Senzor je tehniki pretvornik, koji pretvara fiziku veliinu (npr. temperaturu, udaljenost, tlak) u neku drugu veliinu, koja se lako obrauje najee elektriki signal.

Vrste senzoraPo mjerenoj velicini: napon, struja, otpor, temperatura, tlak, vlanost, poloaj, brzina, ubrzanje, sila, vrijeme, frekvencija, razina, protok, elektromagnetno zracenje, zvuk Po vrsti izlaza: analogni standardne vrste analognih signala sa senzora su 0-20mA, 4-20mA, 0-5V, 0-10V, 10V, ... digitalni najcece se koristi serijska komunikacija prema nekom od standardnih protokola

1

Parametri: mjerni opseg (definira raspon mjerene velicine unutar kojeg senzor ostvaruje deklarirana svojstva) tonost (odreuje mjerna svojstva senzora u odnosu na stvarnu vrijednost mjerene velicine) brzina odziva (kanjenje izmjerene vrijednosti za mjerenom veliinom) prijenosna funkcija (odnos izmeu mjerene velicine i izmjerene vrijednosti za itav mjerni opseg) linearnost (poklapanje prijenosne funkcije s linearnom) vrsta izlaza (analogni ili digitalni) temperaturni opseg (temperaturni opseg unutar kojeg senzor ostvaruje deklarirana svojstva

TonostStatika pogreka je odstupanje izmjerene vrijednosti od stvarne vrijednosti mjerene veliine. Izraava se u postotku punog mjernog opsega senzora. Mjerena veliina treba biti konstantna. Dinamika pogreka nastaje uslijed vremenske promjene mjerene veliine, tako da izmjerena vrijednost kasni za stvarnom vrijednosti mjerene veliine. Ponovljivost je izraena preko statistikog odstupanja izmjerene vrijednosti od stvarne vrijednosti mjerene veliine. Kod senzora koji ima dobru ponovljivost mogue je kompenzirati statiku pogreku. Mrtvo vrijeme predstavlja vremenski interval izmeu promjene mjerene veliine do promjene izmjerene vrijednosti. Mrtva zona definirana je kao najvea promjena mjerene veliine koja nee izazvati promjenu izmjerene vrijednosti.

Brzina odzivaIdealni senzor trenutno registrira svaku promjenu mjerene veliine. U praksi to nije izvedivo zbog dinamike pogreke, mrtvog vremena i mrtve zone.

2

Karakteristike senzoraStatike karakteristike su one koje se ne mijenjaju sa vremenom. Dobiju se izvodenjem statike analize tako da se pobudi odredena promjena vrijednosti ulazne veliine, a kad se sustav ustali odreuje se nastala promjena izlazne veliine. Dinamike karakteristike se dobiju kao rezultat dinamike analize, pri emu se ispituju vremenske promjene izlaznih veliina prema vremenskim promjenama ulaznih veliina.

Statistike karakteristike

LinearnostNelinearnost senzora ocituje se u odstupanju prijenosne karakteristike od linearne:

Nelinearnu prijenosnu karakteristiku mogue je kompenzirati sklopovski i programski.3

Vanjski utjecaji (okolini uvjeti):

temperatura vlaga vibracije elektromagnetizam kemijske promjene...

Za mjerne pretvornike tonost se deklarira za tono definirane uvjete okoline (npr. konstantna vanjska temperatura, konstantan napon napajanje, tlak zraka ili ulja itd.) Tonost pretvornika bit e naruena promjenama u okolini i progresivno e padati s vremenom koritenja (starost) Posljedica starenja je pomak vanjske karakteristike oko nule (ili pogreka nule), prikazano na a) ili kao promjena osjetljivosti(nagib karakteristike, prikazano na sl.b), pojam drift(od engl. drift, biti tjeran, noen). Utjecaj okoline se obino definira kao postotna pogreka za neku promjenu okoline. Npr. karakteristika mjernog lana diferencijalnog tlaka je osjetljiva na promjene statikog tlaka. Poznati utjecaji okoline se mogu eliminirati kompenziranjem.

a)

b)

Dozvoljeni pojas pogreke4

Nekada je teko odrediti pojedinane efekte na senzor, pa se definira ukupna pogreka ili pojas pogreke. Za sve podruje u kojem je procesna PV veliina definirana, ukupna apsolutna ili relativna pogreka mora biti u specificiranom podruju, ili prema a) ili prema b)

Histereza Za danu vrijednost I izlaz O moe biti razliit ovisno da li I raste ili opada. Histereza je razlika izmeu te dvije vrijednosti.

