Készítette: Dr. Füvesi Viktor 2015. 3.
o Szintmérés o Analóg multiplexer o DA konverterek o AD konverterek
Szintmérés
o Szintmérési elvek o Szintkapcsolók o Kapacitív szintmérők o Ultrahangos szintmérők o Radaros szintmérők
Úszós szintjelzés Jelzők és mérők Membrános szintmérés Súlymérésre visszavezetett szintmérés Mágneses szintmérés Úszó szintkapcsoló Hidrosztatikus elven működő szintmérés Nyomásmérésre visszavezetett szintmérés Fenéknyomás mérésre visszavezetett szintmérés Lézeres szintmérés Vezetőképességi elven működő szintmérés Szintkapcsolók (forgó lapátos, kapacitív, billenő, vibrációs, ultrahangos) Kapacitív elven működő szintmérés Ultrahangos, Radaros szintmérés
Ipari megoldások Üvegcsöves szintjelző Úszós szintjelző Membrános szintjelző
Hidrosztatikus elvű 1 Elterjedt megoldások Hidrosztatikus elvű 2 Nyomásmérésen alapuló
Elektromechanikus elvű Előnyök és hátrányok Lézeres szintmérő Kapacitív szintmérő
Forgó lapátos Általános Extrém nyomás és hőmérséklet Rezgővillás folyadékra Billenő Ultrahangos Nagy nyomás és hőmérséklet Rezgővillás ömlesztett anyagra Kapacitív
A forgólapátos szintkapcsoló ömlesztett szilárd anyagok, különféle porok, szemcsés és granulált anyagok szintjének jelzésére szolgál (pl. gabona, pernye, fűrészpor, mészkő, szén, agyag, stb.). A forgólapátot szinkronmotor hajtja. Amint a mérendő közeg eléri a forgólapátot, azt lefékezi, megakadályozza forgását. A beépített nyomatékkapcsoló ekkor egy nagyterhelhetőségű váltóérintkezővel külső jelzésre, működtetésre alkalmas kontaktust ad, illetve egy másik érintkezővel a forgatómotort kikapcsolja Granulátum, por, ragadós anyagok mérésére Sűrűség 15 g/l (2,19 lb/ft 3 ) Méréstartomány: 100 mm 10 m Hőmérséklet és nyomás Közeg hőmérséklet: -25 350 C Nyomástartomány: st. 0,5 bar, op. 10 bar AC és DC tápfeszültségű üzem Tele, üres és igény szerinti alarm relé Különleges súrlódó tengelykapcsoló Opcionálisan fail safe konfigurálás (elforgás figyelés)
Miltronics Tilt Switch Probe Működés: elektromechanikus kapcsolás higany zárt térben Granulátum, ömlesztett anyagok szint kapcsolására alarm jelek biztosítására (alsó és felső szint) Kapcsolási adatok áram: 2 A feszültség: 24 VDC Szög: 17 bármelyik irányban Alkalmazási terület szállító szalagnál anyag hiánya jelzés, száraz, ömlesztett anyagoknál, folyadékoknál.
Vibrációs szintkapcsoló villa A készülékek működése a rezgővilla által érzékelt anyagtól függő rezonanciafrekvencia-változás elvén alapul. A piezokristályt tartalmazó mérővilla rezonanciafrekvenciájának a levegőben szabad oszcillálástól való eltérése a villa érintkezési felületétől, az érzékelt közegtől, annak sűrűségétől és viszkozitásától függ. Folyadékok, zagyok, trutymók mérésére Bemerülés: 40 mm Hiszterézis: kb. 2 mm Kapcsolási idő: 0,5 s Kimenet: PNP tranzisztor Hőmérséklet és nyomás Hőmérséklet tartomány közeg: -40 150 C (-40..150) Nyomástartomány: 1 64 bar Piezoelektromos vibráció 1200 Hz rezonancia frekvenciával (beépített oszcillátor hangolódik el) Túlfolyás, üres és igény szerinti alarm relé Turbulens áramlás, buborékos közeg esetén is használható Korrózió figyelésre is alkalmas
