wszytkie prezentacje z dysku

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 2 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2010

Właściwości statyczne układu Właściwości dynamiczne układu Ocena jakości regulacji

W stanie ustalonym w układzie zachodzi zależność sygnału wyjściowego od sygnału wejściowego (charakterystyka statyczna). y = f(x) x

y

y np.: x – temp otoczenia y – wysokość słupka Hg w kapilarze x

W rzeczywistych układach zależność ta nie jest linią prostą. Przybliżanie charakterystyki nieliniowej odcinkiem linii prostej nazywamy linearyzacją charakterystyki. Przeprowadza się ją dla określonego otoczenia wybranego punktu charakterystyki nazywanego punktem pracy.

Linearyzacja pozwala określić wartość współczynnika wzmocnienia „ k ” w niewielkim otoczeniu punktu pracy (wzmocnienie bywa zależne od wartości sygnału wejściowego).

y 

y k x

y



x

x

Właściwości dynamiczne układu określają zachowanie się bloków w stanach nieustalonych po zmianie wartości sygnałów wejściowych oraz zależności czasowe między sygnałami wejściowymi i wyjściowymi.

Zależności matematyczne określające właściwości dynamiczne nazywane są transmitancjami. Ogólnie, właściwości dynamiczne elementów można opisać za pomocą: odpowiedzi skokowej i impulsowej, równań różniczkowych, transmitancji w dziedzinie czasu, transmitancji operatorowej, transmitancji widmowej, charakterystyk częstotliwościowych. 

x(t)

G(t)

y(t)

y = f(x,t)

W celu określenia właściwości dynamicznych elementu podaje się na jego wejście sygnały próbne.

1. Wymuszenie skokowe (skok jednostkowy) W wyniku otrzymujemy odpowiedz na skok jednostkowy która jest obrazem zachowania się elementu w stanie nieustalonym np. po załączeniu.

1

t

2. Funkcja impulsowa Dirac’a

t w wyniku – odpowiedź impulsowa na podstawie której można wnioskować o zachowaniu elementu po wystąpieniu krótkotrwałego zakłócenia

3. Sygnał sinusoidalnie zmienny o regulowanej częstotliwości w efekcie charakterystyki częstotliwościowe elementu

t

Odpowiedzi typowych elementów automatyki na skok jednostkowy przedstawione zostaną na końcu wykładu. Teraz zostaną omówione parametry opisujące reakcję układu na wymuszenie skokowe na przykładzie elementu oscylacyjnego.

ad. 1. 1. Maksymalne odchylenie dynamiczne ymax, ep 2. Oscylacyjność T y

y2 Osc  *100% y1

y1

2y

y3

yust y2

ymax

tnr tu

t

3.

Współczynnik nadwyżek dynamicznych

ymax  yust d  yust 4.

Współczynnik tłumienia  ln

 

y3 y1

4 2  (ln

5.

6.

Czas ustalania tu; t= tu

y3 2 ) y1

yn  y = 0,05ep

Pulsacja oscylacji własnych



2 T 1 2

7.

Przeregulowanie – maksymalny uchyb przejściowy, o kierunku przeciwnym niż maksymalny uchyb początkowy, odniesiony do yust

y2 *100%  max y  yust

8.

9.

Wymagany czas nastania – po którym y(t) osiągnie po raz pierwszy wartość równą yust tnr Dopuszczalna liczba przeregulowań w przedziale czasowym

t  (0; tust )

10. Czas połowicznego narastania

t05 gdy y(t)=0,5 yust

11. tpr = t09 - t01 12. Ustalony statyczny uchyb regulacji

Nie jest możliwe spełnienie jednocześnie warunków 1 – 5 więc konieczne jest wybranie optimum dla użytkownika.

ad. 2. Po zadziałaniu zakłócenia rejestruje się przebieg funkcji zwanej błędem sterowania e(t) opisuje ją transmitancja uchybowa e(t) = es + ep(t) ep(t) – wartość przejścia

lim e(t)  e

es = 0 - układ astatyczny es = const  0 - układ statyczny

t 

s

Układ jest statyczny względem sygnału sterującego jeśli przy sygnale sterującym stałym lub skokowym błąd w stanie ustalonym ma wartość stałą zależną od wartości sygnału sterującego

Uwaga Układy statyczne nie nadają się do regulacji układów zmiennych w czasie.

Układ jest astatyczny względem sygnału sterującego jeśli przy dowolnym sygnale sterującym błąd wynosi zero. e(t)

t W celu określenia jakości sterowania wprowadza  się kryterium całkowe.

I   e(t )  es  dt 2

0

ad. 3. Przykładem empirycznego określenia charakterystyk częstotliwościowych jest wyznaczenie ich dla czwórnika biernego. u3 u1

  0; 

u2

u1 = U1sint u2 = U2sin(t+)

Charakterystyki amplitudowo-fazowe

Charakterystyka amplitudowo-fazowa przedstawiana jest na płaszczyźnie liczb zespolonych.

Wykres ten jest miejscem geometrycznym końców wektorów, których długość reprezentuje stosunek amplitud odpowiedzi do wymuszenia, a kąt przesunięcie fazowe między odpowiedzią a wymuszeniem

Charakterystyki częstotliwościowe Określają zachowanie się elementu przy wszystkich częstotliwościach wymuszenia, podając stosunek amplitud odpowiedzi do wymuszenia, oraz przesunięcie fazowe między odpowiedzią a wymuszeniem

d

gk

Trójkąt napięć U2 U3

 U1

- twierdzenie cosinusów

U 3  U  U 2  2U1U 2 cos  2

2 1

2

U1  U 2  U 3   arccos 2U1U 2 2

2

2

Podsumowując: Wielkościami pozwalającymi na ocenę jakości regulacji są najczęściej:  odpowiedź na skok jednostkowy,  statyczność układu (kryterium całkowe)  odchylenie maksymalne,  przeregulowanie,  czas ustalania,  charakterystyki częstotliwościowe (w tym też pulsacje graniczne i pasmo przenoszenia),  stabilność,  periodyczność.

Układy: Periodyczne

Aperiodyczne y

y

t t w tym monotoniczne (najlepsze)

y

t

Teoretyczne wyznaczanie transmitancji oraz charakterystyk częstotliwościowych

Czwórnik bierny RLC Jeżeli jako element automatyki potraktujemy czwórnik np. R

x=u1

L

C

y=u2

Równania napięciowo-prądowe Przy założeniu (stosowanym w automatyce), że i2 = 0 :

di(t ) 1 u1 (t )  Ri (t )  L   i(t )dt dt C

1 u2 (t )   i (t )dt C

Transmitancja w dziedzinie czasu: 1 i (t )dt  u2 (t ) C  G (t )  u1 (t ) Ri (t )  L di (t )  1 i (t )dt  dt C

Transformata Laplace’a Aby uprościć obliczanie transmitancji wprowadzono transformatę Laplace’a. Ma ona na celu zamianę równań różniczkowo całkowych na równania algebraiczne

Przekształcenie Laplace’a: F (s)  L{ f (t )}

F ( s)   f (t )e st dt

s=a+bj

f(t)=0 dla t<0 j  1

Przekształcenie odwrotne: f (t )  L1{F ( s)} f (t ) 

1 F ( s)e st ds  2j

Tabele przekształceń (transformata Laplace’a)

Tabela przekształceń odwrotnych

Transmitancja operatorowa G(s) = L{G(t)} Na podstawie transmitancji operatorowej można badać np stabilność układu co zostanie omówione na kolejnych wykładach Jeśli na wejście elementu lub układu wprowadzimy wymuszenie sinusoidalne o stałej częstotliwości to na wyjściu po zaniknięciu stanu przejściowego ustali się odpowiedź sinusoidalna o tej samej częstotliwości, ale o innej amplitudzie i fazie niż wymuszenie:

x(t)

y(t)

•x(t) = A() sin  t •y(t) = B () sin ( t + ())

Transmitancja widmowa Transmitancja

widmowa

jest

teoretyczną

charakterystyk częstotliwościowych G( j)  G(s) s j

y( j)  x( j)

  G ( j  )  A ( )  jB ( )  G ( j  ) e j arg G ( j )

G( j)  A2 ()  B2 () B( )     ( ) arg G ( j ) arctg A( )

podstawą

Przedstawieniem graficznym tych zależności są charakterystyki amplitudowo-fazowe W celu ich uzyskania należy przedstawić transmitancją widmową G(j) w postaci algebraicznej:

G(j) = P()+jQ() gdzie : P() = Re(G(j)) Q() = Im(G(j))

Charakterystyki częstotliwościowe • charakterystyka amplitudowa f( = | G(j |

• charakterystyka fazowa f ( = ( Obydwie charakterystyki rysuje się w skali logarytmicznej! Miarami są

Neper

1 Np=ln

A1 A2

decybela 1 dB=20log

A1 A2

Charakterystyki częstotliwościowe Ponadto rozróżnia się następujące charakterystyki częstotliwościowe  charakterystykę rzeczywistą R() = Re[G(j)]  charakterystykę urojoną Q() = Im[G(j)]  charakterystyki częstotliwościowe logarytmiczne.

Osie i A(skaluje się logarytmicznie, wprowadzając tzw. moduł logarytmiczny Lm(= 20 lg A(, którego jednostką jest decybel(dB);wzmocnieniu 10-krotnemu odpowiada 20 dB, 1-krotnemu - 0 dB. Dla charakterystyki fazowej oś  skaluje się logarytmicznie, zaś (pozostawia się w mierze liniowej.

Charakterystyki częstotliwościowe (

Q(

( 

 (



 ( 



Q

 j

(



Charakterystyka amplitudowo-fazowa

Charakterystyki amplitudowa i fazowa



Charakterystyki częstotliwościowe

(

Lm ()



B(

Charakterystyki rzeczywista i urojona



lg (

Charakterystyki logarytmiczne amplitudowa i fazowa

lg

Przykład R i

u1

C

u2

Równania napięciowo - prądowe u1 (t )  Ri (t ) 

1  i(t )dt C

1 u2 (t )   i (t )dt C

Transmitancja w dziedzinie czasu: 1  i(t )dt u2 (t ) C G (t )   u1 (t ) Ri (t )  1 i (t )dt  C

Transmitancja operatorowa:

1 i( s) 1 sC G ( s)  L{G (t )}   1 Ri ( s)  i ( s) RCs  1 sC

Przykład Transmitancja widmowa

1 G( j)  G(s) s j  RCj 1  RC 1 1  RCj 1 G( j )    j 2 2 2 2 RCj 1 1  RCj 1  R C j  1  R2C 2 2 1 P()  Re(G( j))  1 R2C22 Q( )  Im(G( j )) 

 RC 1  R2C 2 2

Im G(j)

0,5

1

Re G(j) -0,5 j

Człon bezinercyjny P Logarytmiczna charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa

Schemat elektryczny

R1

k>1 x=u1

R2

y=u2

0



k<1 Transmitancja G(s) = k Częstotliwościowa charakterystyka fazowa

Odpowiedź na skok jednostkowy y

 k t

y(t) = k

 0

Człon inercyjny I rzędu T1 Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa

Schemat elektryczny

R x=u1

A y=u2

C

0

T

10

1

-20 Transmitancja G(s) =

1 sT+1

Częstotliwościowa charakterystyka fazowa

Odpowiedź na skok jednostkowy y  0 t

y (t )  1  e

t T

- 2

1

10

T

Człon inercyjny II rzędu T2 Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa

Schemat elektryczny

R1 x=u1

C1

R2 C2

A 0

y=u2

T

10

1

-40

1 s 2T1T2  s(T1  T2  T12 )  1 Odpowiedź na skok jednostkowy

Transmitancja G(s)  y

Częstotliwościowa charakterystyka fazowa  0

t

T1  Tt T2  Tt y(t )  1  e 1 e 2 T1  T2 T1  T2

- 2 

1

10

T

Człon inercyjny III rzędu T3 Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa

Schemat elektryczny

R1 x=u1

C1

R2

R3

A

C3

C2

Transmitancja G(s) 

0

y=u2

-60

1 As3  Bs2  Cs 1

Częstotliwościowa charakterystyka fazowa

Odpowiedź na skok jednostkowy y

 0 t 3

y (t )  1  Un  e n 1



t Tn

T

10

1



1

10

T

Człon oscylacyjny II rzędu Schemat elektryczny

L

R C

x=u1 G( s) 

y=u2

 02 s 2  2dp   02

Odpowiedź na skok jednostkowy y

d<o

1

d>o y(t )  1  e

dt

0

t

Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa  A d<o o 0

d>o Częstotliwościowa charakterystyka fazowa   1 1 o 0 

 02  d 2 2  sin[   d t  ar ctg ] 2 2 2  0  d 2 0

2

Człon z opóźnieniem rzeczywistym Schemat elektryczny

L l

x=u1

L l

C

G(s)  e pTm

Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa

L l

A y=u2

C

0

Tm  LC

Częstotliwościowa charakterystyka fazowa

Odpowiedź na skok jednostkowy y

 0 t

y(t) = 1(t-Tm)



 2



2

Tm

Człon całkujący Schemat elektryczny

R

Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa

C A

x=u1

y=u2 ku

Transmitancja G(s) =

I

1

0 -20

100

Ta

-40

sTa

Częstotliwościowa charakterystyka fazowa

Odpowiedź na skok jednostkowy y  0 t

10

- 2

Ta

Człon różniczkujący

Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa

Schemat elektryczny

C

D

R A

x=u1

y=u2 ku

20 0

Transmitancja G(s) = sTr

Odpowiedź na skok jednostkowy y

t

Tr 10 100 Częstotliwościowa charakterystyka fazowa

  2

Tr 0

Dziękuję

Działania na liczbach zespolonych z1 + z2 = (a + jb) + (c +jd) = (a + c) +j(b + d) z1 - z2 = (a + jb) - (c +jd) = (a - c) +j(b - d) z1 · z2 = (a + jb) · (c + jd) = ac+jad + jbc –bd = (ac – bd) + j(ad + bc)

z1 a  jb (a  jb )(c  jd ) (ac  bd )  j (bc  ad )    2 2 z 2 c  jd c d c2  d 2

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 3 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2010

STABILNO Ć UKŁADÓW AUTOMATYCZNEJ REGULACJI z

yzad

S

+ -

ye

GR

yR

GN

yN

Gz Gx

y

ym

Gm

UAR jest stabilny jeżeli po wytrąceniu go ze stanu równowagi i pozostawieniu go samemu sobie wraca do nowego stanu równowagi.

