Senzori ________________________________________________________________________
3.
SENZORI
Ako su aktuatori „mišići“, onda su senzori „čula“ svakog mehatroničkog sistema. Svaki mehatronički sistem obavezno uključuje senzorsku, upravljačku i aktuatorsku jedinicu. U takvom sistemu, senzorska jedinica ima zadatak da informiše kontrolnu jedinicu o tome šta se trenutno događa u sistemu. Na osnovu tih informacija i željenog ponašanja sistema kontrolna jedinica daje zadatke aktuatorskoj jedinici o tome koje aktivnosti je potrebno preduzeti tako da bi stvarno ponašanje sistema bilo što bliže (ili ako je moguće indentično) željenom ponašanju. Prema tome, senzori su uređaji koji na osnovu promjene fizikalnih veličina na ulazu (temperatura, kretanje, sila, pritisak, itd) proizvode srazmjerne izlazne signale (električne, mehaničke, itd). Ako se signali definišu kao materijalni nosioci informacije raznih fizikalnih veličina, onda se senzori mogu definisati kao pretvarači jednog oblika signala (energije) u drugi oblik. Ovo pretvaranje je uvijek na niskom energetskom nivou, itj. na nformacionom nivou. Zato se termini „pretvarač“ (eng. transducer) i senzor često koriste kao sinonimi. Tako na primjer, temperaturni senzor termopar na promjenu temperature na ulazu odgovara srazmjernom promjenom električnog napona na izlazu. Ovo pretvaranje se može shvatiti u smislu mjerenja, jer je izlazna veličina ustvari mjera ulazne veličine – mjerene veličine. Postoji mnogo načina na koji se može realizovati senzor neke fizikalne veličine. Na primjer, za mjerenje ugla zakretanja možemo koristiti ili potenciometar ili optički enkoder. Koji od njih koristiti to zavisi od konkretnog sistema gdje se senzor koristi i od uslova ekspolatacije sistema i senzora. Ako je u pitanju ugao zakretanja leptira karburatora onda je, zbog uslova eksploatacije motora i mogućnosti ugradnje, lakše koristiti potenciometar, a ako je u pitanju mjerenje ugla zakretanja stola glodalice onda je, zbog zakretanja koja su veća od 3600, često povoljnije koristiti enkoder. To je razlog što se za mjerenje iste fizikalne veličine koriste različite vrste senzora, odnosno različiti principi pretvaranja jedne fizikalne veličine u drugu. Priroda je nepresušan izvor ideja i principa na kojima su stvoreni savršeni senzori. Zadatak tehnike i tehnologije je da je, između ostalog, i po pitanju realizacije senzora oponaša. Prema mjernoj veličini senzori se dijele na: 1. Senzori pomjeranja (translacija i rotacija) • potenciometri • linearni/rotacioni promjenljivi diferencijalni pretvarači (LVDT/RVDT) • optički enkoder • tahometar • senzori na principu Holovog efekta • kapacitativni pretvarač • interferometar • žiroskop • indoksin 2. Senzori blizine • granični prekidači • optički senzori blizina
1
Senzori ________________________________________________________________________ • • •
senzori blizine na bazi Holovog efekta induktivni senzori kapacitativni senzori
3. Senzori ubrzanja (akcelorimetri) • seizmički akcelerometar • piezoelektrični akcelorimetar 4. Senzori sile, momenta i pritiska • mjerne trake • senzori naprezanja • dinamometar • piezoelektrični senzor opterećenja • ultrazvučni senzori 5. Temperaturni senzori • termoparovi • termistori • termodiode, termotranzistori • otporni senzori • infracrveni senzori 6. Senzori protoka • pito cijev • mjerna blenda • venturijeva cijev • rotacioni mjerač protoka • turbinski mjerač protoka • elektromagnetni mjerač protoka 7. Svjetlosni senzori • fotototpornici • fototranzistori • fotodiode • CCD senzori 8. Senzori od pametnih materijala • optička vlakna • piezoelektričniž • magnetostriktivni 9. Mikro i nano senzori • mikro CCD senzori slike • ultrazvučni mikro senzori • mikro senzori dodira Postoji različiti nivoi realizacije senzora. Najčešće se oni pojavljuju samo kao pretvarači signala, dok su ostali elementi, kao što je prilagođavanje i pojačavanje izlaza senzora , smješteni u drugom dijelu sistema kao posebne jedinice. Međutim, često je zajedno sa
2
Senzori ________________________________________________________________________
primarna električna veličina
analogni signal
A D
digitalni signal
µC
analogno pojačalo
izlazna veličina (analogna/digitalna)
ulazna veličina
pretvaračem signala u isto kućište integrisano analogo pojačalo, vidi sliku 3.1 tom slučaju takav senzor se naziva integrisani senzor. Ako je pored analognog pojačala u istom kućištu smješten A/D konverter i mikrokontroler, onda takav senzor u skladu sa softverom u mikrokontroleru ( µ C ) može da komunicira sa spoljnim svijetom i da samostalno donosi neke odluke. Zbog toga se takav senzor naziva intiligentni senzor. Sa napredkom mikroelektronike, te zbog masovne proizvodnje µ C i njihove niske cijene, broj inteligentnih senzora stalno raste.
pretvarač-senzor integrisani senzor intiligentni senzor Slika 3.1
Definicije karakterističnih veličina senzora Prije nego što krenemo sa predstavljanjem različitih tipova senzora definišimo neke veličine kao što su: mjerno područje, rezolucija, osjetljivost, greška, ponovljivost, tačnost, mrtva zona, itd. Ove veličine karakterišu mjerne sposobnosti i prilagodljivost senzora za pojedine primjene. Definišimo neke od njih. Mjerno područje je razlika između maksimalne i minimalne ulazne vrijednosti za koje će senzor dati pravi izlaz. Ovu vrijednost deklariše proizvođač. Na primjer termopar koji mjeri temperaturu od -50 0C do 750 0C ima mjerno područje 800 0C. Rezolucija je najmanja promjena (prirast) ulazne veličine koju senzor može registrovati. Tako inkrementalni enkoder sa 1024 impulsa po obrtaju ima rezoluciju
1 obrtaj 360 stepena stepen × = 0.3516 . 1024 impulsa 1 obrtaj impulsu Osjetljivost senzora se definiše kao promjena izlaza za promjenu ulaza. Za analogni senzor osjetljivost je u uskoj vezi sa nagibom tangente na ulaznu izlaznu karakteristiku senzora. Za digitalni senzor osjetljivost zavisi od rezolucije senzora. Greška senzora se definiše kao razlika između izmjerene i prave vrijednosti. Postoje različiti razlozi koji dovode do greške, kao što su: greška kalibracije, greška zbog opterećenja izlaza, greška zbog osjetljivosti senzora na djelovanja drugih veličina (npr. kod promjene opterećenja pomoću mjerne trake na otpor trake utiče i temperatura a ne samo promjena otpora zbog opterećenja - izduženje).
