Intelligens szenzorok

Átírás

1 Intelligens szenzorok Előadás jegyzet K É S Z Í T E T T E : D R. F Ü V E S I V I K T O R ELŐADÓ: ERDŐSY DÁNIEL 1

2 Előadó Erdősy Dániel Tanszéki mérnök Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet Tel.: /11-44 Web: uni-miskolc.hu/~elkedani Iroda: A3 ép. II. emelet 6. szoba

3 Követelmények Aláírás feltétele o Órákon való részvétel és jegyzőkönyv elkészítése o 2 db Zh elégséges megírása o Pontozás (előre láthatólag) o 1: 0p 19p o 2: 20p 25p o 3: 26p 30p o 4: 31p 35p o 5: 36p 40p o Időpontja: 6. és 12. hét o Pótlás: 7. és 13. héten Gyakorlati jegy o Zh-k eredménye o

4 Féléves tematika Előadás o Irányítórendszerek fajtái, felépítése, jellemzői o DAC és ADC o Intelligens távadók felépítése, működési elveik o Terepi buszrendszerek o HART, FF, Profibus DP, Profibus PA o Különféle szenzorokműködése és fajtái o Hőmérséklet o Nyomás o Áramlás, stb. Gyakorlat o

5 Mai témáink o Irányító és monitoring rendszerek fejlődése o Irányító rendszerek típusai o Hálózati topológiák o Távadók

6 Történelem és fejlődés mérföldkövei Pneumatikus Elektronikus Analóg Hibrid Digitális 0,2 1 bar ma 4-20 ma SMART FIELDBUS Ipar 4.0 HART Protokoll alapú Pneumatikus Elektromechanikus Gyújtószikra mentes - Intrinsic Safety Helyi beállítások Távvezérelt beállítás Protokollfüggő Interoperabilitás

7 Irányító rendszerek fejlődése o Pneumatikus irányító rendszerek o Elektronikus irányító rendszerek o Analóg irányítástechnika o Digitális irányítástechnika PLC vezérlések PC vezérlések Direct Digital Control DDC SCADA DCS FCS Supervisory control and data acquisition Distributed Control System Field Control System

8 Irányítórendszerek fejlődésének okai Igény oldal o Mindenütt vizuális információ igény o Elektronikus adatarchiválási igény o Az ipar megújításának igénye o Az öreg rendszerek megújítása o Kényelem szerepe Gyakorlati oldal o Mikroprocesszorok és számítógépek elterjedése o Kommunikációs rendszerek elterjedése o Intelligens műszerek megjelenése o Olcsó hardver o A korszerű technológia ára egyre kedvezőbb

9 Pneumatikus irányító rendszer Először a 19. század végén alkalmazták Ki-be vezérlők Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimenti tartomány 3-15 psi; bar o Alkalmazható vezetékhossz m Vezérlés feladatai: o Folyamat vizsgált mennyiségeinek mérése Szenzorok, jeladó (transzmitter), jelátalakító (transducers) o Vezérlési típusok PID o Kimenet képzés pneumatikus, hidraulikus, elektromos, mágneses Előnyök: o Veszélyes környezet o Szelepek Hátrányok: o Magas telepítési költségek o Költséges karbantartás o Dinamika hiánya

10 Analóg irányító rendszer Analóg vezérlők megjelenése on-off és PID vezérlők Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimeneti tartomány 4-20 ma o Áthidalható távolság km-es nagyságrend Típus: o Fogadó vezérlők kijelzés, recording, miniature o Direct-connected controllers blind, kijelzés, terepi mounting Vezérlési módok: o Kézi o Proporcionális o Integráló o Differenciáló Előnyök: o Alacsony telepítési költség o Alacsony karbantartási költségek o Dinamikus választképes adni Hátrányok: o Veszélyes környezetben nem használhatók o Speciális alkalmazások hiánya

11 Digitális irányító rendszer Digitálisvezérlők lelke Mikroprocesszorok Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimeneti tartomány 4-20 ma, RS-422, RS-485, Fieldbusok o Működési távolság km-es nagyságrend Típusai: o Helyi vezérlők kompakt digitális vezérlők o Konfigurálható távoli elérésű vezérlők SCADA és DCS rendszerek része Vezérlési módok: o Kézi, arányos, integráló, differenciáló o Fejlett vezérlési rendszerek (fuzzy, NN, MB) Előnyök: o Kifinomult vezérlési módszerek o Digitális információk az operátoroknak o Konfigurálható Hátrányok: o Drága o Bonyolult o Betanítás szükséges

12 Programmable Logic Control PLC vezérlés Mikroprocesszor alapú univerzális vezérlőberendezések, amelyek gépek, berendezések, gyártástechnológiai készülékek rugalmas irányítására alkalmasak. Olyan programozható elektronikus vezérlések, melyek csak logikai műveleteket tudnak végezni, vagyis a logikai műveleteket, döntéseket ez a rendszer végzi el. Belső sínrendszer RT óra μp ROM memória RAM memória Illesztő egység Illesztő egység Digitális bemenetek Digitális kimenetek Programozókészülék Kezelőkozol (pl. PC) Kétállapotú jeleket fogad U bemenet pl. 24 V DC, 230 V AC Bemenetek száma: 8 vagy n x 8 Kétállapotú jeleket ad ki Kontaktus, tranzisztor, kimenetek stb. Kimenetek száma: 8 vagy n x 8 Tápegység Analóg bemenet Analóg jelet fogad U bemenet pl V DC Bemenetek száma: 1 vagy 2, AC Analóg kimenet Analóg jelet ad ki U kimenet pl V DC Kimenetek száma: 1 vagy 2, 4

13 PLC típusai és feladatai A programozható vezérlők alapfeladatai: o A bemenetek állapotának beolvasása. o A vezérlési algoritmus végrehajtása, az aktuális adatokkal. o Az eredmény kivitele a kimenetekre. Típusai (felépítés szerint) o Kompakt Kis helyigényű Ipari tokozás Kis mértékben módosítható a hardver o Moduláris Kisebb egységekből épül fel Jól konfigurálható Összetettebb feladatok megoldására

14 PLC legfőbb jellemzői Hardverjellemzők: o Kompakt kialakítás: fix számú bemenet, kimenet o Moduláris kialakítás: változtatható számú be- és kimenet, bővíthető o A digitális be- és kimenetek típusa, száma, o Az analóg be- és kimenetek típusa száma (ha van), o A program memória nagysága o A működési (program végrehajtásidő), stb. A szoftverjellemzők, azaz a vezérlővel megvalósítható alapfeladatok: o logikai műveletek (ÉS, VAGY, Kizáró-vagy, Negálás, stb.) o számlálási feladatok, o időzítések kezelése o a programozási nyelv (létradiagram, funkcióblokk, stb.). o programozást támogató környezet (programfejlesztő készülék)

15 PLC legfőbb jellemzői Előnyök: o Megbízhatóság, üzembiztosság o Ellenálló szerkezeti kialakítás o Tárolt program könnyen módosítható o Kisebb karbantartási költség o Egyszerű üzembe helyezés o Gyors működés Kimenetek írása Bemenetek beolvasása Program végrehajtása Egy letapogatási ciklus Hátrány: o Szaktudást igényel CPU önteszt és öndiagnosztika lebonyolítása Megszakítások és kommunikáció kezelése

16 Siemens rendszer PLC-re épülő irányító rendszer

17 AFKI rendszer Ethernet Ethernet PLC-re épülő irányító rendszer Érintő képernyő 1. ISCO pumpa WIFI Tablet HDMI+USB RS232 RS232 PC 2. ISCO pumpa Router DIO Termosztát GSM PLC Gateway DIO RS232 Szerver Motor vezérlő Köpeny nyomás pumpa Nyomás távadó

18 PC vezérlések o DDC Direct Digital Control Közvetlen digitális vezérlés o SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition Systems Felügyeleti vezérlő és adatgyűjtő rendszer o DCS Distributed Control System Elosztott folyamatirányító rendszer o FCS Field Control System Terepi irányító rendszer

