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
Előadó Erdősy Dániel Tanszéki mérnök Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet Email: elkedani@uni-miskolc.hu Tel.: 565-111/11-44 Web: uni-miskolc.hu/~elkedani Iroda: A3 ép. II. emelet 6. szoba
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
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
Mai témáink o Irányító és monitoring rendszerek fejlődése o Irányító rendszerek típusai o Hálózati topológiák o Távadók
Történelem és fejlődés mérföldkövei 1950- Pneumatikus 1960- Elektronikus 1970- Analóg 1980- Hibrid 1990- Digitális 0,2 1 bar 10-50 ma 4-20 ma SMART FIELDBUS Ipar 4.0 HART Protokoll alapú Pneumatikus Elektromechanikus Gyújtószikra mentes - Intrinsic Safety Helyi beállítások Távvezérelt beállítás Protokollfüggő Interoperabilitás
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
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
Pneumatikus irányító rendszer Először a 19. század végén alkalmazták Ki-be vezérlők Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimenti tartomány 3-15 psi; 0.2-1.0 bar o Alkalmazható vezetékhossz 75-150 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
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
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
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. 0 + 10 V DC Bemenetek száma: 1 vagy 2, 4 230 AC Analóg kimenet Analóg jelet ad ki U kimenet pl. 0 + 10 V DC Kimenetek száma: 1 vagy 2, 4
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
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)
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
Siemens rendszer PLC-re épülő irányító rendszer
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
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
DDC - Direct Digital Control A hagyományos folyamatirányító rendszerek legfontosabb jellemzői: o analóg jeltovábbítás - 4...20 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
DDC - Direct Digital Control Terepi eszközök Szabályozó, vezérlő és felhasználói interfész Központi műszerszoba Technológia CPU RAM EPROM XTAL CPU RAM EPROM XTAL http://www.elcon.hu/ddc_keszulekek Beavatkozó Távadó
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
Supervisory Control And Data Acquisition Systems - SCADA SCADA rendszer begyűjti az áramlás és szint adatokat és elküldi a munkaponti értéket a PLC-hez http://www.technologyuk.net/telecommunicat 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
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
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)
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
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
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
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
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
DeltaV rendszer DeltaV rendszer Hosztok Vezérlők Nagy sebességű hálózat Busz vagy közvetlen kapcsolat Terepi eszközök
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
Siemens megoldása
Teljes DCS hierarchia Számítógép központ Termelés tervezés Koordinációs számítógépek Termelés vezérlés Felügyeleti PC-k Üzem felügyelet Közvetlen vezérlés Terepi szint
Honeywell Experion LX Vállalati Információs Hálózat Irányítástechnikai Hálózat Terepi irányítás
ABB 800xA Vállalati Információs Hálózat Üzemi felügyelet Redundáns kliens/szerver hálózat Irányítástechnikai hálózat Terepi irányítás
Ethernet elemei o Repeater o Hub o Switch o Bridge o Router o Gateway
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
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
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
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
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
Átjáró (Gateway) Ethernet HART o Feladatai és tulajdonságai: Programozható Különböző OS-ek futtathat Különböző protokollok kezelése Nagyobb számítógépes hálózatok összekapcsolása
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.
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.
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
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
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
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
Kiválasztási szempontok o Pontosság o Megbízhatóság o Ár o Gyorsaság o Méréstartomány o Alkalmazási körülmények
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
Távadók előfordulási aránya a folyamatirányításban Érzékelt paraméter % elmozdulás 20-28 nyomás 15-20 áramlás 5-15 tömeg, erő 20 vegyi összetétel 17 szint 7 hőmérséklet 6-10 nedvesség, páratartalom 2-3 egyéb 2-8 1. forrás 2. forrás Hőmérséklet Áramlás Nyomás Szint Mennyiség (tömeg, térfogat) Idő Egyebek sűrűség, nedvesség, stb. 50% 15% 10% 6% 5% 4% 6%
Jel típusok
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
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 1 0 1 0 kapcsoló T0
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
Jelek osztályozása Villamos jelek Determinisztikus (meghatározott) Periodikus (ismétlődik) Nem periodikus (nem ismétlődik) Szinuszos Általános periodikus Kvázi periodikus Tranziens Sztochasztikus (nem meghatározott)
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.
