frekvencija (upper cutoff frequency) definisana je kao frekvencija na kojoj normirana amplitudna frekvencijska karakteristika mjernog elementa poprimi vrijednost -3 dB.
Prelazna karakteristika Pokazuje brzinu odziva mjernog elementa, kao i frekvencijska karakteristika, ali u vremenskom području. Obično je zadato vrijeme porasta, tj. vrijeme za koje izlaz poprimi 90% (100%) stacionarne vrijednosti.
Veza između granične frekvencije i vremenske konstante mjernog člana:
Donja granična frekvencija (Lower cutoff frequency) fL: Najniža frekvencija promjene mjerene veličine koju mjerni član može procesirati. Senzori za koje nije fL = 0 mogu se opisati prelaznom karakteristikom:
Za mjerne elemente s prenosnom funkcijom prvog reda zadaje se vremenska konstanta τ
S = S m (1 − e −t / τ )
za t = τ S=0.63 Sm
10
Tipični odzivi senzora na skokovitu promjenu mjerene veličine:
Fazna karakteristika Pokazuje kašnjenje izlaza mjernog elementa za stvarnom vrijednošću u stepenima ili u radijanima. Rezonantna frekvencija Pojavljuje se kod mjernih elemenata s prenosnom funkcijom drugog (ili višeg) reda. Radna frekvencija senzora mora biti ograničena; ispod 60% rezonantne frekvencije. Nekim je senzorima rezonantna frekvencija radna frekvencija. Npr. senzor za detekciju loma u staklu.
Prigušenje (Damping) Progresivno prigušenje oscilacija kod senzora prijenosne funkije drugog ili višeg reda.
Statističke karakteristike Ponovljivost mjerenja – preciznost senzora Statističke promjene na izlazu mjernoga člana (elementa) s vremenom – ponovljivost (repeatability).
11
Mjerna nesigurnost ● Kako je već rečeno, mjerna je vrijednost samo aproksimacija stvarne vrijednosti mjerene veličine, bez obzira kolika je tačnost mjerenja. ● Dakle, rezultat mjerenja može se smatrati cjelovitim tek ako mu je pridružena vrijednost mjerne nesigurnosti. ● Prema propisima međunarodnog komiteta CIPM (Committee for Weights and Measures), mjernoj nesigurnosti doprinose mnogobrojni činioci, ali se mogu grupisati u dva skupa: A: činioci koji se procjenjuju statističkim metodama; B: činioci koji se procjenjuju drugim metodama.
12
● Granica između ove dvije grupe nije potpuno jasna. Uopšteno, komponente A mjerne nesigurnosti proizlaze iz slučajnih efekata, a komponente B mjerne nesigurnosti iz sistemskih efekata. ● Nesigurnost tipa A specificira se standardnom devijacijom σ. Za i -tu komponentu mjerne nesigurnosti tipa A mjerna nesigurnost ui = σi.
● Kada se načini procjena oba tipa nesigurnosti, one se trebaju združiti u kombinovanu standardnu nesigurnost (engl. combined standard unceartinity), što se čini prema tzv. zakonu propagacije nesigurnosti (engl. law of propagation of uncertainity):
● Procjena nesigurnosti tipa B obično se zasniva na naučnim procjenama na temelju svih dostupnih relevantnih informacija, npr. na temelju: ♦ prošlih mjernih vrijednosti, ♦ iskustva s odgovarajućim senzorom ili opšteg poznavanja svojstava i ponašnja senzora, materijala, instrumentacije; ♦ specifikacija proizvođača, ♦ podataka dobijenim umjeravanjem senzora te ♦ nesigurnosti pridruženih referentnim podacima iz priručnika.
gdje je n broj komponenata mjerne nesigurnosti.
2. Senzori • Senzor je prvi element (od četiri elementa) u mjernom podsistemu. • Senzor je u kontaktu s procesom i uzima energiju iz ♦ procesa ili ♦ mjernoga podsistema. • Na ulazu senzora je tačna (prava) vrijednost, izlaz iz senzora zavisi od te ulazne vrijednosti. • Postoji široki spektar senzora baziranih na raznim fizickim (i hemijskim) načelima. • Postoji i raznolikost u klasifikaciji senzora, npr. klasifikacija prema izlaznom signalu senzora : ♦ električni izlaz; ♦ mehanički izlaz.
13
• Senzori s električnim izlaznim signalom: ♦ pasivni; ♦ aktivni. • Pasivni senzori zahtijevaju spoljašnji napon napajanja da bi se dobio izlazni električki signal (napon ili struja). Primjeri: ♦ otpornički senzori; ♦ kapacitivna senzori; ♦ induktivna senzori. • Aktivni senzori ne zahtijevaju spoljašnji napon napajanja. Primjeri: ♦ elektromagnetski senzori; ♦ termoelektrični senzori.