19 DDC - Direct Digital Control A hagyományos folyamatirányító rendszerek legfontosabb jellemzői: o analóg jeltovábbítás ma jel, o digitális jelek - külön vezetéken o irányítás a központi műszerszobából, o központi adatfeldolgozás, o szabályozás, alarm, trend és egyéb funkciók a központból. A számítógépes folyamatirányítás megjelenése Szabályozó, vezérlő és felhasználói interfész Központi műszerszoba Technológia Terepi eszközök Távadók, beavatkozók

20 DDC - Direct Digital Control Terepi eszközök Szabályozó, vezérlő és felhasználói interfész Központi műszerszoba Technológia CPU RAM EPROM XTAL CPU RAM EPROM XTAL Beavatkozó Távadó

21 Supervisory Control And Data Acquisition Systems - SCADA Feladatai o jelek összegyűjtése a terepi eszközöktől, érzékelőktől, beavatkozóktól PLC-k segítségével o Információk kezelése, feldolgozása o Adatbázis létrehozása o Felügyeli a folyamatot HMI o Kiszolgálja adatokkal a kezelő személyzetet. OPC szoftverek Server DBMS HMI - Human Machine Interface RTU RTU - Remote Terminal Unit RTU MTU - Master Terminal Unit OPC OLE for Process Control (Object linking and embending) DBMS Database Management System PLC PC

22 Supervisory Control And Data Acquisition Systems - SCADA SCADA rendszer begyűjti az áramlás és szint adatokat és elküldi a munkaponti értéket a PLC-hez ions/industrial_networks/scada.shtml Áramlási adatok Adatbázis Kommunikációs busz Adatok a szivattyú vezérléséhez Áramlásmérő Szint adatok Adatok a szelep vezérléséhez Szivattyú PLC1 összehasonlítja mért áramlásértéket a munkapontival és változtatja a szivattyú sebességét Szintérzékelő Szelep PLC2 összehasonlítja mért szintértéket a munkapontivalés igény szerint változtat az áramlás nagyságán a szeleppozíció módosításával

23 DCS Distributed Control System Megjelennek az intelligens egységek DCS - Osztott intelligenciájú irányítórendszer A korszerű, részlegesen elosztott folyamatirányító rendszerek: o megjelenik néhány szabályozó, vezérlő kártya, o az intelligens egységek bent kerülnek elhelyezésre, o nagyobb a megbízhatóság, o könnyebb a kezelés. Szabályozók, vezérlők, I/O modulok Felhasználói felület DCS konzol Központi műszerszoba Technológia Terepi eszközök Távadók, beavatkozók

24 DCS egységek és feladataik Távadó Egy paraméter mérése Digitális kijelzés, analóg távadás Vezetékes csatlakozás (1 pár) DCS Analóg-digitális átalakítás PID algoritmus futtatás Digitális-analóg átalakítás Jel fogadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatok Beavatkozó egység Egy analóg jel kezelése Pozicionálás Vezetékes csatlakozás (1 pár)

25 DCS-ek fejlődése Első generáció Második generáció (Csillag struktúra) Central Computer -2 Központi számítógép Central computer Helyi vezérlő egység Local Control Unit LCU Central Computer -1 LCU 3 LCU 4 LCU n Tulajdonságok: o Analóg I/O száma max. 32 csatorna o Digitális I/O száma max. 256 o Távolság: max. 300 m o Point to point kapcsolat LCU 1 LCU 2 LCU 2 LCU 4 Tulajdonságok o PLC-ék kapcsolódnak a rendszerhez o Egynél több számítógép o Kifinomult szoftver o Összetett rendszer LCU n

26 DCS főbb elemei Controllers Workstation Networks Programs Control File, Control Station, etc. operator, engineering, programming control, information operating, HMI, MMI (IFIX), PI, Advanced control,stb Operator & Engineer Interface Distributed Control System Local Area Network Gateway Mainframe PLC Control Subsystem I/O Database Manager Gateway I/O

27 FCS Field Control System Mik az előzmények? o az igényoldal nagyon elszemtelenedett o mikroprocesszorok elterjedése, o hálózat, o SW technológia, o számítógépgyártók marketing stratégiája. Felhasználói felület DCS konzol Központi műszerszoba Technológia Terepi eszközök Távadók, beavatkozók, szabályozók, alarm, trend

28 FCS Field Control System Szabályozás a terepen DCS Jel fogadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatok Beavatkozó egység Digitális jel kezelése Pozicionálás PID algoritmus az eszközben Hálózati kommunikáció Távadók Több paraméter mérése Teljesen digitális távadás PID algoritmus az eszközben Hálózati kommunikáció

29 Gyártók és termékek Gyártó ABB Új rendszerek Termék Advant Industrial IT Yokogawa Centum 2000 Siemens PCS 7 Honeywell Emerson Experion DeltaV Régi rendszerek Gyártó Termék Westinghouse WDPF Leeds & Northrup MAX1000 Toshiba TOSDIC CIE Siemens Simatic

30 DeltaV rendszer DeltaV rendszer Hosztok Vezérlők Nagy sebességű hálózat Busz vagy közvetlen kapcsolat Terepi eszközök

31 Moduláris DeltaV PS CU AI AO DI DO FF PB ASi PS Power Supply tápegység DO Digital Output digitális kimenet CU Control Unit vezérlőegység FF Foundation Fieldbus FF kártya AI Analog Input analóg bemenet PB Profibus Profibus kártya AO Analog Output analóg kimenet ASi Actuator-Sensor interface ASi kártya DI Digital Input digitális bemenet

32 Siemens megoldása

33 Teljes DCS hierarchia Számítógép központ Termelés tervezés Koordinációs számítógépek Termelés vezérlés Felügyeleti PC-k Üzem felügyelet Közvetlen vezérlés Terepi szint

34 Honeywell Experion LX Vállalati Információs Hálózat Irányítástechnikai Hálózat Terepi irányítás

35 ABB 800xA Vállalati Információs Hálózat Üzemi felügyelet Redundáns kliens/szerver hálózat Irányítástechnikai hálózat Terepi irányítás

36 Ethernet elemei o Repeater o Hub o Switch o Bridge o Router o Gateway

37 Jelismétlő (repeater) Kliens Kliens Nyomtató Vékony ethernet Jelismétlő Vékony ethernet Kliens Kliens o Jellemzők: Jelerősítő funkciót lát el Nem végez hálózati menedzselést Nincs protokoll átalakítási funkció Nincs útvonalválasztás

38 Hub A szervertől küldött adatcsomag eljut az összes klienshez a hub-on keresztül. o Jellemzők: Jelismétlő csillag topológiában Broadcast-ot támogató eszköz, ahol egyik ad többi vesz Nincs protokoll átalakítási funkció Nincs útvonalválasztás

39 Switch (Kapcsoló) A szervertől küldött adatcsomag csak a megcélzott eszközhöz jut el. o Jellemzők: Elektromos kapcsolóelem Ugyanabban a csillag vagy busz topológiában több switch is helyet kaphat Menedzselhető Leváltották a hubokat Címek alapján hozza meg a döntést

40 Hálózati híd (Bridge) Különböző csillag topológiájú szegmensek intelligens, programozható hálózati eszköze. o Feladatai: Tanulás Adatáramlás biztosítása Konfigurációs lehetőség biztosítása Szűrés külső betörések elleni védelem Más protokollt használó rendszerekkel is képes kommunikálni

41 Útválasztó (Router) A szegmens C D E o Feladatai: Redundancia biztosítása A Szegm. C F G H I B Szegm. Valós utak: CD; CF; CJ Hibás út pl.:cl útvonalválasztás Előre programozott útvonalak kiválasztása Bizonyos mennyiségű információ tárolására képes Programozható Különböző OS-ek kezelése Menedzsment J F G K H L B szegmens I

42 Átjáró (Gateway) Ethernet HART o Feladatai és tulajdonságai: Programozható Különböző OS-ek futtathat Különböző protokollok kezelése Nagyobb számítógépes hálózatok összekapcsolása

43 Mi a távadó? A távadók feladata, hogy vagy a vizsgált folyamat jellemzőinek egy folytonos jeltartományát érzékeljék és feldolgozható folytonos jeltartománnyá alakítsák át, vagy kétállapotú logikai jel formájában információt közöljenek a berendezés állapotáról, helyzetéről, illetve a technológia folyamat jellemzőinek értékéről.

