Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Www.balluff.com Automatikai építőelemek 10.08.2014Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik1 Pólik Zoltán Kutató-fejlesztő mérnök Corporate Innovation Management,

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Www.balluff.com Automatikai építőelemek 10.08.2014Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik1 Pólik Zoltán Kutató-fejlesztő mérnök Corporate Innovation Management,"— Előadás másolata:

1 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik1 Pólik Zoltán Kutató-fejlesztő mérnök Corporate Innovation Management, Veszprém BALLUFF Elektronika Kft. Veszprém Szenzorok Bevezetés és alapfogalmak Irodalom: [1] Lambert Miklós: Szenzorok – elmélet és gyakorlat

2 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik2 Mi az érzékelő? Az érzékelő egy fizikai (kémiai, biológiai, stb.) mennyiség változásának hatására egy elektromos (vagy elektromosan közvetlenül mérhető) jellemző változásával válaszol. érzékelő távolság sebesség hőmérséklet frekvencia koncentráció mágneses térerősség erő tömeg forgatónyomaték fényerősség sugárzás vezetőképesség fordulatszám hangintenzitás nyomás szín... feszültség ellenállás áramerősség frekvencia vezetőképesség kapacitás... számérték változásaváltozó

3 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik3 Kimenet Mért érték Bemenet Fizikai mennyiség Szenzor, érzékelő Érzékelőelem, mérőelem: elsődlegesen a méréstechnikában, szabályozástechnikában használatosak, de a modern kommersz (commerce) elektronikában a számuk robbanásszerűen növekszik. Mérés: összehasonlítás (SI mértékegységgel), információgyűjtés a mérendő mennyiségről Mérés pontossága: a mérési bizonytalanság a szenzor tulajdonsága és függ a mérés körülményeitől (a jegyzőkönyv tartalmazza a mérés körülményeit; be kell tartani a specifikációkat) Mérőrendszer elrendezése, mérés menete Mérendő paraméter Mérőrendszer Megfigyelő

4 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik4 Szenzor Jelkondícionáló, átalakító JelfeldolgozóAdatmegjelenítő Bemenet Fizikai mennyiség Kimenet Mért érték Általános mérőrendszer strukturális felépítése Termisztoros hőmérőrendszer blokkvázlata Termiszor Linearizáló áramkör A/D konverterKijelző Bemenet Hőmérséklet Kimenet Megfigyelő

5 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik5 Mérés eredményének feldolgozása Bizonyos alkalmazásokban elegendő lehet a mért értéket csak vizuálisan kijelezni, de általában nem az. Az analóg vagy digitális formában reprezentált mért érték általában egy rendszerhez csatlakozik, ahol visszacsatoló, vagy beavatkozó jel funkcióját tölti be. Ettől a ponttól, a szabályozástechnikából ismert műveletekkel dolgozhatjuk fel őket.

6 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik6 Érzékelők osztályozása az érzékelendő fizikai jel szerint TermikusHőmérséklet, hőmennyiség, hőáram, entrópia, hőkapacitás, stb. SugárzásGamma-, Röntgen-, UV-, látható sugárzás, infravörös, mikrohullámú, RF, stb. MechanikaiHelyzet, sebesség, gyorsulás, erő, nyomaték, nyomás, tömeg, áramlás, hangfrekvencia, hangnyomás, rezgés. stb. MágnesesMágneses tér, fluxus, mágneses nyomaték, mágneses indukció, permeabilitás, stb. VillamosTöltés, áram, feszültség, ellenállás, vezetőképesség, kapacitás, induktivitás, dielektromosság, polarizáció, frekvencia, stb. KémiaiNedvesség, pH érték, gázkoncentráció, gőzök és illatok, mérgező és gyúlékony anyagok, szennyező anyagok, stb. Biológiai Cukrok, proteinek, hormonok, antigének, stb. Szenzorok osztályozása A szenzorok osztályozása többféleképpen lehetséges, a különböző szakirodalmak különbözőképpen tárgyalják. Egy általános felosztási elv az érzékelendő fizikai paraméter szerinti osztályozás.