Stabilno ć układu automatycznej regulacji – niezbędny warunek pracy układu automatycznej regulacji mówiący o tym, że układ po wyprowadzeniu go ze stanu równowagi sam powraca do tego stanu. Ponieważ stan równowagi może być różnie interpretowany stosuje się także definicję stabilno ci wg Laplace'a która mówi, że układ liniowy jest stabilny, jeżeli jego odpowiedź na wymuszenie (zakłócenie) o ograniczonej warto ci jest ograniczona.

STABILNO Ć – jest cechą układu polegającą na powracaniu układu do stanu równowagi stałej po ustaniu działania zakłócenia, które wytrąciło układ z tego stanu. Zamknięty układ liniowy będziemy uważać za stabilny jeżeli przy każdej skończonej warto ci zakłócenia „z” i warto ci zadanej „x” oraz dla dowolnych warunków początkowych, sygnał wyj ciowy y(t) dążyć będzie do skończonej warto ci ustalonej dla czasu „t” dążącego do nieskończono ci.

układ stabilny – wytrącony ze stanu równowagi dynamicznej wraca do niego samorzutnie, np. wahadło (zob. ujemne sprzężenie zwrotne), układ niestabilny – wytrącony ze stanu początkowego już do niego nie wraca, ale oddala się od niego coraz bardziej – np. śnieg na stoku i lawina (zob. dodatnie sprzężenie zwrotne),

Przebiegi przejściowe w układzie regulacji wywołane działaniem krótkotrwałego zakłócenia z z

t

a

b

ye

ye

t

t

c ye

a – układ stabilny b – układ na granicy stabilno ci c – układ niestabilny t 6

Układ otwarty – układ automatyki, w którym sygnał wej ciowy nie zależy od aktualnej warto ci sygnału wyj ciowego, ponieważ nie występuje sprzężenie zwrotne, a wynika jedynie z wewnętrznego stanu obiektu. Przebieg sygnału następuje tylko w jednym kierunku, od wej cia do wyj cia.

Układ otwarty, jest uproszczonym układem sterowania w stosunku do układu automatycznej regulacji. Ponieważ nie istnieje możliwo ć tłumienia nieznanych zakłóceń oraz osiągnięcie warto ci zadanej nie może być zweryfikowane, układ otwarty stosowany jest w przypadku prostych obiektów, dla których znany jest dokładny model matematyczny. W przypadku znanej warto ci zakłócenia (np. temperatury na zewnątrz budynku, w którym znajduje się kocioł centralnego ogrzewania) układ otwarty może być użyty do jego kompensacji.

Układ zamknięty – układ automatyki, w którym przebieg sygnału następuje w dwóch kierunkach. Od wej cia do wyj cia przebiega sygnał realizujący wzajemne oddziaływanie elementów, natomiast od wyj cia do wej cia przebiega sygnał sprzężenia zwrotnego.

Układ zamknięty z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, zwany układem automatycznej regulacji, jest alternatywą do sterowania w układzie otwartym. W porównaniu do układu otwartego jest mniej czuły na zmiany wzmocnienia statycznego w układzie, powodując zmniejszenie uchybów statycznych (je li występują), jednak zbyt duża warto ć współczynnika wzmocnienia, może spowodować niestabilno ć układów wyższych rzędów. Poprawia parametry jako ciowe odpowiedzi skokowej układu automatyki oraz lepiej sprawdza się w przypadku tłumienia nieznanych zakłóceń, których pojawienie się powoduje zmianę błędu regulacji, co skutkuje powstaniem odpowiedniego sygnału sterującego.

W układzie zamkniętym z dodatnim sprzężeniem zwrotnym sygnał wyj ciowy jest dodawany do sygnału wej ciowego, co skutkuje nieskończenie rosnącym sygnałem wyj ciowym układu. Dodatnia pętla sprzężenia zwrotnego może być stosowana jako jedna z wielu pętli skomplikowanych układów regulacji.

UKŁAD AUTOMATYCZNEJ REGULACJI PRZEDSTAWIONO NA SCHEMACIE x

+

Obiekt regulacji

–

y

Układ regulacji

Układ ten opisać można za pomocą transmitancji operatorowej:

y s  G s   x s  i odpowiadającej jej funkcji w dziedzinie czasu:

g t   L Gs  1

Jeśliukładzam kniętyopisanyjestzapom ocątransm itancji operatorow ejprzedstaw ionejwpostaci ilorazuw ielom ianów :

... B ys B ms  1sB 0 s  n G xs A ... A ns  1sA 0 m

Czasowy przebieg sygnału wyjściowego po zadziałaniu dowolnego zakłócenia:

yt  L ys L Gsxs 1

1

Równanie charakterystyczne dla tego układu ma postać

Ansn ... A1s  A0  0 n

A s

k

k

k0

0

Równanie charakterystyczne — równanie, powstające w wyniku przyrównania mianownika transmitancji operatorowej do zera, może służyć do badania stabilno ci układu — wyznaczenia biegunów transmitancji lub holografu Michajłowa.

Warunkiem koniecznym i wystarczającym stabilności UAR jest aby wszystkie pierwiastki równania charakterystycznego były ujemne lub miały części rzeczywiste ujemne. Jeżeli chociaż jeden z tych pierwiastków jest dodatni lub ma część rzeczywistą dodatnią to układ jest niestabilny. Kryteria stabilności UAR określają stabilność bez wyznaczania wartości pierwiastków równania charakterystycznego.

Klasyczne kryteria stabilności układów ciągłych

Kryterium biegunów Wszystkie pierwiastki równania charakterystycznego układu zamkniętego powinny mieć ujemne części rzeczywiste, czyli znajdować się w lewej półpłaszczyźnie płaszczyzny zmiennej zespolonej s.

1) koniecznymi dostatecznymwarunkiemstabilności układu jest, abypierwiastki równania charakterystycznegoukładu zamkniętegomiałyujemne części rzeczywiste:

sk ) 0 Re( k

2) Jeżeli chociaż jeden zpierwiastkówrównania charakterystycznego ma część rzeczywistą

Re( sk ) 0 k

to

to

limyt   t

1) Gdy pierwiastek równania charakterystycznego jest wielokrotnym biegunemto układ jest stabilny, jeśli

Re(sk )  0 k

2) Jeśli układ ma pierwiastki wlewej półpłaszczyźnie a jednokrotne na osi „ urojonej” to układ jest na granicy stabilności (drgania o stałej amplitudzie)

P r z y b a d a n i u s t a b i l n o ś c iu k ł a d ó w ,k t ó r y c h w ł a ś c i w o ś c id y n a m i c z n e o p i s a n e s ą z a p o m o c ą r ó w n a ń r ó ż n i c z k o w y c h w y ż s z y c h r z ę d ó w l u b o d p o w i e d n i c h t r a n s m i t a n c j is t o s u j e s ię k r y t e r i a s t a b i l n o ś c is t w o r z o n e w o p a r c i u o w a r u n e k :

 Re( ) 0 s k k

Kryterium odpowiedzi skokowej Układ zamknięty w odpowiedzi na skok jednostkowy powinien osiągać stan ustalony w czasie dążącym do nieskończoności.

Kryterium Hurwitza Pierwiastki równania charakterystycznego układu zamkniętego będą znajdować się w lewej półpłaszczyźnie płaszczyzny zmiennej zespolonej s (układ będzie stabilny), jeśli spełnione zostaną 2 warunki: 1. Wszystkie współczynniki równania charakterystycznego istnieją i są większe od 0, 2. Wszystkie podwyznaczniki wyznacznika głównego (posiadającego n wierszy i n kolumn) muszą być większe od 0.

W przeciwnym razie układ jest niestabilny. Jeśli jednak któryś z podwyznaczników jest równy zeru, a pozostałe warunki są spełnione, to układ znajduje się na granicy stabilności. W praktyce nie jest konieczne sprawdzanie drugiego warunku dla podwyznaczników D1 i Dn , gdyż D1=an-1 oraz Dn= an Dn-1

Kryterium stabilności Routha-Hurwitza jest metodą pozwalającą określić stabilność układu regulacji na podstawie równania charakterystycznego układu Z punktu widzenia algebry kryterium RouthaHurwitza pozwala sprawdzić, czy wszystkie pierwiastki równania charakterystycznego leżą w lewej półpłaszczyźnie zmiennej zespolonej s, co pociąga za sobą stabilność układu. Na potrzeby kryterium wykorzystujemy wyznacznik główny macierzy Hurwitza, utworzonej ze współczynników równania charakterystycznego

oraz jego podwyznaczniki Dk , gdzie 1 ≤ k ≤ n powstałe z k pierwszych wierszy i kolumn wyznacznika głównego

4 2 0

4 2 0 4 2

3  2 9 4  2 9 4 2 9  4  9  2  2  4  0  0 1 2

0 1 2 0 1

0  2 1  2  2  2  4  4 1  0  9  0  4  9  2  2  2  2  4  4  1  72  8  16  0

2 

4 2 2 9

Układ jest stabilny

 49  2 2  0

Przykład 2 Dla jakich warto ci parametru m układ będzie stabilny

G ( s) 

4 5 s m 3s  4 s  3s  2  s 3

2

3s 4  4 s 3  3s 2  2 s  m  0

A)  ak  0  a0  0  m  0 k

B

12  16m  0 12  16m 12 m 16 m  0,75 0  m  0,75

Przykład . V1

wszystkie zbiorniki są identyczne

R

C

. . V3 V2

regulator hzad C

R

. V4

miernik h3

C

R

Miernik posiada charakterystykę statyczną liniową, a jego transmitancja Im Km h3

Regulator jest proporcjonalny o transmitancji

 I K (  h   I ) R R zad m .

Charakterystyka zaworu jest liniowa, a transmitancja Dla jakiej warto ci KR układ jest stabilny?

V1 KN IR

31

Schemat blokowy układu .

V2 regulator

h zad

IR

KR

+ -

I m

.

KN

V1

.

1 Ts+1

V3

t 1

.

V4 t R

Ts+1

h3

Ts+1

miernik

Km

Wyznaczamy: • Współczynnik wzmocnienia otwartego UAR Ko G o (Ts 1 )3

K K K o R NRK m

• Wyznaczamy równanie charakterystyczne  1 0 G o

K  o 3 1 0  ( Ts 1 )

 K ( Ts 1 )3 0 o 33 22   T s 3 T s 3 Ts 1 K 0 o

32

Warunki Hurwitz’a 1˚ spełniony (jednakowy znak, ≠ 0) 2˚

3 T2

3 T

H 1 K 3 T o 3 0

0

0 3 T2 1 K o

3 T2 T3 H T3 T3(1K 0 9 2 o) 1K T o 3 T30to K 8 o 8 K  R K K NR m

33

Kryterium Michajłowa Równanie charakterystyczne układu zamkniętego ma wszystkie pierwiastki w lewej półpłaszczyźnie płaszczyzny zmiennej zespolonej s, jeśli przyrost argumentu równania charakterystycznego w postaci widmowej R(jω) przy zmianie pulsacji ω od 0 do ∞ wynosi n·π / 2, gdzie n jest stopniem równania. R(jω) nazywa się holografem Michajłowa

n=1 n=2

n=3

n=4

Jeżeli krzywa R(jω) przechodzi przez początek układu to układ znajduje się na granicy stabilności.

P rz y k ła d :

s 1  G s 3 s s2 s 5 2 3 2

3 2 j 5 j  2 j  3j R j j       2 5 2 3 2 3



2

 



2 3 j 22 R  j3    5

Kryterium Nyquista Układ zamknięty jest stabilny, jeżeli charakterystyka amplitudowo-fazowa układu otwartego nie obejmuje punktu (-1, j0). ImG(i)

kR -1

ReG(i) układ stabilny układ niestabilny

Umożliwia badanie stabilno ci układu zamkniętego na podstawie znajomo ci charakterystyki częstotliwo ciowej amplitudowo – fazowej układu otwartego, a także znaku pierwiastków transmitancji Go(s). Zamknięty układ regulacji jest stabilny, gdy mianownik transmitancji Go(s) układu otwartego nie posiada pierwiastków o dodatniej czę ci rzeczywistej i pełna charakterystyka częstotliwo ciowa amplitudowo – fazowa Go(iω) układu otwartego nie obejmuje punktu (-1,j0). Przez pełną charakterystykę częstotliwo ci rozumie się krzywą zamkniętą odpowiadającą transmitancji Go(iω) przy zmianie częstotliwo ci ω w przedziale 0 < ω < ∞.

39

STABILNE:

NIESTABILNY:

Kryterium logarytmiczne Nyquista Układ zamknięty jest stabilny, jeżeli logarytmiczna charakterystyka amplitudowa układu otwartego posiada wartość ujemną dla pulsacji odpowiadającej przesunięciu fazowemu -π.

Jeśli dane mamy charakterystyki logarytmiczne amplitudową i fazową układu otwartego to układ zamknięty jest stabilny, gdy dla pulsacji w odpowiadającej φ(ω)= -180º charakterystyka logarytmiczna L(ω)=20 log (Go(jω)) jest co do wartości mniejsza od zera.

