Vrste Pretvorbe Mjerenih Veličina u Električni Oblik 2

5/25/2018 Vrste Pretvorbe Mjerenih Veli ina u Elektri ni Oblik 2

VRSTE PRETVORBE MJERENIH VELIINA U ELEKTRINI

OBLIK


SADRAJ

1. UVOD ............................................................................................................................................... 12. UVOD U AUTOMATSKE SUSTAVE ................................................................................................ 2

2.1. Zadavanje ulazne veliine reference .................................................................................... 32.2. Elementi povratne veze ........................................................................................................... 42.3. Izvrni lanovi.......................................................................................................................... 5

3. MJERNI PRETVORNICI .................................................................................................................. 63.1. Elektrini mjerni pretvornici...................................................................................................... 63.2. Mjerenje neelektrinih veliina................................................................................................. 7

3.2.1.

Pneumatski mjerni pretvornici ......................................................................................... 7

3.2.2. Mjerni detektori za pomak ............................................................................................... 83.2.3. Kapacitivni detektori pomaka ......................................................................................... 103.2.4. Mjerni detektori brzine ................................................................................................... 113.2.5 Mjerni pretvarai za silu, naprezanje i ubrzanje.................................................................... 15

4. ZAKLJUAK................................................................................................................................... 17LITERATURA ........................................................................................................................................ 18


1

1. UVOD

Danas je vrijeme kada se stalno trae vei tehniki zahtjevi nego prije. Automatizacija

industrijskih sustava trai mogunost mjerenja razliitih mjernih veliina te mogunost da se sve te

veliine iskoriste u svrhu kontrole i upravljanje. Iz tog razloga se razvilo veliko podruje pretvorbe

mjernih veliina u elektrini oblik. Trai se to vea osjetljivost, tonost i stabilnost detektora i

pretvornika raznih mjernih veliina u elektrini oblik, a da opet budu brzi i pouzdani. Oekuje se da

dimenzije budu manje i da energija potrebna za prijenos informacija takoer bude manja, a da s druge

strane postoji mogunost mjerenja ili reguliranja veeg broja veliina i varijabli.


2

2. UVOD U AUTOMATSKE SUSTAVE

Kako bi smo u potpunosti i na najlaki nain mogli razumjeti problematiku automatskih sustava,

moramo krenuti od samih poetaka, od onoga od ega se taj sustav sastoji. Razni procesi se

upravljaju pomou automatike, razni strojevi (zrakoplovi, alatni strojevi, rakete...) do ureaja (mobiteli,

kamere, diskovi..), ali drave koje donose zakone takoer u sebi imaju ugraen neki automatizam,

jednako tako mnoge analize ponaanja ivih organizama svoje prouavanje temelje na automatskom

sustavu. iroka je primjena automatskih sustava, ali mi emo se ovaj put ograniiti na primjenu u

strojevima, proizvodnji, u tehnikom djelu toga. Kada gledamo osnovne pojmove iz podruja

upravljanja susreemo se s:

kibernetikomznanost o opim zakonitostima upravljanja.

tehnika kibernetikaznanost o upravljanju tehnikim sustavima

automatikaznanstveno-tehnika disciplina koja se teorijski i praktino bavi automatskim ureajima i

sustavima (teorijska razmatranja, konstrukcija, funkcioniranje, odravanje)

automatizacijaupravljanje strojevima i reguliranje procesa automatima koji zamjenjuju ovjekov rad

automatnaprava koja samostalno obavlja radne operacije bez izravnog sudjelovanja ovjeka

upravljanje djelovanje na proces upravljanja kako bi se postiglo eljeno stanje ili prijelaz meu

stanjima u procesu

automatsko upravljanjeupravljanje sustavima bez izravnog sudjelovanja ovjeka

runo upravljanje gotovo uvijek prisutno u tehnikim sustavima upravljanja kao opcija (mod rada)

vieg prioriteta od automatskog moda upravljanja

automatska regulacija nain automatskog upravljanja koji ima za cilj da regulirana veliina bude

konstantna, tj. da se to manje mijenja pod djelovanjem vanjskih poremeaja

voenjevid upravljanja koji uz automatsko upravljanje ukljuuje kontrolu i signalizaciju