7 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik7 Érzékelők osztályozása kimenet szerint KapcsolóInduktív-, kapacitív-, optikai közelítéskapcsolók, stb. AnalógNyúlásmérő bélyeg, potenciométer, hőmérő,stb. Lineáris útmérőInduktív-, mágneses-, pozíció jeladók, mágneses és magnetostrikciós útmérő Analóg távolságmérőInduktív-, kapacitív-, optikai távolságmérők ElfordulásOptikai, induktív forgó encoderek és elfordulásmérők Digitális jelKapcsolójel, analóg jel, lineáris pozícióadat, elfordulás-érték digitalizált értékének megjelenítése a kimeneten Aktív és passzív érzékelőelemek : Aktív: A mérendő folyamat energiájából állítják elő a mérőjelet Pl.: hőelem, pH-mérő, fényelem stb. Passzív: Külső tápforrás szükséges a mérőjel előállításához Pl.: potenciométer, fotoellenállás, magnetorezisztor stb.

8 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik8 Szenzorok karakterisztikái Szenzorok esetében kétféle karakterisztikát különböztetünk meg: Statikus karakterisztikát és dinamikus karakterisztikát. Statikus karakterisztikák A szenzorok jelátalakítók, amik a mérendő fizikai paramétereket feldolgozható (általában villamos) mennyiségekké alakítják. Az átalakítási tulajdonságot, vagyis a mérendő és kimeneti jel összefüggését karakterisztikával adják meg. A karakterisztika megadható diagrammal, táblázattal, vagy analitikusan. Az analitikus megadási mód lineáris, vagy egyszerű matematikai összefüggéssel leírható karakterisztikájú szenzoroknál elterjedt (pl.: szinusz, exponenciális stb.). Bonyolultabb összefüggéseknél a grafikus megoldások jellemzőek. Példa: termisztorok karakterisztikái A táblázatos megadás nem elterjedt, mivel itt a közbülső értékek interpolációval határozhatók csak meg.

9 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik9 Statikus karakterisztikák A statikus karakterisztika időben állandósult bemeneti és kimeneti jelek értékpárjaira vonatkozik! A statikus karakterisztikák felvétele állandósult környezeti körülmények között, definiált referenciafeltételek mellett történik. Pl.: beállított hőmérséklet, páratartalom, légnyomás, geometriai elrendezés, stb. Statikus karakteriszika [1] - Mérési tartomány: specifikált bemeneti- kimeneti értékpárok - Működésképtelen tartomány: kicsi a mérőjel; rossz jel-zaj viszony; a zaj összemérhető a hasznos jel értékével - Túlterhelési tartomány: bemenő jel meghaladja az engedélyezett mértéket, a kimeneti jel nem a specifikáció szerint függ a bemeneti jeltől (pl.: telítésbe megy). Károsodás léphet fel, feléledési időre lehet szükség a mérési tartománybeli újbóli helyes működéshez.

10 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik10 Érzékenység Az üzemi tartomány pontjainak jellemzője az érzékenység. Az érzékenység megmutatja az érzékelő kimenti jele változásának mértékét a bemeneti jel változásának függvényében: ahol β az érzékenység, x a mérendő tulajdonság, y a mérőjel. A sorozatgyártással készült szenzorok karakterisztikái az alkatrészek paraméterszórásai és a gyártási szórások miatt a specifikációban megadott karakterisztikát csak valamekkora eltéréssel tudják teljesíteni. A statikus karakterisztika ideálistól való eltérésének jellemzőit különböző paraméterekkel szokás megadni: Hiszterézis hiba, ismétlőképességi hiba, linearitási hiba, alakhiba, felbontóképesség, kúszás, nullpont- eltolódás, érzékenységváltozás. Szenzor x y

11 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik11 Hiszterézis A legtöbb szenzor a bemenő jel megegyező értékénél eltérő kimeneti jelet szolgáltat, ha a bemenő értéket csökkenő, illetve növekvő megközelítésével érjük el. Ezt a jelenséget nevezzük hiszterézisnek. Kimenet hiszterézise [1] Ismétlőképességi hiba Ha a szenzor kimenetén azonos irányú bemenőjel-változás esetén eltérő kimeneti értéksort kapunk, ismétlőképességi hibáról beszélünk. Ismétlőképességi hiba [1]