3
Senzori ________________________________________________________________________ Ponovljivost se odnosi na sposobnost senzora da da identičan izlaz za iste vrijednosti ulazne veličine. Tačnost senzora je obrnuto srezmjerna grešci, odnosno tačnost je veća ako je greška manja. Mrtva zona je područje ulaza koja su bliska nuli a za koje je izlaz senzora nula. Ova josobina čini senzore nelinearnim u jednom diujelu njihove karakteristike. Ona je u uskoj vezi sa nekim drugim nelinearnim osobinama kao što je histereza.
Senzori pomjeranja Potenciometri Jedan od najčešće korištenih senzora pomjeranja je svakako potenciometar. Javlja se u dvije osnovne izvedbe: sa rotacionim i lionearnim pomjeranjem. Pomoću njega se rotaciona ili linearna pomjeranja pretvaraju u napon čija je vrijednost srazjerna tom pomjeranju. Potenciometar se sastoji od otpornog sloja i klizača, slika 3.2.1 a) i c). Preko fiksnog otpornog sloja klizi klizač dijeleći tako ukupan otpor potenciometra na dva dijela. Ova dva dijela čine otpotno naponsko djelilo slika 3.2.1 d) desno. Neka je optpor potenciometra RAB = R , napon napajanja Vc i neka se ugao zakretanja ϕ mjeri između tačke C i pozicije klizača. Ako otporni sloj ima konstantan otpor po jedinici dužine onda je otpor između klizača i tačke C jednak κϕ (otporni sloj je izrađen od homogenog materijala tako da je otpor po jedinici dužine konstantan ), dok je otpor između klizača i tačke A jednak R − κϕ . Napon na izlazu potenciometra, napon između tačaka CB je definisan kao
Vi =
Vc V κϕ = c κϕ , R − κϕ + κϕ R
odakle je očigledno da je izlazni napon srazjeran uglu zakretanja ϕ , jer su sve ostale veličine u gornje izrazu konstantne samo se ugao mijenja. otporni materijal
klizač R − κϕ
κϕ
d) otporno djelilo a) Rotacioni pot.
b) el. oznaka
c) linearni pot.
Slika 3.2.1
A sada razmotrim slučaj o kojem naročito treba voditi računa kod korištenja potenciometra. Radi jednostavnijeg objašnjenja pretpostavimo da potenciometar ima otpor od 10 kΩ sa naponom napajanja od 10V. Neka se dalje klizač potenciometra
4
Senzori ________________________________________________________________________ nalazi na sredini otpornog sloja, što znači da je otporno djelilo sačinjeno od dva ista otpora od po 5 kΩ , tako da je napon na izlazu polovina napona napajnja, dakle 5V . Ako se sada potenciometar priključi na pojačalo čija je ulazna otpornost 100 kΩ , slika 3.2.1 d) lijevo. Donji otpor od 5 kΩ i ulazni otpor pojačala od 100 kΩ su paralelno vezani tako da je ukupni donji otpor
Vi =
Rd = 5 || 100 =
5 ⋅100 = 4.76k Ω . Sada je izlazni napon 105
10 4.76 = 4.88V . Dakle, priključak pojačala, koje je u ovom sliučaju 5 + 4.76
opterećenje potenciometra, dovodi do greške od 0.12V. Da je ulazni otpor pojačala bio veći, npr. 1000 kΩ , onda bi greška bila svega 0.01V. Dakle, smanjenjem opterećenja (povećanjem ulazne otpornosti pojačala) smanjuje se i greška. Ovaj slučaj možemo poopštiti za bilo koji senzor čiji je izlazni otpor Rs a koji je priključen na pojačalo ulaznog otpora R p , slika 3.2.2 (oznake otpora na slici 3.2.2 su evropske a na slici 3.2.1 su američke). Neka senzor generiše napon Vs čija je vrijednost mjera ulazne veličine. U tom slučaju izlaz senzora (napon kojeg pojačalo pojačava) nije napon Vs nego napon
Vi =
Vs Rs R p . Razlika Vs − Vi je Vs − Vi = Vs , što je za Rs + R p Rs + R p
Vs Rs Rp
Vi
Slika 3.2.2
velike vrijednosti R p i male vrijednosti Rs zanemarivo malo, odnosno tada je Vi ≈ Vs . Iz gornjeg razmatranja zaključujemo da je greška usled opterećenja manja ako je izlazna otpornost senzora što manja i ulazna otpornost pojačala što veća. Kod svakog senzora o ovom se mora viditi računa, jer inače može doći do velikih grešaka. Pored potenciometara sa slike 3.2.1 koriste se i žičani potenciometri, slika 3.2.3. One se izrađuju namotavanjem žice na torusno jezgro. Imaju prednost u odnosu na potenciometre sa slike 3.2.1 (slojne potenciometre) jer se otporniji na habanje i imaju duži vijek trajanja. Poternciometri sa slike 3.2.1 po pravilu imaju ugao zakretanja manji od 3600. Ako se kod žičanog potenciometra umjesto na torus žica namota na spiralu, Slika 3.2.3 onda se lako realizuju potenciometri koji imaju puno veći ugao zakretanja, koji mogu biti i do 20 obrtaja. Žičani potenciometri imaju stepenastu karakteristiku, pri čemu je najmanja razlika između dvije stepenice jednaka otporu δ R jednog namotaja žice oko torusa. Takođe, i njihova osjetljivost i rezolucija ne može biti manja od δ R . Kod ovih potenciometara pojavljuje se problem usled preskakanja klizača sa jednog namotaja na drugi, što se manifestuje kratkrotrajnim prekidima. Ovaj problem se riješava pomoću niskopropusnog filtra (kondezator od klizača prema masi, koji se u momentu prekida prazni, što za eksterne uređaje izgleda kao da prekid ne postoji). Dobre osobine poternciometra su: jednostavna konstrukcija, niska cijena, široko mjerno područje, otporni su na smetnje i relativno dobre temperaturne osobine, dok su nedostaci: habanje, promjena otpora usled varijacije pritska klizača i osjetljivost na prljavštine. Izvor većine loših osobina potenciometra je postojanje kontaktne površine
5
Senzori ________________________________________________________________________ između klizača i otpornog sloja. Ipak, uzimajući u obzir i dobre i loše osobine, potenciometri se i danas primjenjuju u mnogim mehatroničkim sistemima.