Sterowalność – zajmuje się rozstrzyganiem problemu czy w określonym czasie badany obiekt można przeprowadzić ze stanu początkowego do końcowego. Obserwowalność Układ nazywamy w pełni obserwowalny jeśli istnieje taka skończona chwila tk, że na podstawie znajomości sterowania u(to;tk) i odpowiedzi y(to,tk) można wyznaczyć stan początkowy Xo w chwili to. Stan nazywany obserwowalnym jeśli istnieje taka liczba n, że na podstawie znajomości wyjść yo...y(n-1) można wyznaczyć stan obiektu

Dziękuję

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 4 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2011

Celem wykładu jest:  Zapoznanie z pojęciem pomiaru  Uświadomienie roli pomiarów we współczesnym świecie  Zapoznanie z modelem procesu pomiarowego  Poznanie przyjętego systemu miar i ich wzorców  Opanowanie umiejętności szacowania niepewności pomiarowych

Staroegipska waga dźwigniowa z ok.Ơ5000 r.Ơp.ƠChr.

„Nie czyńcie nieprawdy w sądzie co się tyczy miary, ani wagi, ani objęto ci. Będziecie mieli wagi rzetelne, odważniki rzetelne…” Księga Kapłańska 19, 35-36

METROLOGIA - nauka o pomiarach (metron – miara, logos – słowo, nauka) Rola w dzisiejszym wiecie: • orientacja w rodowisku • poznanie nowych i weryfikacja znanych praw fizycznych są możliwe gdy przyjmowane hipotezy mogą być zweryfikowane przynajmniej jako ciowo – wymagają pomiarów najwyższej dokładno ci • metrologia jest podstawową czę cią infrastruktury dzisiejszego wiata; • ekonomiczny sukces większo ci przemysłów wytwórczych jest bezpo rednio zależny od jako ci wytworzonych produktów wymagania w którym metrologia spełnia kluczową rolę; • wymiana handlowa; • zdrowie i bezpieczeństwo ludzkie zależne jest od wiarygodno ci pomiarów w diagnostyce i opiece medycznej; • ochrona rodowiska w zakresie krótko- i długotrwałych destrukcyjnych efektów działalno ci przemysłu (człowieka) może być tylko zapewniona na podstawie dokładnych i wiarygodnych pomiarów; • automatyczne sterowanie

Obserwacja - proces przyjmowania przez obserwatora sygnałów uzyskiwanych ze ródła obserwowanego zjawiska i przyporządkowanie wrażeń występujących w wiadomo ci człowieka zjawiskom fizycznym powodowanym przez rzeczy i istoty. Obserwacja to bierne przyglądanie się przebiegowi zjawisk, natomiast eksperyment to procesy odpowiednio przygotowane i kierowane przez uczonych, których zadaniem jest odpowied na okre lone pytania. Wyniki obserwacji są: • subiektywne, • niejednoznaczne, • niekompletne, • jako ciowe, • po rednie

Pomiar - do wiadczalne porównanie okre lonej wielko ci mierzalnej

z wzorcem tej wielko ci przyjętym umownie za jednostkę miary, którego wynikiem jest przyporządkowanie warto ci liczbowej mówiącej ile razy wielko ć mierzona jest większa lub mniejsza od wzorca.

ródło zjawiska

Przyrząd pomiarowy

Obserwator

Wzorzec

Cechy pomiaru: • wiarygodno ć, • dokładno ć, • jednolito ć w skali krajowej i międzynarodowej.

Schemat funkcjonalny przebiegu procesu pomiarowego

Wielkość fizyczna, mierzalna, to wła ciwo ć zjawiska lub ciała, którą można wyznaczyć jako ciowo i ilo ciowo. Wielko ć taka posiada swoją jednostkę miary. Jednostka miary jest umownie przyjętą i wyznaczoną z dostateczną dokładno cią warto cią danej wielko ci, która służy do porównania ze sobą innych warto ci tej samej wielko ci. Zbiór jednostek miar wielko ci mierzalnych nosi nazwę układu jednostek miar.

Sposób przeprowadzenia pomiaru nazywa się metodą pomiaru. Je li wynik pomiaru warto ci wielko ci otrzymano metodą bezpo redniego porównania z inną warto cią tej wielko ci obranej za jednostkę, to mówi się o metodzie bezpo redniej pomiaru. Często stosuje się pomiar po redni, polegający na zmierzeniu wielko ci fizycznych nie będących głównym celem pomiaru - wynik otrzymuje się w wyniku obliczeń w oparciu o wzory (temperatura). Pomiary wykonuje się za pomocą aparatury pomiarowej, do której zalicza się mierniki, wzorce oraz urządzenia pomocnicze (np. układy zasilania). W praktyce do okre lenia ilo ciowego danej wielko ci fizycznej najczę ciej używa się mierników - przyrządów wzorcowanych w jednostkach wielko ci mierzonej, wykorzystujących charakterystyczne zjawiska towarzyszące występowaniu danej wielko ci.

NARZ DZIA POMIAROWE, rodki techniczne przeznaczone do wykonywania pomiarów, obejmujące wzorce miar, przyrządy pomiarowe, przetworniki pomiarowe, układy pomiarowe, systemy pomiarowe; rozróżnia się: n.p. użytkowe — przeznaczone do pomiarów użytkowych (lecz nie do sprawdzania innych narzędzi), np. waga handlowa, licznik energii elektrycznej; n.p. kontrolne (etalon) — przeznaczone do sprawdzania innych n.p., podlegające kontroli organów państwowej służby metrologii prawnej (w Polsce — Głównemu Urzędowi Miar lub podległym mu placówkom); kontrola n.p. obejmuje: badanie typu, legalizację narzędzi pomiarowych lub uwierzytelnienie oraz nadzór metrologiczny (m.in. kontrola napraw i wła ciwego użytkowania).

LEGALIZACJA NARZ DZIA POMIAROWEGO, czynno ci wykonywane przez organ państw. służby metrologii prawnej lub przez inny organ do tego upoważniony, polegające na stwierdzeniu i za wiadczeniu, że narzędzie pomiarowe całkowicie spełnia wymagania przepisów legalizacyjnych; obejmuje sprawdzenie i ocechowanie narzędzia pomiarowego lub wydanie wiadectwa legalizacyjnego; w Polsce legalizacje narzędzi pomiarowych przeprowadza Główny Urząd Miar (GUM) lub podległe mu placówki, a także instytucje upoważnione przez GUM.

Wzorce są to narzędzia pomiarowe odtwarzające jednostki miary lub ich wielokrotno ci. Od wzorców wymaga się niezmienno ci w czasie, dużej dokładno ci, łatwego odtwarzania i stosowania. Wzorce charakteryzują się następującymi parametrami: • nominalna miara wzorca, • niedokładno ć miary wzorca, • okres zachowania niedokładno ci miary wzorca, • warunki, w których miara i dokładno ć są zachowane. Powyższe dane podaje się bąd bezpo rednio na wzorcu lub w jego metryce.

Dawne jednostki miary

redniowieczna rycina ilustrująca definicję redniej stopy, autorstwa Jacoba Kobela z 1575 r. Według niej należało wyznaczyć rednią z pomiaru stóp "...16 mężczyzn małych i dużych, wybranych przypadkowo w kolejności wychodzenia z kościoła po mszy niedzielnej".

U K Ł A D S I (Systeme International) Przyjęty na XI GKM w 1960 roku.Oparty na 7 wielko ciach (jednostkach) podstawowych: 1. Długo ć, jednostka: metr m - metr jest to długo ć drogi przebytej w próżni przez wiatło w czasie 1/299 792 458 sekundy. 2. Masa, jednostka: kilogram kg - kilogram jest to masa międzynarodowego wzorca jednostki masy przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sévres 3. Czas, jednostka: sekunda s - sekunda jest to czas równy 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przej ciu między dwoma nadsubtelnymi poziomami podstawowego stanu atomu cezu 133 4. Prąd elektryczny, jednostka: amper A - amper jest to prąd elektryczny nie zmieniający się, który - płynąc w dwu równoległych prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległo ci 1 m jeden od drugiego - wywołałby między tymi przewodami siłę 2*10-7 N na 1 metr długo ci

5. Temperatura, jednostka: kelwin K - kelwin jest to 1/273,16 czę ć temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody. 6. wiatło ć, jednostka: kandela cd - kandela jest to wiatło ć jaką ma w okre lonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o często ci 540 1012 Hz i którego natężenie w tym kierunku jest równe 1/583 W/sr (wata na steradian) 7. Liczno ć materii, jednostka: mol - mol jest to liczno ć materii wyrażona liczbą cząsteczek materii, równą liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg węgla 12

Jednostki pomocnicze: Kąt płaski - jednostka: radian - kąt płaski zawarty między promieniami koła, wycinający z jego okręgu łuk o długo ci równej promieniowi tego koła Kąt bryłowy - jednostka: steradian - kąt bryłowy o wierzchołku w rodku kuli wycinający z jej powierzchni czę ć równą powierzchni kwadratu o boku równym promieniowi tej kuli.

Dokładność pomiaru: Rozumny człowiek nie dąży do osiągnięcia w określonej dziedzinie większej dokładności niż ta, którą dopuszcza istota przedmiotu jego badań. (Arystoteles) Nie można wykonać bezbłędnego wyznaczenia wielkości fizycznej tzw. pomiaru absolutnie dokładnego.

Ogólne informacje o błędach pomiaru Wynik pomiaru na ogół różni się od warto ci prawdziwej (rzeczywistej) wielko ci mierzonej. Różnica między wynikiem a warto cią prawdziwą nazywana jest błędem pomiaru. W praktyce warto ć prawdziwa nie jest znana i zastępowana jest warto cią umownie prawdziwą (poprawną) akceptowalną w danych okoliczno ciach. W praktyce pomiarowej wyróżnia się trzy rodzaje błędów: błędy systematyczne, przypadkowe oraz nadmierne.

Precyzyjnie i dokładnie

Nieprecyzyjnie ale dokładnie

Precyzyjnie ale niedokładnie

Nieprecyzyjnie i niedokładnie

Błędami systematycznymi są błędy, które podczas pomiarów tej samej warto ci pewnej wielko ci, wykonywanych w tych samych warunkach, pozostają stałe zarówno co do warto ci bezwzględnej jak i co do znaku lub błędy zmieniające się według okre lonego prawa wraz ze zmianą warunków. ródłami błędów systematycznych są metody i przyrządy pomiarowe, niezachowanie wymaganych warunków pomiaru, obserwator. Charakterystyczną cechą błędów systematycznych jest możliwo ć całkowitego lub czę ciowego ich usunięcia z wyniku pomiaru. W ród błędów systematycznych wyróżnia się trzy ważne grupy: • Błędy podstawowe - są to błędy przyrządów pomiarowych występujące podczas stosowania ich w tzw. warunkach odniesienia (lub inaczej znamionowych) podanych przez producenta. Głównymi ich przyczynami są: niedokładno ć wzorcowania i niedokładno ci konstrukcyjne oraz technologiczne narzędzi pomiarowych. Błędy podstawowe są błędami stałymi i mogą być w czasie pomiaru kompensowane przez stosowanie poprawek do wskazań przyrządów. Poprawka jest równa warto ci oszacowanego błędu systematycznego ze znakiem przeciwnym. • Błędy dodatkowe - są to błędy, których ródłem są zmiany wła ciwo ci przyrządów pomiarowych i obiektu pomiaru pod wpływem zmian warunków pomiaru w stosunku do przyjętych jako warunki odniesienia. Cechą charakterystyczną błędów dodatkowych jest to, że ich warto ci zmieniają się przy ustalonej warto ci wielko ci mierzonej, według znanego prawa jako funkcje wielko ci wpływowych. Normalne warunki wpływowe i warto ci błędów dodatkowych podawane sa przez producentów aparatury pomiarowej. • Błędy metody wynikające głównie z oddziaływania przyrządów pomiarowych na obiekt pomiaru, np. powodowane poborem energii przez przyrząd ze ródła sygnału mierzonego. W ród błędów metody ważną grupę stanowią błędy związane ze stosowaniem przybliżonych modeli badanych zjawisk lub wzorów empirycznych. Błędy metody można na ogół sprowadzić do warto ci pomijalnych przez stosowanie odpowiednich poprawek rachunkowych lub wła ciwy dobór warunków pomiaru.

Błędami przypadkowymi są błędy zmieniające się w sposób nieprzewidziany podczas wykonywania dużej liczby pomiarów tej samej wielko ci w warunkach praktycznie niezmiennych. Główne przyczyny powstawania: • niedoskonało ć zmysłów obserwatora i brak dostatecznej koncentracji podczas pomiarów, • rozrzut wskazań przyrządów pomiarowych powodowany niestało cią ich wła ciwo ci statycznych i dynamicznych, • krótkotrwałe zmiany wielko ci wpływowych. Ograniczenie wpływu błędów przypadkowych uzyskuje się przez wielokrotny pomiar tej samej wartości wielkości i przyjęcie średniej arytmetycznej jako wyniku ostatecznego. Osobną grupą błędów są błędy nadmierne, zwane omyłkami lub błędami grubymi. Powodują one jawne zniekształcenie wyniku pomiaru. Najczęstszymi przyczynami pojawienia się tych błędów są: • nieprawidłowy odczyt lub błędny zapis wyniku pomiaru, • zastosowanie niewła ciwego przyrządu lub pomiar przyrządem uszkodzonym.

Rozróżniamy następujące rodzaje błędów pomiarowych ze względu na ródła ich powstania: a) błędy powodowane przez przyrządy pomiarowe, np. skończona rezystancja wewnętrzna woltomierzy, nieliniowo ć wskazań przyrządów pomiarowych lub niedoskonało ć ich wzorcowania, b) błędy powodowane przez metody pomiarowe, c) błędy powodowane przez mierzącego, np. brak do wiadczenia, zmęczenie, skłonno ci, nawyki, d) błędy powodowane przez obliczenia to błędy przy niewła ciwym zaokrągleniu, niewła ciwe metody wyrównywania błędów, e) błędy powodowane przez wpływ otoczenia na mierzącego, na przyrządy i na mierzoną wielko ć. Czynnikami wywołującymi te błędy to temperatura ci nienie, wilgotno ć powietrza, zakłócenia elektromagnetyczne.