Jelek osztályozása o Szinuszos jel t = A sin(2 1t + ) Amplitudó (A) g(t) t Periódusidő (T) Frekvencia: f = 1 T Körfrekvencia: ω = 2пf1
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
Hőmérséklet mérés
Fázisdiagram
Hőmérséklet skála Skála megnevezése Beosztás Jég olvadáspontjának hőmérséklete Forrásban lévő víz feletti vízgőz hőmérséklete Celsius 100 0 C 100 C Kelvin 100 273,16 K 373,16 K Fahrenheit 180 32 F 212 F Réaumur 80 0 R 80 R
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
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 = 3,9083 10-3 o C -1 B = - 5,775 10-7 o C -2 C = - 4,183 10-12 o C -4 α = (R 100 - 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: 0,00385055 o C -1
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.
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
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
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
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
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 )
Hőelem v. termoelem működése o Hőelem hatás Seeback effektus (Thomas Seeback - 1822) 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. = 1 2 + 1 2 + 1 U 2 2 3+ 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.
Hőelemek alkalmazási tartományai Jel Összetétel Hőmérséklet tartomány B E J K Platina-30% -Platina-6% Ródium Chromega - Konstantán Vas - Konstantán Chromega - Alomega 0 C... 590 C 600 C... 1190 C 1200 C... 1810 C -260 C... 340 C 350 C... 990 C -200 C... 490 C 500 C... 1190 C -260 C... 290 C 300 C... 840 C 850 C... 1370 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... 490 C 500 C... 1290 C -40 C... 540 C 550 C... 1140 C 1150 C... 1760 C -40 C... 540 C 550 C... 1140 C 1150 C... 1760 C -260 C... 390 C
Alkalmazás K típusú a legnépszerűbb Hidegpont kompenzáció Linearizáció TC Hegesztés (kapacitív kisüléssel) Hidegpont = TC termosztát + 1 2 1 2 + + 3+ 2 1 2 U a T M T V U a ~ T M - T V Cu
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
Ipari példák SITRANS TR200 DIN rail változat o Méréstartomány o RTD: -200 C 850 C, Hőelem: -200 C 1820 C o mv: -1 +1000, 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
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
TH200 belső felépítése
TH200 bekötése 4 vezetékes bekötés 2 vezetékes bekötés 3 vezetékes bekötés Kimenet
TH200 tokozás Vezeték bevezetés Szerelő fedél Pt100 Rögzítő menet Mérő pogácsa
Méréselméleti kiegészítés NÉHÁNY PONT MÁR KORÁBBAN VOLT EMLÍTVE, ITT TALÁN JOBB ÁBRÁK VANNAK.
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
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)
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
IP védettség
Méréselméleti alapok Mérési hibák csoportosítása Rendszeres hiba Véletlen hiba Durva hiba
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.