Linearni promjenljivi diferencijalni transformator (LVDT) LVDT (skraćenica od engleskog naziva: linear variable differential transformer) je senzor visoke rezolucije kod kojeg je amplituda izlaznog AC napona srazmjerna linearnom pomjeranju. Za razliku od potenciometra, ovaj senzor nema kontaktnu površinu, tako da i pored malog mjernog područja (oko 5cm) ima široku primjenu u mnogim sistemima, naročito tamo gdje je u pitanju registracija malih pomjeranja, koja su veća od mikro područja.
primarni
sekundar 1
sekundar 2
a) LVDT sa trnom u sredini
b) trn lijevo
c) trn u centru
d) trn desno
Slika 3.2.4
Sastoji se od trna - klizača koji je čvrsto spregnut sa dijelom sistema čije je pomjeranje potrebno registovati. Oka trna (koji je izrađen od feromagnetnog materijala) su postavljena tri namotaja, jedan primarni koji je postavljen na sredinu trna i dva sekundarna namotaja na krajevima, slika 3.2.4. Sekundarni namotaji imaju suprotan smjer namotavanja. Kroz primarni namotaj protiče naizmjenična struja frekvencije do 10kH , čije magnetno polje se prenosi preko trna i u sekundarnim namotajima izaziva indukovanu struje koje, zbog različitog smjera namotavanja, imaju suprotne faze. Amplituda napona indukovane struje zavisi od jačine polja u sekundarnim namotajima,
6
Senzori ________________________________________________________________________ što opet zavisi od pomjeranja trna. Ako je trn u centru, onda su naponi V1 i V2 indukovani u sekundarima iste amplitude i suprotne faze, tako da je njihov zbir nula Vnet = 0 , vidi sliku 3.2.4 c). Razmotrimo šta se dešava ako se trn pomjei lijevo ili desno. Ako se trn pomjeri lijevo, tada je napon indukovan u sekundaru 1 po amplitudi veći od napona indukovanog u sekundaru 2, što uslovljava da je njihov zbir različit od nule i ima fazu kao sekundar 1, slika 3.2.4 b). Slično, ako se trn pomjeri desno od centra, onda je napon V2 po amplitudi veći od V1 , što čini da njihov zbir nije nula, i da ima fazu kao napon V2 , slika 3.2.4 d). Dakle, od veličine pomjeranja trna zavisi amplituda rezultujećeg napona a od njegove faze zavisi smjer kretanja trna. Za mjerenje rotacionog pomjeranja koristi se RVDT (rotary variable differential transformer). On je funkcionalno identičan LVDT senzoru, s tim da trn rotira od 00 do 1800. Oblik rezultujećeg napona Vnet koji je mjera pomjeranje, u obliku koji se dobija sa LVDT/RVDT nije podesan za korištenje u ostalim dijelovima mehatroničkog sistema. To se prevazilazi pretvaranjem izlanog napona LVDT/RVDT senzora u ± DC napon čija je vrijednost srazmjerna amplitudi a predznak fazi napona Vnet . Za to se koriste posebno razvijena integrisana kola. Jedno od njih je AD698 proizvođača Analog Devices čija je
Slika 3.2.5
blok šema data na slici 3.2.5. Ovo kolo sadrži oscilator napona primarnog namotaja, fayno osjetljivog ispravljača (koji ispravlja napon Vnet ), filtra i pojačala. Na izlazu pojačala je ± DC čija vrijednost je srazmjerna pomjeranju a znak smjeru pomjeranja. Optički enkoder U opštem slučaju optičke enkodere bi mogli definisati kao uređaje koji konvertuju kretanje u povorku digitalnih impulsa. Pojedinačnim brojanjem bitova ili dekodiranjem skupa bita, impulsi mogu biti konvertovani u relativnu ili absolutnu mjeru pozicije. Enkoderi se izrađuju kao linearni ili rotacioni. Rotacioni enkoderi se češće primjenjuju tako da ćemo u nastavku posmatrati samo njih, sa napomenom da sve što vrijedi za rotacione vrijedi i za linearne enkodere. Rotacioni enkoderi se proizvode u dva osnovna oblika: absolutni enkoder, gdje jedinstvena digitalna riječ odgovara svakoj poziciji u kojoj se enkoder može naći, i inkrementalne enkodere, koji prilikom rotacije proizvode impulse čijim brojanjem je omogućeno relativno mjerenje pozicije. Rotacioni enkoder
7
Senzori ________________________________________________________________________ imaju dva osnovna dijela: rotacioni disk – kodni disk i jedan ili više svjetlosnih senzora sačinjenih od para fotodiodafototranzistor (FDT par). Rotacioni disk je izrađen od providnog materijala (plastika ili staklo) pri čemu su fotopostupkom nanešeni radijalni tamni zarezi orga-nizovani kao trake, slika 3.2.6. Za svaku traku postoji poseban FDT par, pri čemu, prilikom rotacije, tamni zarezi prekidaju a nezatamljeni propuštaju snop svijetlosti između diode i tranzistora, što dalje izaziva generisanje povorke impulsa na fototranzistoru.
disk
trake osovina foto diode
fototranzistor
Slika 3.2.6
Absolutni enkoder Rotacioni disk kod absolutnog enkodera je napravljen tako da za N različitih pozicije (uglova) osovine proizvodi jedinstvenu digitalnu riječ. Na primjer, ako rotacioni disk ima 8 koncentričnih traka, onda on može proizvesti 256 odvojenih pozicija (digitalnih brojeva) ili sa rezolucijom po uglu od 1.4060 , jer je 3600/256=1.4060. Pri tome način kodiranja pozicija može biti različit. U praksi se češće izrađuju absolutni enkoderi sa Grejovim kodom negi sa prirodnim binarnim kodom. Razloge ćemo objasniti u nastavku a za slučaj absolutnog enkodera sa 16 pozicija (4 trake), vidi sliku 3.2.7. diska rotira, FDT parovi su stacionarni
b) promjena između pozicije 7 i pozicje 8 sa binarno kodiranim diskom
a) binarni
c) Grejov kod
Slika 3.2.7
Ako se kod absolutnog enkodera koristi binarni kod (slika 3.2.7 a)), onda kod većine promjena pozicija dolazi do promjene više bitova istovremeno, što je za promjenu između pozicije 7 i 8 prikazano na slici 3.2.7 b). Ako bi FDT parovi bili postavljeni idealno (na istoj radijalnoj liniji) i ako bi kodna ploča bila idealno izrađena onda to ne bi izazivalo nikakve probleme. Međutim, u praksi je to nemoguće, tako da zbog grešaka kod izrade ili pak vibracija prilikom rada može se desiti da se FDT parovi nisu na radijalnoj liniji tako da će se pri prelasku, na primjer, sa pozicije 7 na poziciju 8, bit B3 (slika 3.2.7 b)) promjenuti prije ostalih. To će generisati da je vrijednost izlaza binarno 1111, što predstavlja poziciju 15 a ne 8 kako je u stvarnosti. Isto se dešava ako se i neki drugi bit promjeni prije ostralih (npr. ako se bit B0 promjeni prije, to generiše riječ 0110
8