Zapis wyniku pomiaru powinien umożliwiać ocenę dokładno ci z jaką została okre lona warto ć wielko ci mierzonej. W tym celu podaje się jednocze nie z wynikiem pomiaru x warto ć błędu ∆xg xp = x ± ∆xg gdzie xp jest poprawną warto cią wielko ci x. Zaleca się obliczania błędu zgodnie z następującymi zasadami: • warto ć liczbową błędu należy zaokrąglać "w górę" i zapisywać liczbą o jednym miejscu znaczącym, np.: 2; 0,02; • zapis błędu pomiaru w postaci dwu cyfr znaczących jest zalecany w pomiarach dokładnych oraz wówczas, gdy wskutek zaokrąglenia do jednej cyfry znaczącej warto ć błędu zwiększyłaby się więcej niż o 10% . Wynik pomiaru oblicza się z jednym miejscem dziesiętnym więcej niż to, na którym zaokrąglono błąd, po czym zaokrągla go się (zgodnie z regułą zaokrąglania liczb) tak, aby ostatnia cyfra wyniku odpowiadała miejscem warto ci liczbowej błędu, np.: (121±1) cm, (19,45±0,13) mA.

Błąd bezwzględny definiowany jest jako różnica wyniku pomiaru X i warto ci rzeczywistej XR

Niedokładno ć pomiaru wynika głównie z istnienia dopuszczalnego błędu systematycznego narzędzia pomiarowego okre lonego jego klasą dokładności. Błąd względny definiowany jest jako stosunek błędu bezwzględnego do warto ci rzeczywistej

Wyniki pomiarów w serii rozkładają się wokół wartości średniej

Histogram

Miarą rozproszenia wyników jest odchylenie standardowe

Rozkład pomiarów w serii wokół wartości średniej X jest rozkładem Gaussa.

Prawdopodobieństwem, z jakim w zadanym przedziale znajdzie się dowolny pomiar z serii, nazywa się poziomem ufno ci, a przedział przedziałem ufno ci. W przedziale mie ci się 68,26% wyników z serii. W przedziale mie ci się 95,45% wyników z serii. W przedziale mie ci się 99,73% wyników z serii.

redni błąd kwadratowy warto ci redniej wyraża się wzorem:

Rozkład normalny

f(x)

P=0,95 P=0,68

punkt przegięcia

P=0,9973

x    



x  

Niepewność pomiaru jest parametrem związanym z wynikiem pomiaru charakteryzującym rozrzut warto ci, które można w sposób uzasadniony przypisać wielko ci mierzonej. Niepewno ć pomiaru związana z estymatami wielko ci wej ciowych jest obliczana metodą typu A lub typu B. Metoda typu A obliczania niepewności standardowej jest metodą, w której niepewno ć jest obliczana za pomocą analizy statystycznej serii obserwacji. Niepewno ć standardowa jest w tym przypadku odchyleniem standardowym eksperymentalnym redniej otrzymanej metodą u redniania lub odpowiednią analizą regresji. Metoda typu B obliczania niepewności standardowej jest metodą, w której niepewno ć jest obliczana innym sposobem niż analiza statystyczna serii obserwacji. W takim przypadku obliczanie niepewno ci oparte jest na innego rodzaju przesłankach naukowych.

W praktyce istnieje wiele możliwych ródeł niepewności pomiaru, są to m.in.: (a) niepełna definicja wielko ci mierzonej, (b) niedoskonała realizacja definicji wielko ci mierzonej, (c) niereprezentatywne pobieranie próbek, tzn. mierzona próbka nie jest reprezentatywna dla definiowanej wielko ci mierzonej, (d) niepełna znajomo ć wpływu warunków rodowiskowych na procedurę pomiarową lub niedoskonały pomiar parametrów charakteryzujących te warunki, (e) subiektywne błędy w odczytywaniu wskazań przyrządów analogowych, (f) skończona rozdzielczo ć lub próg pobudliwo ci przyrządu, (g) niedokładnie znane warto ci przypisane wzorcom i materiałom odniesienia, (h) niedokładnie znane warto ci stałych i innych parametrów, otrzymanych ze ródeł zewnętrznych i stosowanych w procedurach przetwarzania danych, (i) upraszczające przybliżenia i założenia stosowane w metodach i procedurach pomiarowych, (j) rozrzut warto ci wielko ci mierzonej uzyskanych podczas obserwacji powtarzanych w warunkach pozornie identycznych.

Człony pomiarowe Za człony pomiarowe będziemy uważali człony celowo przetwarzające wszelkie zewnętrzne w stosunku do urządzenia automatycznego wielko ci, niezbędne do realizacji zadań sterowania na sygnały o postaci wykorzystywanej w tym urządzeniu. -wielko ci charakteryzujące stan obiektu sterowanego ( zasadnicze człony regulacji) - wielko ci charakteryzujące zakłócenia (układy kompensacji zakłóceń) Często człon pomiarowy jest układem złożonym z kilku członów składowych:

czujnik

mostek

wzmacniacz

przetwornik

CZUJNIK Czujnik - jest to część członu pomiarowego bezpośrednio stykająca się z obiektem mierzonym. Sposoby pomiaru to temat szeroki gdyż w naukach ścisłych pomiar jest punktem wyjścia do dalszej pracy inżynierskiej czy naukowej. Wyróżnia się 3 grupy problemów metrologicznych: l. pomiary wielkości elektrycznych metodami elektrycznymi 2. pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi 3. pomiary wielkości nieelektrycznych innymi metodami Jeśli chodzi o pierwszą grupę to badacz nie napotyka na większe problemy. Pomiaru prądu, napięcia, mocy itd. dokonuje się z pomocą znanych z literatury schematów. Są dokładne wytyczne jaki miernik i układ pomiarowy jest najwłaściwszy w określonym przypadku ( determinowane przez charakter i zakres wielkości mierzonej a przy paru wielkościach przez priorytety nadane przez badacza poszczególnym parametrom)

Przykład:

Poprawny pomiar napięcia: A

A

R

A

V

V

R

R

=

V

R

=

+

V

R

Poprawny pomiar prądu: A

= V=

A V

R

R A

+

R

Ciekawym zagadnieniem które rozwinęło się w oddzielną dyscyplinę jest pomiar parametrów nieelektrycznych metodami elektrycznymi. Je li możemy wybierać między metodami z grupy drugiej i trzeciej to za wyborem drugiej przemawiają zalety elektrycznych urządzeń pomiarowych: -wysoka dokładność - duża czułość - łatwe przekazywanie sygnału na odległość - krótki czas pomiaru

-dobre właściwości dynamiczne (możliwość pomiarów wielkości szybkozmiennych) - łatwa rejestracja i przetwarzanie - uniwersalność przyrządów pomiarowych Wadą jest wrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne. Niezależnie od wybranej metody pomiaru obowiązują zasady ogólne dotyczące prowadzenia prac pomiarowych:

Algorytm postępowania podczas rozwiązywania zadania pomiarowego l. Sprecyzowanie zadania pomiarowego a) pomiary kontrolne parametrów obiektów i zjawisk b) pomiary parametrów których warto ci są znane tylko w przybliżeniu c) sprawdzanie przez pomiary okre lonych hipotez i praw 2. Zebranie możliwie wielu informacji o obiekcie pomiaru. 3. Okre lenie celu pomiaru, wielko ci mierzalnych i wpływających na wynik pomiaru. Założenie modelu metrologicznego, będącego podstawą do doboru aparatury pomiarowej. 4. Wybór metody, układu i narzędzi pomiarowych. (Możliwie najprostsze! Tylko tak dokładnie jak to konieczne! ) 5. Zwrócić uwagę na wiarygodno ć przyrządów ( wiadectwo legalizacji) 6. Zestawienie układu pomiarowego (łatwo ć odczytu i dostępu do elementów regulacyjnych, zabezpieczenie przyrządów, przygotowanie tabel pomiarów)

7. Wykonanie wła ciwych pomiarów (skorygowanie zakresów pomiarów [2/3] , powtórzenia pomiarów w celu wyeliminowania błędów przypadkowych) 8. Obliczenia ( Błąd względny i bezwzględny oblicza się najwyżej do 2 cyfr znaczących, - liczby jednocyfrowe są okre lane z dokładno cią 100-10% . - liczby dwucyfrowe z dokładno cią 10-1% itd. Liczby: 121; 121 104; 1,21; 0,141; 1,40 są liczbami trzycyfrowymi. 9. Wykonanie sprawozdania z pomiarów. Końcowym etapem jest interpretacja wyników i wyciągnięcie wniosków. Czasem powoduje to konieczno ć powrotu do punktu 2.

Pomiar wykonany jest zawsze z określoną dokładnością wynikającą z: • klasy przyrządu

klasa= gdzie:

S zakres

S- maksymalny błąd statystyczny

• wielkości podziałki (0,2 podziałki lub 1 podziałka)

• niedokładności odczytu (paralaksa) • błędu metody pomiarowej.

Dokładno ć przyrządu w warunkach odniesienia ( temperatura – 23ºC (odchyłka ± 2 ºC ),, ci nienie, wilgotno ć 40÷60%,) okre la liczba zwana klasą (kl.). Norma przewiduje klasy 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5.

· Bł dy dodatkowe wynikają z:

-warunków zasilania innych niż w instrukcji -temperatury otoczenia -wilgotno ci -zależno ci charakterystyki przyrządu od czasu niejednoznaczno ci (histereza) -progu czuło ci (wyrażona w % zakresu pomiarowego najmniejsza zauważalna ) zmiana wielko ci wej ciowej

-częstotliwo ci granicznych (pasmo przenoszenia) -czasu ustalania -miejsca i sposobu instalacji czujnika

Wspomniano tutaj pojęcie miernika - dokonując wyboru właściwego przyrządu należy odpowiedzieć na kilka pytań: - Jaką wielko ć fizyczną można zmierzyć posługując się tym miernikiem ? (nazwa lub oznaczenie wielko ci) - Jaki jest zakres przyrządu i czy pokrywa się on z oczekiwanym zakresem zmian wielko ci mierzonej ? - Jakie warunki musi spełnić użytkownik przyrządu ? ( położenie pracy, sposób montażu i doprowadzenia sygnałów, rodzaj dołączanych czujników, rodzaj zasilania itp.) -Czy odczyt jest analogowy czy cyfrowy oraz jaka jest dokładno ć pomiaru? - Czy konieczne jest przeliczenie wielko ci zmierzonej ? (okre lenie stałej podziałki miernika C w jednostkach na działkę C = Xmax / liczbę działek ) - Okre lić błąd bezwzględny oraz błąd względny x 

  x max X  kl 100   max [%] X max Xm

Rodzaje przyrządów pomiarowych

• aparatura przeznaczona do wykorzystania w warunkach laboratoryjnych

Pomiary laboratoryjne mają na celu jednorazowe zdobycie informacji o układzie badanym, istotna jest więc wiarygodno ć, dokładno ć natomiast nakład czasu i koszt aparatury maja znaczenie drugorzędne. 1) duża dokładno ć 2) łatwo ć eliminacji zakłóceń (zbędne dodatkowe zabezpieczenia) 3) łagodniejsze warunki eksploatacji (wilgotno ć, zapylenie, temperatura, mniejsze zagrożenia uszkodzeń mechanicznych...) 4) większa uniwersalno ć (wielozakresowe i wielofunkcyjne) 5) trudniejsza obsługa (wykwalifikowany personel)

• aparatura przeznaczona do wykorzystania w warunkach przemysłowych Pomiary techniczne mają za zadanie zapewnić wystarczającą, stałą i aktualną informację o procesie badanym – istotna jest więc szybkość otrzymania wyniku, koszt, łatwość odczytania i przetworzenia (wykorzystanie do przesyłu i sterowania układami automatyki 1) funkcjonalno ć 2) szybki odczyt warto ci i trendu 3) trwało ć (czas eksploatacji) 4) niezawodno ć ( redni czas międzyawaryjny) 5) niezbędne jest zabezpieczenie przyrządów przez zakłóceniami, uszkodzeniami mechanicznymi, pyłoszczelno ć, kroploszczelno ć itp. 6) dokładno ć minimalna, konieczna ze względów technologicznych 7) małe płyty czołowe 8) niewiele elementów manipulacyjnych 9) jednozakresowe

- mierniki z odczytem analogowym ( łatwość popełnienia błędu w określeniu wartości ale za to łatwo określić tendencje zmian - kierunek i prędkość)

- mierniki z odczytem cyfrowym (eliminuje pomyłki odczytu ale określenie tendencji zmian jest niemożliwe).