Sklopovi za obradu koji se koriste za senzore Postoji načelno 5 grupa sklopova koji se koriste za senzore: 1. mjerni sklopovi (spojevi) bez pojačavača; 2. linearna mjerna pojačala; 3. analogna računarska pojačala (funkcijska pojačala); 4. A/D pretvarači; 5. mikroračunari. 1. mjerni sklopovi (spojevi) bez pojačavača Spojevi za pretvaranje promjene otpora, induktiviteta ili kapaciteta u naponski signal (mosni spojevi).
• Senzori s mehaničkim izlazom obično se koriste kao primarni element; a sekundarni senzorski element, koji slijedi, ima izlazni električni signal (npr. mjerenje naprezanja). • Zavisno od primjene, senzori mogu biti konstrukcijski i proizvodno izvedeni na različite načine. • Senzori se moraju kalibrisati (umjeravati) i u određenim primjenama povremeno kalibrisati. • Isto tako, zavisno o primjeni, razlikuju se klase senzora (za industrijsku tehniku, npr. procesnu tehniku ili proizvodnu tehniku, senzori za precizne primjene, senzori u uređajima široke primjene).
2. linearni mjerni pojačavači i 3. analogni računarski pojačavači (funkcijski pojačavači): Pojačavaju male naponske signale u napone ili struje većega iznosa. 4. A/D pretvarači A/D pretvarači koji rade na različitim principima; izbor A/D pretvarača s obzirom na rezoluciju i brzinu pretvranja zavisi od tačnosti senzoraa i o njegovim dinamičkim karakteristikama. 5. mikroračunari procesori (mikrokontroleri), a u složenijim primjenama DSP.
14
• U procesnoj industriji još uvijek dominiraju sklopovi za obradu koji signal senzora pretvaraju u strujni signal 4-20 mA. Ovi se sklopovi nazivaju mjerni pretvarači. • U budućnosti će se značajnije koristiti senzori s integrisanom obradom signala: ♦ inteligentni senzor (smart sensors ili integrated intelligent sensors) svojstva: - obavlja logičke funkcije; - komunicira s jednim uređajem ili s više uređaja (npr. direktnim spojem na sabirnici); - donosi odluke korišćenjem (npr. na temelju fuzzy logike). Umjeravanje senzora Cilj: Isključiti uticaj rasipanja uslovljenih proizvodnjom (postići ponovljivost).
Zahtjevi za izbor senzora Najvažniji se zahtjevi odnose na sljedeća svojstva (karakteristike): ♦ statičke karakteristike (prije objašnjeno); ♦ uticaji okoline, npr. temperaturni elektromagnetski uticaji (prije objašnjeno); ♦ dinamičke karakteristike (prije objašnjeno); ♦ pouzdanost i ekonomičnost. Oblici signala senzora Oblici signala senzora zavise od principa rada na kojem je senzor zasnovan, kao i o zahtjevima za obradu tih signala: ♦ amplitudno analogni (analogni); ♦ frekvencijsko analogni (frekvencijski) → primjena u porastu; ♦ digitalni.
Binarno (off-on) mjerenje položaja
Analogno mjerenje položaja
Binarni senzor (binary sensor, Geber, "Initiator"): Mikroprekidač (micro-switch, Endschalter)
Potenciometar(potentiometer, Schiebewiderstaende)
• •+niska cijena, -trošenje, vibracije
•Optički senzor (optical sensor, Lichtschranke) – +pouzdan, -osjetljiv na prašinu ili tečnosti
•Magnetski senzor(magnetic sensor, Näherungsschalter) – +neosjetljiv na prašinu, -magnetska polja
•Kapacitivni senzor ( capacitance proximity sensor) – +neosjetljiv na prašinu i magnetska polja, – +reaguje i na nemetalne predmete
•Ultrazvučni senzor( Ultrasonic sensor, Ultraschall Fuehler) – +neosjetljiv na prašinu i laka zaprljanja – +reaguje na sve materijale, – +može detektovati i kroz sloj fluida
•Pneumatska brana (pneumatic gate) – +neosjetljiv na povišenu temperaturu, magnetska i električna polja i snažnu radijaciju