Senzori ________________________________________________________________________ što je opet broj 6, itd). Ako se umjesto binarno kodirane rotacione ploče koristi rotaciona ploča kodirana Grejovim kodom to se ne može desiti, jer je osobina Grejovog koda da je broj promjena bita između dvije susjedne riječi uvijek jedan, vidi sliku 3.2.7 c). Po tom kodu, brojevi 7 i 8 decimalno su redom brojevi 0100 i 1100 binarno. Između njih se mijenja samo bit B3, dok ostali imaju iste vrijednosti. Ako se mijenja samo jedan bit onda se ne može govoriti o slučaju da se neki bit mijenja prije ili kasnije. Prilikom korištenja absolutnog enkodera sa Grejovim kodom, u računarskom dijelu mehatroničkog sistema, potrebno je Grejov kod pretvoriti u prirodni binarni kod. Za to postoje vrlo jednostavni algoritmi. Inkrementalni enkoder Inkrementalni enkoder, poznat još i kao relativni enkoder, je jedniostavniji za od absolutnog enkodera. Izrađuje se od jedna trake sa dva FDT para ili dvije trake sa po jednim FDT parom. U bilo kojoj od dvije prethodne izvedbe bitno je naglasiti da su signali sa senzora (FDT par) međusobno pomaknuti (zakrenuti) za ¼ periode (tj. za 900 ako je perioda 3600), slika 3.2.8 a). u ovom slučaju 3600 označava 1 ciklus, od početka jednog zareza do početka sledećeg
disk
pomoću dva FDT para određujemo smjer rotacije smjer rotacije
oblik izlaza na kanalim za CCW smjer vodeći
vodeći
oblik izlaza na kanalima za CW smjer
Slika 3.2.8
Svaki od FDT parova prilikom rotacije diska generiše povorku pravougaonih impulsa, V1 i V2 na slici 3.2.8, koie nazivamo kanalima. Broj zareza u jednoj traci određuje rezoluciju enkodera dok se preko redoslijeda opadanja nivoa signala na kanalu određuje smjer rotacije diska. Tako, ako impuls prvo opada na kanalu V2 a zatim na kanalu V1, onda je smjer rotacije suprotan kazaljci na satu (CCW-smjer, counterclock wise), slika 3.2.8b). U slučaju da prvo pada nivo na kanalu V1, a zatim na kanalu V2, onda je rotacija diska u
9
Senzori ________________________________________________________________________ smjeru kazaljke na satu (CW-smjer, clock wise). Za prepoznavanje smjera koristi se posebna logika, koja se može realizovati ili hardverski ili softverski. Jedan od načina hardverske realizacije pomoću D flip-flopa dat je na slici 3.2.9. Često se na istom disku postavlja još jedan senzor (FDT par) koji se nalazi na traci sa samo jednim zarezom, tako da se za jedan obrtaj diska generiše samo jedan impuls. brojač nazad Ovaj kanal služi za registraciju broja obrtaja (do broja obrtaja se može i bez ovog kanala brojač brojanjem impulsa sa nekog od naprijed kanala V1 ili V2). Takođe ovaj kanal je koristan i za određivanja Slika 3.2.9 početne pozicije – nulte pozicije. Inkrementalni enkoderi se izrađuju sa vrlo velikim rezolucijama, i do 1024 impulsa po traci. Kombinacijom više traka koje su međusobno pomaknute broj impulsa po obrtaju se može višestruko povećati, te time i rezolucija. Na slici 3.2.10. data je fotografija jednog takvog rotacionog inkrementalnog enkodera sa rezolucijom do 0.0450 čiji je prečnik svega 12mm. Za razliku od absolutnih enkodera, kod inkrementalnog enkodera je nužan brojač, jer se stvarna pozicija određuje brojanjem impulsa od nulte pozicije, pri čemu se mora uzeti u obzir smjer brojanja. Brojanje se može realizovati ili softverski ili hardverski. Danas svaki PLC ima takozvani brojački ulaz gdje se priključuje Slika 3.2.10 inkerementalni enkoder. Magnetostriktivni senzor pomjeranja Mjerenje pomjeranja magnetostriktivnom metodom je metoda novijeg datuma. Ima veliki mjerni opseg ( i do nekoliko metara , tipično 2m ), veliku tačnost i rezoluciju. To je beskontaktna metoda tako da se često koristi za mjerenje visine tečnosti. Za mjerenje se koristi magnetostriktivni efekat, tj. da neki materijali u prisustvu magnetnog polja se deformišu. Na slici 3.2.11 je prikazana sonda za mjerenje visine tečnosti pomoću ove metode. Sonda se sastoji od magnetostriktivne žice (1), elektronike (2) sa ultrazvučnim prijemnikom. Žica je smještena u metalnu šipku na koju je navučen prstenasti plovak koji pluta na tečnosti čiji se nivo mjeri I na kojem se nalazi stalni Slika 3.2.11 magnet (4) u obliku prstena. Kada se kroz žicu (1) u jednom trenutku pošalje kratak strujni impuls on stvara magnetno polje (3) koje putuje
10
Senzori ________________________________________________________________________ zajedno sa impulsom. Dolazi do interakcije tog polja i polja stalnog magneta, što za posledicu ima torzionu deformaciju žice (5) na mjestu na kojem je magnet. Ova deformacija proitvodi ultrazvučni talas koji putuje kroz cijev do ultrazvučnog prijemnika. Mjerenjem vremena koje je proteklo izmežu generisanja strujnog impulsa I trenutka kada je primljen ultrazvučni talas i znajući brzinu prostiranja ultrazvuka kroz poznatu sredinu (metalna cijev) računa se pozicija na žici gdje je došlo do torzione deformacije, odnosno utvrđuje se visina tečnosti. Ovaj postupak u ponovi nekoliko desetina hiljada puta i nađe srednja vrijednost.
Senzori za mjerenje ugaone brzine Ugaona brzina se uglavnom računa kao odnos promjene ugla u jedinici vremena. U tom slučaju se pomoću već opisanih senzora rotacionog pomjeranja mjeri promjena ugla za neko unaprijed određeno vrijeme. Na primjer, ako je u trenutku t1 = 1 sec. ugao
ϕ1 = π /18 rad a u trenutku t2 = 3 sec.
reflekto
izmjeren je ugao
ϕ 2 = π / 6 rad , onda je ∆ϕ ϕ −ϕ ugaona brzina ϕɺ = =ω= 2 1 = ∆t t2 − t1 π / 6 − π /18 π rad = 3 −1 18 sec
Pored ovog načina za mjerenja ugone brzine koriste se tahometri. Na slici 3.2.12 dat je optički tahometar. Na osovini je na fotodetektor neki način postavljen materijal koji reflektuje infracrvenu svjetlost. Na tu površinu je usmjeren snop infracrvene svjetlosti koji se izvor svjetla pri nailasku te oznake reflektuje do prijemnog dijela. Na taj način se broji broj Slika 3.2.12 primljenih impulsa u jedinici vremena, npr. za 1min. Tada taj broj predstavlja broj obrtaja osovine u minuti.
induktivni senzor
rotor
Za mjerenje broja obrtaja radilece u automobilskom motoru koristi se tahometar od nazubljenog rotora ( toothed rotor tachometar ), slika 3.2.13. U suštini on je jako sličan optičkom enkoderu s tim da se kao senzor koristi induktivni davač. Pri nailasku zuba rotora neposredno ispod senzora u senzoru se mijenja magnetno polje, što se manifestuje povećanjem indukovane struje u namotaju. To se dalje registruje kao impuls.
