Szenzorok. 4. előadás

Átírás

1 Szenzorok 4. előadás

2 Nyomásmérés szenzorai

3 Definició Ha egy közeg kapcsolatban van egy határfelülettel, akkor a felületre merőlegesen hat a közeg részecskéi között ható erők eredője. Azt a skaláris mennyiséget amit az egységnyi felületre S [m 2 ] ható erő F [N] értékére kapunk P = F/S nyomásnak nevezzük. A fluidok elmélete szerint, a nyomás a fluid lokális tulajdonsága, és a folyadékoszlop adott hely feletti h[m] magasságától valamint a fluid [kg/m 3 ] sűrűségétől függ, azaz: P = gh

4 A nyomás mértékegysége. Függetlenül a definíció módjától a nyomás mértékegységét a Pa (Pascal-t) úgy kapjuk, hogy 1 N erő egyenletesen hat 1 m 2 felületre, azaz 1 Pa = 1N/1m 2. Ez igen kicsi egység a gyakorlati méréseknél.

5 A nyomásméréseket három kategóriába soroljuk: Abszolút nyomás mérése mint nyomáskülönbség mérése a fluid meghatározott pontjában és az abszolút nulla nyomás között, amely a vákuum nyomása. légnyomásmérés: a légnyomás szabványos értéke P a.stand megfelel 760 mm higanyoszlop nyomásának a tenger felszínén, 0 C hőmérsékleten, ha a higany sűrűségét Hg = ,1 kg/m 3, vesszük, normális gravitáció mellett ahol g = 9,80665 m/s 2 (P a.stand. = P a = 1,01325 bar = 1013,25 mbar) diferenciális nyomásmérés, két nyomás különbségének a mérése.

6

7 Mérési tartomány. Nyomást Pa -ig mérünk. Tekintettel az elfogadott kategóriákra, a műszaki gyakorlatban nyomást a következő tartományokban mérjük: Az alacsony abszolút nyomás tartománya (technikai vákuum) ( Pa), A barométeres légnyomás tartománya, A légnyomáshoz viszonyított alacsony differenciális nyomások tartománya Pa túlnyomás, illetve alacsonyabb nyomás. A magas relativ nyomások tartománya (túlnyomás) ( Pa).

8 A szenzorok szerkezete: A nyomásérzékelők lehetnek közvetlen vagy kompenzációs tipusúak. Mindkét esetben közös elemük az elsődleges érzékelő elem, amely a p nyomást vagy a p nyomáskülönbséget erővé alakítja. Ez egy elasztikus elem mely az F erő hatására deformálódik vagy pedig elmozdul x távolságra. A közvetlen átalakítóknál az erő vagy az elmozdulás a következő lépésben (a következő blokkban) elektromos jellé alakul. Elasztikus elem. Pontosságától függ az egész berendezés pontossága. A gyakorlatban leginkább sík- és csőmembránokat alkalmazunk.

9 Nyomás érzékelés Tipikus nyomásérzékelők A deformáció villamos kimenetté alakítása. A villamos érzékelők többsége rendelkezik membrán vagy Burdon cső tipusú primáris elemmel. A primáris elem karakterisztikáitól függ a méréstartomány, a rezonáns frekvencia és a szenzor érzékenysége. Az elem deformációja, a nyomás hatására jön létre, és a továbbiakban villamos jellé alakul át. Megkülönböztetünk elektromágneses, kapacitív, ellennállásos valamint piezoelektromos érzékelőket.

10

11 Elektromágneses nyomásérzékelők. A primáris elem deformációjának érzékelése elektromágneses elmozdulásérzékelővel történik. Leginkább egytekercses induktiv érzékelőt használunk vasmagelmozdulással

12 Elektromágneses nyomásérzékelők.

13 Kapacitiv nyomásérzékelők. Működésük lényege abban rejlik hogy elmozduló elektródájuk a fém membrán.

14

15

16

17

18 Potenciométeres nyomásérzékelők. Az elasztikus elem defomációja potenciométerrel is érzékelhető.

19

20 Piezoelektromos nyomásérzékelők. Két módon épülnek: Az első esetben a deformálódó elemen keresztül erő hat a piezoelemre, amelyen a nyomással arányos villamos töltés jelenik meg. A második esetben a piezoelem mechanikus oszcilátor alakjában készül, melynek rezonáns frekvenciája a mért erő illetve nyomás függvényében változik.

21

22 Optoelektronikus nyomásérzékelők. Az elasztikus elem deformációja modulálja a fény intenzitását amely a fotoérzékelőre esik.