5

Zasienje Od sjecita prikazanog na slici prema desno slijedi zasienje (saturation).

Zona neosjetljivosti Podruje u kojem senzor ne reagira.

6

Rezolucija (razluivanje) Izlaz se mijenja skokovito pri kontinuiranoj promjeni ulaza. Rezolucija: Najvea promjena u I koja ne izaziva promjenu u O.

Troenje (habanje) i starenje Ovi efekti uzrokuju promjene karakteristika polagano i sustavno tijekom ivotne dobi elementa.

7

Tipini odzivi senzora na skokovitu promjenu mjerene veliine

Ponovljivost mjerenja preciznost senzora

8

Statistike promjene na izlazu mjernoga lana (elementa) s vremenom ponovljivost (repeatability). Uz konstantni ulaz mjernoga lana izlaz s vremenom varira. Nije ostvarena ponovljivost.

Izostanak ponovljivosti uzrokovan je sluajnim efektima u mjernom lanu (npr. toplinski um, plastinost materijala) i u okoliu mjernog lana. Ako okolini ulazi sluajno variraju, tada e sluajno varirati i izlaz. Ponovljivou senzora definira se preciznost senzora. Vano je uoiti razliku izmeu tonosti i preciznosti, koja je ilustrirana na sljedeoj slici:

Mjerna nesigurnost Je opis rasipanja mjernih rezultata, odnosno opis rasipanja oko srednje vrijednosti.9

10

11

12

Senzori blizineZa razliku od graninog prekidaa poloaja senzori blizine djeluju bez vanjskog mehanikog kontakta ili sile. Zbog toga takvi prekidai imaju veliku pouzdanost i dugi period rada.13

Razlikujemo nekoliko tipova senzora blizine: 1. Reed senzori 2. Induktivni senzor blizine 3. Kapacitivni senzor blizine 4. Optiki senzor blizine Induktivni, optiki i kapacitivni senzori blizine su zapravo elektroniki senzori jer nemaju pokretne kontakte koji bi upravljali strujom u strujnim krugovima. Umjesto toga izlaz senzora je elektroniki spojen na napajanje ili na uzemljenje (izlazni napon = 0 V). Reed senzori Reed kontakt je senzor blizine kojeg aktivira magnetizam. Sastoji se od dva kontakta smjetena u staklenu cijev ispunjenu inertnim plinom. Magnetsko polje uzrokuje ukljuenje reed senzora. Kontaktna pera se zatvaraju kada dovedemo permanentni magnet ispod reed senzora, te se time omoguava tijek struje u strujnom krugu.

U sluaju kada upravljanje elektropneumatskog sustava zahtjeva da su kontakti reed senzora spojeni u normalno zatvorenom poloaju (mirni kontakt), dodaje se konstrukcijski mali permanentni magnet koji dri kontakte u spojenom stanju. Kontakti se odspajaju kada se pojavi jae magnetsko polje. Ova vrsta senzora ima dugi vijek trajanja, veliku pouzdanost i vrlo kratko vrijeme spajanja ( oko 0,2 ms ). Loe strane su to se ne moe upotrebljavati u okruenju jakih magnetskih polja i u blizini prostora gdje se zavariva. Induktivni senzor blizine Induktivni senzor blizine je sastavljen od elektrinog oscilatora (1) preklopnog stupnja (flipflopa) (2) i pojaala (3). Prikljuenjem napona na induktivni senzor oscilator generira visokofrekventno elektromagnetsko polje koje se rasprostire u aktivnu sklopnu zonu senzora. Ako se u tu sklopnu zonu unese metalni dio oscilator se priguuje. Priguenje amplitude titraja polja djeluje na preklopni stupanj, koji preko pojaala daje izlazni signal.14

Induktivni senzori blizine reagiraju uglavnom na metale, a mogue je i na neke druge materijale kao na primjer grafit. Indukcijski magnetski senzori blizine imaju sljedee prednosti u usporedbi s Reed senzorima:

nema problema s iskrenjem kontakata, nema troenja, jer nema pominih dijelova, ukoliko se osi magnetskih polova ispravno postave stvara se samo jedno podruje prekapanja.