44 Távadók fejlődése o C generáció Analóg működésű, szabványos (0/4-20mA, 0/2-10V) analóg áramjelű, vagy feszültségjelű távadók, végrehajtók. Legelterjedtebb megoldás. o D generáció Digitális működésű, egyen analógjelre ültetett frekvenciamodulált analógjelű (smart) távadók, végrehajtók. A szabványos egyen analógjel egy-, a frekvenciamodulált analógjel kétirányú. ±0.5mA o E generáció Olyan digitális távadók, végrehajtók, amelyek jelei digitális terepi buszon közlekednek. A terepi buszon kétirányú a kapcsolat, az eszköz nem csak alapfeladatát látja el, hanem automatikusan vagy lekérdezésre az állapotáról is küld információt.

45 Távadók legfontosabb jellemzői o Pontosság: o abszolút o relatív o Hibák: o linearitás o offszet o erősítés o nulla o Tápegység: o teljesítmény felvétel o érzékenység o disszipáció o o o o Méréstartomány: o fix o változtatható o konfigurálható Ismétlőképesség Érzékenység Hőmérséklet tartomány: o o működési tárolási

46 Analóg és digitális távadók felépítése Analóg 4-20 ma Digitális digitális kommunikáció Többparaméteres digitális kommunikáció Jelfeldolgozó egység Érzékelő Kommunikációs e. Mikroprocesszor A/D átalakító Jelfeldolgozó egység Érzékelő Kommunikációs e. Mikroprocesszor A/D átalakító AMUX Jelfeld. e. Jelfeld. e. Jelfeld. e. Érzékelő Érzékelő Érzékelő

47 Szabványos kimenetek Analóg Digitális Áram o 4-20 ma o 0-20 ma o 0-5 ma Feszültség o 0-10 V o 0-5 V Soros o RS-232 o RS-422 o RS-485 Párhuzamos o IEEE-488

48 Távadók megtáplálása o 4 vezetékes Legelterjedtebb megoldás. 24 Vdc v. 230 Vac távadó 24 Vdc irányító berendezés o 3 vezetékes Közös 24 Vdc tápellátás Közös COM o 2 vezetékes Irányító berendezés sorba van kötve a távadóval

49 Kiválasztási szempontok o Pontosság o Megbízhatóság o Ár o Gyorsaság o Méréstartomány o Alkalmazási körülmények

50 Mérési paraméterek o Mechanikai Pozíció Sebesség Gyorsulás Erő Stressz, nyomás Nyúlás Tömeg, sűrűség Nyomaték Áramlás, áramlási sebesség Alak, érdesség, orientáció Merevség Viszkozitás Hullám terjedés o Villamos o Kémiai fizikai kémiai Töltés, áram Koncentráció Feszültség ph Vezetőképesség Összetétel Amplitúdó, fázis o Hőmérsékleti o Mágneses Mágneses mező Mágneses fluxus Permeabilitás o Hőmérséklet Hővezetés Radioaktív Energia Intenzitás Emisszió Reflexió Transzmisszió

51 Távadók előfordulási aránya a folyamatirányításban Érzékelt paraméter % elmozdulás nyomás áramlás 5-15 tömeg, erő 20 vegyi összetétel 17 szint 7 hőmérséklet 6-10 nedvesség, páratartalom 2-3 egyéb forrás 2. forrás Hőmérséklet Áramlás Nyomás Szint Mennyiség (tömeg, térfogat) Idő Egyebek sűrűség, nedvesség, stb. 50% 15% 10% 6% 5% 4% 6%

52 Jel típusok

53 Jelek a világban Jel: valamely fizikai mennyiség (jelhordozó) egy jellemző értékének alakulása (többnyire időbeli változása). A jelhordozó típusa lehet: o elektromos, o pneumatikus, o fény, o stb. A jelhordozó lehet a jel o nagysága, o frekvenciája, o fázisa, o stb. A jel által átvitt információ és a jellemző érték kapcsolatát a kódolás szabja meg. jel kódolás A jelek csoportosítása: o analóg o digitális kód Jel (vagy információ) dekódolás

54 Értékkészlet szerint Jelek felosztása Időbeni lefolyás szerint Példa AMPL. \ IDŐ FOLYAMATOS DISZKRÉT FOLYTONOS T0 Legtöbb fizikai v. kémiai állapothatározó (pl.: nyomás, hőmérséklet) DISZKRÉT A/D átalakító jele T0 BINÁRIS kapcsoló T0

55 Jelek felosztása o Értékkészlet szerint: o Folytonos: értékkészletük összefüggő tartomány. o Diszkrét: csak kitüntetett értékeket vehetnek fel o Bináris: o diszkrét jelek speciális esete o csak két különböző értéket vehet fel o Időbeni lefolyás szerint: o Folyamatos: vizsgált időintervallumon belül bárholt meghatározható. (pl.: analóg műszerek) y=f(t), tϵr - < t < t: időváltozó o Diszkrét vagy szaggatott: csak kitüntetett időpontokban (mintavételezéskor) ismert az értéke. (pl: digitális műszerek) y=f[k], kϵz kϵ [-,, -1, 0, 1, 2,, ] k: diszkrét idő

56 Jelek osztályozása Villamos jelek Determinisztikus (meghatározott) Periodikus (ismétlődik) Nem periodikus (nem ismétlődik) Szinuszos Általános periodikus Kvázi periodikus Tranziens Sztochasztikus (nem meghatározott)

57 Jelek osztályozása o Meghatározottság szerint: o Determinisztikus: egyértelműen, meghatározott időfüggvénnyel megadhatók. Az y(t) (y[k]) jel determinisztikus, ha értékét minden t időpillanatra előre ismerjük. Pl.: y(t) = t vagy y[k] = sin[k] o Sztochasztikus: Idő függvénnyel nem megadható jel. Általában a rendszerben fellépő zajok, zavarások okozta véletlenszerű hatások miatt a jel ebben az esetben csak valószínűségszámítási módszerekkel írható le. Az y(t) (y[k]) jel sztochasztikus, ha időfüggését nem ismerjük előre, de meg tudjuk határozni bizonyos statisztikai jellemzőit. Pl.: Tipikus sztochasztikus jelek a különböző zajok. Melyek időfüggvény formájában nem adhatók meg, de statisztikai tulajdonságaik ismertek.

58 Jelek osztályozása o Szinuszos jel t = A sin(2 1t + ) Amplitudó (A) g(t) t Periódusidő (T) Frekvencia: f = 1 T Körfrekvencia: ω = 2пf1

59 Jelátalakítók Mérő-átalakító (érzékelő, szenzor): A nem villamos mennyiséget érzékelve azzal arányos jelet állít elő. Pl.: p - I Mérendő jel Fizikai mennyiség Jelváltó: Egy fizikai mennyiséget azonos típusú mennyiséggé alakít. Pl.: erősítő, transzformátor, fogaskerék, stb. Fizikai mennyiség Azonos típusú fizikai mennyiség

60 Hőmérséklet mérés

61 Fázisdiagram

62 Hőmérséklet skála Skála megnevezése Beosztás Jég olvadáspontjának hőmérséklete Forrásban lévő víz feletti vízgőz hőmérséklete Celsius C 100 C Kelvin ,16 K 373,16 K Fahrenheit F 212 F Réaumur 80 0 R 80 R

63 Celsius skála 1064,43 C Arany dermedéspontja 0,01 C Víz hármaspontja 231,9681 C Ón olvadáspontja -218,789 C Oxigén hármaspontja 1539 C Vas olvadáspontja (pontatlan) -182,962 C Oxigén forráspontja 1773 C Platina olvadáspontja -259,34 C Hidrogén hármaspontja

64 Szabványos ellenállás hőmérő Platina használatának okai: IEC 751 alapján Platina ellenállás-hőmérő o Kémia ellenálló-képesség o Hőmérséklet állandója kellően nagy ahhoz, hogy mérhető ellenállás változás produkáljon a hőmérséklet változásával o Megmunkálás nem befolyásolja a próbatest ellenállását o Közel lineáris összefüggés a hőmérséklet és a ellenállás között R Bt 2 + oc) t 3 t = R o [1 + At + C(t -100 ] A = 3, o C -1 B = - 5, o C -2 C = - 4, o C -4 α = (R R o ) 100 R o értéke 0,00385 oc -1, R 100 az ellenállás 100 o C -on, R o az ellenállás 0 o C -on. Számításoknál használjuk a pontos értéket: 0, o C -1

65 Ellenállás mérés módszerei o Az ellenálláson átfolyó áram és a kapcsain észlelhető feszültségesés mérése (Volt-Amper mérés). o Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak használatával o Ohmmérők ellenállásméréshez kidolgozott olyan kapcsolások, amelyekkel az ismeretlen ellenállás értéke közvetlenül a műszerről leolvasható.

