Automatikai építőelemek 2.

Az előadások a következő témára: "Automatikai építőelemek 2."— Előadás másolata:

1 Automatikai építőelemek 2.
JELÁTALAKíTÓK Jelátalakítók főbb hibaforrásai E témakörben még lényeges a különböző hibák ismerete, amelyek meghamisítják a valós értéket, mint pl. a hőmérséklet, súly, stb. okozta hibák. A hibák eredetüket tekintve lehetnek rendszeres és véletlen hibák. Az olyan hibákat, amelyek iránya és nagysága meghatározott rendszeres hibának nevezzük. Hatása általában figyelembe vehető és kompenzálható. A hibák azon részét, amelynek értéke rendszertelenül, előre nem meghatározható módon változik véletlen hibáknak, nevezzük. Fajtájukat tekintve a hibák lehetnek: abszolút relatív karakterisztikából eredő hibák dinamikus hibák - Abszolút hiba - Relatív hiba

2 Automatikai építőelemek 2.
JELÁTALAKíTÓK Jelátalakítók főbb hibaforrásai - Lineáris hiba Linearitási hibán értjük, azt hogy mekkora az érzékelő kalibrációs görbéjének maximális eltérése a feltételezett lineáris karakterisztikától a vizsgált tartományban ahol: „xM” - a mérési tartomány felső határa, „xm” - a mérési tartomány alsó határa, „xelméleti” - a feltételezett karakterisztika pontos értéke. , Érzékelés alsó határa (érzékelési, vagy detektálási küszöb) a mérendő paraméter azon legkisebb értéke, amely még biztosít mérhető kimeneti jelváltozást. - Felbontás a mérendő mennyiség legkisebb mérhető változása a maximális változás százalékában.

3 Automatikai építőelemek 2.
JELÁTALAKíTÓK - Nullahiba, vagy ofszet a mérendő mennyiség nulla értéke mellett mért kimenőjel. - Nullaponteltolódás (drift) az ofszet változása különböző feltételek (hőmérséklet-változás, hosszú ideig történő tárolás stb.) mellett. - Ismétlési (reprodukciós) hibán értjük, hogy mekkora eltérés tapasztalható ugyanazon érzékelő kimenő jelében egyazon mérendő jel és azonos egyéb körülmények mellett ismételten végrehajtott mérések esetén. - Csereszabatosság mértéke, hogy két különböző érzékelő elem felcserélése mekkora mérési hibát eredményez. - Zavaró jellemzők hatására bekövetkező hiba, vagy szelektivitás. Ez a mérendő mennyiség mellett más paraméterekre történő jelváltozás mértéke. Pl. a nyomásmérő reagál a hőmérséklet változására stb. - Hiszterézis hiba megadja a kimenőjel maximálisan lehetséges eltérését egy adott tartományban növekvő, illetve csökkenő mérendő paraméterváltozással felvett karakterisztikánál. Relatív értékét szintén a végkitérés százalékában szokás megadni. - Dinamikus hiba, időben változó bemeneti mennyiség esetén a statikus karakterisztika ismeretében meghatározható: ahol: „K” - kimeneti jel, „B”- bemeneti jel, „E(B)” - érzékenység a bemeneti jel függvényében ,

4 Automatikai építőelemek 2.
JELÁTALAKíTÓK Integrált és intelligens érzékelők A mikroelektronika, a mikromechanika, nanotechnológia az integrált optika és egyéb fejlett technológiák fejlődése lehetővé tette az érzékelők miniatürizálását és a funkciók fizikailag azonos hordozón történő integrálását. Az érzékelő mátrixok azonos elemek integrációjával épülnek fel és valamilyen mérendő paraméter térbeli függésének meghatározását is lehetővé, teszik. A multiszenzorok többféle mennyiség meghatározására alkalmas érzékelők integrálásával állíthatók elő. A többfunkciós érzékelő képes egyszerre több különböző mennyiség megfigyelésére különböző üzemeltetési feltételek mellett. Az integrált érzékelők a klasszikus értelemben vett érzékelő elemen kívül a jelfeldolgozás valamilyen szintjét is magukba foglalják. Az első generációs integrált érzékelők valamilyen egyszerű jelfeldolgozást tartalmaztak, p1. ofszet- és hőfok- kompenzációt és/vagy előerősítőt. További szintet jelent a jelkonverzió (p1: analóg-digitális jelátalakitás) integrálása. A legújabb generációt az intelligens érzékelők jelentik, melyek a mikroprocesszort is magukba integrálják. Ez lehetővé teszi a környezettel való kommunikációt és intelligens funkciók beépítését. Ilyenek lehetnek például: ,