Przykład układu pomiarowego z wykorzystaniem techniki komputerowej impuls elektryczny

Czujnik + przetwornik

rejestrator z mikroprocesorem

wymienny moduł pamięci zewnętrznej

250 200 150 100 50 0 0

5

10

15

20

25

30

-50

obróbka graficzna i statystyczna

KOMPUTER

interfejs

Komputeryzacja umożliwia: ฀wykonanie pomiarów, łącznie z ich opracowaniem, w cyklu automatycznym zgodnie z opracowanym algorytmem (programem) działania, ฀znaczne skrócenie czasu pomiarów (oszczędno ć energii, mniejszy liczbowo i o mniejszych kwalifikacjach personel zaangażowany w proces pomiarowy), ฀zwiększenie dokładno ci pomiarów m.in. poprzez: -wykonanie wielu pomiarów praktycznie w tej samej chwili czasowej (wyeliminowanie wpływu zmieniających się warunków zewnętrznych na wyniki kolejno wykonywanych pomiarów), -wykonanie wielokrotnych pomiarów i ich u rednienie np. poprzez włączenie statystycznej obróbki wyników pomiarów, -włączenie procesów okresowego wzorcowania i testowania aparatury w cykl pomiarowy, ฀prowadzenie pomiarów w miejscach niedostępnych, niebezpiecznych, w warunkach szkodliwych dla człowieka, ฀bieżącą kontrolę i sterowanie badanych obiektów zwłaszcza w ich stanach dynamicznych (rozruch, zmiana obciążenia), szybkie wykrywanie stanów awaryjnych i ich sygnalizacja (wzrokowa, akustyczna) bąd też podjęcie odpowiednich działań zabezpieczających przed awarią ฀bezpo rednie włączenie procesu pomiarowego w cykl produkcyjny (bieżąca kontrola wykonywanych operacji technologicznych),

Kryteria oceny jako ci systemów pomiarowych: – – – – – – – – – – –

szybko ć uzyskiwania danych dokładno ć pomiaru (klasa przyrządu) wielko ć urządzenia odporno ć na uszkodzenia ergonomia obsługi sposób zobrazowania wyników automatyka pomiarów (np. automatyczny dobór zakresów) wielofunkcyjno ć możliwo ć rozbudowy możliwo ć przechowywania danych pomiarowych niezawodno ć

Współczesne przyrządy pomiarowe można pod względem konstrukcji podzielić na kilka grup: – Przyrządy specjalizowane – jednofunkcyjne i wielofunkcyjne. – Przyrządy współpracujące z komputerem – komputer jako interfejs pomiędzy użytkownikiem a przyrządem. – Systemy komputerowe – komputer zaangażowany w proces przetwarzania sygnałów pomiarowych, procesy sterujące, komunikację z użytkownikiem. – Przyrządy wirtualne – oprogramowanie komputerowe, współpracujące z układem pomiarowym.

Współczesne przyrządy pomiarowe są najczę ciej wielofunkcyjnymi urządzeniami komputerowymi. Budowa typowego komputerowego przyrządu pomiarowego: – układ pomiarowy – generatory, analizatory, przetworniki; – oprogramowanie: • sterowanie pracą przyrządu, • analiza wyników, • zapis wyników i ustawień przyrządu.

Ze względu na konfigurację, komputerowe systemy pomiarowe możemy podzielić na: – systemy dedykowane – samodzielne urządzenia, – systemy z zewnętrznym układem akwizycji danych – zewnętrzny układ pomiarowy + karta PCI lub PCMCIA do komunikacji z komputerem, który pełni rolę interfejsu użytkownika, – systemy oparte w cało ci na komputerze – karta komputerowa PCI lub PCMCIA pełni rolę układu pomiarowego, oprogramowanie tworzy interfejs użytkownika.

System pomiarowy - zbiór urządzeń i programów mających na celu realizacj okre lonego procesu poznawczego, którego zadaniem jest ocena badanego obiektu lub wyznaczenie parametrów jego modelu

Schemat funkcjonalny systemu pomiarowego

Podstawowe bloki funkcjonalne systemu pomiarowego są następujące: - blok komunikacji z użytkownikiem pozwalający na wprowadzanie i wyprowadzanie informacji; w systemach komputerowych wprowadzanie informacji odbywa się przy pomocy klawiatury, myszki lub innych urządzeń służących do komunikacji z komputerem, a wyprowadzanie informacji najczę ciej przy pomocy ekranu monitora, ale też przy pomocy rejestratorów cyfrowych, - blok sterujący jest odpowiedzialny za realizację złożonego algorytmu działania systemu pomiarowego; może on działać według stałego algorytmu pomiarowego (sterowniki układowe) lub według programu realizowanego przez procesor cyfrowy, - blok generacji sygnałów może być wykorzystany w przypadku, gdy zachodzi konieczno ć wytworzenia sygnałów wymuszających, odniesienia, sterujących lub wyprowadzenia wyników pomiarów w formie analogowej, - czujniki pomiarowe umożliwiające odbiór informacji z obiektu fizycznego, którego parametry podlegaj identyfikacji w procesie pomiarowym, - blok akwizycji sygnałów po redniczy pomiędzy czujnikami pomiarowymi a blokiem przetwarzania danych, odpowiada za zbieranie sygnałów pomiarowych i ich dyskretyzację, realizuje funkcje wstępnej normalizacji sygnału oraz przetwarzania analogowo – cyfrowego, - blok przetwarzania danych, którego zadaniem jest cyfrowa obróbka sygnałów pomiarowych zgodnie z przyjętym algorytmem.

Podstawowe zadania systemu pomiarowego : Proces lub obiekt

Akwizycja danych

Analiza danych

Prezentacja danych

badań

Akwizycja danych to zbieranie sygnałów elektrycznych z czujników i przetworników, pomiar ich parametrów oraz wprowadzenie uzyskanych danych do komputera w celu ich dalszego przetworzenia. Na każdym etapie pracy systemu pomiarowego wykorzystywany jest sprzęt komputerowy. Wielko ci fizyczne mierzone są przy pomocy czujników zaopatrzonych w minikomputer. Otrzymany w ten sposób sygnał dopasowywany jest w układach kondycjonowania, gdzie komputer ustala poziom wzmocnienia, dokonuje filtrowania szumów oraz zakłóceń i przekazuje do układów akwizycji, gdzie jest on przekształcany na postać cyfrową. W tej formie sygnał przesyłany jest do komputera, którego zadaniem jest obróbka, wizualizacja, analiza i interpretacja danych pomiarowych. Również archiwizacja odbywa się w postaci cyfrowej.

Karty akwizycji danych Właściwości: ฀instalacja bezpo rednio w PC, ฀dostępne dla wielu popularnych komputerów z różnymi wewnętrznymi magistralami danych (ISA, EISA, PCI, PCMPCI, ...), ฀różne kombinacje analogowych, cyfrowych sygnałów wej ciowych i wyj ciowych, ฀rozdzielczo ć 8 16 bitów, często ć próbkowania do 1 MHz, ฀możliwo ć bezpo redniej transmisji do pamięci mikrokomputera (tryb DMA), ฀w wielu typach kart: programowalna często ć próbkowania, metoda konwersji danych, czas zwłoki (opó nienie), oddzielne wzmocnienie dla każdego kanału pomiarowego, ฀na ogół współpraca z układem dopasowania danych (Signal Conditioning), ฀możliwo ć programowania w wielu językach (C, Pascal, VisualBasic, ...) pod Windows 95/NT/3.x, DOS, ... oraz korzystania z fabrycznych programów (LabVIEW, LabWindows/CVI, Measure ...), ฀możliwo ć zakłócenia sygnałów pomiarowych szumami generowanymi wewnątrz mikrokomputera, ฀stosunkowo niski koszt, ostatnie rozwiązania typu .plug and play.

Oprogramowanie systemów pomiarowych Technika komputerowa wprowadziła do projektowanego systemu pomiarowego jeszcze jeden ważny element, który w istotny sposób decyduje o jego możliwo ciach i funkcjonalno ci. Jest to oprogramowanie, czyli zapisany w odpowiednim języku programowania algorytm działania systemu pomiarowego, który obejmuje częstotliwo ć i kolejno ć wykonywania pomiarów, akwizycję danych, analizę, przetworzenie i przedstawienie wyników w wygodnej dla użytkownika formie wykresów lub tabel. Oprogramowanie decyduje też o sposobie archiwizacji zebranych informacji, a w systemach regulacji automatycznej jego znaczenie jest podstawowe. Etapy rozwoju oprogramowania: 1. programowanie niskopoziomowe (asembler) 2. programowanie wysokopoziomowe (język C, Basic, Pascal) 3. opracowanie standardu SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments)

4. graficzne rodowiska programowania (LabWindows, LabView, TestPoint)

LabView jest oprogramowaniem służącym do tworzenia wirtualnych

przyrządów pomiarowych – przyrządów działających na ekranie komputera.  Współpracuje z różnymi typami kart pomiarowych.  Możliwo ć pomiarów przy użyciu: – gotowych układów pomiarowych (wczytanych z pliku) – samodzielnie zbudowanych układów pomiarowych – układy budowane są z dostępnych bloków funkcjonalnych, przy użyciu interfejsu graficznego.

Wygląd panelu czołowego urządzenia w systemie LabView. Interfejs wirtualnego urządzenia naśladuje rzeczywiste przyrządy pomiarowe.

to zespół rodków zapewniających dopasowanie mechaniczne, elektryczne i informacyjne oraz ustalających funkcjonalne relacje pomiędzy fizycznie odrębnymi czę ciami systemu, zgromadzonymi w celu wymiany informacji między nimi. Podstawowymi elementami interfejsu są: kable, złącza, nadajniki linii, odbiorniki linii, linie sygnałowe, funkcje interfejsowe z opisem logicznym, zależno ci czasowe oraz sterowanie. Wymiana danych odbywa się przez kanał transmisyjny, którym może być np. przewód, wiatłowód, fale radiowe Funkcje interfejsu: Funkcja konwersji polega na dostosowaniu typu danych w jednostce do typu danych stosowanego w kanale transmisyjnym (poziomy logiczne, kody, formaty wszystkich informacji). Funkcja synchronizacji (ang. handshake) zapewnia synchronizację transmisji danych, uwzględnia ewentualne nieregularne lub przypadkowe opó nienia w kanale transmisyjnym. Funkcja przerwania pozwala na zatrzymanie normalnej komunikacji, aby umożliwić przesłanie specjalnych komunikatów, dotyczących zarządzania interfejsem. Funkcja buforowania jest konieczna, gdy interfejs nie jest w stanie odbierać danych w sposób ciągły lub gdy kanał transmisyjny nie jest zawsze zdolny do transmisji danych w momentach, w których oczekuje tego odbiorca danych. Funkcja zarządzania interfejsem zapewnia wła ciwe funkcjonowanie złożonych systemów interfejsu (inicjacja interfejsu, obsługa przerwań, zabezpieczenia przed przeciążeniem). Funkcja korekcji błędów pozwala na korekcję błędów w danych, spowodowanych przez kanał transmisyjny.

Interfejs

Pojęcie standardu interfejsu

Poszczególne elementy składowe (bloki funkcjonalne) można połączyć w jeden system pomiarowy, jeżeli spełniają one tzw. warunki kompatybilności. Oznacza to: • zgodno ć mechaniczną i konstrukcyjną gniazd przyłączeniowych oraz rozmieszczenia sygnałów w gnie dzie • zgodno ć parametrów elektrycznych poszczególnych sygnałów • zgodno ć stosowanych kodów i protokołów komunikacyjnych • zgodno ć metod transmisji danych.

Interfejs szeregowy RS-232 Standard RS-232 powstał w 1962 r. jako interfejs do współpracy terminali z modemem w dużych systemach komputerowych. Obecnie stosowany jest w prostych systemach pomiarowych, składających się z kontrolera i jednego bloku funkcyjnego lub gdy istnieje konieczno ć przesyłania danych na większe odległo ci. Wykorzystuje on tanie kable o bardzo małej liczbie przewodów (2-3). Systemy oparte na standardzie szeregowym RS-232 charakteryzuje mała prędko ć przesyłania danych, wymiana informacji możliwa jest w danej chwili jedynie między dwoma urządzeniami. Stosowane jest złącze 25-stykowe lub 9-stykowe. Magistrala interfejsu składa się z linii danych, linii sterujących, linii synchronizacji oraz linii masy. Zgodnie z zaleceniami normy RS-232C dopuszcza się stosowanie dowolnego podzbioru zdefiniowanych w normie linii.

Format danych w przypadku stosowania asynchronicznej transmisji szeregowej.

Standard IEC-625 IEC – 625 to najpopularniejszy standard umożliwiający sprzęganie aparatury kontrolno – pomiarowej i informatycznej w jeden system pomiarowy. Rozwijany jest od roku 1975. Jego inne nazwy to: IEEE-488, GPIB. Struktura systemu w standardzie IEC-625 Interfejs IEC – 625 charakteryzuję się konfiguracją magistralową, tzn. wszystkie urządzenie dołączone są równolegle do wspólnej magistrali. Magistralą przesyłane są komunikaty interfejsowe (adresy i rozkazy) oraz komunikaty urządzeń (dane). Magistrala składa się z 16 linii sygnałowych (8 linii danych, 3 linie synchronizacji, 5 linii sterowania) oraz 9 linii masy.

Magistrala

IEC-625

np. komputer PC

np. klawiatura

K/N/O Kontroler Nadawca Odbiorca

Szyna danych , 8 linii sygnałowych

N Nadawca Szyna synchronizacji , 3 linie sygnałowe

np. woltomierz

np. drukarka, zasilacz

N/O Nadawca Odbiorca

O Odbiorca

Struktura systemu w standardzie IEC-625

Szyna sterowania , 5 linii sygnałowych

Organizacja systemu IEC-625 Każde urządzenie przyłączone poprzez interfejs IEC-625 ma możliwo ć pracy jako urządzenie zdalnie sterowane przez komputer lub jako samodzielny, autonomiczny przyrząd pomiarowy sterowany ręcznie z płyty czołowej. Maksymalna liczba urządzeń bezpo rednio dołączonych do magistrali wynosi 15. W systemie IEC-625 urządzenia kwalifikuje się jako: nadajnik transmituje dane do innych urządzeń przez magistralę odbiornik przyjmuje dane wysyłane przez nadawcę kontroler zarządza systemem interfejsu. Każde z urządzeń posiada swój indywidualny adres od 0 do 30. Kontroler uaktywnia (poprzez podanie adresu) wła ciwo ci nadawcze i odbiorcze urządzeń. Sposób ustawienia adresów zależy od producenta urządzenia (sprzętowe lub programowe). Transmisja komunikatów i danych między urządzeniami odbywa się sekwencyjnie bajtami w sposób asynchroniczny poprzez dwukierunkowa szynę danych. Szybko ć transmisji dostosowana jest do możliwo ci odbioru przez najwolniejsze z urządzeń (maksymalnie 1 MB / sekundę). Kabel interfejsowy składa się z co najmniej 24 przewodów umieszczonych w zewnętrznym ekranie i zakończony jest obustronnie złączem 25-stykowym. Maksymalna całkowita długo ć kabla w systemie wynosi 20 m, za długo ć połączenia między urządzeniami – 4 m (wskazane 2 m).