Kapacitivni senzor blizine Kapacitivni senzor blizine je sastavljen slino kao i induktivni od oscilatora samo to nema induktivni svitak ve kondenzator i otpornik u sklopu RC oscilatora. Elektrostatiko polje se generira izmeu anode i katode kondenzatora, a prostire se u polje ispred senzora. Dolaskom predmeta u blizinu mijenja se kapacitet kondenzatora. Oscilator se priguuje i na izlazu se pojavi signal.

15

Kapacitivni senzori blizine ne reagiraju samo na materijale visoke vodljivosti (kao to su metali) ve i na izolatore s veom dielektrikom konstantom kao to su plastika, staklo, keramika tekuina i drvo. Ukratko reagiraju na veinu materijala i medija. Kapacitivni senzor reagira kada aktivnoj povrini pribliimo medije koje treba detektirati, dodir nije potreban. Medij se treba vie pribliiti senzoru kada ima manju dielektrinu konstantu. Kapacitivni senzori reagiraju dodatno i na pribliavanje izolacijskih materijala ija je dielektrina konstanta vea od 1., zato su prikladni za ugradnju kao krajnji prekidai pri mjerenju razine vode, cementa, eera, brana, granulata i drugih medija. Potrebno je zapamtiti da je udaljenost ukapanja kapacitivnih senzora blizine funkcija ovisna o vrsti, duljini i debljini materijala koji se uoava. Osjetljivost (udaljenost ukapanja) veine kapacitivnih senzora moemo podesiti pomou potenciometra. Tako se moe sprijeiti uoavanje nekih materijala. Na primjer, mogue je uoiti razinu vodenih otopina kroz stjenku boce.

Prednost ovih senzora je zbog mogue primijene za uoavanje predmeta iza nemetalnih pregrada.16

Optiki senzor blizine Optiki senzori blizine se za uoavanje predmeta koriste optikom i elektronikom. Senzori rade sa crvenim i infracrvenim svjetlom. Poluvodike diode koje proizvodi svjetlost (LED) su posebno pouzdan izvor crvenog i infracrvenog svjetla. Male su, robusne, imaju dug radni vijek i lako ih je ugraditi. Kao prijemnici se koriste fotodiode i fototranzistori. Pri namjetanju prednost imaju senzori s vidljivom, crvenom svjetlou, za razliku od nevidljive infracrvene. Osim toga za valne duljine crvene svjetlosti mogu se bez problema priguenja svjetla koristiti polimerni optiki vodovi.

Optoelektroniki prkidai reagiraju bezkontaktno na sve materijale npr. na staklo, plastiku, drvo, tekuine, metal .... Njihov nain djelovanja bazira se na refleksiji svijetla kojeg su odaslali prema mediju (materijalu). Optiki senzori blizine se obino sastoje od dva glavna dijela: izvora svjetla i prijamnika. Ovisno o vrsti primjene, potrebni su reflektori i optiki vodovi. Izvor i prijamnik su ili postavljeni u isto kuite (difuzijski i zrcalni senzori) ili u odvojena kuita (prolazni senzori optika vrata, optika brana). Razlikujemo tri tipa optikih senzora blizine:1.

2. 3.

Svijetlosna brana s predajnikom i prijemnikom (prolazni senzor) Svjetlosna refleksna preklopka (refleksni senzor) Svjetlosno reflektirajui preklopnik (difuzni senzor)

Svjetlosna brana s predajnikom i prijemnikom (prolazni senzor) jo se naziva jednosmjerna svjetlosna preklopka je optiki senzor s odvojenom odailjaem i prijemnikom postavljenim tako da je svjetlosna zraka odailjaa usmjerena na prijemnik. Izlaz prijemnika daje signal ako se ta zraka prekine. Senzor se aktivira mrakom.

17

Svjetlosna refleksna preklopka (refleksni senzor) je tip optikog senzora kod kojeg su odailja i prijemnik smjeteni u zajednikom kuitu. Reflektor je jedna refleksna povrina koja se postavi tako da se odailjana zraka kompletno reflektira i vrati do prijemnika. Takoer u sluaju prekidanja zrake na izlazu se pojavi signal.