5 Automatikai építőelemek 2.
JELÁTALAKíTÓK • digitális jelfeldolgozás, jeltárolás • hibakompenzáció • multiszenzor jelfeldolgozás (neurális hálózattal öntanulás) • önkalibráció és tesztelés • automatikus méréshatár váltás • átlag- és hibaszámítás • időbeli instabilitások kompenzációja (fuzzy logika alkalmazása) • számítógéppel való kommunikáció

6 Automatikai építőelemek 2.
Mechanikai jelátalakítók Ezek olyan átalakítók, amelyek mechanikai kimeneti mennyiséget szolgáltatnak, mint pl. elmozdulás, sebesség, gyorsulás, szögelfordulás, szögsebesség, szöggyorsulás, erő, nyomaték stb. Mechanikai jelváltók 1. Karáttétel 2.1. ábra. Karáttétel A karátételre egy példa, ahol „F1” és „F2” a ható erőket, a” k1” és „k2” a karok hosszát, „x1” és „x2” ill. a karok végpontjainak elmozdulását jelentik. Amennyiben a ki és bemeneti mennyiségek erők, akkor az érzékenység:

7 Automatikai építőelemek 2.
Mechanikai jelátalakítók 2.2. ábra. Fogaskerékátté-tel 2. Fogaskerék áttétel: Fogaskerék áttétel amelynél mind a ki, mind a bemeneti mennyiség lehet szögelfordulás, szögsebesség és szöggyorsulás.. ahol:„z1” és „z2” a fogaskerekek fogszáma, „φ1” és „φ2” a tengelyek szögelfordulása. Amennyiben a be és kimeneti mennyiségek nyomatékok, akkor az érzékenység: A mechanikai jelváltókkal szemben támasztott követelmények: - karáttétel a forgáspontban súrlódásmentes legyen, minimális legyen a szerkezet súlya és merev legyen - fogaskerék áttételnél minimális legyen a súrlódás, kotyogásmentes legyen és minimális legyen a súlya.

8 Automatikai építőelemek 2.
Mechanikai jelátalakítók Mechanikai jelváltók 3. Fogasléc-fogaskerék szerkezet 2.3. ábra. fogasléc Fogaskerék - átétel Mind a be, mind a kimeneti mennyiségek lehetnek: elmoz-dulás, sebesség, gyorsulás, szögelfordulás, szögsebesség, szöggyorsulás, erő és nyomaték. Az ábra jelölései az alábbiakat jelentik: „z1” a fogaskerék fogszáma, „z2” a fogasléc hosszegységre eső fogszáma, „M” a ható nyomaték, „φ” a fogaskerék szögelfordulása és „x” a fogasléc elmozdulása. Amennyiben a fenti kombinációt szögelfordulás, szöggyorsulás és erő mérésére használjuk, akkor az érzékenység: Követelmény: A fogaskerék és fogasléc súlya minimális legyen, csúszás és kotyogásmentes, merev legyen és a csapágyak súrlódásmentesek legyenek

9 Automatikai építőelemek 2.
Ellenállásos jelátalakítók A villamos jelátalakítók kimenő jele villamos mennyiség, feszültség, áram, impedancia stb. Vannak közvetlen áram, vagy feszültség kimenetű jelátalakítók, amelyeknél nincs szükség segédenergiára, de ahol a kimeneti mennyiség impedancia, ott egyen vagy váltakozó áramú segédenergiára van szükség. A villamos jelátalakítók alapvető felosztása ennek megfelelően: - Passzív villamos jelátalakítók (R, L és C átalakítók). - Aktív villamos jelátalakítók (termoelektromos, fotoelektromos és piezoelektromos) 3.1. ábra. Mérőérintkezők Mérőérintkezők Mérőérintkezők olyan szerkezeti elemek, amelyek elmozdulás vagy elfordulás hatására villamos áramkört nyitnak, vagy zárnak. Az érintkezők lehetnek pont, vonal, vagy síkérintkezők.