66 Ellenállás mérés I. o Az ellenálláson átfolyó áram és a kapcsain észlelhető feszültségesés mérése (Volt-Amper mérés). I A U V R t R U U 1 = R t R + I U / I R 1 Ru

67 Ellenállás mérés II. (2 vezetékes mérés) o Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak használatával A R v R t R R 1 v G D R N C R 2 Pontos értéke: R 1 R SZ Számított érték: R t R N R t R N 2R R v 2 R 2 R 1 B R mérendő t Minden ellenállás ismert (R 1, R 2, R SZ, R N ) Egyenfeszültség megtáplálás DB pontok egyen potenciálon (R N állításával) G zérust mutat Híd kiegyenlített R v mérési hibát okot vezetékek melegedése

68 Ellenállás mérés III. (3 vezetékes mérés) o Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak használatával hőmérséklet kompenzálás R v R t R v R 1 R t R v R R R2 N v R v R 1 R 2 R t R v R N R v R 1 G R t RN v R 1 R R 1 1 R 2 R 2 R N R 2 o R v kiesik, ha R 1 és R 2 egyenlő (arányellenállások) o Bekötésnél R t és R N soros kapcsolásban

69 Ellenállás mérés IV. (4 vezetékes mérés) o Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak használatával R t R v1 I m o A feszültségérzékelő kapcsokon nagy belső ellenállású (R be 10 7 ) műszerrel mérjük az R t ellenálláson eső feszültséget. o R v3 és R v4 vezeték-ellenállások nem okoznak R v3 feszültségmérési hibát, mivel a rajtuk folyó áram V A rendkívül kicsi na- A nagyságrendű. o R v1 és R v2 -n eső feszültséget pedig nem mérjük, mivel R v4 a feszültségérzékelő kapcsok közvetlenül az R t -n vannak elhelyezve. o Az R v ellenállások értékeinek eltérése a mérés pontosságát nem befolyásolja. R v2 Bemeneti fokozat

70 Ellenállás mérés V. o Ohmmérők ellenállásméréshez kidolgozott olyan kapcsolások, amelyekkel az ismeretlen ellenállás értéke közvetlenül a műszerről leolvasható. I R b ma Folyó áram: Műszer kitérés: U I R b R t ku ki R b R t U R t k: műszerállandó Soros ohmmérő kapcsolás (állandómágneses műszer) U áll. és R b áll. α = f(r t )

71 Hőelem v. termoelem működése o Hőelem hatás Seeback effektus (Thomas Seeback ) Két különböző vezetőből álló áramkörben hőelektromotoros feszültség jelenik meg, ha a vezetők illesztései különböző hőmérsékleteken vannak. Hőmérséklet növekedésével különbözőképpen nő a két anyagban töltéshordozók mozgékonysága. Melegebből töltéshordozók vándorolnak a hidegebb felé. = U T 1 és T 2 hideg és meleg forrpontok hőmérsékletei a,b,c anyagállandók E megjelenő feszültség o Peltier hatás Ha a hőelemen áram folyik, hőátvitel következik be a melegebb illesztéstől a hidegebb felé.

72 Hőelemek alkalmazási tartományai Jel Összetétel Hőmérséklet tartomány B E J K Platina-30% -Platina-6% Ródium Chromega - Konstantán Vas - Konstantán Chromega - Alomega 0 C C 600 C C 1200 C C -260 C C 350 C C -200 C C 500 C C -260 C C 300 C C 850 C C Jel Összetétel Hőmérséklet tartomány N R S T Nikkel króm ezüst ötv. - Nikkel ezüst ötv. Platina-13% Ródium - Platina Platina-10% Ródium - Platina Réz - Konstantán -260 C C 500 C C -40 C C 550 C C 1150 C C -40 C C 550 C C 1150 C C -260 C C

73 Alkalmazás K típusú a legnépszerűbb Hidegpont kompenzáció Linearizáció TC Hegesztés (kapacitív kisüléssel) Hidegpont = TC termosztát U a T M T V U a ~ T M - T V Cu

74 Problémák és alkalmazási megfontolások o Csatlakoztatás o Szándékolatlan hőelemképződés o o A hőelem vezetékek meghosszabbításához a hőelem típussal azonos vezetéket kell használni. A csatlakozó dugók és aljzatok a hőelemnek megfelelő anyagúak és polaritásúak legyenek. o Kalibárciós változás o o Szélsőséges körülmények között szigetelés sérülhet Zaj o Kompenzációs vezeték o Kis jel rossz zaj viszony o Speciális vezetékek a hosszabbítás ként o o Csavart ér pár használata Közös modusú zaj kompenzálás

75 Ipari példák SITRANS TR200 DIN rail változat o Méréstartomány o RTD: -200 C 850 C, Hőelem: -200 C 1820 C o mv: , o Érzékelő: RTD vagy hőelem o Kimenet: 4-20 ma (Zöld/piros LED) o Hidegpont kompenzáció: 0, 20, 50, 60, 70 C o Pontosság: tip. 0,25 % o Alkalmazási terület: Univerzális alkalmazás

76 Ipari példák o Méréstartomány: érzékelőtől függő o Érzékelő o RTD: Pt25, Pt50, Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 o TC: B, C, D, E, J, K, L, N, R, S, T, U o Mérés: RTD 2, 3, 4 vezetékes, hőelem, mv mérés o Kimenet: 4-20 ma kétvezetékes kimenet, (TH300 HART) o Pontosság: tip. 0,1%, o Alkalmazási terület o távadó Zone2, Zone1, o érzékelő Zone2, Zone1, Zone0 o Robbanás védett kivitel o II 1G EEx ia IIC T6/T4, PTB 05 ATEX 2040X, II 2G EEx ia/ib IIC T6/T4 SITRANS TH TH200/TH300

77 TH200 belső felépítése

78 TH200 bekötése 4 vezetékes bekötés 2 vezetékes bekötés 3 vezetékes bekötés Kimenet

79 TH200 tokozás Vezeték bevezetés Szerelő fedél Pt100 Rögzítő menet Mérő pogácsa

80 Méréselméleti kiegészítés NÉHÁNY PONT MÁR KORÁBBAN VOLT EMLÍTVE, ITT TALÁN JOBB ÁBRÁK VANNAK.

81 Mérőhálózat legfőbb egységei: forrás mérővezeték műszer Valóságos mérővezeték modellezése: frekvenciafüggő soros és párhuzamos impedanciák miatt a ki- és a bemeneten mért feszültségek és áramok különbözőek. z d z p z p z sl

82 Környezeti jellemzők Klimatikus hatások földrajzi környezet üzemi beépítés szabad tér belsőtér hőmérséklet, napsugárzás por- és vízártalom, páratartalom Robbanásveszély légszennyezés (korrózív közegek) biológia és mechanikai hatások (rezgés)

83 Jellemzése az IP számmal: IP - XY ahol X szilárd test elleni védelem 0-6 Y víz elleni védelem 0-8 Környezeti jellemzők Por-és vízártalom

84 IP védettség

85 Méréselméleti alapok Mérési hibák csoportosítása Rendszeres hiba Véletlen hiba Durva hiba

86 Rendszeres hiba Nagysága és előjele meghatározható, így ezzel a mérési eredményt pontosítani lehet Véletlen hiba Időben változó hatást mutatnak, nagyságát és előjelét nem ismerjük. Megadása egy olyan szélességű intervallummal, amelyben a véletlen hibától mentes valódi érték 99,74%-os valószínűséggel benne van. Ezt az intervallumot megbízhatósági, vagy konfidencia intervallumnak nevezzük.