Standard VXI Standard VXI jest rozwijany od roku 1987 i stanowi najbardziej zaawansowanym technologicznie sposób sprzęgania aparatury kontrolno – pomiarowej. Przeznaczony jest do sterowania i obsługi zautomatyzowanych, modułowych systemów pomiarowych.

Struktura interfejsu VXI (obudowa wraz z umieszczonymi w niej modułami funkcjonalnymi).

Charakterystyka standardu VXI Podstawowym elementem systemu w standardzie VXI jest obudowa (kaseta), która stanowi element zespalający mechanicznie i elektrycznie poszczególne moduły w jeden system (podsystem). W obudowie tej można zamontować cztery rozmiary moduły funkcjonalne o czterech rozmiarach, zgodnych ze znormalizowanymi wymiarami eurokart (maksymalnie 13 modułów w jednej obudowie). Magistrala główna składa się z o miu typów szyn. Interfejs VXI pozwala na szybkie, asynchroniczne przekazywanie danych pomiędzy modułami w postaci słów 8-, 16- i 32-bitowych po szynach transmisji danych. Maksymalna prędko ć wynosi 40 MB / sekundę. Istnieją dwa sposoby sterowania systemem: z użyciem komputera zewnętrznego, połączonego z obudową VXI poprzez moduł IEC-625/VXI lub z wykorzystaniem modułowej wersji komputera, zainstalowanej bezpo rednio w obudowie VXI.

Interfejs użytkownika komputerowych systemów pomiarowych powinien spełniać następujące wymagania: – Wygląd interfejsu powinien przypominać klasyczne urządzenia pomiarowe – pokrętła, przełączniki, wy wietlacze, itp. – Łatwa analiza wyników pomiarów. – Możliwo ć zachowywania wyników pomiarów. – Zapamiętywanie ustawień najczę ciej wykonywanych pomiarów. – Automatyzacja. – Elastyczno ć, ergonomia, prosta obsługa.

Dziękuję

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 5 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2011

Pomiary wielkości fizycznych - część 1 Człony pomiarowe i czujniki temperatury

Temperatura jest parametrem stanu materii, określającym kierunek przepływu ciepła między dwoma ciałami, wartość tego parametru zależy od średniej energii kinetycznej molekuł. Pomiar temperatury jest możliwy na skutek przepływu ciepła między ciałami znajdującymi się na różnych poziomach molekularnych energii kinetycznej. Temperatura dwóch ciał pozostających w kontakcie cieplnym wyrównuje się, w miarę jak ich odpowiednie poziomy średniej molekularnej energii kinetycznej ulegają zrównaniu, dzięki przekazaniu energii między nimi. Przekazywanie energii ciepnej jest procesem, którego prędkość przebiegu uzależniona jest od wielu parametrów określających fizyczne właściwości ciał. Temperatury obiektów mogą być zmierzone za pośrednictwem termometrów, których temperatury doprowadzane są do poziomu temperatury obiektów (do stanu termodynamicznej równowagi między nimi), a następnie temperatura własna termometru może być odczytana. Skończona prędkość przekazywania ciepła oraz niepewność założenia, że termometr jest w stanie równowagi termodynamicznej z mierzonym obiektem są głównymi przyczynami błędów w pomiarach temperatury.

Jednostką temperatury termodynamicznej układu SI jest Kelwin (K). Jest to 1/273,16 część temperatury punktu potrójnego wody, powyżej absolutnego zera. W zerze absolutnym (0 K) molekuły jakichkolwiek substancji nie posiadają energii kinetycznej. Często stosuje się pomiar temperatury w skali Celsjusza. Jednostką jest stopień Celsjusza, co jest synonimem pojęcia “stopień skali stustopniowej”. W krajach anglosaskich stosowana jest również skala Fahrenheita. Związki między skalami Celsjusza, Kelwina i Fahrenheita przedstawiono w poniższej tabeli.

Temperatu ra dana w:

Temperatura poszukiwana w:

c [°C]

°C -

°F 32+9/5*c

K c+273

f [°F]

5/9*(f-32)

-

5/9*(f32)+273

k [K]

k-273

32+9/5*(k273)

-

Pierwszy termometr, a właściwie termoskop, opisał w 210 roku p.n.e. grecki pisarz i inżynier – Filon z Bizancjum, a nieco później Heron z Aleksandrii. Był to przyrząd pozwalający na określenie różnicy temperatury ciał, którego zasada działania opierała się na wykorzystaniu zjawiska rozszerzalności cieplnej gazów. Przyrząd ten składał się z jednostronnie zasklepionej rurki, której otwarty koniec zanurzony był w naczyniu napełnionym cieczą (winem lub octem). Przyrząd nie posiadał skali a jedynie dwie ruchome obrączki na rurce umożliwiające zaznaczanie zmian temperatury. Budową termometru zajął się również astronom Galileusz (1564-1642), wadą tego termometru była jego czułośc na zmiany ciśnienia. Wadę tę wyeliminował książę toskański Ferdynand II w 1644 r. Odizolował on rurkę od otaczającego powietrza, dzięki czemu znajdująca się w niej ciecz przestała reagować na wahania ciśnienia. Kolejną konstrukcję zaproponował G.D. Fahrenheit (1686-1736) urodzony w Gdańsku, a pędzący życie w Holandii. Zbudował swój termometr w 1725 r. Najlepszy, zdaniem znawców, stosowany do dzisiaj w Polsce, skonstruował w 1742 r. astronom Andres Celcius (1701-1744) – był to pierwszy precyzyjny termometr.

Pomiar temperatury Pomiar temperatury może być realizowany na wiele sposobów. W zależności od interakcji pomiędzy badanym obiektem pomiarowym a czujnikiem pomiarowym wyróżnić można: pomiar dotykowy (pomiar kontaktowy) - czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy pomiar bezdotykowy (pomiar bezkontaktowy) - poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało (promieniowanie cieplne) np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt.

Pomiar temperatury W zależności od wykorzystanych do pomiaru własności fizycznych czujnika pomiarowego, wyróżnić można pomiar z wykorzystaniem zjawiska: odkształcenia bimetalu, wytwarzania napięcia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w różnych temperaturach, zmiany rezystancji elementu (termistor), zmiany parametrów złącza półprzewodnikowego (termometr diodowy) zmiany objętości cieczy, gazu lub długości ciała stałego, zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor pod wpływem temperatury, stożki Segera.

Nieelektryczne czujniki temperatury

Termometry rozszerzalnościowe - cieczowe Najczęściej termometr kojarzy się ze szklaną rurką, zaopatrzoną w skalę i zmieniającą wysokość słupa cieczą, zamkniętą w szklanym zbiorniku wyposażonym w rurkę o małym przekroju, zwaną kapilarą (ok. 0,03 mm). Z przestrzeni nad powierzchnią cieczy usunięte zostało powietrze, a kapilarę szczelnie zamknięto. Każda zmiana temperatury powoduje zmianę objętości cieczy i w efekcie zmianę poziomu jej słupa. Im temperatura wyższa, tym ciecz zajmuje większą objętość. Odczyt temperatury umożliwia skala umocowana wzdłuż kapilary. Dokładność termometrów tradycyjnych zależy od jakości kapilary (jej przekrój musi być idealnie równy na całej długości) oraz od rzetelności producenta - każde urządzenie powinno być osobno skalowane. Dokładność pomiaru rośnie jeśli zwiększamy zbiornik i zwężamy kapilarę.

Termometry cieczowe termometry wykorzystujące zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy. rtęciowe (od -39°C do 360°C) alkoholowe (-112°C do 78°C)

Termometry rozszerzalnościowe cieczowe wypełnione są : - rtęcią Hg - dielektryczne cieczowe: - alkoholem etylowym - glikol - aceton - toulen - mieszanina toulenu z naftą

Rtęć łatwiej reaguje na zmiany temperatury i nie przylega do ścianek rurki. Jednak termometry takie nie mogą być używane w temperaturach poniżej -39°C, gdyż wtedy rtęć zamarza. Alkohol zamarza w -112°C, dlatego termometry alkoholowe są używane przez meteorologów. Z kolei alkohol wrze przy 78°C, co czyni go niezbyt odpowiednim dla zastosowań laboratoryjnych. Rtęć wrze dopiero w temperaturze 360°C, nadaje się więc do pomiarów średnio wysokich temperatur w laboratoriach.

Termometry rozszerzalnościowe cieczowe

Termometry cieczowe Termometr lekarski jest termometrem rtęciowym, skonstruowanym specjalnie do pomiaru temperatur w wąskim zakresie około 37°C. Kapilara zwęża się nad bańką z rtęcią utrudniając przepływ rtęci z kapilary do bańki. Podczas ogrzewania termometru, rtęć w bańce rozszerza się, przepychając się przy tym przez przewężenie. Przy schładzaniu termometru, rtęć w bańce ulega ochłodzeniu, zmniejszając tym samym swą objętość. Rtęć z kapilary nie może przez przewężenie spływać z powrotem do bańki, słup cieczy pozostaje tam, dokąd wspiął się podczas ogrzewania i można odczytać maksymalną temperaturę, jaką termometr zanotował.

Różne modele termometrów Przyrząd stosowany w badaniach oceanograficznych do dokładnego (+/-0,001oC) pomiaru temperatury wody na zamierzonej głębokości, bez zmiany wyniku pomiaru podczas przechodzenia (przy wydobywaniu na powierzchnię) przez warstwy wody o innej temperaturze. Termometr odwracalny składa się z dwóch termometrów rtęciowych we wspólnej oprawie: właściwego (głównego) i pomocniczego. Termometr odwracalny: 1-zbiorniczek rtęci, 2-zbiorniczek pomocniczy, 3-rurka włoskowata, 4-wyrostek, 5-punkt zerwania, 6-pętla, 7-odczyt temperatury (po odwróceniu termometru), 8-termometr pomocniczy.

"Maksimum - minimum" Tego typu termometry są przydatne. Pokazują nie tylko, ile stopni Celsjusza jest w danym momencie, lecz także zapamiętują najniższą i najwyższą temperaturę, jaką odnotowały od chwili naszego ostatniego odczytu - po każdym sprawdzaniu musimy "wyzerować" urządzenie. Ten termometr zbudowany jest z kapilary wygiętej w kształcie litery U. Część szklanej rurki wypełnia rtęć. W tego typu termometrach pomaga ona jedynie odczytać temperaturę. "Mierzy" ją natomiast niewidoczny przezroczysty płyn - kreozot, znajdujący się w zbiorniczkach na górnych końcach rurki.

Termometry podwójne to bardzo wygodne przyrządy, dzięki którym aktualną temperaturę wewnątrz mieszkania i na zewnątrz odczytujemy na tej samej skali. Takie modele mają dwie oddzielne kapilary. Jedna z nich jest taka jak w termometrach tradycyjnych, druga zaś zrobiona z giętkiej, metalowej rurki długości około 1 m, zakończonej zbiorniczkiem z płynem. Kapilara wyprowadzona na zewnątrz budynku pełni funkcję czujnika.

Termometry rozszerzalnościowe - cieczowe

Termometry wykorzystujące zjawisko rozszerzalności ciał stałych - bimetalowe Paski o różnej rozszerzalności temperaturowej, liniowej w elektrycznych układach zabezpieczających, w regulatorach temperatury Odkształcenia przymocowanej z jednej strony taśmy bimetalicznej w temperaturze:

A) Podwyższonej B) normalnej C) obniżonej 1 inwar 2 mosiądz

Termometr przemysłowy bimetaliczny MODEL 53 wykonanie ze stali nierdzewnej klasa dokładności 1 zgodnie z DIN 16 203 możliwość wypełnienia obudowy i rdzenia cieczą dowolne przyłącze procesowe dostępny zakres temperatur od -70°C do 600°C

Pomiar temperatury odbywa się za pomocą czujnika bimetalicznego, który stanowi spirala skręcona nierozdzielnie z dwóch taśm metali o różnej wartości współczynnika rozszerzalności temperaturowej. Pod wpływem temperatury taśma wygina się w kierunku metalu o mniejszej rozszerzalności. Model 53 nadaje się do stosowania w przemyśle chemicznym, petrochemicznym i spożywczym. Wykonanie ze stali nierdzewnej umożliwia stosowanie termometru do pomiarów w środowisku korozyjnym.

Termometr bimetaliczny T100T (A4502) Termometr bimetaliczny przeznaczony do pomiaru temperatury w układach grzewczych i wodociągowych Średnica: 100mm Króciec tylny centryczny Działka elementarna 2 st. C Zakres temperatur: 0...120 st C Gwint: G 1/2 Długość czujnika: 60 mm, 100mm Element pomiarowy: spirala bimetaliczna Podzielnia: aluminium biała Wskazówka: aluminium czarna Oprawa: aluminium Szyba: tworzywo sztuczne akrylowe

Termometr dylatacyjny Składają się z pręta wykonanego z materiału o małej rozszerzalności cieplnej (np. inwar, porcelana, szkło kwarcowe). Znajduje się on wewnątrz rurki wykonanej z materiału o dużej rozszerzalności cieplnej (np.. mosiądz, nikiel). Przesunięcie końca pręta 2, będące funkcją temperatury, można odczytać ze skali 3. Termometry z rurką mosiężną można stosować podczas pomiarów temperatury do 473-573 K (200-300 °C), termometry z rurką chromoniklową - do 1273 K (1000 °C). Dokładność pomiaru wynosi 12%

Termometry ciśnieniowe (manometryczne) Termometr manometryczny (termometr ciśnieniowy gazowy) jest to urządzenie służące do pomiaru temperatury, którego zasada działania oparta jest na wykorzystaniu zjawiska rozszerzalności termicznej gazu. Pomiar temperatury odbywa się za pomocą czujnika, który składa się z kapsuły wypełnionej gazem szlachetnym, kapilary i elementu sprężystego. Zmiana temperatury medium powoduje powstanie wewnętrznego ciśnienia, co jest mierzone przez układ z elementem sprężystym. Zmiany temperatury otoczenia są wyrównywane z wykorzystaniem układu bimetalicznego znajdującego się wewnątrz termometru.