23 Húros érzékelők. A kifeszített húr egyik vége a deformálódó elemhez van rögzítve. A húr így valójában egy mechanikus oszcilátor melynek rezonáns frekvenciája fordítottan arányos a húr hosszával és megfeszítettségével, ezáltal a mért nyomással is.

24 Erőkompenzációs érzékelők visszacsatolási erőt hoznak létre, amelyel a deformálódó elemet egy szervomotorral visszatérítik az eredeti helyzetbe

25 Nyúlásmérő bélyeges átalakítók A nyúlásmérő bélyeg (tenzoelem, mérő bélyeg) a mechanikus deformáció passzív ellenállásos érzékelője. Működési elve azon alapszik, hogy az ellenállás értéke változik amennyiben az ellenállás anyaga elasztikus deformációnak van kitéve. A mérőbélyeg elsődlegesen felületi deformációk mérésére szolgál, valamin közvetve azon nagyságok mérésére, melyek ilyen deformációkat hoznak létre. Így nyúlásmérő bélyegeket alkalmazunk: nyomás, erő, nyomaték, gyorsulás, vibráció, szint stb. mérő szenzorok készítésénél.

26 Felépítés szempontjából a tenzoelemek négy tipusát különböztetjük meg: 1. Szabad vagy nemragasztott huzal amely egy megfelelő tartószerkezetre van kifeszítve. A huzal 0,025-0,02 mm vastag és 2-4 cm hosszú konstantán. A tartószerkezet mozgó részének elmozdításával változik a huzal megfeszítettsége. A deformációval arányosan változik a huzal ellenállása.

27 2. Fém vagy félvezető mérőbélyeg, mely teljes hosszában a deformálódó felületre van felragasztva. Az érzékelők gyakorlatában ez a típusú tenzoelem a leggyakoribb. 3. Vékonyrétegü fémellenállás tartósan beágyazva a deformációs felületre. 4. Félvezető ellenállást diffúziós eljárással a szilicium deformációs elem felületébe visznek. Az ilyen tenzoelemet piezorezisztiv szenzornak is hívják.

28 A szenzortechnika e területén a fólia alakú tenzoelemek leginkább a alkalmazott szenzorok. Az ellenállásbélyeg a deformáció mérésének irányától függően van kialakítva. A huzal amiből az ellenállás készül 0,003-0,01 mm vastag. Anyaga pedig minél nagyobb fajlagos ellenállással és minél kisebb hőmérsékleti állandóval kell hogy rendelkezzen. a ragasztó kiválasztása (a ragasztó mechanikus és termikus tulajdonságainak, amennyire csak lehet, hasonlítani kell ahhoz az anyagéhoz melynek a deformációját mérik, mert csak az ilyen ragasztó tudja a mért deformációt a felületről a fóliára csúszásmentesen átvinni).

29

30

31 Hőmérséklet hatására a mérőbélyeg ellenállása és a méretei is megváltoznak. Hőmérsékletkompenzáció passzív tenzoelem segítségével. A tenzoelem ellenállásváltozását Wheatstone híddal érzékeljük, ami hatásossan felhasználható a hőmérsékletváltozás kompenzációjára. A híd egyik ágában mérő (aktiv) tenzoelemet kapcsolunk, erre az elemre kihat az igénybevétel és a hőmérséklet is. A híd szomszédos ágába kompenzációs (passzív) tenzoelemet kapcsolunk, mely a következő három feltételt kell hogy kielégítse:

32 ugyanolyan karakterisztikái vannak mint a mérő tenzoelemnek, azaz ugyanabból a készletből való, ugyanolyan anyagból készült alapra van ragasztva mint a deformálódó elem és a deformálódó elemmel megegyező hőmérsékletű, de a deformáció szempontjából semleges helyre van ragasztva. Ezeket a feltételeket viszonylag egyszerűen ki lehet elégíteni. Legegyszerűbb, ha a kompenzációs tenzoelemet az igénybevételre merőlegesen ragasztjuk. Abban az esetben a tenzoelem érzéktelen a mért terhelésre, így csak a hőmérsékletváltozásra reagál.

33 A leírt kompenzálási módszer leegyszerűsödik ha az adalékos tenzoelem is aktív. A gyakorlati méréseknél gyakran meghatározható a deformációs elemen két egymáshoz közeli pont, tehát ugyanazon a hőmérsékleten, ahol az igénybevételek aránya előre ismert.