87 Mérési hibák megadása, számítása Abszolút hiba H m p m mért érték p pontos érték Relatív hiba h H p H vagy h% 100 % p Méréshatárra vonatkoztatott relatív hiba (katalógus adat) h v H p v 100% p v - méréshatár

88 Relatív hiba változása a mért érték függvényében h mérés v

89 Példa: (valós érzékelő valós katalógus adataival) Hall elemes áramérzékelő adatai: Méréstartomány: 5 A Méréstartományra vonatkoztatott relatív mérési hiba: < ± 0,4% Mekkora a mérés relatív hibája, ha a. 4,5 A áramot mérünk b. 0,5 A áramot mérünk

90 Példa: (valós érzékelő valós katalógus adataival) A mérés abszolút hibája: H hv pv 0,4 5 0, 02A A mérés relatív hibája: a.) b.) H 0,02 h 100% 100% m 4,5 H 0,02 h 100% 100% m 0,5 0,44% 4%

91 Analóg jelek digitalizálása mintavételezés kvantálás f(t) f(t) f(t 0 ) Q t 0 T mv t t Mintavételezési törvény f mv 2 ( f ) max jel N-1 2 N-2 2 N

92 LSB Least Significant Bit (kvantum) MSB Most Significant Bit FS Full Scale U LSB = U FS / 2 n U MSB = U FS / 2 Példa: 12 bites átalakító maximális bementi feszültsége 10 V. U FS = 10 V U MSB = 10/2 =5 V U LSB = 10/2 12 =10/4096 = 2,44 mv

93 Kvantálási hiba Abszolút kvantálási hiba: Relatív kvantálási hiba: Példa: H Az előző példában használt átalakítóval mérünk 8 V-ot. h Q U Q 2 2 HQ 100% U Q 1 LSB x H h h Q Q Qv 2,44mV 1,22mV 2 3 1, % 0,015% 8 H 3 Q 1, % 100% U 10 FS 0,0122%

94 Az előző példában használt átalakítóval mérünk 50 mv-ot. Abszolút kvantálási hiba: Méréshatárra vonatkoztatott kvantálási hiba: U LSB 2,44mV HQ 1, 22mV 2 2 Relatív hiba: h Qv h Q 1, , , ,0122% 100% 2,44%

95 Végezzük el az előző méréseket egy 16 bites átalakítóval. Abszolút kvantálási hiba: Méréshatárra vonatkoztatott kvantálási hiba: H Q U 2 LSB V Relatív hiba: h Qv H U Q FS 100% , % h Q % 9,5 10 % 8 h Q , % 0,152%

96 A digitalizálás elektronikus áramkörei Felbontás idő tartományban: Mintavételezés Eszköze: Mintavevő-tartó áramkör Felbontás amplitudó tartományban: Kvantálás Eszköze: Analóg-digitál átalakító

97 Mintavevő / tartó áramkör (Sample & hold - S/H) Feladata: mintavételezés és a vételezett minta tartása a feldolgozásig

98 Mintavevő / tartó áramkör (Sample & hold - S/H)

99 Mintavevő / tartó áramkör Összefüggés a kondenzátor kapacitása, a mintavételezési idő és a tartási drift között Kondenzátor Mintavételezési idő Tartási drift 10 nf 20 µs 3 mv/s 1 nf 4 µs 30 mv/s 100 pf 3 µs 200 mv/s 25 pf 170 ns 5 V/s 10 pf 10 ns 50 V/s

100 Analóg -digitál átalakító Feladata: az S/H áramkör kimenetéről érkező jel digitalizálása A/D átalakítók csoportosítása közvetlen közvetett számláló kétoldali párhuzamos U/t U/f közelítéses

101 Digitál analóg átalakítás Q 0 R 0 Q 1 R 1 Q 2 R 2 Q 3 R 3 R v U be = 1 V + U ki Rv = 8 k R3 = 8 k R2 = 4 k R1 = 2 k R0 = 1 k - Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 -U ki

102 Létrahálós D/A átalakítás

103 Létrahálós D/A átalakítás

104 Számláló típusú A/D U ref U x + U x > U ref _ A D Alacsony sebesség Gyenge technikai jellemzők Alacsony ár Elavult megoldás Számláló regiszter & Digitál kimenet START Vezérlő READY

105 Kétoldali közelítéses A/D U x + U[V] 8 bites átalíkótó mûködése U ref _ 10 A D U x =7.8 V 5 Regiszter Kimenet 1 SAR START Közepes sebesség Megfelelő jellemzők Közepes ár

106 P á r h u z a m o s A / D

107 Párhuzamos 3 bites átalakító: A/D 3 U 2 1 U 2 5 U 2 7 U 2 LSB 9 U 2 LSB 11 U 2 13 U 2 LSB U x LSB LSB LSB LSB Ux C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 Kód U x U x U U 1 U 2 x x U U x 3 U 2 x LSB 5 U 2 7 U 2 9 U 2 11 U 2 13 U x U LSB 2 LSB LSB LSB LSB LSB Nagy sebesség Nagy megbízhatóság Magas ár 2 n -1 db nagy teljesítményű komparátor

108 Kétszeresen integráló A/D U x 1 R - -U ref 2 K K2 c 1 & Számláló Vezérlő Digitális kimenet U ki U t ref t x t U ki tref Rc tx U x Uki U Rc t t x ref Uref U x Rc Rc tx U x Uref t ref ref

109 Kétszeresen integráló A/D Lassú működés Nagy pontosság Alkalmazás: digitális műszerekben Alkatrész öregedés kiküszöbölése

110 Feszültség-frekvencia A/D Frekvencia kimenet Könnyen és egyszerűen továbbítható nagy távolságra

111 A/D átalakítók hibái Javítható hibák: 1. Offset hiba 2. Erősítési hiba Nem javítható hibák: Linearitási hiba 4. Kódkiesés

112 Hőmérsékletmérés F O R R Á S : K É Z I KÖ N Y V H Ő E L E M M E L É S E L L E N Á L L Á S - H Ő M É R Ő V E L T Ö R T É N Ő M É R É S H E Z. T C M É R É S T E C H N I K A K F T.

113 Szabványos hőmérséklet érzékelő skála 1927 ITS-27 oxigén forráspontja (-200 C) arany dermedéspontja (+1065 C) között kalibrálás: 0 C-on, O, H 2 O és S forráspontján 1990 ITS-90 (16 fixpont) H hármaspont -259,3467 C H Forráspont 2 különböző nyomáson -256,115 C; -252,88 C Ne, O, Ar, Hg, H 2 O hármaspont -248,59 C, -218,79 C, -189,34 C, -38,83 C, 0,01 C Ga olvadáspont 29,7646 C In, Sn, Zn, Al, Ag, Au dermedéspont 156,59 C, 231,93 C, 419,53 C, 660,32 C, 961,78 C, 1064,18 C Cu dermedéspont 1084,62 C

114 RTD mérőkör

115 3 vezetékes RTD mérőkör

116 4 vezetékes RTD mérőkör

117 Z U I Impedancia mérése A valóságos ellenállás frekvenciafüggő. Ha váltakozó áramon használjuk, figyelembe kell venni, hogy van induktivitása és kapacitása. A valóságos ellenállás helyettesítő kapcsolása: R L S c p R p LS - ellenállástekercs induktivitása cp - szórt kapacitás Rp - az ellenállás sarkai között fellépő szivárgási ellenállás

