SENZORI I PRETVARA ČI

Fakultet za informatiku i menadžment – Fakultet za informatiku i menadžment – BeogradBeograd

Procesna i energetska efikasnost (šk.god.2009/10) Procesna i energetska efikasnost (šk.god.2009/10) Dragan Dragan MarkovićMarković

11

SENZORI I PRETVARAČI



22

Merenje

Merenje je staro kao i civilizacija i predstavlja jedan važan deo veze između čoveka i fizičkog sveta. Ono predstavlja proces prikupljanja informacija iz sredine koja nas okružuje. Pri tome, koristi se grupa senzora koji predstavljaju ključne elemente za ostvarivanje ove funkcije. Termini informacija i znanje se koriste sa sličnim značenjem i ciljem da opišu suštinu rezultata dobijenih od jednog ili više senzora. Pojedinačne promenljive koje se posmatraju nazivaju se merene veličine. Generalno, grupe senzora koji se primenjuju u procesu merenja često nazivamo i merna instrumentacija. Stepen tačnosti merenja može se odrediti jedino ako znamo tačnu vrednost merene veličine. Ipak, instrumenatacija ne može biti napravljena tako da funkcioniše bez greške. Zbog toga ona ne može pružiti sasvim precizne rezultate merenja i mora biti odabrana tako da obezbedi podatke u okvirima dozvoljene greške u sistemu u kome se primenjuje.



33

Merenje neelektričnih veličina

Merenje neelektričnih veličina kao što su pomeraj, temperatura, sila, pritisak, vibracije, protok fluida i drugih, ima veliki značaj u naučnoj i tehničkoj praksi, a posebno u industriji. Među različitim metodama koje se danas primenjuju nesumnjivo najveći značaj imaju metode merenja električnim putem. Primenjuju se elektronski instrumenti za merenje neelektričnih veličina, koje karakterišu osobine kao što su visoka tačnost, brzo i jednostavno očitavanje mernih rezultata i relativno mali uticaj spoljašnjih ometajućih faktora na rad instrumenta. Da bi se koristile električne metode merenja, vrši se konverzija neelektričnih veličina u električne signale pomoću uređaja koji se zove ulazni merni pretvarač ili najčešće samo merni pretvarač.



44

Merni pretvarač

Merni pretvarač predstavlja glavni i osnovni element ulaznog uređaja instrumentacionog sistema, pa i celog mernog sistema. Trebalo bi naglasiti da u literaturi postoje različita tumačenja mernog pretvarača, gde se pod ovim terminom često podrazumeva senzor. Bolje rečeno, termin senzor se obično koristi umesto termina merni pretvarač.



55

Senzor

Senzor je primarni osetljivi element pretvarača i odgovoran je za konverziju merene veličine koja je najčešće neelektrična u električnu, dok merno kolo predstavlja neophodni minimum elektronike za dobijanje prihvatljivog korisnog mernog signala. Često se pod uticajem merene veličine menja neki električni parametar senzora, a uz pomoć mernih kola se dobija električni signal, odnosno napon ili struja, čija je vrednost proporcionalna merenoj veličini. Tipičan primer je otporni senzor temperature kao senzor, dok se na izlazu mernog mosta dobija napon proporcionalan merenoj temperaturi. Merni pretvarači se mogu deliti i prema primenama u skladu sa fizičkim veličinama, osobinama, ili stanjima koja se mere pomoću njih.



66

Akvizicija podataka

•Današnji svet skoro u potpunosti funkcioniše na odlukama koje se zasnivaju na prikupljanju podataka i njihovoj daljoj analizi.

•U suštini postoji onoliko sistema za prikupljanje podatka koliko postoji i tipova podataka.



77

Akvizicija podataka

•Akvizicija podataka je proces pomoću koga fizički fenomeni iz realnog sveta se transformišu u električne signale koji se mere i konvertuju u digitalni format za potrebe procesiranja, analize, i memorisanja od strane računara.