Za mjerenje ugaone brzine, naročito u elektromotornim jednosmjernim pogonima, koriste se DC tahometri. Kod njih Slika 3.2.13 je indukovani napon srazmjeran broju obrtaja. Obično je to 3V za 1000 obrtaja/min. To znači da ako motor ima broj obrtaja od 0 do 6000 obrtaja/min, onda će tahohenerator dati izlaz od 0 do 18V. Ovi tahometri se koriste kao mjerni članovi u povratnim vezama analognih brzinskih regulatora pomenutih jednosmjernih elektromotornih pogona.
11
Senzori ________________________________________________________________________ 3.3. Senzori blizine U mnogim mehatroničkim sistemima potrebno je registrovati samo da su pojedina kretanja ostvarena, bez mjerenja vrijednosti pomjeranja. U tom slučaju možemo koristiti senzore blizine, jer su oni jednostavniji i jeftiniji od senzora pomjeranja. Od senzora blizine u nastavku ćemo opisati granični prekidač i senzore blizine na bazi Holovog (Hall) efekta. Granični prekidač Granični prekidači se koriste za detekciju krajnjeg položaja nekog naizmjeničnog kretanja. Na primjer, kod kretanja pneumatskog ili hidrauličnog cilindra. Postoji više načina aktiviranja prekidača u krajnjoj poziciji. Danas se mnogo koriste tkzv. rid prekidači (slika 3.3.1), koji se aktiviraju prisustvom magnetnog polja u njihovoj blizini. Ako su granični prekidači uključeni u neki digitalni upravljački sistem, onda treba voditi računa da se u momentu spajanja ili odvajanja kontakata generiše povorka impulsa (zbog elastičnosti pera koji nose kontakte), poznato kao “istitravanje kontakata”. Ova može dati pogrešnu informaciju, jer izglada kao da se prekidač otvara i zatvara. Postoji više hardverskih i softverskih tehnika kojima se ovaj efekat eleminiše.
Slika 3.3.1
12
Senzori ________________________________________________________________________ Senzor na bazi Holovog efekta Holov efekat je otkriven 1879. od strane E.H. Hall. On je primjetio da se u nekim vrstama bakra indukuje struja kad im se primakne magnet. Danas se ovi senzori proizvode od poluprovodničkih materijala, slika 3.3.2 Na slici je sa VH označen indukovani Holov napon, a sa I je označena struja u ravni koja je okomita na ravan u kojoj se indukuje VH . Zbog robustnosti i temperaturne otpornosti ovi senzori se dosta koriste u avtomobilskoj industriji za mjerenje pozicije koljenastog vratila i bregaste osovine.
Slika 3.3.2
Optički senzori blizine Posebnu grupu senzora blizine su optički senzori.Ovi senzori rade u vidljivom crvenom i nevidljivom infracrvenom dijelu spektra. Postoje tri grupe ovih senzora, , slika 3.3.3, i to:
Slika 3.3.3
13
Senzori ________________________________________________________________________ Prolazni senzor, slika 3.3.3.a) Refleksni senzor, slika 3.3.3.b) i Dufuzni senzor, slika 3.3.3.c). Kod prolaznih senzora predajnik i prijemnik svjetlosti su odvojeni. To su fizički dvije komponente. U neaktivnom stanju, prijemnik prima snop svjetlost od predajnika i na svom izlazu daje jedno stanje, recimo „0“. Kod kretanja cilindra neki predmet – barijera, koji cilindar pokreće prekida taj snop svjetlosti, tako da prijemnik mijenja svoje stanje i postaje „1“.Kod refleksnih senzora postoje dvije komponente. Jedna komponenta (recimo „A“)je kućište u kojem su smješteni i predajnik i prijemnik, a druga komponenta (recimo „B“) je reflektor. Reflektor je izrađen od materijala koji dobro reflektuje svjetlost emitovanu od predajnika. Komponente „A“ i „B“ su montirane tako da prilikom kretanja cilindra barijera prekida snop svjetlosti od predajnika do reflektora. U neaktivnom stanju, kad između „A“ i „B“ ne postoji ta barijera, svjetlost odbijenu od reflektor prijemnik detektuje i na svom izlazu daje jedno stanje. Kada barijera prekine taj snop svjetlosti, do prijemnika ne stiže dovoljno reflektovane svjetlosti, tako da izlaz mijenja stanje.Difuzni senzori su slični refleksnim. U istom kućištu su i predajnik i prijemnik, dok reflektor kao posebna komponenta ne postoji. Preciznije, ulogu reflektora ovdje ima barijera koja kod kretanja cilindra prolazi pored njih. Predajnik i prijemnik su tako podešeni da svjetlost koja se reflektuje od barijere je dovoljnog intenziteta da prijemnik promjeni stanje svoga izlaza. Svi ovdje opisani senzori blizine (osim rid prekidača) su beskontaktni, što im omogućava jako dug životni vijek. Prema podacima od proizvođača ovi senzori na svom izlazu daju struje od 100mA – 200mA,radni napon im je najčešće jednosmjerni od 15V – 34V, i gotovi svi rade u temperaturnom području od -25oC – +55oC.
3.4 Senzori ubrzanja Ovi senzori se još nazivaju akcelerometri i služe za mjerenje ubrzanja. Koriste se za mjerenje vibracija, u avio industriji i u automobilskoj industriji za registraciju nagle promjene brzine (kočioni sistem, kontrola dinamičke stabilnosti vozila, aktiviranje vazdušnih jastuka u slučaju sudara, itd). Kod njihove izrade koristi se reazličiti fizikalni principi tako da postoje: kapacitativni, induktivni, piezoelektrični, otporni (pomuću mjernih traka), itd. Na slici 3.4.1 prikazan je piezoelektrični akcelerometar. On se sastoji od dvije PZT ploče i tijela mase m između tih ploča. U slučaju promjene brzine, masa zbog inercije nastoji na nastavi kretanje istom brzinom kao u prethodnom trenutku. Zbog toga, a zavisno od znaka promjene brzine (ubrzanje ili usporenje), masa će pritiskivati jedan od PZT kristala, koji će generisati napon Slika 3.4.1 koji je srazmjeran sili pritiskanja. Kako je opet sila srazmjerna ubrzanju ( F = ma ) a masa je konstantna, što znači da je generisani napon srazmjeran ubrzanju.