118 Impedancia mérése Volt- és ampermérővel I A A R a R V R a R V R V R U U V I 1 2

119 Impedancia mérése Közvetlenmutatós ohmmérővel 1. Állandó áramot hajtunk és mérjük a feszültséget I R x V U x =I R x mivel I állandó, U x egyenesen arányos R x -szel Digitális műszerekben alkalmazzák

120 Impedancia mérése Közvetlenmutatós ohmmérővel 1. Állandó feszültséggel táplálunk és mérjük az áramot A U R x I x U R x mivel U állandó, I x fordítottan arányos R x -szel Hiperbólikus skála, amely a közepén a legpontosabb. R X = 0 esetén max R X = esetén = 0 Analóg műszerekben alkalmazzák

121 Impedancia mérése Nullmódszer: Wheatstone-híd Kiegyenlítés feltétele: U R 1 R x U 0 U x U 3 R 2 R 3 Ha U X = U 3, akkor U 0 = 0 U 0 R R X R X R R R R X R R 3 R R R R X 1 R U 0 mérése nagyérzékenységű nullindikátorral történik. 3 2

122 Impedancia mérése Egyenáramú hidak pontossága függ: - nullindikátor érzékenysége - kiegyenlítő elemek pontossága - hőhatások, termofeszültségek - kis ellenállások esetén a bekötő vezetékek ellenállása - nagy ellenállások esetén aszivárgóáramok Általában h<0.5%.

123 Nyomás mérés

124 Nyomásmérés Legfontosabb jellemzők o Mértékegységek o Pa=N/m 2, 1 bar=10 5 Pa, psi pound/inch 2, 14,5 o psi=1 bar Pa, MPa, Kpa, bar, torr, atm, psi, g/cm 2, inh2o, mmh 2 O, fth 2 O, inhg, mmhg o Nyomás, nyomáskülönbség, vákuum o relatív gauge és abszolút nyomástávadók o Közvetlen nyomásmérők (múlt és jelen) o U csöves manométer, ferdecsöves manométer o merülőharangos, billenőgyűrűs, dugattyús o Indirekt nyomásmérők (távadó alapelvek) o Bourdon csöves, csőmembrános, diafragma típusú mérőeszközök

125 Nyomástávadók o Kapacitív nyomástávadó o Egy elektródás, két elektródás Távadók, átalakítók o Induktív nyomástávadó o Linear Variable Differential Transducer o Rezisztív típusú nyomástávadó o Nyúlásmérő bélyeges, piezorezisztív o Nyomáskülönbség mérők o Felépítés, jellemzők o Nyomás és nyomáskülönbség mérők beépítési lehetőségei o Gőz, gáz és folyadék mérése, csaptelepek használata

126 Mértékegységek Átszámítási táblázat

127 Tipikus felépítés Siemens DS III érzékelő P Si membrán Piezorezisztív érzékelő Tartó cső Si hordozó Hőmérséklet érzékelő Piezorezisztivitásnak nevezzük azt a jelenséget, amikor a vezető vagy félvezető anyag mechanikai deformációk hatására megváltoztatja elektromos ellenállását.

128 Cella kialakítás érzékelő _ + elválasztó membrán membrán

129 Túlterhelés védelem dp 0 100% túlterhelés elválasztó membrán érzékelő P+ P- P mérő membrán

130 Távadó családok Kompakt sorozat P200 sorozat DS III sorozat DP250 P280 sorozat P300 sorozat

131 Relatív és abszolút nyomástávadók SITRANS P200 o Méréstartomány: 1 60 bar relatív, 1 16 bar abszolút nyomás o Érzékelő o P<1bar: piezorezisztív (SS membrán) o P>1 bar: vékonyréteg nyúlásmérő bélyeg (SS membrán) o Kimenet: 4-20 ma, két vezetékes, vagy 0-10 V, 3 vezetékes (7 ma) o Pontosság: tip. 0,25 %, max. 0,5 % o Alkalmazási terület: energiaipar, gépgyártás, vegyipar, vízművek, hajóipar o Robbanásvédett kivitel: EX II 1/2 G EEx ia IIC T4 o Feléledési idő (response time): < 0,005 s

132 Relatív nyomástávadók kis nyomásra SITRANS P210 o Méréstartomány: mbar relatív nyomás o Érzékelő: piezorezisztív (SS membrán) o Kimenet: 4-20 ma, két vezetékes, vagy 0-10 V, 3 vezetékes o Pontosság: tip. 0,25 %, max. 0,5 % o Alkalmazási terület: energiaipar, gépgyártás, vegyipar, vízművek, hajóipar o Technológiai csatlakozás: G½ male, ¼ -18 NPT male (female), M20x1,5 male, special version

133 Relatív nyomástávadók nagy nyomásra SITRANS P220 o Méréstartomány o 2,5 600 bar relatív nyomás o Kimenet o 4-20 ma, két vezetékes, vagy 0-10 V, 3 vezetékes o Pontosság o tip. 0,25 %, max. 0,5 % o Alkalmazási terület o energiaipar, gépgyártás, vegyipar, vízművek, hajóipar o Robbanás védett kivitel o EX II 1/2 G EEx ia IIC T4

134 Nyomáskülönbség távadók SITRANS P250 Méréstartomány: mbar (0-40 inchh2o) bar (0-363 psi) Érzékelő: piezorezisztív (kerámia diafragma), acél membránnal Kimenet: 4-20 ma két vezetékes, 0-5 V, 0-10 V feszültség kimenet (< 5 ma) Pontosság: 1% Alkalmazási terület: folyadékok és (természetes) gázok mérése, Gyártásautomatizálás, épület automatika, vízipar Robbanás védett kivitel: EX II 1/2 G EEx d IIC T4/T6, PTB 99 ATEX 1160 EX II 1/2 G EEx ia/ib IIC T4/T6, PTB 98 ATEX 2003 Alkalmazás: szűrő eltömődés figyelése szivattyú üzem figyelése

135 Alkalmazási példák S I T R A N S P 2 5 0

136 Bemerülő nyomásmérő MPS Series o Méréstartomány: mh 2 O, o Érzékelő: piezorezisztív, SS membránnal o Kimenet: 4-20 ma o Pontosság: tip. 0,3 % o Alkalmazási terület o olaj és gázipar, hajóipar, vízművek (ivóvizes engedély, OTH engedély) o Robbanásvédett kivitel: EX II 1 G EEx ia IIC T4 o Védettség: IP68

137 Higéniás követelmények Compact Sorozat o Méréstartomány: mbar 0 40 bar relatív és abszolút nyomás o Érzékelő: piezorezisztív, SS membránnal, vákuum védett o Kimenet: 4-20 ma két vezetékes, 0-20 ma három vezetékes o Pontosság: tip. 0,2 % o Alkalmazási terület: o élelmiszeripar, gyógyszeripar, biotechnológia (higiéniai követelményeknek megfelelő) o Robbanás védett kivitel: EX II 2G EEx ib IIC T6 Lehetőségek: o Technológia: max. 200 C o Mérőrendszer vákuum védett o IP65 védettség o Beszerelés: bármilyen helyzetű lehet

138 Abszolút és relatív nyomásmérés P300 Series o Méréstartomány bar (OR: 600) relatív nyomás, 1 30 bar (100 bar) abszolút nyomás

139 Nagy teljesítményű távadók SITRANS P500 o Alkalmazási terület: o nyomáskülönbség, o áramlás o szintmérés. o Méréstartomány: 1, , mbar, Pstat: 160 bar o Egyéb jellemzők: A DSIII adataival megegyező

140 Elválasztó membránok alkalmazása Felhasználási terület o o o o o o Hőmérséklet magasabb, mint a távadó specifikációja A közeg korrozív A közeg viszkozitása, vagy a szilárd anyag tartalma magas A közeg pulzál A közeg polimerizálódik, vagy kristályosodik mérés közben A folyamat érdekében tisztán kell tartani az érzékelési helyet (gyógyszeripar)

141 Elválasztó membránok Relatív nyomás MK II, P300, DS III, DS III PA Abszolút nyomás P300, DS III, DS III PA, DS IIFF Nyomáskülönbség és áramlás DS III, DS III PA, DS IIFF