34 Különösen kedvezőek azok a pontok, ahol a terhelések értéke megegyezik, csak az előjelük különböző.

35 Tenzoelemekből összeállított mérőhidak. A tenzoellenállások változásának érzékelésére nemkiegyensúlyozott Wheatstone hidat használunk. A híd kimenő feszültsége arányos a mért deformációval. Ezeknek a hidaknak három alapkonfigurációját ismerjük. A váltakozó elem a hídnak egy, kettő vagy négy ágába vannak beépítve.

36

37 Tenzoelemekből összeállított mérőhidak. Ha a hídnak csak egy ágába van beépítve változó elem az elem mechanikai terhelésével a tenzoelem ellenállása R + R-re változik, Így a híd kimenő feszültsége: ahol: R l l K K R -hosszanti deformáció -arányossági állandó U i K U 4 2K

38 Ha a híd két ágába kötünk tenzoelemeket és azok terhelése úgy intenzitásra mint előjelre megegyezik, a tenzoelemeket a szembelévő ágakba kötjük. U i R 2R R U 2 K U K

39 Ha a híd mind a négy ágába tenzoelem kerül akkor azokat párosítjuk, és úgy helyezzük el hogy egyenlő intenzitású, de ellentétes előjelű igénybevételnek legyenek kitéve. U i R R U K U

40

41 A vákuummérők különleges szenzorok melyek 100 Pa tól Pa terjedő nyomástartomány mérésére szolgálnak. 100 Pa-nál nagyobb abszolút nyomás mérésére Bourdon csöves, membrános vagy csőmembrános primáris átalakítójú szenzorokat alkalmazunk. A vákuumérő szenzorok a hőelvezetés vagy a gázok ellenállásváltozá-sának elvén működnek. A hőelvezetés elvén működő szenzorok az 1000-től 0,1 Pa tartományra, a jonizációs vagy gázellenállás változás elvén működő szenzorok alacsonyabb abszolút nyomás mérésére alkalmasak ( Pa).

42 Digitális nyomásérzékelők A Bourdon cső végének elmozdulását egy inkrementális enkóderrel felszerelt tengely elmozdulásává alakítjuk. A szög arányos a mért p nyomással.

43

44 Szintérzékelők

45

46

47 A szint a folyékony, vagy szemcsés (poros, darabos) anyag magassága az edényben. Lényegében a szint határfelület két szomszédos, különböző sűrűségű közeg között egy referens vizszintes felülethez viszonyítva. A szintmérő szenzorokat nívómétereknk nevezzük. A szintet a hosszúság mértékegységében fejezzük ki. Szemcsés, darabos anyag szintjének mérése. Szén, liszt, gabona, cement és hasonlók, műszaki szempontból lényegesen különböznek a folyadékok szintjének mérésétől,

48 A pontos méréshez ismerni kell az anyag mozgatás módját, a szemcsék-darabok alakját és nagyságát, az edény alakját valamint töltés és ürítés a módját.

49 Mennyiség (űrtartalom) mérés. A folyékony vagy szemcsés anyag mennyisége egy tartályban meghatározható a szint ismeretében. A magasság függvényében változó keresztmetszet miatt az űrtartalom integrál egyenlettel adható meg: h V S h dh 0 A keresztmetszet változása a szint függvényében S(h) ismert az adott tartályra. Egy algoritmussal rendelkező digitális szintmérő a szint pillanatnyi értéke mellett információt ad a tartályban lévő anyag mennyiségéről (űrtartalmáról) is.

50 Méréstartomány. A méréstartomány nagysága szerint megkülön-böztetünk széles tartományú (0,5-től 25m) és keskeny (0-tól 100 mm) mérőtartományú szintmérőket. A szintmérésmódszerek két csoportba oszthatók. Az első csoportba tartoznak a kiválasztott diszkrét pontokban történő szintmérés módszerek (minimum, maximum), a másodikba a folyamatos szintmérés módszerek.

51 Szintmérési technikák Úszós szintmérők. Az úszó egy mm átmérőjű gömb. a folyadék felszínén úszik, melynek a szintjét mérjük. Az úszó helyzete mechanikus úton egy mutatóra vagy egy szögelfordulás érzékelőre kerül. Az úszó vagy a tartály fala mellett helyezkedik el vagy egy külön kamrában a tartályon kívül. Az ilyen szenzorok minimális tarománya 10 mm, Tipikus pontosságuk a mérőtartomány 1,5 %-a

52 Nagyobb tartományok esetén az úszóra ellensúlyt kötünk. Az úszó szerkezeti paramétereit úgy számítjuk, hogy egyensúlyi helyzet álljon elő egy bizonyos merülési mélységnél. ahol: F F p Sh 1 t g F és F p S h 1 t -az ellensúly es az úszó súlya N -az úszó keresztmetszetének felülete m 2 -az úszó merülési mélysége m -a mért folyadék sűrűsége kg/m 3 h 1 meghatározza a minimális mérhető szintet.