14
Senzori ________________________________________________________________________ 3.5 Senzori sile, momenta i pritiska Najjednostavnije mjerenje sile je pomoću opruge. Metod se bazira na činjenici da je u nekom području istezanje opruge srazmjerno sili koja na nju djeluje. Na taj način mjerenjem istezanja, tj. pomjeranja, pomoću već opisanih senzora pomjeranja, može mjeriti sila. Ovaj način mjerenja je najrasprostranjniji i sa njim se svakodnevno susrećemo. U nastavku ćemo opisati i neke druge metode mjerenja sile. Za mjerenje sile koristi se Hukov zakon po kojem je sila F , F = ε x , gdje je ε konstanta i zavisi od vrste materijala a x je izduženje ili skraćenje koje je posledica dejstva sile. Prema tome mjerenje sile se svodi na mjerenje dužine x , jer je ε konstanta. Slika 3.5.1 Ovo pomjeranje je vrlo malo i za njega se ne mogu koristiti ranije izloženi senzori pomjeranja. Za mjerenje ovog pomjeranja koriste se mjerne trake. Ove trake su ustvari otpornici napravljeni od žice velike dužine i malog presjeka. Njihov otpor u neopterećenom stanju je oko 120 Ω . Izrađuju se specijalnim postupkom štampe na papirnoj traci, vidi sliku 3.5.1. Trake se nalijepe na površinu čiju deformaciju mjerimo. Da bi se izbjegla zavisnost otpora trake od temeperature, na isti predmet se postavlja identična traka koaktivna traka ja služi kao kompenzaciona traka. Ona je postavljena tako da se sila sila izlaz prilikom deformacije materijala promjena njenog otpora u poređenju sa promkompenzaciona jenom otpora aktia) postavljanje traka b) interfejs sa mostom vne trake može Slika 3.5.2 zanemariti (aktivna traka se deformiše po dužini tako da je ukupna promjena dužine žice mjerne trake umnožak te deformacije i broja uzdužnih dijelova, dok se kompenzaciona traka deformiše po širini što je znatno manje, vidi 3.5.1). Obe mjerne trake su spojene u Vinstonov most koji je u neopterećenom stanju uravnotežen otporima R1 i R2 , dok su otpori aktivne i kompenzacione mjerne trake označeni RG i R D redom. Naponi V1 i V2 na dijagonali mosta su: V1 =
V s RG V s RD i V2 = , dok je njihova razlika (koja se R1 + RG R2 + R D
pojačava) data kao
RG RD ∆V = V1 − V2 = Vs − R1 + RG R2 + R D
. Ako se otpori R1 i R2 odaberu tako da su jednaki otporu R neopterećene trake, tj. ∆R R1 = R2 = RD = R i neka je kod opterećenja RG = R + ∆R , onda je ∆V = Vs . 4 R + 2∆R
15
Senzori ________________________________________________________________________ Vrijednost 2∆R u nazivniku gornje jednačine se može zanemariti u odnosu na vrijednost 4R , tako da se dobija
∆V = Vs
∆R ∆R 4∆V ⇒ = . 4R R Vs
Promjena napona ∆V se pojačava pojačalom pojačanja A , tako da je izlazni nalon
V = A∆V , kojeg je lako mjeriti. S druge strane, relativna promjena otpora srazmjerna relativnoj promjeni dužine otporne žice u mjernoj traci
∆R je R
∆l x = , odnosno l l
∆R x ∆R 4lV = ⇒ x=l = . Iz promjene dužine x i znajući konstantu materijala ε R l R AVs računamo silu
F =ε
4lV . AVs
Kod ovih senzora proizvođač daje katakteristiku GF (mjerni faktor) iz kojeg se računa
∆R , na osnovu koje i Jungovog modula elestičnosti E računa sila po R jedinici površine ρ kao, ρ = α E , odakle se dalje računa sila kao F = ρ A , A površina.
elongacija α = GF
Za mjerenje sile koriste se i kapacitativni i piezoelektrični senzori. Kod kapacitativnih, radni element senzora su dvije ploče površine S na rastojanju h između kojih je izolator relativne dijalektrične konstante ε r i dijalektričke konstane vakuma ε o . Ove ploče čine kondezator čiji je kapacitet C = ε o ε r
S . Usled dejstva sile mijenja se rastojanje h , što h
opet izaziva promjenu kapaciteta. Promjene kapaciteta se lako pretvaraju u promjenu frekvencije, što se dalje može lako detektovati i mjeriti. Ovi senzori su vrlo osjetljivi, a izrađuju se za različita mjerna područja, od najmanjih do najvećih. Rad piezoelektričnih senzora sile bazira se na fenomenu da se u neki materijali naelektrišu ako na njih djeluje sila. Vrijednosti ovog naelektrisanja su srazmjerna sile. Dakle, mjerenjem napona (što je vrlo jednostavno) mjeri se sila. Senzori momenta i pritiska profil visokog
profil bez pritiska
pritisak
Slika 3.5.3
Mjerenje obrtnog momenta i pritisaka se uglavnom svodi na prethodno mjerenje sile, odakle se moment i pritisak dalje računaju. Pored toga, za mjerenje pritiska postoje i neki drugi senzori pri čemu se pritisak mjeri mjerenjem pomjeranja. Tipičan predstavnik te grupe senzora je Burdonova cijev, slika 3.5.3. Dejstvom pritiska, cijev sa slike 3.5.3 se ispravlja (jer su površine unutar cijevi na koje djeluje pritisak različite, pa otuda se javlja sila koj ispravlja cijev ), što izaziva pomjeranje zatvorenog kraja cijevi. Ako je ispravljanje srazmjerno pritisku u cijevi, tada mjerenjem pomjeranja ustvari mjerimo pritisak. Ovi senzori su jako jednostavni za konstrukciju i jeftini su. Često se
16
Senzori ________________________________________________________________________ pomjeranje zatvorenog kraja cijevi pretvara u rotaciono kretanje, koje preko kazaljke i skale, daje informaciju o pritisku.