•Kod najvećeg broja aplikacija DAS (Data Acquisition System) je projektovan ne samo da prikuplja podatke nego i da preuzima odgovarajuće upravljačke akcije. Zbog toga definicija DAS-a treba da se proširi ne samo na aspekte pribavljanja nego i na upravljanje radom sistema.



88

Analogni interfejs digitalnom svetu

Struja Napon Snaga Frekfencija Vreme Faza

Analogni

Paralelni Serijski

kodirani Brojanje

serijski

Digitalni

transliranjeanaliza iliproces

Fizi~ki Hemijski Poziciono, na

skali instrumenta Brojevi

neelektri~nidomen

transliranje

transdjuseri (merni pretvara~i) sistemi za akviziciju podataka



99

Osnovni elementi

•senzori i pretvarači•kabliranje•kondicioniranje signala•hardver za akviziciju•računar uključujući operativni sistem•softver za akviziciju podataka



1010

Funkcionalni dijagram DAS-a



1111

Pretvarači i senzori

•Pretvarači i senzori ostvaruju interfejs između realnog sveta sa jedne i DAS-a sa druge strane, konvertujući fizičke fenomene u električne signale koje zatim prihvata hardver za kondicioniranje i akviziciju.

•Pretvarači mogu da obave bilo koji tip merenja fizičke veličine i generišu električni signal. Tipični reprezenti su termospregovi, IC senzori, itd.



1212

Šest energetskih domena

Postoji šest važnih energetskuh domena između kojih se vrši konverzija.

Konverzija se vrši prema električnom domenu jer su električni signali najpogodniji za modifikaciju.

radijacioni

mahani~ki

termi~ki

hemijski

magnentni

elektri~ni



1313

Tipični uređaji – pretvarači signala

Izlaz

Ulaz

radijacioni mehanički termički električni magnetni hemijski

radijacioni optički filtar Golay-ova ćelija

solarimetar solarna ćelija

fotografski proces

mehanički kremen menjač električni generator

termički temper.-osetljivi LCD

bimetal izmenjivač toplote

termopar

električniLED zvučnik MOSFET kalem baterija

magnetni magneto-optički

modulator

magnetno kvačilo

adijabatski demagneter

Hall-ova ploča

magnetno kolo

hemijski sveća eksplozioni motor

gasni grejač pH merna ćelija

hemijski proces



1414

Efekti konverzije signala

Izlaz

Ulaz

radijacioni mehanički termički električni magnetni hemijski

radijacioni foto-luminiscencija

radijacioni pritisak

radijaciono zagrevanje

foto-provodnost

fotomagnetni efekat

fotohemijski efekat

mehanički foto-elastični efekat

konzervativni moment

frikciono zagrevanje

piezoelektr. efekat

magneto-strikcija

pritiskom indukovana eksplozija

termički usijavanje termička ekspanzija

provodjenje toplote

Seebeck-ov efekat

Curie-Weiss-ov zakon

električni injektivna lumuniscencija

piezo-elektr. efekat

Peltier-ov efekat

efekat p-n spoja

Amperov zakon

elektroliza

magnetni Faradejev efekat

magneto-strikcija

Ettinghaus-enov efekat

Hall-ov efekat magnetna indukcija

hemijski hemo-luminiscencija

reakcija eksplozije

egzotermička reakcija

Voltin efekat hemijska reakcija



1515

Kabliranje

•Kabliranje se odnosi na fizičko povezivanje pretvarača i senzora sa hardverom za kondicioniranje signala i/ili hardveraom za akviziciju podataka

•Kada je kondicioniranje signala i/ili hardver za akviziciju podataka udaljen od računara tada se kabliranjem ostvaruje fizička veza izmedju ova dva hardverska elementa i host-a

•Ako je fizička veza izvedena kao RS-232 ili RS-485 komunikacioni interfejs tada se ova komponenta kabliranja često naziva komunikaciono kabliranje

•Kabliranje je po dimenzijama najveća fizička komponenta, i podložna je efektima spoljašnjeg šuma, a posebno uticaju smetnji od industrijskih postrojenja