Svjetlosno reflektirajui preklopnik (difuzni senzor) se takoer sastoji od odailjaa i prijemnika u jednom kuitu, ali nema reflektor. Umjesto reflektora zraka se reflektira od predmeta koji doe u blizinu. Zbog takvog principa rada svjetlosno reflektirajui optiki senzor se upotrebljava na manjim udaljenostima i dio stroja ili obraivani predmet ija se blizina mora detektirati, mora imati dobru reflektirajuu povrinu. (Na primjer polirana metalna povrina ili svjetlo obojena povrina).

Mjerni pretvornici temperatureMjerenje temperature je proces prijenosa topline s medija na osjetilo (osjetilni element). Promjene toplinskog stanja uzrok su razliitim fizikalnim pojavama koje se koriste za mjerenje temperature: Zavisnot obujma tijela o temperaturi Zavisnost elektrinog otpora vodia i poluvodia o temperaturi Zavisnost energije zraenja tijela o temperaturi tijela18

Zavisnost elektromotorne silerazvijene na spojitu dvaju vodia o temperaturi spojita

TEMPERATURA (Kelvin, Celsius, Fahrenheit)

Dilatacijski mjerni pretvornici temperatureOvisnost obujma tijela o promjeni temperature. Podjela: tapni dilatacijski pretvornici bimetalni dilatacijski pretvornici kapljevinski pretvornici tlani mjerni pretvornici temperature: kapljevinski, parni, klizni

19

tapni dilatacijski pretvornik

Za tap i icu obino se ovisnost rauna samo za duljinu, a zanemaruje se popreno irenje:

Bimetalna osjetila Dva ili vie sloja razliitih vrsta metala. Razlika u brzini toplinskog rastezanja metalnih traka spojenih zajedno. Ako se jedan kraj uvrsti, otklon drugog kraja bit e mjera temperature. Otklon je proporcionalan kvadratu duljine traka, a reciproan debljini. Jedna strana se rastee vie od druge => posljedica je savijanje koje se prikazuje na temperaturnoj ljestvici mehanikom vezom s kazaljkom.

20

Ako se trake oblikuju u spiralu ili helikoidu dobiva se zakret kao mjera temperature (takvi se obino koriste u praksi).

Mjerno podruje od 185C do 400C

Kapljevinski pretvornici temperature Klasini instrumenti za mjerenje temperature termometri. koriste se iva, alkohol i toluen kojima je promjena volumena proporcionalna promjeni temperature. Rezervoar i dio kapilare ispunjeni su kapljevinom, a u ostalom dijelu kapilare je vakuum. Uz kapilaru je skala podijeljena na stupnjeve.

21

Kapljevina u staklu tradicionalni termometri

Tlani mjerni pretvornici temperatureKapljevinski Parni punjeni hlapljivom kapljevinom koja u lukovici dijelom isparuje i stvara tlak mjerno podruje: od -40C do 350C vea osjetljivost od kapljevinskih, ali tromiji zbog vee koliine topline potrebne za isparivanje punjeni su npr. metanolom, toulenom, ivom mjerno podruje: do oko 600C

Plinski -

-

najee punjeni duikom mjerenje tlaka plina pri konstantnom volumenu vrlo tona, ali skupa metoda 6 dananja tonost 10 K pri 273.16K mjerno podruje: od -85C do 540C

Otpornika mjerna osjetila (RTD - resistance temperature detector)Otpor metala mijenja se s promjenom temperature. Pozitivan temperaturni koeficient:

R 0 -otpor pri referentnoj temperaturi (obino temperatura ledita vode)22

T- mjerena temperaturei - temperaturni koeficient elektrikog otpora metala

Izvedbe RTD osjetnika Obino se koristi platina, nikal i bakar. Otpor raste priblino linearno s temperaturom. Pt-100 platinsko osjetilo vrlo stabilno, ne oksidira, velika tonost, 100 pri 0C. Za mjerenje temperature potrebno je poznavati vrijednost. Postoje dvije standardne relacije definirane vrijednostima

Ovisnist otpora o temperaturi za Pt-100

Izvedba otpornikih osjetila temperature

Otporniki elementi Najjednostavnija izvedba otpornikog osjetila temperature. ini ga komad ice omotane oko keramike ili staklene jezgre. Male dimenzije, pogodno kada je prostor skuen.23

Navoji reduciraju efektivnu povrinu zavojnice radi minimaliziranja magnetskih i ostalih smetnji

Povrinska otpornika osjetila temperature Posebna vrsta otpornikih osjetila temperature. Projektirani da budu to tanji kako bi se omoguio to bolji kontakt za mjerenje temperature na ravnim povrinama.