Analogni senzor (analogue sensor, Aufnehmer): – +niska cijena, – -trošenje, vibracije, osjetljivost na zaprljanje, slaba linearnost
Optički senzor (optical sensor, Lichtaufnehmer) – +pouzdan, -osjetljiv na prašinu ili tekućine
Magnetski o senzor(magnetic sensor, Näherungsfuehler) – +neosjetljiv na prašinu, -magnetska polja
Kapacitivni senzor ( capacitance proximity sensor) – +neosjetljiv na prašinu i magnetska polja, +reagira i na nemetalne predmete
Balansirani transformator (LVDT) – +pouzdan, robustan, -uglavnom za male pomake
Grayov, inkrementalni i apsolutni koder položaja (Gray, incremental or absolute encoder) – +tačnost i linearnost, -komplicirana obrada signala, konačna razlučljivost
Tenzometarske trake (Strain gages, Dehnungsmessstreifen) – +pouzdane, -za vrlo male pomake
Piezo-električni (Piezoelectric) – -Za ekstremno male pomake, reda mikrona, -visoki unutrašnji otpor
15
16
2.1. Otpornički senzorski elementi 2.1.1. Otpornički elementi za mjerenje temperature Otpornički termometri (RTD – Resistance Thermometer Devices) • Otpor većine metala značajno raste s porastom temperature: (u području –100 do +800°C) RT[Ω] = R0 (1 + α T + β T2 + γ T3 +…) ♦ R0[Ω] – otpor pri referentnoj temperaturi T0 = 0°C ili T0= 20°C → tada se u gornjem izrazu umjesto T koristi ∆T=T–T0. ♦ α, β, γ… - temperaturni koeficijenti električnoga otpora metala
• Obično vrijedi aproksimacija: RT[Ω] ≈ R0 (1 + α T) - zanemaren nelinearni član • Kao metal najčešće se koristi platina (za zahtjevnije primjene), ♦ dobra linearnost u području -200°C do +800°C ♦ hemijski je otporna ♦ otpornički senzor temperature označen sa PT 100. Pri 0°C ima otpor 100Ω. • Takođe se koristi i volfram, a nikal i bakar za manje zahtjevne primjene.
17
Karakteristike RTD-ova
Otpornički senzor temperature u mosnom spoju
• Najtačniji mjerni senzori temperature; • Potrebna je kompenzacija otpora vodova; • Relativno spora dinamika – vremenska konstanta 1-40 s.
Senzor temperature u mosnom spoju (RC - otpor kabla spojnih žica otporničkoga senzora).
Termistori: • Senzori temperature načinjena od poluprovodničkih materijala nazivaju se termistorima (poluprovodnički otpornički senzori). • Koriste se materijali u obliku smjesa sulfida, selenida ili oksida metala, npr. magnezijum, nikal, kobalt, bakar, željezo, uran. Npr. ♦ vrijednost otpora opada s porastom temperature (imaju NTC); ♦ mala vremenska konstanta; ♦ veća osjetljivost od otporničkih termometara; ♦ osjetljivost na strujno opterećenje; ♦ postoje termistori i s PTC. β
R Θ = Ke Θ
RΘ otpor pri temperaturi Θ Kelvina; K, β – konstante termistora
18
2.1.2. Metalni i poluprovodnički otpornički senzori deformacije
♦ Ako je σ sa pozitivnim predznakom, onda je to naprezanje vučenjem – izaziva istezanje.
• Deformacija može biti mjera mehaničkoga naprezanja (npr. za mjerenje sile, pritiska, momenta).
♦ Ako je σ sa negativnim predznakom, onda je to naprezanje stezanjem – uzrokuje sabijanje.
Podsjetnik: • Sile koje djeluju na tijelo i nalaze se u ravnoteži prouzrokuju deformaciju tijela: ♦ deformacija – istezanjem,izvlačenjem ♦ deformacija – sabijanjem.
• Dakle, efekt prinudnog naprezanje je deformacija:
• Sila koja djeluje na jediničnu površinu tijela zove se naprezanje:
σ =
F A
[N / cm ] 2
ε=
Δl l
• Ovdje se radi o uzdužnoj (longitudinalnoj) deformaciji (deformaciji duž smjera naprezanja). • Odnos između naprezanja i deformacije naziva se modul elastičnosti:
E=
σ ⇒ σ = Eε ε
Hukov zakon
19
• Često se modul elastičnosti naziva Youngovim modulom E za linearno sabijanje ili istezanje.