12 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik12 Linearitási hiba A szenzorok többsége lineáris statikus karakterisztikával rendelkezik. Egy konkrét példány a termékspecifikációban megadott lineáris statikus karakterisztikától maximum a gyártó által meghatározott mértékben térhet el. Ezt az eltérést a linearitási hibával szokás jellemezni, melyet többféleképpen is lehet definiálni. Elméleti linearitási hiba A linearitási hiba miatt a valóságos karakterisztika eltér a lineáristól. A definíció szerint a valódi karakterisztikákhoz a lineárissal párhuzamos érintőt húzunk, +h lin és –h lin érték a lineáristól való eltérés mértéke. Elméleti linearitási hiba [1]

13 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik13 Végpontra vonatkoztatott linearitási hiba Az elméleti karakterisztika meghatározása az üzemi méréshatár végpontjából a közepes ofszet értékéhez húzott egyenessel történik. A hiba az elméleti linearitási hibához hasonlóan a mért karakterisztikák érintő párhuzamosának és az elméleti karakterisztikának függőleges tengelyen mérhető távolságából származtatható. Végpontokra vonatkoztatott linearitási hiba [1] Független linearitási hiba Az a hiba, melynek értékénél a valódi karakterisztikák sem pozitív, sem negatív irányban nem térnek el nagyobb mértékben a lineáristól. Független linearitási hiba [1]

14 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik14 Regressziós linearitási hiba A regressziós linearitási hiba definíciója szerint az elméleti karakterisztika egyenese ott fut, ahol a mért görbeeltérések négyzetösszege minimális. Regressziós linearitási hiba [1]

15 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik15 Alakhiba Nem minden érzékelő karakterisztikája lineáris. Az elméleti nemlineáris karakterisztikától való eltérést alakhibának nevezzük és a görbe bizonyos pontjára vonatkoztatva adjuk meg. Felbontóképesség A felbontóképesség a legkisebb mérhető mennyiség, amely a szenzor kimenetén mérhető jelet szolgáltat. Másszóval a bemeneti jel felbontóképességnél kisebb változásainak érzékelésére a szenzor nem alkalmas Felbontóképesség [1]

16 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik16 Kúszás A szenzor egyik stabilitáshibája, amely a bemeneti és kimeneti értékpárok élettartam alatti lassú változását okozzák. A kúszás oka általában a szenzorban felhasznált anyagok és alkatrészek öregedés miatti paraméterváltozása, de gyártástechnológiai és konstrukciós okai is lehetnek. Nullpont eltolódás A nullpont eltolódás okai hasonlóak a kúszáséhoz, a jelenség azonban eltérő. A nullpont eltolódáskor zérus bemeneti jel és állandó referenciafeltételek mellett a kimeneti jel a szenzor élettartama során megváltozik. Érzékenységváltozás Az szenzor érzékenységének meghatározott idő alatt tapasztalható megváltozása, melynek okai az előző két stabilitáshibához hasonló okokra vezethetők vissza.

17 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik17 Környezeti hatások Mivel a szenzorok a legritkább esetben működnek a referenciafeltételek mellett – rendszerbe integrált szenzorokkal találkozhatunk pl. minden automatizált gépben – a környezet hatása is befolyásolhatja a statikus karakterisztikát. A környezeti hatások a mérésre és a szenzor alkatrészeire is befolyással vannak, ezért az adatlapban meghatározzák a környezeti változók megengedett maximális és minimális értékeit. Pl.: hőmérséklet ( °C), gyorsulás (100 m/s 2 ) stb. A megadott tartományon belüli használat esetén a szenzor az adatlapban megadott pontossággal képes működni (általában!). Hőmérséklet hatása A hőmérséklet a legtöbb szenzor karakterisztikájára hatással van. A hőmérsékletváltozás által okozott statikus karakterisztika-változást diagramban, hibasávval szokás megadni. Lineáris karakterisztikájú érzékelőknél a nullpont eltolódására és az érzékenység meredekségének hőmérséklet függvényében előálló változására külön grafikont szokás megadni.