Ömlesztett anyagokra Ömlesztett anyagok mérésére LVS100 méréstartomány: 170 mm. 2 m LVS200 méréstartomány: 165 mm. 4 m Frekvencia: LVS100: 200 Hz, LVS200: 125 Hz (op. 350 Hz) Kimenet: 8 A, 250 VAC vagy 5 A, 30 VDC Hőmérséklet és nyomás Hőmérséklet tartomány: -40 150 C Nyomástartomány: 10 bar Mechanikai behatásokra érzéketlen Külső vibrációra nem érzékeny Tele, üres és igény szerinti alarm relé Az LVS200 opcionális 4-20 ma kimenettel Silókban, hombárokban ömlesztett anyagokra
1831 1864 1930s 1950 1953 1993 1998 1998 Történeti áttekintés Michael Faraday próbarendszere egy dielektrikummal, elektróda felhasználásával James Clerk Maxwell (skót matematikus) a Faraday elvet alkalmazza az elektromágneses hullámzásra radar technika alapja Két elektródás rendszerek bevezetése Kapacitív elven működő tartály szintmérési eljárások fejlesztése Az Endress + Hauser kifejleszti a kapacitív szintmérést tartályokra A Meridian Instruments B.V. (Hollandia) kifejleszti a frekvenciamodulációs elvű kapacitív szintmérőt A Milltronics megvásárolja a Meridian Instruments B.V. 70%-át Milltronics bevezeti a Pointek Serie elnevezésű kapacitív elvű szintmérőt
Kondenzátor kapacitása A kondenzátor két lemeze között egy dielektrikum Dielektromos állandó Lemezfelület Kapacitás Lemezek közötti távolság
Különböző anyagok Dielektromos állandók Levegő 1.0 Rizs 3.5 Víz 80 (20 C) Fly Ash 1.9 2.6 Formic Acid 59 Methanol 33 Petróleum 1.8 2.2 Urethán 6.5 7.1 Levegő Aceton Víz 20 C 1.0 21 80
Számítás d D C C = K1 x L x r log(d/d) (pf) ahol K1= 24,3 m-ben L C = Kapacitás változás (pf) L = Szonda távolság (m) r = A mérendő anyag dielektromos állandója D = Tartály átmérő (cm) d = Szonda átmérő (cm)
Kondenzátor kapacitása A levegő 24,3 * C r * L = B levegő d=16 mm d=16 mm 2 m D 0,5 m D CA = 24,3 * 1 * 1 log(2/0,016) 24,3 * 1 * 1 log(125) 24,3 = = = 2,1 11,5 pf/m CB = 24,3 * 1 * 1 log(0,5/0,016) 24,3* 1 * 1 log(31,25) 24,3 = = = 16,25 pf/m 1,5
Pointek CLS200 Anyag jelenléte (nem léte) érzékelés Szintmérésnél Hi és Lo alarm Folyadékra, szilárd anyagra, zagyra, határfelületre Jellemzők Változatos csatlakoztatás Univerzális AC/DC táplálás Konfigurálható kimeneti opciók (relé v. Profibus PA kommunikáció) Minden szabványos szintkapcsoló feladatra
Pointek CLS300 Ez is kapacitás elhangolódással mér Szintmérésnél Hi és Lo alarm Folyadékra, szilárd anyagra, zagyra, habra, határfelületre Jellemzők 5 DIP kapcsolóval kalibráció Méréshatár: rúd 1m, kábellel 20 m Hőmérséklet: -40 400 C Univerzális AC/DC táplálás Konfigurálható kimeneti opciók (relé v. Profibus PA kommunikáció) SIL2 alkalmazás Lloyd hajóipari regisztráció
Felépítés Nyomástartomány: vákuum 35 bar Hőmérséklet: - 40 +200, op. + 400 ºC ATEX minősítés Hőmérséklet izoláció Kerámia elválasztó Anyag SS 316L
Mérési módszerek Nyomáskülönbségre visszavezetett Tipikusan használt (SIEMENS): DSIII Gravimetrikus Kapacitív Súlymérésre visszavezetett mérés Széles tartományban használt, elterjedt Ultrahangos Zajos és poros környezetben különösen használt Radaros Vezetett és sugárzó radaros
SITRANS LC300 Jellemzők méréstartomány: max. 5 m, 1,66-3300pF standard (6600pF opció), pontosság: 0,4 % Kimenet (galvanikusan leválasztott) Átfogás 1:10000 Kimeneti jel: 4-20 ma / 20-4 ma Hőmérséklet tartomány Standard: -40 +200 C Nyomástartomány Standard: -1 35 bar Integrált LCD Csatlakoztatás rozsdamentes csavar Technológiai csatlakozás PFA (PerFluorAlkoxi)