• Odnos između uzdužne i poprečne deformacije izražen je relacijom: εT = - νεL ν (µ) - Poissonov odnos (broj) (vrijednost: 0,25 – 0,4 za većinu metala) • Otpor deformisanoga tijela (elementa), načinjenog od metala ili poluprovodnika mijenja s deformacijom (strain gauge - deformirajući element, rastezno tijelo):
• Izvlačenje : Povećanje dužine tijela uzrokuje smanjenje poprečnoga presjeka A, tj. smanjuje se debljina i širina. Posljedica toga je poprečna deformacija εT (transverzalna) • Sabijanje: Postiže se suprotan efekt u odnosu na izvlačenje
• Pod djelovanjem naprezanja mijenja se otpor za iznos ∆R:
R=
ρl A
gdje je: l - dužina elementa; ρ- specifični otpor;
A -poprečni presjek
• Tipičan primjer: Ro= 120 Ω, G=2 i ε = 1 ppm ∆R=RoGεa= (120Ω )(2)(1 10-6 ) =0.00024Ω
ΔR 0.00024 = = 2 ⋅10 −6 = 0.0002% 120 R • Materijali i tehnologija izrade deformirajućih elemenata (“Advance”: 54% Cu, 44% Ni, 1% Mn). • Poluprovodnički deformirajući elementi imaju piezootpornički član veliki → G time postaje veliko • Uobičajen materijal je silicij dopiran malom količinom materijala “P” tipa ili “N” tipa. Za P: G ≈ 100 do 175;
• G – gauge factor (mjerni faktor); Za ν ≈ 0,3 je G ≈ 2.0 ===> Promjena otpora linearna s deformacijom: ∆ R= RoGε
Za N: G ≈ -100 do -140
• Prednost u odnosu na metalne deform. elemente: veća osjetljivost. • Nedostatak:
veća osjetljivost na promjenu temperature.
20
• Smještaj (montaža) (uzduž aktivne ose) → uputstva proizvođača • Ovi otpornički senzori spajaju se u mosne spojeve (otklonske).
21
Različiti načini postavljanja tenzootporničkih senzora
Kapacitivni senzori
♦ Kapacitivni senzorski element za mjerenje pomaka: a) promjenljivo rastojanje
nelinearna zavisnost; korišćenje mosnoga spoja; potrebna je kompenzacija nelinearnosti.
22
23
Konstrukcija komercijalnih kapacitivnih senzora
Obrada-kondicioniranje signala moguće je na dva načina pojačalo “naelektrisanja” Kod prve varijante, moguća su mjerenja do visokih frekvencija ako je es jednosmjerni napon
pojačalo sa “promjenljivom impedansom”
•Kod kapacitivnih senzora je moguća detekcija kroz krutu barijeru •Senzori sa promjenljivim dielektrikom •Proizvođači isporučuju tablicu osjetljivosti za standardne dielektrike, kao i graf relativne osjetljivosti kod nestandardnih dielektrika za interpolaciju
Induktivni i magnetski senzori • Mogu biti i binarni i analogni, i zasnovani na dva principa: – Sa vrtložnim strujama – Feromagnetski
Pobuda naizmjeničnom strujom
24
Induktivni i magnetski senzori
N zavoja
Amperov zakon • Cirkulacija se dobije iz integrala preko jačine magnetskog polja H duž zatvorene putanje:
iN = ∫ H x dx • Za magnetsko kolo na slici je:
iN = H L x + H M xM gdje je: HL – jačina magnetskoga polja u vazdušnom procjepu: HM – jačina magnetskoga polja u željezu (magnetskome materijalu) • Uz pretpostavku zanemarenoga rasipanja, fluks Φ u vazdušnom procjepu jednak je fluksu u magnetskom materijalu.
25
• Induktivni senzori zavise od materijala i debljine ciljnog objekta – Mora se izvršiti kalibracija za svaki instalirani komad • Izvedba može uključivati histerezis
26
•LVDT i slični senzori a) induktivno balansirani most (3 kontakta) b) napajanje s centralnim izvodom ( 3 kontakta) c) diferencijalni sekundar (4 kontakta) •Jezgra •Feromagnetska (s procjepom) •Nemagnetna (vrtložne struje)
27
Magnetski senzori •Zasnivaju se na DC magnetskom polju •Hall •Magnetostrikcijski
2.4. Elektromagnetski senzorski elementi •
Koriste se npr. za mjerenje linearne ili ugaone brzine. • Temelje se na zakonu indukcije:
uin = − N
dΦ dt
•
U nekom elektromagnetskom elementu mijenjaju se fluks Φ, uslijed pomjeranja, kojega treba izmjeriti.
•
Dakle, indukovani napon zavisi od pomjeraja.
28
2.5. Termoelektrički senzorski elementi (Termoparovi) • Thomas Johann SEEBECK (1821) istraživao elektromagnetske pojave u kolima s bizmutom i bakrom, bizmutom i antimonom i otkrio pojavu termoelektromotorne sile. T – temperatura koju treba mjeriti; Tr – referentna (poznata) temperatura; U – termoelektromotorna sila.
U = a1∆T + a2∆T2 + a3∆T3 + ··· = UTAB-UTrAB; ∆T = T - Tr a1, a2, a3, … - konstante zavisne od osobina materijala A i B.