Slika 2.1.Osnovna regulacijska shema automatsko upravljanja


3

Dava referenceizvor informacije o zadatku upravljanja

Elementi povratne vezemjerni elementi i pretvorniciizvor informacije o rezultatu upravljanja

Poredbeni element i upravljaki ureajureaj za obradu informacija

Izvrni ureajusko vezan uz upravljive izvore energije, tj. pojaala snage

Slika 2.2. Osnovna regulacijska shema s pripadajuim oznakama veliina

Sustave upravljanja moemo podijeliti prema linearnosti operatora A na linearne, linearne po

dijelovima i na nelinearne; po nainu rada elemenata na kontinuirane, diskretne, impulsne, sustave s

diskretnim dogaajima i hibridne; prema stacionarnim parametrima na stacionarne i ne stacionarne;

prema broju ulaza i izlaza na sustave s jednim ulazom i izlazom (engl. SISO) i sustave s vie ulaza i

izlaza (engl. MIMO); prema strukturi sustava na sustave s promjenjivom i stalnom strukturom; prema

karakteristikama upravljanja na robusne, adaptivne (samouee), optimalne i inteligentne; prema

tehnici izvedbe na elektrine, pneumatske, hidraulike, elektropneumatkse i elektrohidraulike; prema

izvrnom elementu na istosmjerne i izmjenine.

2.1. Zadavanje ulazne veliine reference

Postoje razliiti oblici zadavanja reference:

kao analogne veliine - npr. napon na potenciometru, regulirani izvor napona

kao digitalne veliine - A/D pretvorbom analognog signala, neposrednim zadavanjem

digitalne vrijednosti, putem SCADA (System Control and Data Acquisition) sustava

kao niza impulsa - npr. impuls = osnovni pomak, gui niz impulsa = vea brzina gibanja,

dulji impuls = vei pomak - upravljanje gibanjem pomou impulsno-irinske modulacije

kao logiko stanje


4

Slika 2.3.Ope naelo zadavanje reference

Zadavanje reference u runom nainu upravljanja (MAN) zadaje se izravno vrijednost izlaza iz

regulatora (X0=OUT). Dok se zadavanje reference u automatskom nainu upravljanja (AUT) zadaje se

SP (engl. set point) kao ulaz u regulator. Izlaz iz regulatora je OUT=A(SP-PV), gdje je PV signal

povratne veze (engl. process value). Iznosom reference definira se radna toka, promjena reference je

nalog za prijelaz u novu radnu toku. esto se za formiranje reference koristi signal rampe (nagib

definira brzinu promjene).

2.2. Elementi povratne veze

elimo znati da li se zadani cilj ostvaruje i zato treba mjeriti veliinu koju reguliramo, odnosno

itati logika stanja u procesu te dobivenu povratnu informaciju iz procesa dovodimo u regulator kao

analogni ulaz, kao digitalni broj, slijed impulsa ili kao logiki signal. Elemen t koji koristimo za mjerenje

regulirane veliine zajedno s elementom koji formira mjerni signal u oblik pogodan za danu vrstu

regulatora nazivamo mjerni lan ili lan povratne veze.

Postojanje informacije o stanju cijelog sustava ili nekog njegovog dijela. Na temelju postojanja

povratne veze mogue je izvesti zakljuak koliko je dio sustava, odnosno cijeli sustav blizu eljenog

stanja. U drutvenim sustavima povratna se veza ostvaruje kroz demokratsku raspravu, referendum,

anketu. U biolokim se sustavima povratna veza zasniva na osjetilima (vid, sluh, miris, okus, dodir). U

tehnikim sustavima povratna veza moe biti prirodna, npr. napon induciran u motoru zbog njegove

vrtnje, ali se uglavnom zasniva na uporabi tehnikih osjetila senzora i mjernih pretvornika. Naelo

negativne povratne veze je osnovno naelo u sustavima automatskog upravljanja. Sustavi s

povratnom vezom su zatvoreni, a bez povratne veze otvoreni sustavi. Pozitivna povratna veza


5

openito oznaava trend u sustavu koji ga udaljava od eljenogstanja (primjer galopirajue inflacije u

monetarnom sustavu, nestabilan reim rada reguliranog sustava).