53

54 Szalagos szintmérő. Kőolaj vagy kőolajszármyzékok esetén úszós szintmérőt alkalmazunk, amely perforált fém szalaggal ellensúly helyett egy rugóhoz van erősítve. A függőleges vezetők gátolják az úszó oldalirányú mozgását. Felbontása 1 mm-ig. Az információs jel továbbítása. Az úszós érzékelők jellegzetessége, hogy az úszó elnozdulását egyenesvonalú vagy szögelmozdulássá alakítják. Az ilyen tipusú elmozdulás viszont pontenciométeres érzékelővel villamos jellé alakítható

55 Merülős érzékelők A merülős érzékelők a felhajtó erő, azaz Archimédes törvénye alapján dolgoznak. A merülő álltalában egy cilindrikus keresztmetszetű rúd mely felső vége egy erő érzékelőre van erősítve. Sűrűsége nagyobb mint a mért folyadék sűrűsége t, a hossza L közel megegyezik a mérési tartománnyal. Az F u felhajtó erő miatt a merülő súlya F g csökken, így a szenzor a következő erőt érzékeli: F F g F u gsl t gs h h 0

56 ebből következik, hogy a mért szint arányos az F erővel: H L t h F gs k 0 1 t k 2 F

57 Hidrosztatikus érzékelők Ezen szenzorok működési elve Pascal törvényén alapul, mely segítségével kiszámítható a p nyomás sűrűségű, nyugott, homogén fluidban h mélységen: p gh

58

59

60 Kapacitiv szintérzékelők leginkább sík vagy cilindrikus (koaxiális) kondenzátorok melyek fegyverzetei között a mért folyadék helyezkedik el. A folyadék lehet vezető vagy szigetelő. C e C 1 C 2 C 3 k 1 k 2 h ' ' C2C2 C3C3 C e C1 k 3 k 4 h ' ' C C C C

61 Ellenállásos szintmérők leginkább egy kifeszített fém szalagból és egy ellenálláshuzalból állnak. A folyadék vagy a szemcsés anyag felszíne alatt a szalag és ahuzal rövidre vannak zárva. Az áramkör ellenállása a felszín felett arányos a mért szintel. ahol: A R A H h -az ellenállás keresztmetszete -az ellenállás anyagának fajlagos ellenállása

62

63 Ultrahangos szintérzékelők A hanghullámok, ultrahanghullámok és a mikrohullámú sugárzás visszaverődése két fluid határfelületéről hatásosan alkalmazható a szintmérés területén. A szint arányos az eltelt T idővel, amíg a hullám megteszi a forrástól az érzékelőig az utat. ahol: v v h T 2 -a hanghullámok sebessége a mért közegben.

64

65 Diszkrét szintértékek érzékelője Vezető folyadékoknál legegyszerűbb az érintkező ellenállások kivitelezése. Vezető folyadék jelenléte az érintkezők közötti az ellenállást nullára csökkenti. Az ellenállásokon amelyeken áram folyik keresztül 4-5 ször nagyobb a hőleadás ha folyadékban vannak mintha levegőben lennének így kisebb a hőmérsékletük. Az ellenállás megváltozása a Wheatston híd egyensúlyának megbomlásához vezet. Az optoelektonikus jelzők érintkezőmentesek, és alkalmasak gyúlékony vagy robbanésveszélyes folyadékok szintjelzésére. Optikai prízmából és optoelektronikai párból -fotodioda és LED diodábólkészülnek.

66

67

68

69

70

71 Átfolyás érzékelők

72

73

74 Az átfolyásmérés alapjai Az átfolyás a szemcsés, folyékony vagy gáznemű anyag azon mennyisége amely a megfigyelt keresztmetszeten egységnyi idő alatt áthalad. A mennyiséget térfogategységekben fejezik ki. Eszerint megkülönböztetünk: tömeg átfolyást: dm Q m kg / dt s

75 térfogat átfolyást: dv 3 Q V m / dt s A tömegátfolyás egyértelműbb, mivel a mozgásban lévő anyag valós tömegét írja le. A térfogatátfolyás függ a sűrűségtől, a nyomástól és a hőmérséklettől, valamint a helyi gravitációtól. Az átfolyás szenzorokat átfolyásmérőknek nevezik.