Osnovni spojevi termoparova Ugradnja termopara:
• Oklapanje i zaštita (mehanička i hemijska) termoparova • Referentna temperatura T2 mora biti konstantna. • U praksi se često koristi kompenzacijski most s otporničkim senzorom temperature, koji kompenzira promjene referentne temperature (d), tj. mjeri ET2,0 =>
29
Šema spajanja termopara s kompenzacijskim mostom:
Jednačine termoparova (polinomski oblik):
Tipovi termoparova:
Povećanje osjetljivosti mjerenja temperature (Thermopiles):
30
31
Optički senzori Zasnivaju se na nivou reflektovanog ili propuštenog svijetla. Izvor svjetla je vještački, u području talasnih dužina za koje se proizvode LED (Light Emitting Diode)
Prijemni sklop
Obično je to žuto-do-crveni dio spektra, ili blisko infracrveno područje
Optički senzori • Mogu se koristiti i kao binarni i analogni senzori Nekoliko varijacija senzora:
Optički senzori
Usmjeravanje pomoću sočiva
32
Optički senzori •Samo način prenošenja svjetla •Infracrveno svjetlo: Staklena vlakna •Vidljivo svjetlo: Polimerna vlakna
Optički senzori •Za vrlo veliku osjetljivost reda nanometara •Michelsonov interferometar •Zasniva se na interferenciji između direktne i reflektovane svijetlosti •Tačnost zavisi o varijaciji talasne dužine svjetlosti •Vlažnost vazduha •Atmosferski pritisak •Brzina kretanja instrumenta
Optički senzori
Optički senzori •Optički koderi •Gray kodirani •Binarno kodirani •Kvadraturni •Pseudorandom
33
Optički senzori
Inkrementalni enkoder
geneše impuls za svaki određeni inkrement ugla zakreta (za rotacioni koder) ili impuls za svaki inkrement linearnog pomjeraja. Ukupna pređena udaljenost određuje se brojanjem izlaznih impulsa.
Optički senzori Direktni binarni kod: ukoliko se svi bitovi istovremeno mijenjaju: treperenja
Apsolutni enkoder
ima određeni broj izlaznih kanala tako da svaki pojedini položaj može biti opisan jedinstvenim izlaznim kodom. Što je veća osjetljivost to je veći broj izlaznih kanala potreban
Optički senzori
Optički senzori
Optički koderi: •Osjetljivi na vibracije i udare •Rozete sa maskom su najčešće od stakla •Zavisno o razlučljivosti, imaju ograničenje linearne/rotacione brzine •Skupi su •Elektronika za obradu signala može biti komplikovana
34
2.6. Elastični senzorski elementi • Pri djelovanju sile na oprugu dolazi do izduženja ili sabijanja opruge, koje je proporcionalno sili. • Na ovom principu temelje se elementi za pretvaranje sile u pomjeraj. • Elastični senzorski elementi koriste se takođe za mjerenje: ♦ momenta M = Fx (x – pomjeraj); ♦ pritiska P = F/ A ; ♦ ubrzanja a = F / m ; • Uz elastični senzorski element koriste se sekundarni elementi pomjeraja (mjerne trake) koji pretvaraju pomjeraj u električni signal. • Pomjeraj može biti linearni ili ugaoni (zakret).
35
2.7. Piezoelektrički senzorski elementi • Ako se djeluje silom na neki kristal, tada dolazi do udaljavanja atoma kristala u rešetki od normalnog položaja.
• Ovaj je pomjeraj proporcionalan sili djelovanja i za stacionarno stanje vrijedi izraz:
gdje je k – krutost kristala [Nm-1] (tipično je 2·109 Nm-1)
•Piezoelektrični materijali (kristali) mijenjaju oblik kada električno polje vrši utjecaj na njih.Isto tako, piezoelektrični materijali proizvode električno polje kada ih deformišemo. •Postoje tri grupe marerijala koji pokazuju takvo ponašanje •Monokristali određenih materijala (Quartz, Seignett so, i neki drugi) •Polikristali određenih keramika (PZT, BaTi itd.) •Određeni polimeri (PVDF polivinildenfluorid)
36
• Postoji i obrnuti (inverzni) efekt kristala: ♦ Prikljčeni napon U na kristal izaziva mehaničko izduženje (deformaciju) x kristala:
• Da bi se mogla mjeriti količina elek., kristal se umeće između pločastih elektroda te se na taj način formira kondenzator kapaciteta:
37
38
Piezoelektrični Senzori Kvarcni pretvarači od navedenih materijala pokazuju svojstva koji opravdavaju njihovu široku upotrebu. Vrlo su stabilni, robustni i kompaktni. od velikog broja materijala danas u upotrebi, quartz je preferiran zbog: – – – –
Visoke čvrstoće, oko 100 MPa (~ 14 km dubine vode). Temperaturne otpornosti ( do 500C). Velike krutosti, visoke linearnostii zanemarive histereze. Ekstremno visoke otpornosti izolacije 10+14 Ohma, koja omogućuje niskofrekventna mjerenja oko 1 Hz
Piezoelektrični Senzori
Mjerenja na fluidima Na fluidima, je moguće sprovoditi slijedeća mjerenja: •Protok •Maseni protok •Nivo •Pritisak •Provodljivost •Ph Vrijednost (kisjelost) •Viskozitet •Vlažnost (kod gasova)
39
Mjerenje Protoka
Mjerenje Protoka •Venturijeva mlaznica: najmanji pad pritisak
Najjednostavnije; prepreka na kojoj će nastati razlika pritiska •Blenda •Mlaznica •Venturijeva mlaznica •Loša strana: Pad pritiska •Profil brzina u presjeku zavisi o Reynoldsovom broju
Mjerenje Protoka •Senzor sa “vrućom žicom” (Hot-Wire) •Niska cijena i jednostavnost •Linearizacija moguća •Pozicioniranje kritično (Profil brzina!!)