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
Relatív hiba változása a mért érték függvényében h mérés v
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
Példa: (valós érzékelő valós katalógus adataival) A mérés abszolút hibája: H hv pv 0,4 5 0, 02A 100 100 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%
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 1 1 1 1 1 1 2 N-1 2 N-2 2 N-3... 2 2 2 1 2 0
LSB Least Significant Bit 00000001 (kvantum) MSB Most Significant Bit 10000000 FS Full Scale 11111111 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
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 1,22 10 100% 0,015% 8 H 3 Q 1,22 10 100% 100% U 10 FS 0,0122%
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 1,22 10 10 1,22 10 0,05 3 3 100 0,0122% 100% 2,44%
Végezzük el az előző méréseket egy 16 bites átalakítóval. Abszolút kvantálási hiba: Méréshatárra vonatkoztatott kvantálási hiba: H Q U 2 LSB 10 65536 2 76 V Relatív hiba: h Qv H U Q FS 100% 76 10 10 6 100 7,6 10 4 % h Q 6 76 10 4 100% 9,5 10 % 8 h Q 76 10 0,05 6 100% 0,152%
A digitalizálás elektronikus áramkörei Felbontás idő tartományban: Mintavételezés Eszköze: Mintavevő-tartó áramkör Felbontás amplitudó tartományban: Kvantálás Eszköze: Analóg-digitál átalakító
Mintavevő / tartó áramkör (Sample & hold - S/H) Feladata: mintavételezés és a vételezett minta tartása a feldolgozásig
Mintavevő / tartó áramkör (Sample & hold - S/H)
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
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
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 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 1 1 1 1 15
Létrahálós D/A átalakítás
Létrahálós D/A átalakítás
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
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 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 START 1 1 0 0 0 1 1 1 Közepes sebesség Megfelelő jellemzők Közepes ár
P á r h u z a m o s A / D
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 0 0 0 0 0 0 0 000 0 0 0 0 0 0 1 001 0 0 0 0 0 1 1 010 0 0 0 0 1 1 1 011 0 0 0 1 1 1 1 100 0 0 1 1 1 1 1 101 0 1 1 1 1 1 1 110 1 1 1 1 1 1 1 111 Nagy sebesség Nagy megbízhatóság Magas ár 2 n -1 db nagy teljesítményű komparátor
Kétszeresen integráló A/D U x 1 R - -U ref 2 K1 - + + 2 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
Kétszeresen integráló A/D Lassú működés Nagy pontosság Alkalmazás: digitális műszerekben Alkatrész öregedés kiküszöbölése
Feszültség-frekvencia A/D Frekvencia kimenet Könnyen és egyszerűen továbbítható nagy távolságra
A/D átalakítók hibái Javítható hibák: 1. Offset hiba 2. Erősítési hiba Nem javítható hibák: 0001 0000 3. Linearitási hiba 4. Kódkiesés
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.
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
RTD mérőkör
3 vezetékes RTD mérőkör
4 vezetékes RTD mérőkör
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
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
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
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
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 1 2 1 3 R R 3 R 3 2 0 R R R X 1 R U 0 mérése nagyérzékenységű nullindikátorral történik. 3 2
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%.
Nyomás mérés
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
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
Mértékegységek Átszámítási táblázat
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.
Cella kialakítás érzékelő _ + elválasztó membrán membrán
Túlterhelés védelem dp 0 100% túlterhelés elválasztó membrán érzékelő P+ P- P mérő membrán
Távadó családok Kompakt sorozat P200 sorozat DS III sorozat DP250 P280 sorozat P300 sorozat
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
Relatív nyomástávadók kis nyomásra SITRANS P210 o Méréstartomány: 100 600 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
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
Nyomáskülönbség távadók SITRANS P250 Méréstartomány: 0 100 mbar (0-40 inchh2o). 0-25 bar (0-363 psi) Érzékelő: piezorezisztív (kerámia diafragma), 1.4305 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
Alkalmazási példák S I T R A N S P 2 5 0
Bemerülő nyomásmérő MPS Series o Méréstartomány: 0-2 0-20 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
Higéniás követelmények Compact Sorozat o Méréstartomány: 0 160 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
Abszolút és relatív nyomásmérés P300 Series o Méréstartomány 4 400 bar (OR: 600) relatív nyomás, 1 30 bar (100 bar) abszolút nyomás
Nagy teljesítményű távadók SITRANS P500 o Alkalmazási terület: o nyomáskülönbség, o áramlás o szintmérés. o Méréstartomány: 1,25 250 6,25 1250 mbar, Pstat: 160 bar o Egyéb jellemzők: A DSIII adataival megegyező
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)
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
Nyomás távadók beépítése a mért médium szerint gáz, gőz folyadék dp folyadék
Áramlásmérés
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
Reynolds szám Reynolds szám Osborne Reynolds: 1842-1912 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
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
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
Az áramlásmérések több mint 95%-a az alábbi technológiákkal valósul meg: Indukciós Ultrahangos Örvényleválásos Nyomáskülönbség méréssel Coriolis elvű Változó térfogatú Térfogat kiszorításos Turbinás
Indukciós áramlásmérők
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 = 0.25-10 m/s
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
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
Előnyei Stabil mérés, stabil null pont Nagy pontosság Könnyű beépíthetőség Megbízhatóság
Általános jellemzők Méret: Méréstartomány: Hőm. tartomány: Nyomás max : Pontosság: Védettség: DN 2 - DN 2000 0-113.000 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
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?