18 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik18 A hőmérséklet állandósult értékei mellett előfordul, hogy a hőmérséklet ugrásszerű megváltozása is hatással van a szenzor karakterisztikájára. Ha definiálva van, akkor a tranziens hőmérsékleti változás hatása diagram formájában adható meg. Tranziens hőmérsékleti hiba [1]

19 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik19 További hibák Mivel a szenzorok többsége ipari környezetben helyezkedik el, ezért fokozottan ki vannak téve a rezgéseknek is. Azok a szenzorok, amelyek mérőeleme, vagy elektronikája érzékeny a rezgésekre, a kimeneten tapasztalható hibajelenségeket produkálhat. Ezért a rezgésekre érzékeny szenzorok esetén megadják a maximális rezgést, vagy sokkot, amelyet az érzékelő helyes működés mellett képes tolerálni és a meghibásodási értékeket is, amelyeknél nagyobb fizikai behatásoknál a szenzor tönkremenetelére lehet számítani. A környezeti levegő vagy folyékony közeg nyomása deformációkat okozhat az érzékelő felületén, alkatrészeiben, amely a statikus karakterisztika megváltozását okozhatja. A nyomásváltozás melegedést is okozhat, amely ezen keresztül járul hozzá a kimenet megváltozásához. Az adatlapon megadott maximális nyomás meghaladásakor a szenzor károsodhat. A nedvesség különböző módokon hathat az érzékelők karakterisztikájára. Nedvszívó anyagoknál geometriai deformációt, nyomásnövekedést, vezetőképesség változást okozhat, szigetelőknél a dielektromos állandó és a veszteségi tényező megváltozását eredményezheti, villamos átvezetéshez, átütéshez vezethet, illetve hosszú távon korróziót okozhat, amely hibás mérési eredményekhez vezet. A külső elektromágneses tér is hatással lehet az érzékelők működésére, különösen azokéra, amelyek elektromágneses elven működnek. Habár léteznek (és egyre több) olyan eszközök, amelyek EMC- védelemmel ellátottak, többségüknél hibás működésre, extrém esetben tönkremenetelre lehet számítani a megengedettnél nagyobb hatások esetén. Az ipari érzékelők gyártói általában megadják az jellemző elektromágneses zavarokra vonatkozó vizsgálatok (pl.: ESD, Surge, Burst) eredményeit, ezeknek megfelelően kell alkalmazni őket.

20 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik20 EMC IEC EN , Electromagnetic compatibility (EMC)- Part 4-2: Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge immunity test IEC EN , Electromagnetic compatibility (EMC)- Part 4-3: Testing and measurement techniques - Radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test IEC EN , Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-4: Testing and measurement techniques - Electrical fast transient/burst immunity test IEC EN , Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-5: Testing and measurement techniques - Surge immunity test IEC EN , Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-6: Testing and measurement techniques - Immunity to conducted disturbances, induced by radio-frequency fields IEC EN , Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-7: Testing and measurement techniques - General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto EN , Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-8: Testing and measurement techniques - Power frequency magnetic field immunity test IEC EN , Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-9: Testing and measurement techniques - Pulse magnetic field immunity test IEC EN , Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-11: Testing and measurement techniques - Voltage dips, short interruptions and voltage variations immunity tests