1616

Kondicioniranje signala

•Električne signale generisane od strane pretvarača često je potrebno konvertovati u oblik koji je prihvatljiv od strane hardvera za akviziciju podataka, posebno AD konvertora koji konvertuje primljeni signal u željeni digitalni format

•Osnovni zadaci koje obavlja blok za signal kondicioniranje su:– filtriranje– pojačanje– linearizacija– izolacija– pobuda (neki od pretvarača za korektni rad zahtevaju strujne ili

naponske pobudne signale)



1717

Hardver za akviziciju

•Hardver za akviziciju se može definisati kao komponenta DAS-a koja obavlja sledeće funkcije:

– Procesiranje i konverzija ulaznih analognih signala u digitalni format

– Prihvatanje digitalnih ulaznih signala

– Procesiranje digitalnih signala i konverziaj u analogni format

– Generisanje digitalnih izlaznih signala



1818

Softver za akviziciju

•Hardver za akviziciju ne radi bez softvera

•Za programiranje hardvera postoje tri dostupne opcije:– Direktno programiranje hardvera za akviziciju

– Korišćenje drajverskih rutina vrlo niskog nivoa

– Korišćenje off-the-shelf aplikacionog softvera tipa LabVIEW



1919

Domeni podataka

•Sa aspekta metrologije, sve veličine čiju vrednost procenjujemo, delimo na ne-električne i električne.

•Ne-električne veličine su one koje pripadaju magnetnom, hemijskom, radijacionom, mehaničkom i termičkom energetskom domenu.

•Skup energetskih domena karakterističnih za ne-električne veličine, nazivamo zajedničkim imenom fizički domen.

•Kod električnog energetskog domena, razlikujemo tri forme električnih signala, a to su:

– analogna forma : amplitude struje i napona predstavljaju relevantan odziv

– vremenska forma : vremenski odnos izmedju nivoa signala se koristi da opiše neku veličinu

– digitalna forma: racionalan broj predstavlja mereni podatak



2020

Analogni domen

•Merenje podataka u ovom pod-domenu se svodi na merenje amplitude struje ili napona.

•Signal u ovom domenu je kontinualno promenljiva veličina koja se može neprekidno procenjivati u vremenu ili diskretno meriti u bilo kom trenutku

•Analogni signali mogu pripadati jednom od sledeća četiri oblika:– naelektrisanje,

– napon,

– struja,

– snaga.

naelektrisanje

napon

struja

snaga



2121

Vremenski domen

•Merenje podataka u ovom domenu sastoji se u određivanju promene vrednosti signala u određenim vremenskim trenucima,

•Najčešći oblici procene vrednosti signala su:– određivanje frekvencije periodičnih talasnih oblika, – određivanje vremenskog perioda između dva impulsa,– određivanje fazne razlike merenog talasnog oblika u odnosu na

referentni talasni oblik.•Osnovna tri pod-domena koja pripadaju vremenskom domenu su:

– frekvencija – širina impulsa– fazna razlika



2222

Digitalni domen

•Podatke čine signali koji imaju samo dva nivoa: visoko (digitalna 1) i nisko (digitalna 0),

•Standardno, ovi signali predstavljaju kodirani oblik celobrojnih brojeva ili standardnih znakova.

•Postoje tri glavne forme digitalnih signala:– serijski podaci - predstavljaju se nizom impulsa koji se prenose

kanalom

– paralelni podaci - predstavljaju skup impulsa koji se simultano prenose po većem broju kanala.

– brojački impulsi - frekvencija impulsa predstavlja relevantan podatak.



2323

Proces merenja – prelazak iz jednog domena u drugi

•Proces merenja se može razmatrati kao skup ulančanih interdomenskih prelaza tj. konverzija i intradomenskih prelaza tj. kondicioniranje.

•Za prelaz signala ili skupa podataka iz jednog domena podataka u drugi potrebno je ugraditi posebna kola ili odgovarajuće elektronske sklopove.