76 A fluid mennyisége amely a t = t 1 t 2 időintervallumban az átfolyásmérőn áthalad a következő integrállal számítható: m t 2 Q mdt és V t 1 t t 2 1 Q V dt A szenzort, amely méri és integrálja az átfolyást, átfolyás és mennyiség érzékelőnek hívják

77 Gázok átfolyása. A gázok átfolyásmérése függ a hőmérsékletüktől és a nyomásuktól. Ezért a gázok átfolyását a gázok normalizált állapotához viszonyítva fejezzük ki, amelyet p n = Pa nyomás és a T n = 293,15K hőmérséklet határoz meg = 0 % relativ nedvességtartalom mellett. Így: Q m Q V n ptn p Tk n Q V ahol k koeficiensel a gázok tökéletlenségét korrigáljuk magas nyomáson.

78 Szemcsés anyag átfolyása visszavezethető súlymérésre. Ipari folyamatoknál a szemcsés-darabos anyagot szállító szalagok viszik melyek sebessége v. A szalag egy darabja (l hosszúságú) mint a mérleg tálcája szerepel mely alatt egy erő (súly) szenzor van, és a kimenetén a következőt adja: Q m mv l kg s

79 Térfogatátfolyás mérésének elve Az átfolyás térfogat átali mérése az anyag egy keresztmetszeten áthaladó térfogatának követésén alapul valamely paraméter mérésével. Érzékelők fojtóelemmel A fojtóelem megváltoztatja a potenciális és a kinetikai energia viszonyát, ami ismert geometria mellett, lehetővé teszi hogy a fojtóelem nyomáskülönbségének mérésével egyértelműen meghatározzuk az átfolyást.

80

81

82

83 Rotaméter A rotaméter a lebegő úszóval mint mozgóelemmel felszerelt átfolyásmérő kommerciális elnevezése. A rotaméter kónuszos csövét kis dőlésszög jellemzi, így az átfolyás Q v közelítőleg egyenesen arányos az úszó h magasságával.

84 Rotációs mennyiség érzékelők A rotációs térfogatátfolyás ézékelők működési elve diszkrét mennyiségek közvetlen mérésén alapul, mérőedények segítségével, melyek a fluid áramlásával arányos sebességgel forognak

85 Turbinás átfolyásmérő A térfogatmérő átfolyásérzékelők sebességméréssel rendelkeznek turbinával mint érzékelőelemmel. A turbina egységnyi idő alatti fordulatszáma n arányos a fluid v sebességével a megfigyelt S keresztmetszeten: V S k N N 2 1 ahol: N 2 N 1 -a számláló által mutatott mennyiség, illetve a turbina fordulatszáma a t 2 t 1. időszakban

86

87

88 Az ultrahangos érzékelők az átfolyás sebességét az ultrahang és az átfolyó fluid kölcsönhatása alapján mérik. műszaki gyakorlatban leginkább az ultrahang fázis változását vagy frekvenciaváltozását mérjük a fluidon való áthaladásakor, illetve az időt míg az ultrahang áthalad a fluidon. Ultrahang generátorként és érzékelőként mm átmérőjű piezokeramikus tárcsákat hassználunk.

89 Impulzusos üzemű ultrahangos átfolyás mérők. Az ultrahang terjedésének sebessége álló fluidban c. v sebességgel mozgó fluidban az ultrehang terjedési sebességét a következő vektoros összeg adja meg: c v Az átfolyás arányos t = t 2 t 1 -vel, azoknak az időknek különbségével ami alatt az ultrahang a folyás irányába és a folyás irányával szemben eljut az adótól a vevőig.

90

91 Frekvenciaváltozás elvén működő ultrahangos áramlásmérők. A f frekvenciaváltozást mérik ami az ultrahang folyás irányába és vele szembeni haladásakor jön létre. Doppler effektus elvén működő ultrahangos szenzor. A Doppler effektus azt a látszólagos frekvenciaváltozást írja le ami attól függően keletkezik, hogy a hullám forrása az érzékelő felé halad vagy távolodik tőle.

92 Termometriás áramlásmérők Melegített cső tipusú kalorimetrikus érzékelő. A melegítő elé és mögé ellenállásos hőmérőket teszünk. Elhaladva a melegítő mellett a fluid felmelegszik, az így kapott hőmérsékletkülönbség T 2 T 1. Ha a melegítő teljesítménye állandó, a cső pedig szigetelve van, úgy hogy a melegítő által felvett energia csak a fluid melegítésére szolgál, akkor a hőegyensúly egyenlete a következő: W kq T ahol: k korrekciós állandó, c p a fluid (gáz állandó nyomáson) fajlagos hőkapacitása (T 1 + T 2 )/2 hőmérsékleten. m c p