Automatikai építőelemek 1.

Az előadások a következő témára: "Automatikai építőelemek 1."— Előadás másolata:

1 Automatikai építőelemek 1.
JELÁTALAKíTÓK Érzékelők fogalma Mind az ipari méréstechnikában (könnyű és nehézipar, olajipar, vegyipar, gyógyszeripar, stb.), mind pedig a mezőgazdaságban alkalmazott méréstechnikában igen sok olyan mérendő nem villamos paraméter létezik, amelyet valamilyen módon mérni kell. Ötlet: alakítsuk villamos jelekké. Ez azért praktikus mert a villamos jelek feldolgozása biztonságosabb, gyorsabb, pontosabb, mint más mérések esetében kapott jeleké. A mérés végrehajtásakor fel kell használni a különböző alaptudományokat, mint pl: fizika, kémia, fizikai-kémia és ezek határterületén működő egyéb tudományokat is. Az olyan eszközöket, amelyek egy fizikai mennyiséget egy másik típusú mennyiséggé alakítanak át, jelátalakítóknak nevezzük. Azokat a jelátalakítókat, amelyek azonos dimenziójú fizikai mennyiségeket alakítanak át egymásba jelváltóknak hívjuk (erősítő, fogaskerék, transzformátor, áramváltó, stb.).

2 Automatikai építőelemek 1.
JELÁTALAKíTÓK Érzékelők fogalma A jelátalakítókat gyakran nevezik még szenzoroknak is. Ezen belül a szenzorelem a szenzornak az, az elemi része, amely lényegében a fizikai jellemzőt érzékeli, de önmagában az irányítástechnikában nem alkalmazható, még további elemekkel kell kiegészíteni (jelátalakítók, jelfeldolgozók, csatlakozók, illesztők, stb.). Beszélünk még szenzorrendszerről, amely több mérő és kiértékelő komponensből álló rendszer és multiszenzor rendszerről, amely több különálló szenzor egy készülékbe egy rendszerbe építve (pl. hőmérséklet + relatív páratartalom + légnyomásmérő egy készülékben).

3 Automatikai építőelemek 1.
JELÁTALAKíTÓK Az érzékelők helye a vezérlési és szabályozási körben. Az érzékelőket az alábbi jellemzők figyelembevételével érdemes vizsgálni: statikus átviteli tulajdonságok, befolyásoló és környezeti hatások elleni védettség, a dinamikus átviteli tulajdonságok, a megbízhatóság a gazdaságosság. - Statikus átviteli jellemzőként mindenek előtt az érzékelő érzékenysége és a megengedett hibahatárok a lényegesek. Az érzékelők kis eredő hibájának akkor van jelentősége, ha pl. pontos hőmérséklet, vagy állapotszabályozás szükséges. - Az érzékelőknek lehetőleg védettnek kell lenniük a befolyásoló és zavaró hatásokkal szemben,pl. a hőmérséklet, mechanikus rázkódások és rezgések, továbbá különféle elekromágneses hatás (elektromágneses összeférhetőség, EMV). Ezen zavaró hatásokra a gyártó megad szokásos határértékeket, amelyek nem léphetők túl, ha megbízható üzemelésre kell törekedni. 1.2. ábra. Átalakító elhelyezése a vezérlő és szabályozási láncban

4 Automatikai építőelemek 1.
JELÁTALAKíTÓK Jelátalakítók vizsgálata, tulajdonságai A jelátalakítók vizsgálata tulajdonképpen két fő lépésből áll: 1. Meg kell vizsgálni, hogy milyen mennyiségeket alakít át egymásba. 2. Összefüggések szerint, ahogyan a jelátalakító átalakítja egymásba a be és kimeneti jelet. 1. A mérendő mennyiségek jelek típusai és jellemzőik. Eszerint: a, Mechanikai mennyiségek: hosszúság (elmozdulás), szög (szögelfordulás), gyorsulás (sebesség), erő, nyomás, szint, áramlás, tömeg, stb. b, Optikai mennyiségek: megvilágítás, fényáram, szín, stb. c, Villamos, mágneses mennyiségek: feszültség, áram, teljesítmény, fluxus, dielektromos állandó, ellenállás, mágneses ellenállás, permeabilitás, stb. d, Kémiai és fizikai-kémiai mennyiségek: relatív nedvesség és nedvességtartalom, viszkozitás, folyadékok összetétele, sűrűség, pH, redoxpotenciál, stb. e, Termodinamikai mennyiségek: hőmérséklet, hőmennyiség, stb.