•Ugradnjom elektronskih sklopova i posebnih kola unose se inherentne greške tj. pogoršava se tačnost i linearnost, unosi se dodatno kašnjenje signala ...



2424

Zašto se koriste DAS-ovi?

DAS-ovi se koriste za merenje i arhiviranje signala koji se generišu bilo kao:

•signali koji potiču od direktnog merenja električnih veličina:– napona,– struje, – otpora, – frekvencije

•signali koji potiču od pretvarača kao što su termoparovi, tenzometarske trake, i dr.



2525

Tipovi DAS-ova

Instrumentacioni sistemi, koji se kod DAS-ova koriste za procenu ulazne veličine, mogu se podeliti u sledeće dve glavne klase:

•analogni - mere informaciju u analognom obliku.

•digitalni - obrađuju informaciju u digitalnoj formi.



2626

Metalni otporni senzori – električni senzori temperature

Svoj rad baziraju na činjenici da se promena otpornosti sa temperaturom, u određenom opsegu, može aproksimirati linearnom funkcijom ili polinomom do trećeg reda pri čemu se koeficijenti mogu lako odrediti snimanjem karakteristike otpornika

RT=R0(1+T)

Otporni senzor je pasivan senzor i kroz njega mora teći struja da bi se dobio napon koji se može meriti. Međutim prolaskom struje kroz njega on se dodatno greje usled oslobađanja Džulove energije I2R. Ovo je najveći nedostatak otpornih senzora i ispoljava se kao sistemska greška



2727

Metalni otporni senzori – električni senzori temperature

Otporni senzor od Ni-žice

U odnosu na platinu Nikl ima:• veći linearni temperaturni koeficijent otpora• veći odnos otpora na 100 °C i 0 °C• statička karakteristika je nelinearnija i još nestabilna i

nereproduktivna• opseg temperature je manji jer se pri višim temperaturama

javljaju korozija i oksidacija• Imaju nižu cenu i koriste se u tehnici grejanja, hlađenja i

klimatizacije za merenje temperature vazduha



2828

Termistori – poluprovodni senzori temperature

Promena otpora sa temperaturom je velika, nelinearna i aproksimira se eksponencijalnom jednačinom

RT=AeB/T˙

Kod većine termistora otpornost opada sa porastom temperature NTC

Postoje i PTC

Postoje i termistori sa linearnom k-kom



2929

Termopar

Princip merenja temperature zasniva na Zebekovom (Seebeck) efektu, - pojava da na spojevima dva različita metala, kada se nalaze na različitim temperaturama, nastaje elektromotorna sila koja zavisi od razlike temperatura.

Najčešće od metala ili poluprovodnika

Spajanje zavarivanjem ili lemljenjem

Neophodna kompenzacija temperature hladnog kraja

Korišćenje zaštitnih obloga

Opseg merenja od -260 do +2800 oC



3030

Senzori vlažnosti

Merenje vlažnosti je od izuzetnog značaja u mnogim oblastima:

Sušare

Klimatizacija

Tekstilna industrija

Štamparije

Proizvodnja integrisanih elektronskih komponenti

Farmaceutska industrija …



3131

Vrste senzora vlažnosti

•Kapacitivni senzori

•Rezistivni senzori

•Bezkontaktni senzori

•Ostali tipovi senzora



3232

Kapacitivni senzori vlažnosti

•Detektuje se promena kapacitivnosti senzora, koja zavisi od vlažnosti izolacionog materijala između elektroda•Danas najčešće korišćen tip senzora•Koriste se za merenje vlažnosti vazduha kao i za merenje vlažnosti čvrstih i zrnastih materijala



3333

Rezistivni senzori vlažnosti

•Merenje vlažnosti se zasniva na određivanju provodnosti higroskopnog materijala između dve paralelne žice•U nekim izvedbama se umesto žica koriste mrežice između kojih se nalazi sloj higroskopnog materijala•Provodnici se povezuju na most napajan naizmeničnom strujom•Ređe se koriste od kapacitivnih senzora



3434



3535

Senzori za merenje sile

Vrste:– Merne trake

– Piezoelektrični senzori

– Magnetostrikcioni pretvarači

– Ostali tipovi senzora: optički, pneumatski, induktivni ...