Érzékelőcsalád MAG 1100 MAG 3100 MAG 1100 Food MAG 5100 W
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
Nagy pontosság: +/- 0,2 % PFA esetében: +/- 0,4 % Pontosság és alkalmazás (MAG 1100) Folyamatos technológiák Vegyipar Gyógyszeripar Élelmiszeripar Vízmű és adagolás
Nagy pontosság: +/- 0,2 % Alkalmazás (MAG 3100) Folyamatos technológiák Vegyipar Acélipar Bányászat Erőmű és energia ipar Olaj és gázipar Vízmű, szennyvíz feldolgozás
Alkalmazás (MAG 5100) Vízkezelés Víz elosztás Elszámolási mérés vízműnél Szennyvíz tisztítás és szűrés Ipari víz feldolgozás Öntözés Névleges D 25-40 mm 50-300 mm 350-1200 Felépítés Egyenes Kúpos 1 x DN Egyenes Betét NBR Hard Rubber EPDM
Pontosság Dobozolás Tápegység Kimenetek Technológia Egyéb jellemzők Távadó választási szempontjai
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
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)
Speciális kialakítás Kompakt Távadó kivitele Távelérésű Robbanás veszélyes környezetbe szerelhető
Távadó Kommunikációs lehetőségek Profibus DP kivitele Profibus DA Foundation Fieldbus HART Modbus MODBUS TCP/IP DeviceNet
Ultrahangos áramlásmérők
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
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
Jel terjedési idő transmission time idő különbség 6 5 4 3 Soro zat 2 1 áramlással egy irányban 0 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 6 5 4 3 2 1 0 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 1 Sorozat áramlással szemben Fogadott jel ablak
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
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, )
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
SIEMENS megoldások 1 utas 2 utas 4 utas Pontosság: 1 3% Pontosság: 0,5 1,5% Pontosság: 0,5% körül
Általános felhasználás Méréstartomány: ± 10 m/s (kétirányú) Névleges méret: DN50 DN300 A távadó felszerelhetőség csak távoli Jó hosszú idejű stabilitás Hőmérséklet tartomány: -10 +160 C Nincsen nyomásesés Robosztus alkalmazásokra Felhasználási terület: víz, szennyvíz olaj és LNG/LG forró víz hűtő rendszer
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
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: -20 +200 C Energia számolómű Univerzális hőenergia számolómű Fűtés és hűtés számításhoz EN1434 szerinti energia számítás -20 +190 C tartományban számol
FUS felcsatolható család
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: -40 +120 C, op.: +230 C Energia arány, felhasználás számítása Alacsony karbantartási költség Forró és hűtővíz mérésére Glycol mérésre
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
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%
Olajipari mérésekhez Szénhidrogén ipari alkalmazásokra Két változat: folyékony szénhidrogén, gázmérés Méréstartomány: ± 35 m/s (kétirányú), DN100-200, DN250-600 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
Örvényleválásos áramlásmérők
Vortex áramlásmérő Kármán elvű áramlásmérő Örvényleválásos áramlásmérő
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
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
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
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
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
Érzékelő felépítés Beépített hőmérséklet kompenzáció Gőz, gáz és folyadék mérésre Folyadék hőmérséklet: -40 +240 C Re > 20000 + 0.75% for liquids Re > 20000 + 1% for gases and steam 10000 < Re < 20000 + 2% for liquids, gases and steam
Vegyipar 33% Olaj & gáz 17% Élelmiszer & Ital 7% Erőmű 7% Gyógyszeripar 5% Fa & papír, 5% Piaci részesedés 22% Gas Steam Liquid 40% 38%