Történeti áttekintés 1987 1992 1995 1999 2001 MultiRanger Echomax MultiRanger 100/200 The Probe EnviroRanger ERS 500
Reflexió érzékelésen alapuló mérés visszhang mérése Példa: levegőben a visszhang 58,2 ms múlva érkezik:
Kompakt kivitel Kontaktusmentes ultrahangos kapcsoló Folyadék 0,25 5 m Ömlesztett szilárd 0,25 3 m Mérés: szilárd, folyadék és zagy közegre (még nyúlós folyadékra is) Jól használható ragadós folyadékra is! Két kapcsolási pont (HiHi, Hi, Lo vagy LoLo), de lehet szivattyú vezérlésre is Beépített hőmérséklet kompenzáció Két nyomógombos programozás Ex kivitel
Digitális kimenet A piacon a legpontosabb eszköz 0.15% Kétvezetékes ultrahangos távadó (54 khz) Méréstartomány: 0,25 6 vagy 0,25 12 m Szint és térfogat mérése Nagy jel/zaj viszony Sonic Intelligence Automatikus False-Echo elnyomás IP67 IP68 HART vagy PROFIBUS PA kimenet SIMATIC PDM a távműködtetésre és diagnózisra Ex ia alkalmazás
LUT420/430/440 HydroRanger 200 HydroRanger Plus MultiRanger 100/200 LUC500 LUC01/02/10 LU AO
Általános célú egytávadós vezérlő Csatlakozó érzékelők: Ultrahangos érzékelő (echomax) Hőmérséklet érzékelő (Siemens TS-3) Méréstartomány: 0,3 60 m (távadótól függ) Táplálás: AC vagy DC Hőmérséklet kompenzáció (-40 150 C) Pontosság: ± 1 mm (LUT440 0,6 mm) Kimenet: 4-20 ma analóg 2 vezérlő, 1 alarm relé HART 7.0 és USB kommunikáció Háttér világítású LCD 4 nyomógomb a helyi programozáshoz
Vízkutak, gátak monitorozására Víztározóknál szivattyú monitorozásra Rendszer monitoring és hálózat analizálás Méréstartomány: 0,3-15 m (1-50 ft) Kimenet: 6 relé Távadó táplálásra 44 khz kimenet (Echomax) Hőmérséklet kompenzáció -50 +150 C tartományban
Víz monitoring és szabályozás Víz és szennyvíz monitoring Méréstartomány: 15 m (50 ft) Kapcsoló: 5 relé Jellemzők: Adatgyűjtés Beépített telemetriai képesség Szivattyú vezérlés biztosítása MODBUS RTU/ASCII kommunikáció SmartLinx kommunikációs opció
Echomax XPS/XCT Echomax XRS-5 Echomax XLT Echomax ST-H
Szilárd anyag és folyadék mérésre Szint: XLT-30: 0,9 30 m, XLT-60: 1,8 60 m Tápfrekvencia: XLT-30: 22 khz, XLT-60: 13 khz Sugárzási szög: 5 Öntisztító Magas hőmérséklet tartomány: -40 +150 C Távadó távolság: max. 365 m ATEX, CSA, FM, SAA approvals
Vegyi anyag tartályokban szintmérésre Szintmérés: 0,3 10 m Hőmérséklet kompenzáció beépített érzékelővel Táplálás 44 khz frekvenciával Szűk sugárzási zóna Beépített egység 2 átmérőjű Magas hőmérséklet (up to 150 o C) Széleskörű minősítés ATEX, stb. Olcsó, könnyen installálható
Radar elvű szintmérés Kontaktusmentes mérés, nem igényel közvetítő közeget (mint az ultrahang) Gőz, por, nyomás, hőmérséklet nincsen hatással a mérésre 2 vagy 4 vezetékes mérések 6 vagy 24 GHz mérőfrekvencia, 78 GHz (LR560) Auto False-Echo Suppression Terjedési idő mérés Simatic PDM, HART, Profibus PA, Foundation Fieldbus Magas jel/zaj viszony
Radar szintmérők LR560 LR200 LR250 Probe LR LR260 LG200 LR400 LR460
SITRANS Probe LR Kétvezetékes (sugárzó botantennás) radaros távadó folyadékok és zagyok szint és térfogat mérésére 10 mm (0.4") pontosság Nincs hatással a gőz, vákuum, nyomás, kosz, extrém hőmérséklet Méréstartomány: 20 m (66 ft) Magas jel/zaj viszony Sonic Intelligence Frekvencia: 5,8 GHz (6,3 GHz USA) Auto False-Echo elnyomás HART kommunikáció SIMATIC PDM