3636

Merne trake

•Tenzootporni efekat – promena otpornosti žice pri njenom istezanju•Više vrsta traka:

Merne trake - namotaji provodnika

Merne trake - metalne folije

Merne trake - metalni film (metalizacija)

Merne trake - poluprovodnički materijali (nelinearne)

Merna traka od žice i merna traka od metalne folije



3737

Primena mernih traka

•Merne trake se prave u različitim oblicima, kako bi se mogla meriti naprezanja u više pravaca•Koriste se za merenja sile i naprezanja, ali i drugih veličina (ubrzanje, vibracije, pritisak, protok i dr.)•Primena u merenju naprezanja različitih mašinskih elemenata, merenje težine, na mašinama za pakovanje, u medicinskoj instrumentaciji…•Poluprovodničke merne trake se koriste u automobilima



3838

Granični prekidači i detektori položaja

•Prekidači sa mehaničkom aktivacijom (kontaktni) - granični prekidači•Bezkontaktni prekidači - detektori položaja

a) blizinski prekidači:

1. induktivni

2. kapacitivni

b) fotoelektrični detektori:

1. prijemnik – predajnik (trough beam)

2. reflektivni

3. difuzni

•Vizuelni detektori - kontrola i pozicioniranje•Napredni “SMART” detektori - kontrola i pozicioniranje kombinacijom više metoda



3939

Prekidači sa mehaničkom aktivacijom

BROJ STABILNIH POLOŽAJA KONTAKTA

- MONOSTABILNI

- BISTABILNI (samodržeći)

VRSTE AKTUATORA

- kuglica - točkić

- dugme - poluga

- jednosmerni palac - prebacivač

- opruga - kombinacije

NAČIN MONTAŽE: ugradnja (pravilna, nepravilna)

NAMENA: aktivacija sa metalnim objektima, plastičnim

TIP NAPAJANJA: AC, DC, 1A, 2A, 5A, 10A, 15A...



4040

Prekidači sa mehaničkom aktivacijom



4141

Tasteri

•RADNI USLOVI, željeni stepen IP zaštite•TIP KONTAKTA – sve važi isto i za tastere•indikacija položaja: OSVETLJEN – NEOSVETLJEN•OBLIK (okrugli, pravougaoni, kvadratni)•PREKLOPNI tasteri (2 ili 3 stepena)•PREKLOPNI SA KLJUČEM (2 ili 3 stepena)•“GENERAL STOP” pečurkasti tasteri•Specijalni tasteri sa zaštitom



4242

Tasteri



4343

Bezkontaktni prekidači – induktivni

BLIZINSKI PREKIDAČI- detektori položajaInduktivni – namotaji oko feritnog jezgra u glavi senzora. Napon visoke frekvence generiše oscilatorno magnetno polje. Prolaskom metalnog objekta stvara se struja u objektu, te usled transformatorskog efekta se smanjuju oscilacije, a na dovoljno bliskom rastojanju i prestaju.

– zbog primene EM polja moguć rad u sredinama sa prisustvom vode, ulja, prašine...

– oklopljeni senzori usmeravaju snop EM polja na čeonu površinu senzora, smanjen domet

– neoklopljeni senzori, značajno veći domet, nemoguća montaža u ravni sa metalnom površinom



4444


BLIZINSKI PREKIDAČI- detektori položajaInduktivni – detekcija metalnih objekata• AC ili DC napajanje• granična osetljivost, od 0.3 do čak 30mm, zavisno od izvedbe i primene• primena:

- detekcija prolaska objekata

- detekcija punih objekata

- detekcija brzih pokreta mašine

- uloga u sklopu brojača



4545




4646

Bezkontaktni prekidači – kapacitivni

BLIZINSKI PREKIDAČI- detektori položajaKapacitivni – u glavi senzora su postavljene pločaste elektrode.