Mjerenje nivoa tečnosti •Mjerenjem vremena preleta •Pulsirajući laser •Impulsi mikrotalasa •Ultrazvučno •Pomoću mjerenja pritiska •Mjernjem mase u rezervoaru •Uronjivim ticalima
40
Mjerenje nivoa tečnosti •Mjerenjem vremena preleta
Mjerenje nivoa tečnosti •Mjerenjem pritiska na dnu tanka
Mjerenje nivoa tečnosti Uronjivim elektrodama • Radiotalasom •Kapacitivno
Mjerenje nivoa tečnosti
41
•Zasniva se na transformisanju pritiska u deformaciju •Bourdonova cijev •Kapacitivno •Induktivno •Magnetski •Optički
Mjerenje pritiska
Mjerenje pritiska
Mjerenje pritiska
42
2.8. Elektrohemijski senzori • Ovi senzorski elementi spadaju u skup senzora za analizu tečnosti i gasova. • Ovo su, dakle, senzori za analitičke podatke. • Senzori za analitičke podatke sastavni su dio uređaja za analizu koji upravlja tehničkim procesom ili se ovi senzori zajedno s mjernim sklopovima (za obradu mjernih signala) koriste za nadzor pogona, proizvodnoga procesa ili za nadzor zagađenja okoline. • U analizi rastvora koriste se senzori za: ♦ pH-vrijednost;
U analizi gasova koriste se senzori zasnovani na: ♦ toplotnoj provodljivosti; ♦ magnetskome mjerenju kiseonika (paramagnetizmu kiseonika); ♦ jonizaciji plamena; ♦ infracrvenoj apsorpciji. 2.8.1. pH-mjerenje • Pomoću pH-mjerenja određuje se kiselost (aciditet) odnosno baznost (alkalitet) vodenog rastvora. • Područja primjene:
♦ sadržaj soli;
♦ prehrambena industrija;
♦ vlažnost vazduha.
♦ obrada vode za termoelektrane; ♦ neutralizacija otpadnih voda.
• Za kisjeli rastvor je pH < 7 • Za bazni rastvor je pH > 7 • Područje praktične pH-skale je od pH ≈ 0 (jako kisjelo) do pH ≈ 14 (jako bazno).
43
• Mjerna elektroda se za pogonska mjerenja u pravilu izvodi kao staklena elektroda i povezana je s mjernim rastvorom preko staklene membrane.
• Razlika potencijala između mjernog rastvora i referentnog rastvora koja nastaje na obje granične ploče staklene membrane opisuje se Nernstovom jednačinom:
• S unutrašnje strane staklene membrane nalazi se referentni rastvor poznate pH vrijednosti (npr. pH = 7), čiji se potencijal dobija pomoću odvodne elektrode. • Pomoću referentne elektrode odvodi se potencijal mjernog rastvora. • Na donjem kraju referentne elektrode zavarena je dijafragma koja predstavlja galvansku vezu s mjernim rastvorom.
44
3. TIPIČNI ELEMENTI ZA PREDOBRADU SIGNALA • Elementi za predobradu (kondicioniranje) signala pretvaraju izlazni signal senzora u oblik prikladan za daljnju obradu (jednosmjerni napon, jednosmjernu struju ili frekvenciju). • Najvažniji elementi za predobradu signala su: ♦ Mjerni mostovi (engl. Deflection bridges) i ♦ Pojačala (engl. Amplifiers) 3.1 Mjerni mostovi • Koriste se za pretvaranje izlaza iz otporničkih, kapacitivnih i induktivnih senzora u naponski signal.