Sonde Najrobusnija izvedba otpornikih osjetila temperature. Otporniko osjetilo temperature smjeteno je u metalni tuljac. Tuljac titi element od vanjskih utjecaja. Postoji veliki izbor sondi razliitih oblika.

Termistori - Poluvodika osjetila Izraeni su od poluvodia kompozit keramike i metalnih oksida (Mn, Co,Cu ili Fe) Vrste termistora: - NTC (negativnan temperaturni koeficient)24

- PTC (pozitivan temperaturni koeficient) NTC otpor opada s porastom temperature termistori se izrauju od sinteriranih metalnih oksida

PTC otpor raste s porastom temperature termistori se izrauju od polikristalne keramike koja sadri barij titanat i druge spojeve Samo se NTC tip koristi za precizno mjerenje temperature dok se PTC tip koristi uglavnom za zatitu strujnih krugova.

Prednosti: Visoka tonost: ~ 0,02 C Visoka osjetljivost: ~ 10 puta bolja od RTD (mogu se zanemariti greke zbog otpora prikljunih vodova i samozagrijavana) Manje dimenzije od RTD Bri odziv od RTD25

Dugotrajna stabilnost i ponovljivost Nedostaci: Ogranieni temperaturni opseg: - 40 C150 C Vrlo nelinearni odnos otpora prema temperaturi

Usporedba (Termistor Pt 100)

Tipicne tvornicke tolerancije termistora u najboljem slucaju idu do 1%. Iz tog razloga je potrebno vriti kalibraciju svakog termistora pojedinacno pri cemu se zbog dobre stabilnost i ponovljivosti termistora dobiva viestruko bolja tocnost. Kalibriranje se svodi na mjerenje otpora na poznatoj temperaturi mjerenoj referentnim termometrom, u tri ili cetiri tocke. Termoparovi Termopar je mjerni pretvornik temperature izveden kao spojite dvaju materijala prikljuenih na mjerni instrument.

Jednostavan spoj za mjerenje temperature termoparom

26

J T M =>EMS M J

T REF =>EMS REF EMS = EMS M - EMS REF J

Mjerno naelo Kada se dvije ice razliitih metala spoje na oba kraja, a jedan kraj se pri tom grije, javlja se struja koja prolazi tim krugom

Ako se ovaj krug prekine, napon otvorenog kruga (Seebeckov efekt) funkcija je temperature spojita i sastava dvaju metala termoelektromotorna sila (TEMS)

27

Standardne vrste termoparova

Ovisnost elektromotorne sile (TEMS) o temperaturi

Uspordba karakteristika28

Usporedba mjernih pretvornika temperature

Usporedba mjernih pretvornika temperature29

IC Termometar

TERMOVIZIJSKA KAMERA30

IC termografija je beskontaktna metoda mjerenja temperature i njezine raspodjele na povrini tijela. Temelji se na mjerenju intenziteta infracrvenog zraenja s promatrane povrine. Rezultat termografskog mjerenja je termogram, koji u sivim tonovima ili nekom kodu boja daje sliku temperaturne raspodjele na povrini promatranog objekta. Temperaturna raspodjela posredno daje informaciju o razliitim stanjima same povrine ili je pak odraz strukture i unutranjeg stanja promatranog objekta. TERMOGRAM zapis raspodjele infracrvenog zraenja koje dolazi s povrine promatranog objekta Primjena termografije Graevinarstvo preventivno odravanje ispitivanje kvalitete proizvoda traganje, spaavanje, vojne svrhe, medicinska dijagnostika

31

Mjerenje tlaka

Ureaji za mjerenje tlaka djele se po sljedeim osobinama: 1. po vrsti mjernog tlaka:

barometri ( za mjerenje atmosferskog tlaka)

manometri ( za mjerenje pretlaka ili apsolutnog tlaka) mikromanometri vakummetri (za mjerenje podtlaka)

2. po principu djelovanja:

sa tekuinom

klipni elektrini kombinirani

3. po stupnju tonosti i podruju primjene: radni kontrolni etalonski

Dijafragme Krune ploe uvrene uzdu ruba tako da im se pri djelovanju tlaka najvie uvija sredite. Mjere se nastali pomaci sredita ili naprezanje izazvano deformacijom. Otklon ovisi o promjeru, debljini, obliku i broju nabora, modulu elastinosti i primjenjenom tlaku.