5 Automatikai építőelemek 1.
JELÁTALAKíTÓK Jelátalakítók vizsgálata, tulajdonságai 2. Összefüggések szerint, ahogyan a jelátalakító átalakítja egymásba a be és kimeneti jelet. ( Példa a jegyzetben.) A jelátalakítók fontos tulajdonságait adják meg az ún. karakterisztikák, amelyek valójában a ki és bemenet közötti kapcsolatot jelentik. Két alapvető esetet különböztetünk meg: a, A bemeneti mennyiség időben állandó Ekkor egyértelműen meghatározható a kimeneti mennyiség egyensúlyi, vagyis állandósult értéke. Ekkor beszélünk ún. statikus karakterisztikáról, amely a jelátalakítónál általában folytonos függvény . Az ábrán, a vízszintes tengelyen van a bemeneti, függőleges tengelyen a kimeneti jel. Látható, hogy adott ∆B változáshoz, adott ∆K kimenőjel változás tartozik. E két mennyiség hányadosa megadja a jelátalakító igen fontos paraméterét az érzékenységet:

6 Automatikai építőelemek 1.
JELÁTALAKíTÓK Jelátalakítók vizsgálata, tulajdonságai Ha K = f(B) meghatározható analitikusan, (aprólékos, részletes vizsgálat) akkor az érzékenység helyett a K = f(B) függvény deriváltját definiáljuk érzékenységként: Ez természetesen csak akkor igaz, ha a függvény deriválható. A leírtakból következik, hogy a jelátalakítók érzékenysége a karakterisztika alapján meghatározható. Az érzékenység mindig dimenzióval rendelkezik, kivéve a jelváltókat. Ott ez dimenzió nélküli szám. Érzékenységet a szabályozáselmélet, mint átviteli tényezőt értelmezi. A jelátalakítók legfontosabb paramétere tehát az érzékenység, mert ennek ismeretében határozhatjuk meg, hogy milyen feladatok elvégzésénél használhatjuk a kiválasztott jelátalakítót. Mindemellett még definiálunk egy ún. átalakítási tényezőt is: Definíciószerűen tehát az átalakítási tényező a relatív kimeneti mennyiségváltozás és az őt létrehozó relatív bemeneti mennyiségváltozás hányadosa.

7 Automatikai építőelemek 1.
JELÁTALAKíTÓK Jelátalakítók vizsgálata, tulajdonságai Mivel a statikus karakterisztika differenciálhányadosa az érzékenység, akkor ennek fordítottja az érzékenység integrálja a statikus karakterisztika.

8 Automatikai építőelemek 1.
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

9 Automatikai építőelemek 1.
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.

10 Automatikai építőelemek 1.
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: a kimenő jel a számított „K” értéktől gyakran eltér, amelynek nagyságát megadhatjuk abszolút, vagy relatív hiba formájában. ahol: „K” - kimeneti jel, „B”- bemeneti jel, „E(B)” - érzékenység a bemeneti jel függvényében ,

11 Automatikai építőelemek 1.
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. 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: ,

12 Automatikai építőelemek 1.
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

13 Automatikai építőelemek 1.
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:

14 Automatikai építőelemek 1.
Mechanikai jelátalakítók Mechanikai jelváltók 2. Fogaskerék áttétel: 2.2. ábra. Fogaskerékátté-tel Fogaskerékáttétel 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.

15 Automatikai építőelemek 1.
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

16 Automatikai építőelemek 1.
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)

17 Automatikai építőelemek 1.
Ellenállásos jelátalakítók 3.1. ábra. Mérőérintkezők Mérőérintkezők Mérőérintkezőt mutat a 3.1. ábra. Látható, hogy olyan szerkezeti elemek, amelyek elmozdulás vagy elfordulás hatására villamos áram-kört nyitnak, vagy zárnak. Az érintkezők lehetnek pont, vonal, vagy síkérintkezők. Az érintkezőkkel szemben követelményként kell előírni, hogy legyen szilárd, jó hővezető képessége legyen, 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 külön-leges érintkezők. 3.3. ábra. Vákuumérintkezők 3.2. ábra. Higanyérintkezők Az ábrából látható, hogy a higanyérintkező elfordulásra megszakítja az érintkezést, a vákuumérintkező pedig vákuumban van, ami jelentősen csökkenti a szikrázási veszélyt.