142 Nyomás távadók beépítése a mért médium szerint gáz, gőz folyadék dp folyadék

143 Áramlásmérés

144 Alapfogalmak Mértékegységek áramlási sebesség (velocity): [m/s] áramlási arány (flow rate): sebesség felület = m/s m 2 = [m 3 /s] áramlási mennyiség (quantity): áramlási arány idő = m 3 /s s = [m 3 ] tömegáram (mass flow rate): [kg/s] Folyadék energiája Potenciális energia kinetikus energia Nyomási energia Belső energia (hőmérsékletből fakadó) E folyadék = E potenciális + E kinetikus + E nyomási + E belső Viszkozitás dinamikus viszkozitás: kinematikus viszkozitás: = Erő/terület sebesség [Ns/m 2 ] dinamikus v./sűrűség

145 Reynolds szám Reynolds szám Osborne Reynolds: A Reynolds szám az áramló anyagban fellépő tehetetlenségi erők és belső súrlódási erők hányadosa Re D =(v D)/ és = Lamináris áramlás Re < 2500 v D q m áramlási sebesség csőátmérő kinematikai viszkozitás tömegáram dinamikai (abszolút) viszkozitás sűrűség Vegyes áramlás (lamináris/turbulens) 2500 < Re > 4000 Turbulens áramlás Re > 4000

146 Bernoulli egyenlet p 1 p 2 ρ v 2 ρ v 1 Z 1 Z 2 E folyadék = E potenciális + E kinetikus + E nyomási + E belső Z 1 g + v 12 /2 + p 1 /ρ + I 1 = Z 2 g + v 22 /2 + p 2 /ρ + I 2 ha I 1 =I 2 (állandó hőmérsékleten), akkor Z 1 g + v 12 /2 + p 1 /ρ = Z 2 g + v 22 /2 + p 2 /ρ ha ρgz és ρgz elhanyagolható 1 2 ρ v 12 /2 + p 1 = ρ v 22 /2 + p 2 Dinamikus nyomás Statikus nyomás v p Z I áramlási sebesség [m/s] nyomás [N/m 2 ] magasság [m] belső energia abszolút viszkozitás sűrűség

147 Elszámolási mérések (custody transfer) Nagy anyag és energia mennyiségek átadásakor, átvételekor, energiatermelő létesítmények be-, kimeneti pontjain Mérőperemes mérőszakaszok Turbinás mérőállomások Több sugárutas ultrahangos áramlásmérők Tömegárammérők Gondosan elkészített mérőszakasz, pontos távadók, (flow computers) Üzemviteli mérések hozam-számítóművek Ipari technológiák, csővezetéki rendszerek legkülönbfélébb pontjain Térfogat-kiszorításos (oválkerekes, bolygódugattyús, stb.) mérőeszközök folyadékok esetében Mérőperemek, örvénymérők, turbinás áramlásmérők, indukciós mérők folyadékok, gőzök, gázok Egészen nagy eltérés lehet a kivitelezés miatt az árban Egyéb mérések Jelző, mérő, kapcsoló és egyéb (vezérlési, reteszelési, stb.) feladatokra

148 Az áramlásmérések több mint 95%-a az alábbi technológiákkal valósul meg: Indukciós Ultrahangos Örvényleválásos Nyomáskülönbség méréssel Coriolis elvű Változó térfogatú Térfogat kiszorításos Turbinás

149 Indukciós áramlásmérők

150 U i = L * B * v U i = indukált feszültség L = cső belső átmérő = k 1 B = mágneses fluxus = k 2 v = sebesség k = k 1 x k 2 U i = k x v, a villamos kimenőjel arányos a közegáram sebességével. U tekercs = (60) 30 V => I tekercs = 125 ma U i = 125 µv minden 1 m/s-nál cső mérettől függetlenül 31,5 µv < U i < 1,25 mv for v = m/s

151 Fizikai felépítés Érzékelő vezeték Rozsdamentes cső Tekercs Mágneses tér létrehozása cső teljes keresztmetszetében Elektródok Kialakult villamos feszültség mérésére Szigetelő bélés Rövidzár megakadályozása folyadék és cső között

152

153 Működés Ha nincs áramlás nem mérhető indukált feszültség Folyadék töltött részecskéi szétválnak a mágneses mező hatására Feszültség jön létre a cső két oldalán, amit az elektródák érzékelnek Feszültség egyenesen arányos az áramlás sebességével Térfogatáram számítható a keresztmetszet ismeretében Interferencia (külső mágneses tér, folyadék elektrokémiai hatása) kompenzálására polaritás váltás

154 Előnyei Stabil mérés, stabil null pont Nagy pontosság Könnyű beépíthetőség Megbízhatóság

155 Általános jellemzők Méret: Méréstartomány: Hőm. tartomány: Nyomás max : Pontosság: Védettség: DN 2 - DN m³/h -40 C +200 C 100 bar ±0,2 % IP 67/68 IP 6X: Por ellen teljesen védett IP X7: Korlátozott ideig vízbe meríthető IP X8: Víz alatt folyamatosan használható

156 Tekercsek DC és AC táplálása DC impulzus táplálás A legtöbb alkalmazásnál: Víz, szennyvízipar Energia ipar Vegyipar Élelmiszer és italgyártás Gyógyszergyártás Csak nagy a folyadékok vezetőképessége Impulzus üzemű AC táplálás Speciális alkalmazásnál: Papíripar Bányászat Nagy mágneses tér Stabil nulla pont Mostoha körülmények között, nagy zajú környezetben Nagyon alacsony vezetőképességű közegek esetében Miért nem használunk DC jelet?

157 Érzékelőcsalád MAG 1100 MAG 3100 MAG 1100 Food MAG 5100 W

158 MAG 1100 jellemzői Zirconium Ceramic -20 ºC 200 ºC Kerámia betét széles hőmérséklet skálán történő alkalmazás Korszerű tekercs elhelyezés (megnövelt 0 stabilitás) Flexibilis csatlakozási lehetősségek hegesztett csavaros

159 Nagy pontosság: +/- 0,2 % PFA esetében: +/- 0,4 % Pontosság és alkalmazás (MAG 1100) Folyamatos technológiák Vegyipar Gyógyszeripar Élelmiszeripar Vízmű és adagolás

160 Nagy pontosság: +/- 0,2 % Alkalmazás (MAG 3100) Folyamatos technológiák Vegyipar Acélipar Bányászat Erőmű és energia ipar Olaj és gázipar Vízmű, szennyvíz feldolgozás

161 Alkalmazás (MAG 5100) Vízkezelés Víz elosztás Elszámolási mérés vízműnél Szennyvíz tisztítás és szűrés Ipari víz feldolgozás Öntözés Névleges D mm mm Felépítés Egyenes Kúpos 1 x DN Egyenes Betét NBR Hard Rubber EPDM

162 Pontosság Dobozolás Tápegység Kimenetek Technológia Egyéb jellemzők Távadó választási szempontjai

163 Távadó felépítése HMI Kapcsoló üzemű tápegység Kimeneti modul Belső opciós modul Kimeneti Jel kondicionáló modul Külső opciós modul Bemeneti áramkör Tekercs gerjesztő modul Szenzor kalibrációs információk Életciklus adatok

164 Megtáplálás AC Távadó kivitele Nagyon mostoha körülményekre papíripar bányászat Elemes Működéshez nem szükséges kábeles táplálás Víz mérés Szivárgás detektálás Gyors beüzemelést biztosít Nincsen nyomásesés Fejlett diagnosztikai funkciók Gyárilag vezetékelt Pontos mérés Elemcsomag (6 év) Hálózati táplálás Hálózat és elemcsomag (3 év) Külső elemcsomag (10 év)

165 Speciális kialakítás Kompakt Távadó kivitele Távelérésű Robbanás veszélyes környezetbe szerelhető

166 Távadó Kommunikációs lehetőségek Profibus DP kivitele Profibus DA Foundation Fieldbus HART Modbus MODBUS TCP/IP DeviceNet