Kürtős kivitel Két vezetékes radar távadó folyadékra és zagyra tartályban 25 GHz 5 mm (0.2") pontosság Antenna méret (40 mm-10 m,48,75,95 mm- 20m) növekvő méret=nagyobb pontosság Intelligens távadó SS316 antenna (op. Hastelloy C-220, PVDF) Hőmérséklet -40 150 C, nyomás max. 40 bar HART, PROFIBUS PA és Foundation Fieldbus kommunikáció SIMATIC PDM
Szilárd anyagokra készült radaros szintmérő 5 mm (0.2") pontosság LR260 2 vezetékes, 25 GHz-es LR460 4 vezetékes, 24 GHz-es (extrém koszos környezetben alkalmazható) Méréstartomány: 100 m Magas hőmérséklet (200 C) Ideális eszköz poros és koszos környezetbeli alkalmazásra Levegő bemenet tisztításra HART vagy PROFIBUS PA kommunikáció SIMATIC PDM
Vezetett radaros szintmérő Guided Wave Radar Folyadékok és szilárd anyagok mérésére 1 vagy két rudas rendszer Határfelületek mérésére is Habos felületek nem zavarják Maximális méréstartomány: 22,5 m 2,5 mm pontosság Magas hőmérsékletű (427 C) és nyomású (430 bar) alkalmazás HART vagy PROFIBUS PA kommunikáció SIMATIC PDM
Technológia... Multiplexer csatorna kiválasztás Mintavételező, tartó áramkör mintavétel, tartás kész Analóg / digit ál is átalakító adat start Input /output illeszt és Központi egység (CPU)
A 1 B 1 A i B i Vezérlő egység 1. csatorna Szűrő A 2 B 2 2. csatorna Szűrő Erősítő A/D konverter A n B n n. csatorna Szűrő
Kiválasztási szempontok Elemek Relé, FET, CMOS Csatornaszám 2, 4, 8, 16, 32 vagy több BRM Break Before Make megoldás Repülő kondenzátoros elv Élettartam Típus egypontos, kétpontos (single ended, differential) Jelszint alacsony szintű vagy magas szintű AMUX, Hierarcia egyszerű, hierarchikus Forrás ellenállás kicsi vagy erősítőkapcsolással alkalmazott (instrumentation amplifier) Beállási idő lassú vagy gyors
AD és DA konverterek
Definíciók és jellemzők Abszolút pontosság Relatív pontosság Felbontás Átalakítási idő Feléledési idő LSB (Least Significant Bit) MSB (Most Significant Bit) Linearitás DAC Szorzó típusú DAC ADC Stabilitás Tápfeszültség érzékenység Hőmérsékleti tartomány Tárolási hőmérséklet Működési hőmérséklet Nulla hiba Erősítési hiba CMRR
digitális bemenetek 1.bit - MSB 2. bit 3. bit - LSB Egyszerű 3 bites D/A konverter 0 0 0 1 ma 1 1/2 ma 1 1/4 ma 1 10k 20k 40k I R 5k U ki = - R Σ I 10 V 1/2 FS 1/4 FS 1/8 FS U ki U ref Jellemzők: egyszerű felépítés különböző ellenállások negatív kimenet növekvő felbontás, növekvő ár Érték MSB 2. bit LSB I [ma] U ki [V] 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0.25-1.25 2 0 1 0 0.5-2.5 3 0 1 1 0.75-3.75 4 1 0 0 1-5 5 1 0 1 1.25-6.25 6 1 1 0 1.5-7.5 7 1 1 1 1.75-8.75
u ref R-2R létrahálózat R R R 2R 2R 2R 2R 2R b n b n - 1 b 1 b 0 0 1 0 1 0 1 0 1 Jellemzők: Két ellenállás érték Egyszerű összegzés Pozitív kimenet - + R Műveleti erősítő u x u x u r b 2 n 1 b n1 2 2 b 2 1 n 2 b 0 n1 MSB LSB
Kiválasztási szempontok Milyen felbontásra van szükség? 8, 10, 12, 16, stb. Milyen a bemeneti jel? TTL, 2 s komplemens, BCD, Bemenet típusa soros, párhuzamos, egyéb Milyen kimeneti jelre van szükség? feszültség, áram Milyen a referencia jel? fix (belső, vagy külső), változtatható A digitális illesztés? szűrt, tranziens, frekvencia Hőmérséklet tartomány környezeti, extra, katonai