Elementi povratnih veza su:

DETEKTORI (OSJETILA - senzori) - elementi za stvaranje prijenosne informacije

MJERNI PRETVORNICI - elementi za pretvaranje mjernih signala

ELEMENTI ZA POKAZIVANJE I POHRANU mjerne informacije

IZVRNI ELEMENTI - npr. za poveanje preciznosti mjerenja, zvuni i svjetlosni alarmi

2.3. Izvrni lanovi

Slika 2.10.Podjela izvrnih lanova

Hidrauliki izvrni lanovi imaju slijedee osnovne karakteristike:

koristi se tekuina ulje

Ostvaruju se translatorna gibanja velikih snaga

Pogonski momentu su vrlo veliki s obzirom na njihove male dimenzije (el. motor iste snage je

15 puta vei od hidraulikog)

male vremenske konstante

pojaanje snage do 103(W u kW)

A mane su im:

Potreban izvor pomone energije

Veliki gubici zbog viestruke pretvorbe energije,stupanj iskoristivosti manji od 85%

Zagaivanje okoline ako je loe izvedeno

Najea upotreba je kao prese, alatni strojevi, roboti, dizalice, zrakoplovi, poljoprivredni strojevi ...


6

3. MJERNI PRETVORNICI

3.1. Elektrini mjerni pretvornici

Daju normirani signal od 0 do 20mA. Postoje tri osnovna naina pretvorbe

a) Pretvorba na principu kompenzacija sile

Slika 3.1.Pretvorba na principu kompenzacija sile

Promjena ulazne veliine remeti ravnoteu momenta i uzrokuje promjenu izmjeninog napona

induktivnog davaa. Izlazna istosmjerna struja iz pojaala djeluje povratno na polugu preko

kompenzacijskog elektrodinamikog kruga.

b) Pretvorba na principu kompenzacija napona

Slika 3.2.Pretvorba na principu kompenzacije napona

Ako je K >>, tada Xu x Xr tee nuli. Ova izvedba ima linearnu karakteristiku, moe se izvesti i s

korjenovanjem.

c) Pretvornik milivolta

Slika 3.3.Pretvornik milivolta


7

Pretvornik radi na principu kompenzacije napona, osnovni problem je konstrukcija istosmjerno

pojaala. Postoji galvansko odvajanje ulaza od izlaza to je bitno kod povezivanja s procesnim

raunalima.

3.2. Mjerenje neelektrinih veliina3.2.1. Pneumatski mjerni pretvornici

Daju normirani signali iznosa od 0.2 do 1 bara. To su pretvornici tlaka, temperature, tlane

razlike i slino.

Pretvorba na principu kompenzacije momenta koji je prikazan na slici ispod

Slika 3.4. Pretvorba na principu kompenzacije momenta

Mjerni pretvornik sadri sustav vage s polugom to vidimo pod brojem (1). Poluga vage je

uvrena na osovini (2). Lijevi krak poluge vezan je za membranu detektora tlane razlike a desni

krak poluge vezan je preko pominog dijela (3) na krak pomone poluge (4). Na desni kraj poluge

montirana je odbojna ploica, koja zajedno s pneumatskom sapunicom ini pojaalo (7). Desni krak

poluge ujedno je vezan i na oprugu za podeavanje nul toke. Pomoni izvor (kompresor) daje

sustavu zrak po tlakom od 1.4. bara, a pneumatsko pojaali (6) na izlazu daje standardizirani signal od

0.2 do 1 bara.