3.6 Temperaturni senzori Kod većine mehatroničkih sistema potrebno je mjeriti temperaturu, ako ni zbog čega drugog, onda radi temperaturne kompenzacije kod mjerenja drugih veličina. Temperaturni senzori daju izlaz koji je proporcionalan temperaturi. Kod nekih materijala pri porastu temperature raste i izlaz (što je poželjna osobina), a kod nekih opet kod porasta temperature opada izlaz. U prvom slučaju kažemo da ti materijali imaju pozitivan temperaturni koeficijent a u drugom slučaju da imaju negativan temperaturni koeficijent. Svakako najrasprostranjeniji temperaturni senzor je bimetalni temperaturni senzor, ili kraće „bimetal“. Rad ovog senzora se zasniva na osobini da se materijali različito šire na istoj temperaturi, odnosno materijali imaju različite temperaturne koeficijente. Ako se dva takva materijala čvrsto spoje tako da čine elestično pero, onda se to pero kod porasta temperature savija na stranu materijala sa manjim temperaturnim koeficijentom. Ovo savijanje proizvodi silu koja može da aktivira neki prekidač koji dalje aktivira aktuator. Na stranu gdje se materijal savija može se postaviti opruga, pri čemu se podešavanjem prednapona opruge postiže da se aktiviranje prekidača događa pri različitim temperaturama. Ovakvi bimetali se danas uglavnom koriste u aparatima za domaćinstvo (štednjaci, pegle, itd). Pored širenja metala, za izradu ovih regulatora se koriste regulatori u kojima se kao senzor koristi živa ili alkohol. Oni su zatvoreni u cijev, koja se kod povećanja temperature širi, tj. izdužuje i savija. Specjalnim konstrukcijama postiže se da ovo savijanje aktivira prekidač pri određenim i unaprijed zadatim temperaturama. Ovi senzori se uglavnom koriste kod dvopoložajnih regulatora (on/off) i za manje temperature. Oni se ne mogu koristiti u proporcionalnoj tehnici i za mjerenje većih temperatura. Za proporcionalnu tehniku koristimo druge senzore kao što su: termopar i otporni temperaturni detektor, RTD senzor. Termopar Termopar je razvijen prije 100 godina. Koristi se osobina da spoj dva različita materijala (željezo – konstantan, platina - rodijum) pri zagrijavanju generiše napon koji je srazmjeran temperaturi. Od žica ovih materila se prave dva spoja, topli i hladni. Topli spoj je na mjestu gdje se mjeri temperatura a hladni je na sobnoj ili nekoj drugoj poznatoj temperaturi, vidi sliku 3.6.1. Spoj željezo – konstantan generiše naponsku ra-
konstantan topli spoj
Vhot
+ _ a)
Vnet željezo
bakar
+ _
hladni spoj
Vcold Slika 3.6.1
17
topli konstantan spoj hladni + _ spoj
Vhot
željezo
b)
Vcold
Vnet
Senzori ________________________________________________________________________ zliku od 35 µV / 0 F (mikrovolti po stepenu farenhajta). To se događa na oba kraja žica od ovih materijala. Spojem kao na slici 3.6.1 a) i b) ukupan napon Vnet se dobija kao razlika napona na toplom
Vhot i hladnom Vcold kraju, tj. Vnet = Vhot − Vcold , odnosno
Vhot = Vnet + Vcold . Dakle, da bi izmjerili temperaturu toplog kraja treba odrediti napon Vhot , a da bi njega odredili treba znati i napon Vnet i napon Vcold . Napon Vnet pojačavamo i mjerimo, dok Dioda kompenzira je napon Vcold potrebno temperatur odrediti na neki drugi u okoline način. Jedan od načina je da hladni kraj postavimo na poznatu temperaturu, npr. mješavina vode i leda topli spoj ( 00 C ), jer za poznate Slika 3.6.2 temperature napon Vcold poznat. Ovo često može biti nezgodno za realizaciju, tako da se koriste drugi načini. Jedan ot tih je temperaturna kompenzacija pomoću poloprovodničkih elemenata, što je prikazano na slici 3.6.2. Ovdje se kompenzacija vrši promjenom pada napona PN spoja diode koja je mehanički pričvršćena na hladni kraj senzora (tamo gdje se bakar spaja se senzorom, vidi sliku 3.6.1), tako da im je temperatura ista. Termoparovi služe za mjerenje visokih temperatura. Sonda sa termoparom željezokonstantan se koristi do 20000C, dok se sonda platina-rodijum koristi i do 30000C.
RTD senzor Rad ovih senzora se bazira na činjenici da kod mnogih materijala sa porastom temperature raste i otpor. Tako npr. žici od platine otpora 1Ω , za svako povećanje temperature od 10C otpor se poveća za 0.0039Ω . Ako je ta žica otpora 100Ω , onda će se njen otpor povećavati za 0.39Ω / 0 C . To znači da će dobro poznata tempereturna sonda PT100 koja je urađena od platine (vidi sliku 3.6.3) i čiji otpor za 00C je 100Ω , na namotaji žice od platine temperaturi od 1000C imati otpor 139Ω . Različitim povezivanjem (npr. Vinstonov most) postiže se da se ove otporne Slika 3.6.3 promjene pretvaraju u naponske, koje se lakše mjere i koriste u ostalim djelovima mehatroničkog sistema.
Integrisani temperaturni senzori Već smo rekli da je temperatura veličina koja se često potrebno mjeriti. Zbog toga je razvijeno više integrisanih senzora. Jedan od njih je LM 35, koji služi za mjerenje
18
Senzori ________________________________________________________________________ temperature od -55 0C do 150 0C i koji daje izlaz od 10mV/0C. Ta znači da je njegov izlaz na temperaturi od 250C jednak 0.250 V. Isto tako, IC oznake AD 7414 je digitalni temperaturni senzor sa 10-bitnim A/D konverterom i serijskim interfejsom. Ima mogućnost programiranja dva temperaturna limita, donjeg i gornjeg, o čijem dostizanju preko jednog pina obavještava spoljni svijet.
3.7 Senzori protoka Protok je veličina koja se često mjeri. Mjerenje protoka se bazira na više principa, pri čemu ćemo se u nastavku upoznati sa nekim od njih: mjerenje pritiska, turbinski mjerači protoka, mjerenje protoka preko temperature, te ultrazvučni i koriolisovi mjerači protoka. Mjerenje protoka bazirano na mjerenju pritiska Jedan od njih je mjerna blenda. U cijev kroz koju teče fluid čiji se protok mjeri unosi se prsten kod kojeg je spoljni prečnik isti kao unutrašnji prečnik cijevi a unutrašnji krug ima površinu A koja je manja od unutrašnje površine cijevi, slika 3.7.1. Mjerenjem pritiska prije p2 i poslije p1 prstena (mjerne blende)
protok
Q = C ⋅ A⋅
Q
se
računa
kao
2g ( p2 − p1 ) , gdje su: Cρ
koeficijent koji zavisi od blende i fluida, g - gravitaciono ubrzanje i ρ gustina fluida. Takođe, kod Venturijeve cijevi (slika 3.7.2 a)) i Pito cijevi (slika 3..2 b)) se koriste slični principi Slika 3.7.1
nizak pritisak
Slika 3.7.2
dinamički pritisak
statički pritisak
Turbinski mjerači protoka Kod ovih senzora postoji turbina kod koje se je broj obrtaja srazmjeran brzini fluida. Broj obrtaja se mjeri brojanjem Holov senzor impulsa koji se generišu prolaskom magneta na turbini pokraj nepokretnog Holovog senzora. Na taj način mjerimo brzinu fuida kroz cijev, odakle znajući još poprečni presjek račinamo