10 Automatikai építőelemek 2.
Ellenállásos jelátalakítók 3.2. ábra. Higanyérintkezők Az érintkezőkkel szemben követelményként kell előírni, hogy legyen szilárd, jó hővezető képességű, ne oxidálódjon és kicsi legyen az átmeneti ellenállása. Az anyaga általában vörösréz, ezüst, platina, irídium, arany, wolfram. Az érintkezők csoportjába tartoznak a higanyérintkezők és vákuumérintkezők, mint különleges érintkezők. Az ábrából látható, hogy a higanyérintkező elfordulásra megszakítja az érintkezést, a vákuumérintkező pedig vákuumban van, ami jelentősen csökkenti a szikrázási veszélyt. 3.3. ábra. Vákuumérintkezők

11 Automatikai építőelemek 2.
Ellenállásos jelátalakítók Érintkező sor 3.4. ábra. Érintkezősor és karakterisztikája Az érintkezői egymás után sorban záródnak az elmozdulás nagyságától függően, amelynek során sorra rövidre zárja az ellenállásokat. Az (a-b) kimeneti csatlakozó közötti eredő ellenállás „x” növekedése esetén csökken. Az ilyen megoldásnál létrejött diszkrét R(x) karakterisztika a „b” ábrán látható. A mérőérintkezők előnyei: egyszerű felépítés, üzembiztos működés. Hátrányai viszont hogy csak szakaszosan működik, folyamatosan nem, ezért csak jelzésre alkalmas, szikrázás előidézői lehetnek és túlterhelésre érzékenyek, emiatt nagy áram esetén az érintkezői összeolvadhatnak.

12 Automatikai építőelemek 2.
Ellenállásos jelátalakítók Csúszóérintkezős jelátalakítók Ellenállásos jelátalakítók lehetséges változatai A csúszóérintkezős ellenállások legfőbb jellemzője a hosszegységre, ill. egységnyi szögelfordulásra eső ellenállás változás. Szokásos elnevezésük toló, vagy forgó potenciaméterek. Az ábra a lehetséges változatokat mutatja. A a. ábrán kisebb értékű ellenállásoknál (max. 10 ohm) használt ellenálláshuzal, a b. ábrán nagyobb ellenállásoknál (néha 105 ohm-ig) használt csévélt toló potenciaméter, továbbá a c. ábrán forgó potenciaméter látható.

13 Automatikai építőelemek 2.
Ellenállásos jelátalakítók A csúszóérintkezős ellenállásoknál definiáljuk az ún. feloldóképességet. Ez azért szükséges, mert valójában az ellenállás változás nem folytonos, hanem szakaszos, amelyek a csévélésből erednek. Feloldóképesség: Csúszó potenciométerre: ahol: l = a huzal csévélt hossza, n = menetszám (jó érték f ≈ 0,05 mm). Forgó potenciométerre: [%], ahol: n=360° hoz tartozó menetszám (a jó érték f=0,5…0,05 %) Lényeges, hogy a mérendő elmozdulás kellően érzékeny legyen, vagyis olyan ∆U feszültségváltozást adjon, amely a csúszka legkisebb „∆l” elmozdulásakor már észlelhető. Figyelembe kell venni azt is, hogy a legkisebb elmozdulás nem lehet soha kisebb, mint a felcsévélés huzalátmérője.

14 Automatikai építőelemek 2.
Ellenállásos jelátalakítók Elméleti linearitási hiba Az elméleti egyenestől történő eltérést jelenti. Átlagos érték 0,5%, precíziós esetben 0,05%. Független linearitási hiba A valós karakterisztikához legjobban illeszkedő egyenestől – szaggatott vonal - történő eltérést jelenti. Végponti linearitási hiba Az A – B végpontoktól történő legnagyobb eltérésnek az R ellenálláshoz viszonyított hibája.

15 Automatikai építőelemek 2.
Ellenállásos jelátalakítók Forgópotenciométerek Aktív működési tartománynak nevezzük azt az elmozdulást, vagy szögelfordulást, amely a valóságban bekövetkezhet. A elméletileg lehetséges érték ennél valamivel nagyobb. Követelmény, hogy a „ρ” fajlagos ellenállás nagy legyen és stabil, a huzal anyaga ko-pásálló, a hőmérsékleti együttható (αR) kicsi legyen és az anyag korrózióálló. A szokásos felhasználható anyagok: - konstantán: ρ = 0,5 ohm.mm2/m, αR = ± / oC - manganin: ρ = 0,43 ohm.mm2/m, αR =10-5 / oC A csúszóérintkezők előnyei: egyszerű kialakítás, folyamatos mérésre használhatók, olcsók és stabil karakterisztikával rendelkeznek. Hátrányai: a nagy nyomásigény, áram-terhelésre és korrózióra érzékenyek.

16 Automatikai építőelemek 2.
Köszönöm a figyelmet!