Ovaj signal se ujedno dovodi u reakcijski mjehur (5), koji preko povratnog djelovanja na

pomonu polugu (4) vri protudjelovanje na desni krak poluge (1). Pret vornik radi na principu

usporeivanja zakretnih momenata. Dok na ulazu membranu djeluje tlana razlika, vaga ima otklon i

mijenja meusobni poloaj odbojne ploice i sapunice, s time i mijenja tlak na izlazu pojaala (6).

Spomenuta promjena izlaznog tlaka stee ili rastee mjehur (5), te u stacionarnom stanju dovodi do

potpune kompenzacije momenta. Promjena izlaznog tlaka se postie pomicanjem pominog dijela (3),

tj. promjenom kraka poluge (1).


8

3.2.2. Mjerni detektori za pomak

Potenciometarski d etektor i pomaka

Mjerenje pravocrtnog pomaka

Slika 3.5.Mjerenje pravocrtnog pomaka pomou potenciometra

Mjerenje zakreta

Slika 3.6. Mjerenje zakreta pomou potenciometra

Prikljuak ide na instrument s ukrienim svicima, ili na spoj djelitelja napona. Statika

karakteristika potenciometarskih mjernih veliina ovisi o vanjskom optereenju (npr. o ulaznom otporu

operacijsko pojaala).

(3-1)

(3-2)

(3-3)

Pogreke mjerenja mogu nastati uslijed realnog optereenja, neiste atmosfere, promjene kontaktnog

otpora, ili troenja kliznika zbog trenja.


9

Indukt ivni detektor i pomaka

Slui za male pomake.

Slika 3.7. Induktivni detektor pomaka nain rada

(3-4)

gdje je: w broj zavoja; fifrekvencija ; ipermeabilnost

Statika karakteristika induktivnog mjeraa je slijedea:

(3-5)

(3-6)

(3-7)

(3-8)

(3-9)

(3-10)

(

)

(3-11)

(3-12)


10

Slika 3.8.Prikaz statike karakteristike induktivnog mjeraa pomaka

Ono to moemo zakljuiti iz ovih formula je da bi smo dobili razliite elektrine veliina za

razliite veliina pomaka.

3.2.3. Kapacitivni detektori pomaka

Slika 3.9. Kapacitivni detektor pomaka

Slui za male pomake. I ima nelinearnu karakteristiku.

(3-13)

(3-14)

(3-15)

(3-16)

u biti se moe definirati kao

(3-17)

gdje je Aipovrina; dirazmak; gidielektrina konstanta


11

3.2.4. Mjerni detektori brzine

Detektori linijske brzinerijetki u uporabi

Detektori brzine vrtnjeesti u automatiziranim sustavima

Analogniistosmjerni i izmjenini tahogeneratori, rezolveri

Impulsniinkrementalni enkoderi Digitalniapsolutni enkoderi

Slika 3.10.Enkoder

Istosm jerni tahom etar (tahogenerator)

Aktivni mjerni pretvornik (pretvara mehaniku silu u elektrini signal). Na principu mjerenja

induciranog napona mjeri se brzina vrtnje.

Slika 3.11.Istosmjerni tahometar

Istosmjerni tahometar ima linearnu statiku karakteristiku. Tonost mjerenja ovisi o temperaturu

okoline.

(3-18)

(3-19)

(3-20)


12

srednja vrijednost:

(3-21)

Tipina vrijednost izlaznog signala 10-100 V/nn -> potrebna je prilagodba signala prije

dovoenja u regulator Kpril.

Napon tahogeneratora je ovisan o omskom optereenju na njegovim stezaljkama. Dinamina

karakteristika grane povratne veze brzine vrtnje:

(3-22)

Filtriranje signala T je u rasponu od 2-20 ms. Glavni razlog upotrebe filtra je pulziranje brzine

vrtnje onom frekvencijom s kojom radi pojaalo snage.

Izmjenini tahogenerator

Aktivni mjerni pretvornik pretvara mehaniku u elektrini signal. Napon se inducira u namotajima

statora, dok je magnet uvren na osovini stroja. Rotor moe imati do 12 pari polova, to ovisi o

brzini vrtnje. Frekvencija induciranog izmjeninog napona je:

(3-23)

I ne smije biti premala, to jest manja od 4 do 10 Hz, kako bi nakon ispravljanja valovitost signala

bila mala.