45
46
3.2 Pojačavači • Pojačavači su neophodna za pojačavanje signala malih vrijednosti na vrijednosti prikladne za dalju obradu. • Osnovni element pojačala signala je integrisano operaciono pojačalo, koje se odlikuje visokim pojačanjem i izvodi se tako da može pojačavati signale u širokom rasponu frekvencija. • Operacionom se pojačalu dodaje pasivna mreža koja određuje dinamička i statička svojstva pojačavača (vidi sljedeću sliku).
47
• Prenosne funkcije pojačala prikazanih na slici dobijene su uz pretpostavku idealnih karakteristika operacionih pojačala. Za postizanje zahtijevane tačnosti mjerenja, pri projektovanju pojačala potrebno je uzeti u obzir stvarne karakteristike operacionih pojačala (vidi sljedeću tablicu).
4. OPTEREĆENJE, ŠUM I INTERFERENCIJA U MJERNIM SISTEMIMA • Izlazni signal senzora najčešće je naponski ili strujni. • Ulazne karakteristike elementa za predobradu moraju odgovarati izlaznim karakteristikama senzora, tj. element za predobradu signala ne smije uticati na karakteristike senzora, odnosno ne smije ga opterećivati. • Za opis ponašanja napona i struje na spoju mjernog elementa i elementa za predobradu koriste se ekvivalentna električna kola za svaki od njih.
Teveninovo ekvivalentno kolo: • Svaka električna mreža koja se sastoji od linearnih impedansi i naponskih izvora može se ekvivalentirati nadomjesnim električnim kolom sa jednim naponskim izvorom i impedansom spojenom u rednoj vezi sa njim.
Teveninovo ekvivalentno kolo operacionog pojačavača
48
Ekvivalentna električna šema mjernog elementa temperature
Nortonovo ekvivalentno kolo: Svaka električna mreža koja se sastoji od linearnih impedansi i naponskih izvora može se ekvivalentirati električnim kolom s jednim strujnim izvorom i impedansom spojenom u paralelu s njim.
Nortonovo ekvivalentno kolo za mjerni element diferencijalnog pritiska
• U stvarnim realizacjama mjernih sistema osim Théveninovog naponskog izvora (ili Nortonovog strujnog izvora) obično se pojavljuju i ♦ interferencijski napon (to je nepoželjni deterministički signal) i ♦ napon šuma (to je nepoželjni slučajni signal). • Na sljedećoj slici pod a) prikazana je tzv. serijska interferencija (engl. series mode interference) kod koje je interferencijski naponUSM u serijskom spoju s mjernim naponskim signalom UTh. • Na slici b) prikazana je interferencija preko zajedničke tačke (engl.common mode interference) koja izaziva podizanje naponskog nivoa oba kola za interferencijski napon UCM u odnosu na uzemljenje.
49
4.1 Izvori šuma • Prema mjestu nastanka šum se u mjernim sistemima može podijeliti na unutrašnji šum (engl. internal or inherent noise) i na spoljašnji (interferencijski) šum. Unutrašnji šum: • Pojavljuje se u većoj ili manjoj mjeri kod svakog mjernog senzora bez obzira kako kvalitetno je on izveden. Pitanje je procjene koliko taj šum utiče na tačnost mjerenja. • Primjera radi, unutrašnji mjerni šum pojavljuje se kod otporničkih i poluprovodničkih senzora kao posledica stohastičkog kretanja elektrona zavisno od radne temperature. • Ovaj se šum naziva toplotni ili Johnsonov šum i ima svojstva bijelog šuma.
• Efektivna vrijednost napona šuma u frekvencijskom području mjernog elementa određena je izrazom:
U RMS = 4k R Δf Θ gdje je: k - Boltzmannova konstanta, k = 1.38·10-23 J/K; R - otpor mjernog senzora, [Ω]; ∆f - frekvencijsko područje mjernog elementa, [Hz]; Θ - radna temperatura. [K]. Primjer: Za R = 1 MΩ, ∆f = 1 MHz, Θ = 300 K dobije se URMS = 0,13 mV, što je napon uporediv s malim mjernim signalima kao što su signali na mjernim trakama
Spoljašnji (interferencijski) šum: • To je šum koji u mjerni sistem dolazi izvana. • Najčešće susretani vanjski izvor šuma je naizmjenična energetska mreža (220 V, 50 Hz), koja u mjerni sistem unosi odgovarajući sinusni interferencijski signal. • Jednosmjerna energetska mreža sama po sebi ne unosi šum u mjerni sistem, ali uklapanje i isklapanje sklopki u statičkim energetskim pretvaračima može unijeti velike smetnje u mjerni sistem. • Vanjski izvori šuma u mjernom sistemu mogu biti i radiofrekvencijski prenosnici, aparati za zavarivanje i elektorlučne peći koje unose napon šuma frkvencije nekoliko MHz.