Slika 3.7.3
19
Senzori ________________________________________________________________________ protok. Postoje takođe i volumetrijski mjerači protoka, kod kojih turbina napravi jedan obrtaj ako je protok fluida zapremine δ V . Za protok zapremine 2 δ V turbina napravi 2 obrtaja, 3 δ V turbina napravi 3 obrtaja itd., tako da mjerenjem broja obrtaja mjerimo i protok. Mjerenje protoka preko temperature Ovaj princip mjerenja se koristi kod automobila za mjerenje protoka vazduha u usisnoj grani, slika 3.7.4. Senzor ima dvije žice od kojih se jedna zagrijava na poznatu temperaturu Tz koja je puno veća od okolne temperature vazduha Tov . Druga žica u senzoru se ne zagrijava. Njena temperatura je na temperaturi okoline i služi za kompenzaciju. Prolaskom vazduha kroz senzor zagrijana žica se hladi. Veći protok izaziva veće hlađenje. Električni otpor ovih žica u nominalnom stanju je R i Rc . Prilikom hlađenja otpor zagrijane žice se mijenja, tako da se sada mjerenje protoka svodi na mjerenje električnog otpora, odnosno napona jedne dijagonale Vinstonovog mosta. Iz tog Slika 3.7.4
napona se računa protok. Ultrazvučni mjerač protoka Ultrazvučni mjerači protoka nemaju potrošnih elemenata, tako da im je životni vijek neograničen. Ovi mjerači protoka se komercijalno prvi put pojavljuju prije 40 godina. Po principu rada se dijele se na: pa principu Doplerovog efekta i mjerenjem vremena prolaza. U nastavku ćemo ukratko opisati oba ova mjerača protoka. Rad ovog mjerača se bazira na Doplerovom frekventnom pomaku, tj. promjeni frekvencije nekog talasa za posmatrača ako se on relativno kreće u odnosu na izvor talasa. U ovom slučaju ultrazvučni izvor talasa emituje talas frekvencije 1MHz, i usmjerava ga na fluid čiji se protok ispituje pod nekim uglom. Jedan dio ultrazvučne energije se reflektuje od akustičnih diskontinuiteta kao što su: mjehurići, uključci, vrtlozi, itd. Razlika u frekvenciji između odaslane i primljene frekvencije je srazmjerna brzini kretanja fluida. Kad je brzina utvrđena onda se na osnovu nje dalje računa protok. promljenih. Ilustracija protoka sa mjerenjem vremena prelaza je data na slici 3.7.5. Sastoji se od dva ultrazvučna primo-predajnika koji su montirani sa dvije strane cijevi kroz koju se protok mjeri. Jedan par emituje ultrazvuk (frekvencija 1MHz) u pravcu toka fluida a drugi par emituje u suprotnom pravcu. Pravac emitovanja je najčešće u odnosu na osu cijevi. Talas koji je u smjeru kretanja fluida za kraće vrijeme dolazi do prijemnika od talasa koji se kreće u suprotnom smjeru. Na osnovu razlike ovih vremena se utvrđuje brzina fluida. Dobija se da je vrijeme prostiranja talasa kroz fluid je ∆T =
2lv cos θ , gdje c2
je v -brzina fluida a c - brzina ultrazvuka kroz fluid (koja je poznata i konstantna). Mjerenjem vremena ∆T iz gornje jednačine se računa brzina fluida v , čije poznavanje uz poznavanje geometrije cijevi omogućava računanje protoka.
20
Senzori ________________________________________________________________________
Slika 3.7.5
Ultrazvučnim metodama se otklanja uticaj temperature na brzinu prostiranja zvuka u fluidu i njihov rad ne ometa protok kao kod prethodno opisanih mjerača. Mogu se ugraditi u cijev ili postaviti na nju. Koriolisov mjerač protoka Mjerenja protoka koja su zasnovana na mjerenju brzine ili zapremine nisu najpouzdanija u slučaju de se hemijski sastav tečnosti, temepratura i pritisak mijenjaju u toku mjerenja. Pored toga, viskoznost mjerenog medijuma, korozija ili oštećenja na cjevima mogu značajno da utiču na tačnost mjerenja. Korišćenjem masenih mjerača protoka, koju su zasnovani na dobro poznatom koriolisovom principu mnogi od ovih neželjenih efekata se mogu potpuno izbjeći ili zanačajno umanjiti. Koriolisovi mjerači, slika 3.7.6, se koriste za mjerenje zapreminskog i masenog protoka nekog fluida.
Slika 3.7.6 Pored protoka sa njima se može mjeriti i temperatura i gustina tečnosti. Njihov rad se bazira na fizikalnom princiu koji je otkrio Koriolis, pa kojemu su i dobili naziv. Po tom principu, usljed prenosnog i relativnog kretanja javlja se sila koja je najveća ako su brzine ovih kretanja međusobno okomite. Ovaj efekat je stalno prisutan u prirodi, na primjer, usljed kretanja rijeka od juga prema sjeveru (ili obrnuto) i rotacije Zemlje javlja se sila koja djeluje tako da se njihovo korito pomjera prema istoku (ili zapadu). U ovom slučaju opisani efekat se koristi za mjerenje protoka. Koriolisov mjerač protoka (slika 3.7.6) se sastoji od jedne ili više cijevi, savijenih u luk za ugao od upravljačke elektronike. Posebnim elektromagnetnim uređajima izazivaju se prinudne oscilacije tih cijevi, oko 80 puta u minuti. U slučaju kad nema protoka kroz te cijevi ove oscilacije su kao na slici 3.7.6 lijevo i 3.7.7. b). Međutim, kada kroz te cijevi protok postoji, onda usljed djelovanja Koriolisove sile, pored vibracija, javlja se i uvrtanje, slika 3.7.6 desno i 3.7.7 c). Faze oscilacija ulaznog i izlaznog kraja cijevi su iste kad kroz cijev nema protoka, a razlikuju se (zbog uvrtanja) kad protok postoji. Razlika faza je srazmjerna protoku, tako da se mjerenjem te fazne razlike mjeri maseni protok fluida, slika 3.7.7. a).
21
Senzori ________________________________________________________________________
Slika 3.7.7 Ovi mjerači imaju veliku tačnost (oko 0.1%) , veliki koristni mjerni opseg (100:1), veliku ponovljivost, visoku pouzdanost i veoma dug vijek eksploatacija. Osim toga, velika prednost je i u tome što se mjerenjem mase u odnosu na mjerenje zapremina izbjegava se problem osjetljivosti zapremine na promjene: temperature, viskoznosti, gustine, provodljivosti i pritiska. Zbog svih ovih prednosti koriolisovi mjerači protoka (iako najskupnji) se masovno koriste u rafinerijama, farmaceutskoj, prehrambenoj i papirnoj industriji. Osim što se koriste u sistemima upravljanja oni se često koriste i kao obračunska mjerila.
3.8 Mikrosenzori Mikrosenzori (poznati još i kao MEMS senzori) su minijaturne verzije klasičnih senzora. Time se smanjuje cijena i poboljšavaju performanse. Na slici 3.8.1 je dat jedan takav senzor za mjerenje protoka. Pri tome se protok računa preko razlika pritisaka ∆p = p2 − p1 , što se opet mjeri na osnovu promjena kapaciteta kondenzatora, vidi sliku 3.8.1. Slika 3.8.1 Na sličan način se proizvode senzori ostalih fizikalnih veličina: sila, temperatura, pritisak, ubrzanje, itd. Pri tome se kao pretvaraći signala najviše koriste kapacitativni ili piezo pretvarači, jer se oni najlakše integrišu.
22