Elektromagnetski rezolver i

To su mehaniko-elektroniki pretvornici, to jest elektrini strojevi kompaktne konstrukcije

prikljueni na osovinu motora, koji pretvaraju mehaniki pomak i brzinu vrtnje u odgovarajui analogni

elektrini signal. Slue za mjerenje velikih brzina vrtnje, precizno mjerenje pomaka u irokom rasponu

brzina vrtnji. Nema elektronikih komponenti te se najee koriste u nepovoljnim radnim uvjetima

(vee promjene temperature, prljava okolina...)

Kada rezolver promatramo konstrukcijski, on ima najmanje jedan namotaj rotora i jedan namotaj

statora. A u praksi se ee sreemo s izvedbama s sva namotaja rotora i tri namotaja statora.

Osi namotaja statora wsu i namotaja rotora wru kolinearne su s osovinom motora. Osi namota

statora wcos i wsin te namota rotora wRokomite su na osovinu motora, takoer je wcosokomit na wsin.

Preko ulaznog transformatora (wsu, wru) na namotaj rotora se dovodi izmjenina pobuda dovoljno

visoke frekvencije da dinamika mehanikog dijela sustava to ne osjea (filtrira). Ovisno i trenutanom

poloaju rotora , u senzorskim namotajima wcosi wsininduciraju se naponi ija amplituda izravno ovisi

o zakretu osovine . Frekvencija ova dva izlazna naponska signala jednaka je frekvenciji pobudnog

napona uu.


13

Slika 3.12.Elektrina shema rezolvera

Enkoderi ili davai impulsa

Inkrementalni enkod eri

Gustoa optike reetke definira rezoluciju mjerenja. Rezolucija mjerenja p je broj impulsa po okretaju.

Minimalni zakret koji se moe mjeriti u tom sluaju je:

(3-24)

Maksimalna brzina vrtnje koja se moe mjeriti:

(3-25)

Slika 3.13.Inkrementalni enkoder

Slika 3.14.Oblik signala na izlazu iz enkodera


14

Enkoderi proizvode jednostavne pravokutne impulse koji se koriste kao informacija pri upravljanju

motorima. Ti impulsi se mogu brojati radi prorauna pozicije ili odreivanja brzine. Kanali A i B su

fazno pomaknuti, pa se njihovim usporeivanjem moe ustanoviti smjer okretanja rotora. Poetni

impuls (indeks kanal I) se koristi kao referenca pri odreivanju kuta rotora. Tipina rezolucija

industrijskih enkodera je 102

104

.

Apsolutn i enkoder i

Nakon ukljuenja napajanja odmah daje digitalnu kodiranu informaciju o trenutnom poloaju osovine.

Binarni kod, BCD kod i najei u uporabi Grayov kod koju nudi pouzdanije oitanje podataka (samo

jedan bit se mijenja izmeu dva susjedna mjerena poloaja)

Slika 3.15. a) disk apsolutnog enkodera; b) Shema i signali apsolutnog enkodera

Kao primjer emo uzeti mjerenje brzine vrtnje pomou inkrementalnog enkodera. Imamo tri

naina za to. Prvi je P-postupak, i fukcionira na principu brojenja impulsa iz enkodera u unaprijed

zadanom vremenu Td. Mjerenje nije sinkronizirano s dolaskom impulsa (moe zapoeti taman iza

dolaska impulsa i zavriti taman prije dolaska jo jednog impulsa) to utjee na tonost mjerenje kad

je ukupni broj registriranih impulsa mali.