50
4.2 Načini djelovanja vanjskih izvora šuma na mjerne sisteme Induktivno djelovanje: • Ako je mjerni krug u blizini naizmjeničnog energetskog električkog kola, može se pojaviti značajno međuinduktivno djelovanje između ta dva kola. • Naizmjenična struja i u energetskom kolu indukuje u mjernom kolu serijski interferencijski napon
Kapacitivno djelovanje: • Kapacitivno (elektrostatičko) djelovanje pojavljuje se kada je mjerni krug u blizini energetskog voda. Naime, između energetskog voda, uzemljivačkog voda i mjernog kruga može pojaviti kapacitivno djelovanje, kao što je prikazano na slici.
U SM = M di/ dt.
Primjer:
za M ≈ 1 µH i di/dt ≈ 103 A/s (tipično za motor snage 1 kW)
Ovi su kapaciteti raspodijeljeni po čitavoj dužini mjernog voda, ali se mogu ekvivalentirati odgovarajućim koncentrisanim kondenzatorima, kao što je prikazano na slici.
dobije se USM ≈ 1 mV.
Višestruko uzemljenje: • Pri objašnjavanju kapacitivnog djelovanja pretpostavljeno je da uzemljenje ima u svakoj tački potencijal 0 V. • Međutim, energetski uređaji velikih snaga mogu prouzrokovati proticanje struje kroz uzemljenje što ima za posljedicu pojavu različitih potencijala u tačkama uzemljenja. • Ako bi mjerni član bio potpuno odvojen od uzemljenja, ne bi bilo nikakvog djelovanja na njega. • U stvarnosti se može dogoditi da jedan član mjernog kruga ima konačan otpor prema jednoj tački uzemljenja a drugi prema nekoj drugoj, prostorno udaljenoj tački, koja je na različitom potencijalu od prve tačke. • Kao posljedica toga u mjernom se sistemu pojavljuju zajednički i serijski interferencijski naponi. • Problem višestrukog uzemljenja ilustrovan je na sljedećoj slici:
51
Primjer: • Da se dobije što brži odziv jedan vrh termopara dodiruje oklop, koji je uronjen u metalnu posudu u kojoj se mjeri temperatura, a koja je uobičajeno uzemljena. • Rezultat je mali otrpor ZSE, npr. ZSE= 10 Ω, Za RE = 1 Ω, Rc/2 = 10 Ω, UE = 1V i ZRE= 106 Ω dobije se USM ≈ 10 µV. • U slučaju da se tačka S spoji direktno na uzemljenje (ZRE= 0 Ω) dobio bi se USM ≈ 0.48 V. • Dakle, ako se mjerni sistem mora uzemljiti, uzemljenje se smije izvesti samo na jednom kraju.
4.3 Metode smanjenja djelovanja smetnji na mjerne sisteme
Postavljanje plašta oko mjernih vodova
Fizičko udaljavanje: • Iznosi međuinduktiviteta i kapaciteta između energetskog i mjernog kruga obrnuto su proporcionalni njihovoj udaljenosti, treba pri njihovom izvođenju nastojati postići što je moguće veću udaljenost. Uplitanje mjernih vodova: • Najjednostavniji način smanjenja induktivnog interferencijskogdjelovanja.
• Oklapanjem mjernih vodova smanjuje se kapacitivno interferencijsko djelovanje na mjerni sistem. • Metalni oklop (plašt) mora se uzemljiti, ali samo u jednoj tački, kako je prikazano na slici.
Dva provodnika A i B mjernog kruga međusobno se upletu tako da sve petlje imaju približno jednake površine.
• Kao što se može vidjeti, nema direktnog spoja između mjernog kruga i oklopa; postoji samo visokoomska kapacitvna veza preko kapaciteta CSM.
52
• Oklop predstavlja niskoomski otpor za interferencijsku struju i, pa su struje kroz kapacitete CSM i CE male, što ima za posljedicu smanjenje zajedničkog interferencijskog napona UCM, a serijski interferencijski napon jednak je nuli. • U stvarnosti je mjerni senzor obično smještenu oklopljeno kućište, a za prenos signala koristi se oklopljeni (širmovani) kabl. • Oklop kabla mora biti spojen na kućište senzora, ali ne smije biti spojen na drugom kraju.
Ostale metode za smanjenje smetnji: ♦ Korišćenje diferencijalnih pojačvača; ♦ Filtriranje mjernih signala; ♦ Usrednjavanje signala; ♦ Korištenje medijan funkcije; ♦ Modulacija;
53
54