feszültség Számláló típusú Jellemzők: U be analóg bemenet U DA komparátor egyszerű, olcsó, lassú, S/H erősítőt igényel, pontatlan, alig használt, komparátorral szembeni igény D/A átalakító D 0 D n digitális kimenet Számláló és regiszterek vezérlő logika órajel U be Start U DA 0111 idő
Sorozatos közelítésű (Szukcesszív approximációs) U be - analóg bemenet komparátor U DA D/A átalakító U komp Jellemzők: gyors, S/H erősítőt igényel, pontos, sokbites, komparátorral szembeni igény D 0 D n digitális kimenet Sorozatos közelítésű regiszter SAR vezérlő logika órajel Start
Szukcesszív approximációs konverter működése U be = 6,8 V U r = 10,0 V n = 8 bit A/D kimenet: 10101011 lépés D/A input U DA U komp bit érték 0 (törlés) 00000000 0,00 false (0) - 1 01111111 4,96 false (0) b 7 =1 2 10111111 7,46 true (1) b 6 =0 3 10011111 6,21 false (0) b 5 =1 4 10101111 6,84 true (1) b 4 =0 5 10100111 6,52 false (0) b 3 =1 6 10101011 6,68 true (1) b 2 =0 7 10101001 6,60 false (0) b 1 =1 8 10101010 6,64 false (0) b 0 =1
feszültség (V) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Szukcesszív approximációs konverter működése U be =6,8 V U DA törl. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. kész 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
U (V) Szukcesszív approxiációs A/D konverter Uref 12 offset 0,5 Ux 4 Lépés Helyiérték b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 DAinput DAoutput Komp. Bitérték 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,023 1 7 0 1 1 1 1 1 1 1 127 5,977 IGAZ 0 2 6 0 0 1 1 1 1 1 1 63 2,977 HAMIS 1 3 5 0 1 0 1 1 1 1 1 95 4,477 IGAZ 0 4 4 0 1 0 0 1 1 1 1 79 3,727 HAMIS 1 5 3 0 1 0 1 0 1 1 1 87 4,102 IGAZ 0 6 2 0 1 0 1 0 0 1 1 83 3,914 HAMIS 1 7 1 0 1 0 1 0 1 0 1 85 4,008 IGAZ 0 8 0 0 1 0 1 0 1 0 0 84 3,961 HAMIS 1 Eredmény 0 1 0 1 0 1 0 1 85 4,008 IGAZ 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Excel példa 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Lépés
számláló Kettős meredekségű Start C komparátor Reset vezérlő logika órajel + U ref U be integrátor Status D 0 D n digitális kimenet Jellemzők: lassú, jó soros zajelnyomás, a konverziós idő és hálózati frekvencia viszonya pontos, fő alkalmazási területek
-U Kettős meredekségű működése jel integrálás referencia integrálás U be U ref 0 t t be t ref t tbet be U Be d 0 t be ref U ref d 0 U be U ref t t ref be u n ref be n ref
Párhuzamos (flash) típusú 3 bites A/D Gray kódú kimenettel Jellemzők: U be nagyon gyors, U ref 3R 13/16 drága, sok alkatrészt igénylő, 2R 11/16 alkalmazás: képfeldolgozás, 2R 2R 2R 9/16 7/16 5/16 & & 1. Bit (MSB) radar, TV, űripar. 2R 2R R 3/16 1/16 & & & & & 2. Bit 3. Bit (LSB)
Kiválasztási szempontok Analóg bemenet unipoláris, bipoláris Felbontás bitszám Felbontás, linearitási hiba, stabilitás 1%; 0.5%; 0.2%; 0.1% Konverziós idő lassú, gyors, nagysebességű, flash Referencia fix, szabályozható, változó (aránymérés) tápegység disszipáció, érzékenység Bemeneti jel zajos, szűrt, gyorsan változó, lassan változó Digitális interfész párhuzamos, soros, CMOS, TTL, három állapotú