Kvaliteta mjerenja raste s brzinom vrtnje. Drugi postupak, je T-postup, i funkcionira na nain

da je mjerenje sinkronizirano s dolaskom impulsa (zapoinje s rastuim bridom impulsa i zavrava s

rastuim bridom idueg impulsa). Mjerenje trajanje jednog impulsa enkodera T pobavlja se na nain da

se za vrijeme mjerenja jednog impulsa brojilu paralelno broje impulsi iz izvora poznate frekvencije fc

(reda veliine MHz). Kvaliteta mjerenja bolja pri niim brzinama vrtnje. I trei je postupak kombinirani P

i T postupak.

On spaja dobre prednosti oba postupka te predstavlja standard u industriji. U tablici emo

prikazati neke bitne podatke o sva tri postupka.


15

Tablica3.1.Pregled tri postupka digitalnog mjerenja brzine vrtnje

Postupak P T P/T

Vrijednost

brzine vrtnje

n (min-1

)

Rezolucija Qn

(min-1

)

Statika

pogreka s

(%)

[]

[]

[] [] []

Pogreka

digitaliziranja

|n|dig

|| ||

||

Dinamika

pogreka

|n|din

|| ||

||

3.2.5 Mjerni pretvarai za silu, naprezanje i ubrzanje

Princip rada pera i detekora pomaka

Deformacija prstenastog pera na slici ispod prenosi se sustavom poluga na detektor pomaka,

koji nam tu veliinu pretvara u elektrini i kao takvu upotrebljivu za analizu i kontrolu. Treba

napomenuti da jex2=ax1.

Slika 3.16.Prikaz rada prstenastog pera i detektora pomaka


16

Piezoelektrini detektori

Ova vrsta detektora pogodna je za mjerenje dinamikih veliina kao to su vibracije i

periodina gibanja, jer se oni pri djelovanju sile deformiraju i dolazi do polarizacije.

Slika 3.17.Piezoelektrini mjerni pretvornik

(3-26)

1.lan zbog mehanikog naprezanja; 2. lan zbog utjecaja el. polja

Obrnuti uinak:

El. polje stvara u piezoelektrinom materijalu rastezanje. Ako jo na materijal djelujemo silom

naprezanjem, onda je rastezanje jednako.

(3-27)

Nadomjesna shema jednog piezoelektrinog pretvornika je prikazana na slici 3.8.

Slika 3.18. Nadomjesna shema piezoelektrinog pretvornika


17

4. ZAKLJUAK

Kao to moemo primijetiti postoji puno razliitih naina za pretvorbu mjernih veliina u

elektrini oblik, i svaka od njih nudi neku tonost i preciznost. Na je zadatak uvijek da za odreeni

problem odaberemo metodu i nain koja e donijeti najbolje rezultate. No moramo biti svjesni da

najbolji rezultati ne znae uvijek i najtonije mjerenje. Ne kada nam nije potrebno da neto bude

apsolutno tono nego samo tono. U radu su odabrani neki od mjernih pretvornika i detektora.

Naravno da postoji jo cijela hrpa raznih mjernih pretvornika, razliite tonosti, i razliitog naina

pretvorbe mjernih signala i elektrini signal koji moemo kasnije upotrijebiti.


18

LITERATURA

[1.] Mjerni pretvorniciprimjene; https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/ST01-Uvod.pdf

[2.] Ratimir anetic; Renato Stipiic - MJERNI PRETVORNICI U PROCESNOJ INDUSTRIJI;

http://mak.ktf-split.hr/~stipisic/mjerenje.pdf

[3.] http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Mjerenje-Pomaka.pdf

[4.] http://www.ss-industrijska-strojarska-zg.skole.hr/upload/ss-industrijska-strojarska-

zg/multistatic/62/A2_osnove.pdf

[5.]
http://mak.ktf-split.hr/~stipisic/mjerenje.pdfhttp://mak.ktf-split.hr/~stipisic/mjerenje.pdfhttp://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Mjerenje-Pomaka.pdfhttp://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Mjerenje-Pomaka.pdfhttp://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Mjerenje-Pomaka.pdfhttp://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Mjerenje-Pomaka.pdfhttp://mak.ktf-split.hr/~stipisic/mjerenje.pdf

Documents

Vrste Pretvorbe Mjerenih Veličina u Električni Oblik 2