167 Ultrahangos áramlásmérők

168

169 Elmélet kidolgozása Lord Raleigh Nobel díjas fizikus nevéhez fűződik Hangelmélet című könyv (1877) Hanghullámok terjedésének leírása oldatokban és gázokban Felépítés Szenzorpárok helyezkednek el a cső keresztmetszetében Minden szenzor adó és vevő egyben Ultrahang előállítása piezoelektomos kristályok segítségével Piezoelektromos hatás: kristály torzul feszültség keletkezik Több szenzor áramlási kép torzulása érzékelhető és kompenzálható a cső keresztmetszetben

170 Működés Ha nincs áramlás jel terjedési ideje mind két irányban azonos Áramlással azonos irányban a ultrahang terjedési ideje gyorsabb, mint az áramlással szemben Terjedési időkülönbségek egyenesen arányosak a médium áramlási sebességével nagy idő különbség, nagy áramlási sebesség kis idő különbség, kis áramlási sebesség Áramlási térfogat kiszámítható a cső paramétereinek ismeretében

171 Jel terjedési idő transmission time idő különbség Soro zat 2 1 áramlással egy irányban Sorozat áramlással szemben Fogadott jel ablak

172 Jel terjedési idő meghatározása Trigger szint detektálás: A trigger szint detektálást követően a trigger pontnál történik a TOF (Time Of Flight) számítása adóoldali jel f=1 MHz vevőoldali jel: : jel amplitudó trigger szint trigger pont (zero szint keresztezi a trigger szintet) adóoldali jel vevőoldali jel ablak nyitva

173 Áramló mennyiség kiszámítása Q K * /T 2 T T [BA] - T [AB] T / T² = T [AB] * T [BA] K: kalibrációs együttható / cső paraméterek (, L, D i, )

174 Kialakítás Csőbe szerelhető Felcsatolható kialakítás Utólag felszerelhető Akár 4m-es csövek esetén is alkalmazható Diagonális üzemmódban Széles alkalmazási lehetőségek Előnyök Flexibilis felerősítési lehetőség Folyamat biztonság Gazdaságosság Reflex üzemmódban

175 SIEMENS megoldások 1 utas 2 utas 4 utas Pontosság: 1 3% Pontosság: 0,5 1,5% Pontosság: 0,5% körül

176 Általános felhasználás Méréstartomány: ± 10 m/s (kétirányú) Névleges méret: DN50 DN300 A távadó felszerelhetőség csak távoli Jó hosszú idejű stabilitás Hőmérséklet tartomány: C Nincsen nyomásesés Robosztus alkalmazásokra Felhasználási terület: víz, szennyvíz olaj és LNG/LG forró víz hűtő rendszer

177 Nyomás alatt szerelhető kivitel Méréstartomány: ± 10 m/s (kétirányú) Vezető és nem vezető folyadékokra Névleges méret: DN100 DN1200 Hőmérséklet: alacsony hőm.-re: -200 C szenzor magas hőm.-re: +200 C szenzor Nyomás: max. 430 bar ATEX minősítés Felhasználási terület: petrokémia, erőmű víz, szennyvíz, olaj és LNG/LG

178 Távadó egység Önmonitorozás és diagnosztika 1, 2 és 4 utas érzékelő táplálás Ismert kezelőmező és LCD Pontosság: 0,5% a mért értékre vonatkoztatva Kimenet: 4-20 ma HART; Profibus PA; relé Hőmérséklet tartomány: C Energia számolómű Univerzális hőenergia számolómű Fűtés és hűtés számításhoz EN1434 szerinti energia számítás C tartományban számol

179 FUS felcsatolható család

180 Sztandard változat Méréstartomány: ± 12 m/s (kétirányú) Névleges méret: DN6 DN9140 Pontosság: ± 0,5 1% Ismétlőképesség: ± 0,15% (0,3 m/s Energia mérő Közeg hőmérséklet: C, op.: +230 C Energia arány, felhasználás számítása Alacsony karbantartási költség Forró és hűtővíz mérésére Glycol mérésre

181 Olajmérő Nyersolaj, finomított olaj, cseppfolyósított gáz mérése (csőgörény detektálás!) Többfázisú folyadék és sűrűség indikálása Viszkozitás kompenzált térfogat mérés 1, 2 vagy 3 sugaras változat Méréstartomány: ± 12 m/s (kétirányú) Névleges méret: DN6 DN9140 Pontosság: ±0,5 1% Gázmérő Földgáz, technológiai gáz mérésére, Gázos erőműi alkalmazásokra Pontosság: ± 1-2%, kalibrálva 0,2 0,5% Méréstartomány: ± 30 m/s (kétirányú) Minimális nyomás: 7-10 bar

182 Hordozható mérőrendszerek Névleges méret: 6,4mm 9,14 m Pontosság: ± 0,5 2% Ismétlőképesség: ± 0,15% Low cost változat Méréstartomány: ± 12 m/s (kétirányú) Névleges méret: DN6 DN9140 Pontosság: ± 1 2%

183 Olajipari mérésekhez Szénhidrogén ipari alkalmazásokra Két változat: folyékony szénhidrogén, gázmérés Méréstartomány: ± 35 m/s (kétirányú), DN , DN gázra ± 12 m/s (kétirányú), DN150, 300,600 folyadékra Pontosság: ± 0,5 1% - két utas gáz és folyadék, 0,5 % három utas gáz és folyadék, 0,15 % négy utas gáz és folyadék LDS Leak Detection System Csővezeték monitorozás, Szivárgás 1, 2, 4 utas érzékelés Helyi és számítógépes HMI Csatlakozás SCADA-hoz Alarm kezelés Könnyű kezelő felületek detektálás

184 Örvényleválásos áramlásmérők

185

186 Vortex áramlásmérő Kármán elvű áramlásmérő Örvényleválásos áramlásmérő

187 Leonardo DaVinci figyelte meg az örvények alakulását 400 évvel később Kármán Tódor írta le az örvények fizikai hátterét Felépítés Zavarótest a cső Nyomásérzékelő érzékelésére közepén, ez zavarja meg az áramlást a csőben a zavarótest mögött, a legkisebb nyomásváltozások nyomásérzékelő zavarótest

188 Működés Nincs áramlás nincs keletkező örvény minimális áramlási sebesség elérése után fokozatosan megjelennek az örvények (felváltva a zavarótest két oldalán) Kármán-féle örvénysor alakul ki Nyomáskülönbségek frekvenciája megegyezik az örvények gyakoriságával

189 Működés Nincs áramlás nincs keletkező örvény minimális áramlási sebesség elérése után fokozatosan megjelennek az örvények (felváltva a zavarótest két oldalán) Kármán-féle örvénysor alakul ki Nyomáskülönbségek frekvenciája megegyezik az örvények gyakoriságával Két egymást követő örvény távolsága megfelel egy meghatározott folyadék térfogatnak Az érzékelő tökéletesen kiegyensúlyozott, egyedülálló kialakítású szenzor Médium sebessége egyenesen aránylik a örvények frekvenciájához Szűkítés alkalmazható kisebb áramlási sebességek mérésére, a szűkítés nem befolyásolja a pontosságot

190 Működés Hőmérős kialakítással hőmérséklet függő energia végezhető (pl.: telített gőz, gáz mérés) és tömeg számítás Előnyök Robosztus Megbízható Állandó kalibrációs faktorral bír Széles körben elfogadott

191 Érzékelő felépítés áramlás Differenciál erősítő Ház Piezo érzékelő Piezo 1 Piezo 2 + Piezo 1 - Kimenet PT 1000 class A Piezo 2 Zaj hatása a diff. erősítőn

192 Érzékelő felépítés Beépített hőmérséklet kompenzáció Gőz, gáz és folyadék mérésre Folyadék hőmérséklet: C Re > % for liquids Re > % for gases and steam < Re < % for liquids, gases and steam

193 Vegyipar 33% Olaj & gáz 17% Élelmiszer & Ital 7% Erőmű 7% Gyógyszeripar 5% Fa & papír, 5% Piaci részesedés 22% Gas Steam Liquid 40% 38%