Formira se elektrostatičko polje između elektode i zemlje. Kada se objekat nađe u blizini senzora povećava se kapacitivnost elektrode.

- detekcija metalnih i nemetalnih objekata, u teškim uslovima rada (vlaga, reagensi)

- AC ili DC napajanje

- granična osetljivost, od 0.3 do čak 25mm, zavisno od izvedbe i primene

- primena: - detekcija nivoa i prisustva tečnosti

- brojanje u konvejerima

- nivo korozivni tečnosti, bez obzira na penu



4747

Bezkontaktni prekidači – kapacitivni



4848

Bezkontaktni prekidači – fotoelektrični

FOTOELEKTRIČNI senzori - detektori

1. Prijemnik-predajnik – predajnik emituje svetlost koju detektuje prijemnik. Objekat prolaskom preseca svetlosni snop.

- nije osetljiv na boju, teksturu ili sjaj objekta

- sensing distanca – rastojanje prijemnik predajnik: u zavisnosti od

izvedbe od nekoliko mm do 50m 2. Reflektivni – prijemnik i predajnik su u istom kućištu, a snop svetlosti se odbija o reflektujuću površ. Objekat prolaskom preseca svetlosni snop.

- Jedno mesto za ožičenje.

- sensing distanca – rastojanje prijemnik predajnik: u zavisnosti od izvedbe od nekoliko mm do 50m

- centriranje – bitno je da reflektor vraća snop svetlosti



4949


3. Difuzni – prijemnik i predajnik su u istom kućištu, a snop svetlosti se odbija o objekat. Objekat prolaskom preseca svetlosni snop.

- Jedno mesto za ožičenje. Uticaj boje na domet.

- sensing distanca – rastojanje senzor objekat

Primena: – detekcija objekata, inspekcija sadržaja, pozicioniranje

– detekcija na velikoj razdaljini,

– detekcija minijaturnih objekata i rasporeda objekata

– detekcija providnih objekata

– detekcija objekata bez obzira na boju, materijal, vel.

– detekcija sjajnih objekata

– detekcija oznaka i razlika u boji

– detekcija nivoa tečnosti i razlike nivoa



5050




5151

NAPREDNI “SMART” detektori

• kombinacija• detekcija ekscentričnosti, zakrivljenosti, nivoa, savijenosti kontrolom stepena refleksije zraka• detekcija oblika reljefa, zakrivljenosti, debljine ili položaja elektronskih komponenti, pomeranjem kontaktne glave duž vertikalne ose• detekcija rastojanja, udubljenja, ispupčenja, vibracija promenom frekvencije oscilovanja glave senzora (metalni objekti)



5252




5353




5454

Vizuelni detektori

Kontrola proizvodnje i precizno pozicioniranje (kamera i pojačavač + snop svetlosti, kontroler, sočivo)

– prepoznavanje oblika u gray scale spektru (do 256 nivoa kontrasta)

– poređenje uzoraka– provera pravilnog pozicioniranja (obrnuti ili označeni predmeti,

nepravilno zalepljeni, dvostruko nalepljeni)– potvrda identičnosti štampe– provera dimenzija objekata, – Inspekcija položaja objekata u prostoru, – segmenti sklopa pri montaži



5555

Vizuelni detektori

– detekcija oznaka na IC kolima

– detekcija orijentacije

– položaj komponente na štampanoj ploči

– detekcija prljavštine, loma, oštećenja

– sve sa kontrolom i boja, RGB filter, 8 boja na jednoj sceni, brzina očitavanja slike maksimum do 8.3ms, vidljivo polje kamere: 20 x 20mm ili 50 x 50mm, pamćenje do 35 scena (oblika) u gray scale režimu, ili 16 scena u kolor varijanti



5656

Vizuelni detektori



5757

Vizuelni detektori



5858



5959

Documents

SENZORI I PRETVARA ČI