Zastosowanie do substancji żrących stosowanych w przemyśle chemicznym, petrochemicznym i inżynierii procesowej. powszechne zastosowanie w fabrykach, maszynach, zbiornikach, konstrukcji urządzeń i przemyśle spożywczym Pomiar temperatury bez kontaktu z medium w tablicach rozdzielczych urządzeń, szafach sterowniczych, panelach sterowania

Zakres temperatur Zakres temperatur w jakich można używać termometrów gazowych zależy przede wszystkim od budowy termometrów i od jakości i rodzaju gazu w nich zawartego oraz od tego czy termometr jest wypełniony płynem. Dzięki tej różnorodności w budowie, zakres temperatur wynosi od -200 do 700°C.

Zasada działania termometrów ciśnieniowych gazowych Termometry manometryczne (-70 C-+450 C) Zależność między usytuowaniem, a wskazaniem manometru w cieczowych termometrach manometrycznych: 1 wskazania prawidłowe 2 wskazania zawyżone 3 wskazania zaniżone

Termometry manometryczne

Ogólnie termometry rozszerzalnościowe charakteryzują się następującymi cechami: - mierzą średnią temperaturę z dużego obszaru - są układami inercyjnymi pierwszego rzędu - stała czasowa wynosi 0,1 do 1 s - nadają się do powolnego sterowania dużych obiektów

Stożki Segera Stożki Segera - stożki pirometryczne, najczęściej stosowane wskaźniki temperatury. Są to trójścienne ostrosłupy ścięte o określonych wymiarach, z tak dobranego materiału, że przy ogrzaniu ich do określonej temperatury, zwanej temperaturą zgięcia stożka, zginają się dotykając wierzchołkiem podstawy

Stożki Segera

Zdjęcie przedstawiające stożki Segera

Elektryczne czujniki temperatury

- rezystancyjne (oporowe) np. metaliczne (Pt-100) oraz termistory (półprzewodnikowe) - termoelementy

Czujniki rezystancyjne Termometr rezystancyjny – przyrząd pomiarowy służący do pomiaru temperatury wykorzystujący zmianę oporu towarzyszącą zmianom temperatury. Pomiar jest dokonywany drogą pośrednią. Mierzy się oporność odpowiednio dobranego elementu pomiarowego (rezystora) przy pomocy omomierza, który jest wyskalowany w jednostkach temperatury. Oporność elektryczna metali w pewnym zakresie rośnie liniowo wraz ze wzrostem temperatury. Pozwala to na wykorzystanie tego zjawiska w termometrach. Stosowane są oporniki platynowe i niklowe ze względu na wysoką temperaturę topnienia i odporność na korozję.

Termometry oporowe -gazowe i cieczowe (-180 0C- +600 0C) -ciała stałe ( np.platynowy Pt - 100) Wady: duże rozmiary Zalety: łatwo dopasować wzmacniacze

Budowa termometru rezystancyjnego: 1 płytka miki na wsporniku szklanym 2 drut oporowy 3 doprowadzenia 4 przekładki mikowe 5 taśma metalowa 6 obudowa

Czujniki rezystancyjne

Moduły termometru rezystancyjnego Pt100

Pt 100

Czujniki rezystancyjne

Pt100

Termistory Termistor to opornik półprzewodnikowy, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury. Wykonuje się je z tlenków: manganu, niklu, kobaltu, miedzi, glinu, wanadu i litu. Od rodzaju i proporcji użytych tlenków zależą właściwości termistora. Zakres:0 do +200oC W postaci tabletek, płytek lub arkuszy Budowane są z elementów półprzewodnikowych wykazujących znaczny ujemny współczynnik temperaturowy

Termistory

:

a) masywne niehermetyzowane b) perełkowe zatapiane w szkle

Charakterystyki termorezystorów: 1 platynowego 2 półprzewodnikowego (termistora)

Mostek termometryczny z kompensacją temperaturowych zmian przewodów łączących ( R- termorezystor)

Zalety termometrów rezystancyjnych szeroki zakres temperatur (od -220°C do +600°C) odporność na drgania wysoka odporność na zakłócenia elektryczne stabilność długoczasowa solidna konstrukcja duża dokładność

Zastosowanie termometrów rezystancyjnych Termometry rezystancyjne są wykorzystywane w następujących gałęziach przemysłu: chemicznym petrochemicznym farmaceutycznym produkcji energii spożywczym wydobywczym

Termoelementy Zakres:-2500C+20000C Działanie jest oparte na zjawisku powstawania zależnej od temperatury siły elektromotorycznej SEM na styku dwóch różnych metali. Źródłem błędów jest temperatura odniesienia. Termoelementy otrzymuje się łącząc trwale przez zespawanie, zlutowanie, zgniecenie końców drutów z odpowiednich metali. Miedź-Konstantan Platyna-platynorod (wzorzec w zakresie od 6300C do 1063 0C) Do budowy wykorzystuje się metale szlachetne: platyna i platynorod, wolfram i molibden, oraz nieszlachetne. Np.: żelazo i miedź-nikiel, miedź i miedź-nikiel, nikiel-chrom i nikiel-aluminium

Dwa sposoby włączania miliwoltomierza w obwód termoelementu (termopary).

Termopary

U~T U

U=αT α - zdolność termoelektryczna (współczynnik Seebecka)

Po raz pierwszy termoparę jako termometr zastosował H. V. Regnault w 1855 roku

Termopary Termopara - składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów, spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia. Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i "odniesienia") powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur. Spoina pomiarowa może znajdować się w obudowie o dużym przewodnictwie cieplnym. Instaluje się ją w miejscu pomiaru temperatury. Złącze odniesienia może umieszczane w ściśle określonej temperaturze odniesienia, np. topniejącym lodzie. Złącze to może nie być złączem bezpośrednim a zamkniecie obwodu odbywa się poprzez zaciski miernika.

Charakterystyki termopar

Zalety termopar nie wymagają zewnętrznego zasilania niewielkie rozmiary - możliwość lokalnego pomiaru temperatury niska pojemność cieplna mała bezwładność czasowa szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości prostota budowy duża niezawodność

Schemat układu pomiarowego służącego do skalowania termopary

TERMOMETR CYFROWY

- zakres pomiarowy -50 ÷ 1300 °C - wejście: termopara typu K - rozdzielczość 0,1 lub 1° C - wyświetlanie wartości i funkcji - dwa wejścia - obliczanie różnicy temperatur - kompensacja temperatury - pomiar wartości maksymalnych - zatrzymanie pomiaru - wyświetlanie stanu baterii - wielozakresowy wyświetlacz

TERMOMETR CYFROWY YF-160 M

Przeznaczony do współpracy z sondami typu K Posiada możliwość kalibracji (poprzez zmianę położenia pokrętła potencjometru) Mierzy w zakresach: -50 do 200 oC oraz 50 do 1300 oC Funkcja MAX - śledzenia i pomiaru wartości maksymalnej Opis jednostek pomiaru na wyświetlaczu

TABLICOWE MIERNIKI TEMPERATURY

Typ EMT-200 Ni100, Pt100, J, K, N, S, R, B mikroprocesorowy uniwersalny Zakresy pomiarowe od -45°c do 1950°c

MIERNIK TEMPERATURY RET-200 Pomiar z jednego źródła sygnału. Współpraca z obiektowymi przetwornikami temperatury. Trzyżyłowe podłączenie czujnika Pt-100 umożliwia autokompensację rezystancji przewodów przyłączeniowych. ZASTOSOWANIE Zdalny pomiar temperatury z wykorzystaniem czujników Pt-100, lub przetworników obiektowych. ZAKRESY POMIAROWE Pt-100: -50 ... +500 °C

Bezdotykowe urządzenia pomiarowe Pirometr - przyrząd pomiarowy do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała. Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Proste pirometry mierzą ilość energii emitowanej poprzez pomiar temperatury elementu, na który pada promieniowanie. Do pomiaru temperatur powyżej 600°C używane są pirometry optyczne, w których jasność świecenia badanego obiektu jest porównywana z jasnością obiektu wzorcowego (np. żarnika). Pirometr używany jest m.in. przez straż pożarną do mierzenia temperatury w momencie gdy nie ma możliwości podejścia do źródła ciepła.

Czujniki IRt/c przeznaczone są do szybkiego, bezkontaktowego pomiaru temperatury od -45 do 2760°C. Pomiar realizowany jest bezstykowo, nie zaburza więc istniejącego pola temperaturowego. Ma to szczególne znaczenie przy pomiarze temperatury bardzo małych obiektów. Czujniki wyposażone są w układ optyczny ogniskujący strumień promieniowania temperaturowego na detektorze przetwarzającym natężenie tego promieniowania na proporcjonalny sygnał elektryczny. Geometria optyki umożliwia pomiar temperatury minimalnych powierzchni (od 1 mm) z różnych odległości. Dużą zaletą czujników są ich małe wymiary (najmniejsze modele od 32.5 x 12.7 mm). Posiadają hermetyczne obudowy odporne na pył, parę i korozję, mogą pracować zarówno w otoczeniu próżniowym jak i pod dużym ciśnieniem. Czujniki mogą być wyposażone w systemy czyszczenia obiektywu i chłodzenia, co pozwala na stosowanie ich nawet w najcięższych warunkach przemysłowych. Czujniki IRt/c posiadają charakterystyki kalibrowane przez producenta, pokrywające się w wybranym zakresie z sygnałem standardowego termoelementu. Czujniki IRt/c oznaczone symbolem A wyposażone są w potencjometr umożliwiający użytkownikowi zmianę nachylenia charakterystyki czujnika, co pozwala na lepsze dopasowanie charakterystyki do urządzenia wyjściowego w żądanym zakresie pomiarowym.

Miernik Temperatury MODEL D...

Jest to przenośny przyrząd do bezdotykowego pomiaru temperatury o zakresie pomiarowym -45 ÷ + 871° C o dokładności 1°C przeznaczony do dokładnego pomiaru temperatury z automatyczną kompensacją emisyjności również ze wzrostem temperatury. Jest on wygodny i prosty w użyciu. Nie wymaga specjalnej kalibracji. Może on być wykorzystany w wielu aplikacjach szczególnie w takich, w których należy mierzyć temperaturę obiektów wirujących i w trudno dostępnych miejscach raz jako urządzenie do kalibracji

Pirometr Pirometr DT-8839 - Szeroki zakres mierzonej temperatury -50C° do 1000°C - Wybór °C lub °F - Wbudowany celownik laserowy - Automatyczne zamrażanie danych “Data Hold” - Akustyczny i optyczny wskaźnik przekroczenia zakresu - Automatyczny wyłącznik zasilania - Podświetlenie LCD - Regulowana emisyjności - Rejestrowanie wartości maks., min., różnicowej (DIF) oraz średniej (AVG) - Alarm wartości górnej i dolnej - Blokada spustu

Pirometry - bezstykowy pomiar temperatury

Zakres:450 0C do 3500 0C Zależność między temperaturą, a energią wypromieniowaną przez określone ciało: -radiacyjne-pomiar mocy wypromieniowanej w całym paśmie -monochromatyczne-filtr -bichromatyczne-porównanie czerwonego i niebieskiego pasma

Kamera termowizyjna Kamera termowizyjna Optoelektroniczne urządzenie obrazowe analizujące tzw. temperaturowe promieniowanie podczerwieni. Występuje w wersjach obserwacyjnych oraz pomiarowych.

Kamera termowizyjna 4ThermaCAMP25 Nowoczesna, mikro bolometryczna matryca detektorów czwartej generacji wykrywa różnice temperatur o wynoszące zaledwie 0,08o C i daje ostry obraz wysokiej rozdzielczooeci (320 x 240 pikseli). ThermaCAM P25 to niewielka, odporna mechanicznie i niedroga kamera termowizyjna. ThermaCAM P25 rejestruje obrazy z częstotliwością 50 Hz, co pozwala na obserwację szybko poruszających się celów

Kamera termowizyjna

Obraz z kamery termowizyjnej

KAMERA TERMOWIZYJNA CYCLOPS TI35+ - zakres pomiaru -20 ÷ 1500°C - wewnętrzne chłodzenie półprzewodnikowe - doskonałe oprogramowanie L.I.P.S.

Opis LAND CYCLOPS TI35+ jest nowoczesnym, ergonomicznym systemem termowizyjnym pozwalającym na szybkie i łatwe odwzorowanie badanego obiektu w postaci obrazu termograficznego. Może być stosowany do wyznaczania rozkładu oraz pomiaru temperatury urządzeń, maszyn, budynków, instalacji elektrycznych, parowych i innych obiektów. Kamera Cyclops TI35+ jest w pełni przenośnym, lekkim, niezależnym urządzeniem przeznaczonym do dokładnych, bezkontaktowych pomiarów temperatury w zakresie -20 do 1500°C. Standardowe wyposażenie (akumulatory, zasilacz sieciowy) pozwala na stosowanie kamery również jako urządzenia stacjonarnego. Obsługa kamery została maksymalnie uproszczona - funkcja auto windowumożliwia automatyczny wybór optymalnego zakresu pomiarowego. System może być wykorzystywany przy okresowych kontrolach stanu urządzeń, obiektów i instalacji, kontroli jakości i monitorowaniu przebiegu procesów technologicznych oraz pracach naukowo-badawczych w bardzo wielu dziedzinach techniki.