Izvedbe: ravna i valovita (naborana)

32

a,b,c) ravne dijafragme d) valovita dijafragma

Elastina kutija ili kapsula (spojene dvije valovite dijafragme) vea osjetljivost

Mjehovi Limena cijev s tankom stijenkom i s platom u obliku dubokih nabora. Na jednom je kraju zatvorena, a na drugom je prikljuak za mjereni tlak. Broj i dubina nabora zavisi od potrebne osjetljivosti.

Presjek i izgled mjeha Koriste se za mjerenje malih tlakova i kada su potrebni veliki pomaci za male promjene tlaka (velika osjetljivost)

33

Bourdonova cijev

uplja cijev zakrivljena u obliku srpa, na jednom kraju zatvorena, a na drugom prikljuena na mjerni tlak. Tekuina u cijevi izloena je tlaku koji uzrukuje deformaciju (ipravljanje) cijevi. Tlak se oitava kao otklon kazaljke povezane s Bourdonovom cijevi.

34

Tri su najea pretvornika tlaka: Otporniki pretvornik tlaka Kapacitivni pretvornik tlaka Piezoelektrini pretvornik tlaka

Otporniki pretvornici tlaka Sadre materijale osjetljive na tlak ili materijale iji otpor se mijenja s promjenom tlaka.

a) Otporniki pretvornik tlaka s elektrovodljivim materijalom b) Manganova ica

Kapacitivni pretvornik tlaka Kapacitet izmeu dvije metalne ploe mijenja se ukoliko se promijeni njihov razmak. Mjeri se promjena kapaciteta izmeu metalne dijafragme i fiksne metalne ploe te se preraunava tlak.

35

Piezoelektrini pretvornik tlaka Mijenjaju stanje kada se na njih primjeni elektrino polje. Obratno, piezoelektrini materijali stvaraju elektrino polje kad se deformiraju. Kvarcni pretvornici: izuzetno stabilni i kompaktni otpornost na tlak oko 100 Mpa (oko 14 km ispor razine vode) otpornost na temperaturu (do 500C) velika krutost, linearnost i mala histereza stalna osjetljivost na irokom temperaturnom podruju

Kristali prilikom naprezanja pod utjecajem tlaka stvaraju elektrino polje proporcionalno tlaku. Dijafragma kao osjetilo tlaka prenosi silu na slog diskova napravljenih od piezoelektrine keramike ili kristalininog kvarca.

36

Mjerenje vlageDefinicija relativne i apsolutne vlanosti zraka37

Atmosferski tlak zraka (pa) jednak je zbroju parcijalnog tlaka suhog zraka (ps) i parcijalnog tlaka vodene pare (pp): p a =p s +pp

Svakoj temperaturi zraka odgovara maksimalna mogua koliina vodene pare koju zrak pri toj temperaturi moe sadravati. Pri toj maksimalnoj vlazi kaemo da je zrak zasien vodenom parom. Ako bi u zrak ubacili dodatnu koliinu vodene pare dolo bi do kondenzacije.

Psihometar

38

Higrometar - Mjerilo vlage s vlaknima

Higrometri - su instrumenti koji slue za izravno mjerenje relativne vlanosti zraka. Princip rada se zasniva na rastezanju ljudske vlasi (najee). Poznato je da se vlas pri poveanju vlanosti rastee, a prilikom smanjenja skuplja. Prenosnim mehanizmom omogueno je oitavanje relativne vlanosti zraka, na skali od 0 100 %, u koracima od po 1 %. Vano je napomenuti da higrometri nisu posve precizni instrumenti, te je preporuljivo ee kalibriranje ili uporeivanje sa psihrometrom.

39