21 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik21 Szerelési hatások - Szerelő szerszámok (nyomatékkulcs) -Technológia (csavarmaghúzási sorrend, tömítőanyag) -Beüzemelési feltételek (geometriai, levegő nyomás, páratartalom stb.) -Környező anyagok (fémek, dielektromos anyagok) - … minden ami hatással lehet a mérés fizikai elvére vagy a szenzor alkatrészeire Ezért beüzemelésnél, beépítésnél, beállításnál mindig az adatlapban leírtak szerint kell eljárni. Élettartam A szenzoroknak, mint minden műszernek, élettartama van, amely típusonként eltérő. Az érzékelő élettartamára az adatlapban találhatunk információt. Típustól, fajtától függően az adatlap előírhat karbantartást, amelyet be kell tartani. Csak így biztosítható a megadott élettartam. A karbantartás jelenthet tisztítást, kalibrációt, beállítást stb. Vannak olyan szenzorok is, amelyek nem igényelnek karbantartást, ezek élettartamuk végéig az adatlapban megadott paraméterek szerint üzemeltethetők. Környezeti hatások működésen kívül A szenzor beszerelése előtt (késztermék, áru formájában) üzemen kívül van, és beszerelése után is lehet üzemen kívüli állapotban. Fontos, hogy szállítás, tárolás során, illetve beszerelt üzemen kívüli állapotban is be legyenek tartva az adatlapban megadott feltételek. Ezek nem teljesülése esetén a szenzor meghibásodhat. Jellemzően hőmérséklet, páratartalom, mechanikai behatások megadása az általános.

22 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik22 Környezeti hatások csökkentésének módszerei Korrekció: A szenzort zavaró jel külön szenzorral való mérése és jelfeldolgozó egységgel a szenzor jelének zavaró jellel történő korrekciója. Különbségképzés: Két ugyanolyan szenzor elhelyezése, melyek közül az egyikre a mérőjel és a zavaró jel, a másikra csak a zavaró jel hat. A zavaró jelet mérő szenzor jelének másik szenzor jeléből való levonásával a mérendő jel kapható meg. Kompenzáció: Nemlineáris jelleggörbéjű szenzornál az egyik szenzorra a mérendő jel és a zavarjel hat, a referenciaszenzorra pedig a zavarjel és egy ismert, a mérendő jellel arányos jel, amellyel a mérendő jel kompenzációja történik. A referenciaszenzor jelét végül levonjuk a mérendő jelet mérő szenzor jeléből. Visszahatás Szenzorok alkalmazásakor fontos tudatában lenni annak, hogy a szenzorok sok esetben visszahatnak a mérendő mennyiségre. Például a hőmérő felmelegítése hőt (hőenergiát) von el attól a testtől, aminek a hőmérsékletét mérni szeretnénk. Egy kontaktusos végálláskapcsoló is megváltoztathatja a céltárgy pozícióját. Ezért a rendszer tervezésekor figyelembe kell venni a mérőrendszer hatását is a mérendő folyamatra és ennek megfelelően kell megválasztani az érzékelőt, beállítani a rendszert.

23 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik23 Dinamikus karakterisztikák Habár a szenzorok állandósult állapotban való viselkedése a statikus karakterisztikával kellő pontossággal leírható, időben gyorsan változó bemeneti jeleknél ezek nem feltétlenül lesznek igazak. A kimeneti és bemeneti mennyiségek pillanatnyi értékei között a szenzor időfüggő differenciálegyenlete adja meg a kapcsolatot, amelyet a szenzor dinamikus karakterisztikájának nevezünk. A dinamikus karakterisztika felvétele speciális vizsgálójellel (dirac, egységugrás), vagy szabványban meghatározott módszerrel történik. Megadható az idő és frekvenciatartományban. Időtartományban Általában egységugrásra adott válasz. Beállási idő és hibasáv definiálható A beállás közben a szenzor által szolgáltatott jelalak a szenzor tulajdonságaitól függ. Dinamikus karakterisztika az időtartományban [1]

24 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik24 Frekvenciatartományban Frekvenciatartomány beli dinamikus karakterisztika a frekvenciakarakterisztika. A bemeneti jel szinuszos, frekvenciája a kérdéses tartományon belül változik. A válaszfüggvény a szenzor frekvenciakarakterisztikája. A ± δ amplitúdóváltozáshoz tartozik az ω sávszélesség. Frekvenciatartománybeli dinamikus karakterisztikák [1]

25 Automatikai építőelemek Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik25 Szenzor adatlapok


Letölteni ppt "Www.balluff.com Automatikai építőelemek 10.08.2014Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik1 Pólik Zoltán Kutató-fejlesztő mérnök Corporate Innovation Management,"

Hasonló előadás


Google Hirdetések