Funkcja Auto Window - automatyczny dobór zakresu pokrywającego przedział wszystkich wartości temperatur obserwowanych w wizjerze. Interfejs umożliwiający bezpośrednie połączenie do komputera, transmisję wyników pomiarów, zdalne sterowanie oraz możliwość zmiany wszystkich parametrów pracy kamery. Funkcja Auto Storage - szybki (12.5 klatek/sek.), automatyczny zapis w pamięci kamery kolejnych (maks. 62) klatek obrazu. Analiza zarejestrowanych obrazów bezpośrednio w kamerze - pomiar temperatury w każdym punkcie obrazu, rozkład temperatury wzdłuż dowolnej krzywej. Pomiar temperatury różnicowej, izotermy OPROGRAMOWANIE L.I.P.S. FOR WINDOWS® Program umożliwia tworzenie szczegółowych raportów i opracowań analizowanych obrazów Pomiar punktowy - 10 dowolnych punktów obrazu Pomiar powierzchni - 10 dowolnie wybranych obszarów Liniowy rozkład - wzdłuż dowolnie wybranej linii temperatury Histogam - statystyczny rozkład temperatur w wybranym obszarze Izotermy - zaznaczanie wszystkich punktów obrazu o jednakowej temperaturze Pomiar różnicowy - temperatura mierzona względem zadanej wartości odniesienia Alarmy - sygnalizacja przekroczenia zadanych wartości

Barwa nalotowa stali to zjawisko w postaci barwnego nalotu powstające na czystej powierzchni stalowej, gdy jest ona wygrzewana w niskich temperaturach rzędu 220-330 °C z dostępem świeżego powietrza. Warstwa ta zawiera tlenki żelaza, a jej kolor uzależniony jest głównie od temperatury, w jakiej pozostawał dany przedmiot stalowy. Na zabarwienie tej powłoki mają jednak wpływ także inne parametry - przede wszystkim czas wygrzewania, a także skład chemiczny stali a nawet grubość przedmiotu i jego przewodnictwo cieplne (z uwzględnieniem odpływu ciepła do części nienagrzewanej). Stąd ocenianie temperatury, w jakiej dany przedmiot stalowy lub tylko jego część były wygrzewane, jest tylko orientacyjne.

Ocena nalotu na wygrzewanej stali była niepewną, ale jedyną metodą pomiaru w czasach, gdy nie istniały inne możliwości pomiaru aktualnej temperatury w miejscu działania ciepła. Metodę tę stosowano do określania temperatury niskiego odpuszczania stali po jej uprzednim hartowaniu. Orientacyjne powiązanie temperatur wygrzewania z barwą nalotową: 225 - słomkowożółta 235 - jasnożółta 245 - ciemnożółta 240 - żółta 250-255 - brunatnożółta 260 - czerwonobrunatna 265 - brunatnoczerwona 275 - purpurowa 280 - fioletowa 285 - fiołkowa 290-295 - ciemnoniebieska 310-315 - jasnoniebieska 325 - szarozielona 330 - popielatozielona

Cyfrowy termometr rolniczy Przyrząd ten umożliwia pomiar temperatury siana, ziarna, okopowych i innych płodów rolnych w czasie przechowywania w stogach, silosach, pryzmach, kopcach. Ponadto znajduje zastosowanie przy kontroli temperatury w pryzmach kompostowych, podczas preparowania (pasteryzacji) podłoża np. do hodowli grzybowych oraz w wielu innych sytuacjach, gdzie w technologii ważna jest temperatura.

Maksymalna temperatura zanotowana w Polsce Lipiec Prószków 40,2°C 29 07 1921r. Minimalna temperatura zanotowana w Polsce - 41,0°C Siedlce 11 01 1940r. styczeń

W 2003 roku zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge: A.E. Leanhardt, T.A. Pasquini, M. Saba, A. Schirotzek, Y. Shin, D. Kielpinski, D.E. Pritchard i W. Ketterle osiągnęli do tej pory najniższą mechanicznie otrzymaną temperaturę 450-12 K. Najwyższą temperaturę zanotowano 10 lutego 2000r. w CERNie pod Genewą. Zaobserwowano tam plazmę kwarkowo-gluonową, która była 100 tys. razy gorętsza niż wnętrze Słońca. Jej temperatura wynosiła 1012 K.

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 6 Dr hab. inż. Deta Łuczycka [email protected]

Wrocław 2011

Pomiary różnych wielko ci fizycznych Człony pomiarowe i czujniki

2

Człony pomiarowe wielkości elektrycznych: -przekładnik prądowy i napięciowy -dzielniki napięcia Przetworniki:-magnetoelektryczne -elektromagnetyczne -elektrodynamiczne

-indukcyjne -cieplne -elektrostatyczne 3

Człony pomiarowe wielkości mechanicznych (Pomiar przesunięć i długości) Podział czujników ze względu na sposób pomiaru Czujniki przesunięć czujniki elektryczne

czujniki mechaniczne

optyczne

elektrostykowe indukcyjne pojemnościowe fotoelektryczne izotopowe

zębate dźwigniowe dźwigniowo-zębate sprężynowe dźwigniowo-śrubowe

interferencyjne optyczno-mechaniczne inkrementalne

4

Czujniki fotoelektryczne  Czujniki fotoelektryczne są

skonstruowane na zasadzie zależności zmian wartości prądu powstającego w fotokomórce od zmian intensywności padającej na nią wiązki promieni świetlnych.

5

wiatło jako medium czujnika Stosowane jest w wielu dziedzinach techniki i codziennego życia w układach sterowania i regulacji. ocenia się przy tym zmianę intensywności strumienia światła na jego drodze optycznej (miedzy nadajnikiem i odbiornikiem), która to zmiana jest wywołana obecnością kontrolowanego obiektu. W zależności od obecności tego obiektu oraz budowy ścieżki optycznej strumień światła zostaje przerwany, odbity lub rozproszony. jako nadajniki stosowane są przeważnie synchroniczne diody pracujące w podczerwieni, a jako odbiorniki stosowane są fototranzystory. Sygnał wyjściowy jest w dużej mierze niezależny od oświetlenia zewnętrznego, ponieważ światło widzialne łatwo jest odfiltrować. W trudnych warunkach chętnie stosuje się czujniki odbiciowe lub bariery świetlne pracujące ze światłem czerwonym, emitowane przez diodę świetlną ponieważ łatwo zauważyć taki strumień światła i punkt. 6

Czujniki odbiciowe czujniki te mają nadajnik i odbiornik we wspólnej obudowie. Sposób wycelowania na badany obiekt jest w dużej mierze nieistotny. Obiekt obserwowany (np. płytka znormalizowana o 90% odbiciu) umieszczona w obszarze padania strumienia wiatła odbija od swej powierzchni czę ć wiatła która wraca do odbiornika. gdy płytka zbliży się do krzywej (patrz rys.) następuje przełączanie i zmiana sygnału wyj ciowego.

7

Bariery refleksyjne Bariery te mają nadajnik i odbiornik we wspólnej obudowie. Reflektor, znajdujący się na przeciwległej stronie drogi wiatła, odbija strumień wiatła pochodzący z nadajnika, kierując go do odbiornika. Obiekt obserwowany przerywa strumień wiatła odbitego i wywołuje zmianę sygnału wyj ciowego. przy powierzchniach lustrzanych zaleca się, aby wiatło odbite przed wej ciem do układu odbiornika przepu cić przez filtr polaryzacyjny, żeby uniknąć ewentualnych zakłóceń od innych sygnałów. 8

Bariery jednokierunkowe bariery wietlne jednokierunkowe składają się z oddzielnego nadajnika i odbiornika, które muszą być umieszczone po obydwu stronach cieżki wiatła.

Element obserwowany przerywa strumień wiatła i oddziaływuje na odbiornik - niezależnie od własno ci powierzchni - powodując zmianę sygnału wyj ciowego. Przy niekorzystnych warunkach (np. zapylenie, olej, mgła) takie zapory jednokierunkowe dają najlepsze wyniki

9

-fotoelektryczne -z przysłoną(transoptor)

-ze zwierciadłem ruchomym

10

Fotoelektryczne czujniki SCO

 Fotoelektryczne czujniki zbliżeniowe SCO są w pełni elektronicznymi

przełącznikami, które wykrywają zbliżanie do czoła obudowy materiałów stałych, sypkich i cieczy, takich jak metale, drewno, woda, tworzywa sztuczne itp. Mają szerokie zastosowanie w układach automatyki przemysłowej do określania położenia przedmiotu, sygnalizacji przekroczenia poziomu i wszędzie tam gdzie wymagana jest dokładność i niezawodność. Działają niezawodnie w warunkach przemysłowych, a ich długą żywotność zapewnia właściwa konstrukcja, dobra jakość stosowanych materiałów i brak części ruchomych.

11

12

Fotoelektryczne czujniki refleksyjne SCOR

13

Fotoelektryczne czujniki odbiciowe SCOD

14

 Idealny czujnik dla rozpoznawania naklejek na butelkach.

Odbiciowy z zabezpieczeniem przed interferencją z innymi czujnikami. Wersje z kablem (2 m) lub z konektorem (M12). Metalowa obudowa IP 67.  Zasięg:  Odbiciowy: 40 +/- 10 mm

 Miniaturowy (7x11x14.6 mm) czujnik o dużej szybko ci działania. Posiada

  



widzialną plamkę. Zabezpieczenie przed wpływem innych czujników. Obudowa IP67 - wyposażony w kabel. Zasięg: Nadajnik-odbiornik: 1 m; 500 mm Odbiciowy z reflektorem: 10-200 mm Odbiciowy: 5-30 mm; 5-15 mm

15

• Czujnik wykrywający poziom w rodku opakowania. Wykrywa przeźroczyste płyny wewnątrz kartonowych i plastikowych pojemników. Wyposażony w kabel (2 m) NPN DARK-ON/LIGHT-ON. Obudowa metalowa IP67. Zasięg: 200 mm

 Nowoczesny czujnik typu odbiciowego z nastawialnym

zasięgiem działania i zdefiniowanym w przestrzeni punkcie odczytu. Dokładna detekcja bez względu na kolor przedmiotu. Eliminuje wpływ tła. Każdy model wyposażony w przełącznik LIGH-ON, DARK-ON. Obudowa metalowa IP67, z kablem (2 m). Wyj cie NPN lub PNP.  Zasięg:  Odbiciowy: 30-100 mm 16

 Czujnik przeznaczony do wykrywania obiektów spod

przeno ników. Wąska obudowa mieszcząca się między rolkami. Wyj cie PNP, wyposażony w konektor.

52 x 18,8 x 72 mm, nadajnik-odbiornik odległ. 30mm z regulacją czułości, 17

 VS1: 25,7 x 8,3 x 11,6 mm, odbiciowy zbieżny, zasięg 20 mm

.

Q23, QH23: 34 x 12 x 23 mm, zasięg maks. 8 m, wszystkie rodzaje pracy

18

Czujniki pojemnościowe  Czujniki pojemnościowe

skonstruowane są na zasadzie zmian pojemności kondensatora w zależności od zmian odległości między jego okładzinami. Przesunięcie trzpienia pomiarowego zależne od wielkości mierzonego przedmiotu, wywołują przesunięcie cylindra w stosunku do drugiego nieruchomego cylindra. Cylindry tworzą okładki kondensatora o pojemności zależnej od ich wzajemnej odległości.

19

Schematy pojemnościowego czujnika przesunięć wraz z charakterystyką: a)płaskiego o zmiennej odległo ci między okładzinami

b)obrotowego o zmiennej powierzchni okładzin c)płaskiego o zmiennej przenikalno ci względnej

20

Mostek prądu przemiennego do współpracy z pojemnościowym czujnikiem przesunięć

21

Czujniki elektrostykowe  Czujniki elektrostykowe

posiadają prostą konstrukcję, jednak nie pozwalają na wyznaczenie wymiarów mierzonego przedmiotu, a tylko na stwierdzenie, czy są one wykonane w założonych granicach tolerancji. Przesunięcia trzpienia pomiarowego 1, zależnie od wielkości mierzonego przedmiotu powodują zwieranie lub rozwieranie styków 4 i zapalenie odpowiednich lampek.

22

Przetworniki o ruchomym styku: - oporniki - dławiki

- autotransformatory Wada: zużywanie styków

23

Schematy potencjometrycznego pomiaru przesunięcia: a) liniowego b) kątowego

24

Powstawanie nieciągłości w sygnale wyjściowym potencjometru: a);b) dwa warianty usytuowania styku lizgowego względem zwojów potencjometru c) Napięcie wyj ciowe potencjometru (Uwy –zmiana napięcia wyj ciowego przy zwarciu zwojów szczotką)

25

Czujniki indukcyjne  Czujniki indukcyjne dają

sygnał wyjściowy w postaci ciągłej. Zasada ich działania jest oparta na zmianie indukcyjności własnej (czujniki dławikowe) lub wzajemnej (czujniki transformatorowe) cewek przetwornika, znajdującego się w głowicy czujnika.

26

Czujniki dławikowe i transformatorowe Dławikowy czujnik indukcyjno ciowy wraz z charakterystyką statyczną: a) solenoidalny b) o zmiennej długo ci szczeliny

c) o zmiennej długo ci szczeliny (L-indukcyjno ć)

27

Człon dławikowy

28

Czujniki radiacyjne  W czujnikach radiacyjnych

wykorzystuje się zmianę intensywności promieniowania preparatu izotopowego w zależności od zmiany kontrolowanego wymiaru. Natężenie promieniowania ulega zmianie wskutek ruchu przesłony, sprzężonej z trzpieniem pomiarowym czujnika lub wskutek zmiany grubości elementu, znajdującego się na drodze promieni od emitującego je źródła do licznika.

29

Czujniki mechaniczne  o przekładniach złożonych z

dźwigni nierównoramiennych, zębatek i kół zębatych, ślimaków i ślimacznic, sprężyn i dźwigni itp..  są oparte na zasadzie mechanicznego przenoszenia przesunięcia końcówki pomiarowej na człon wskazujący (wskazówkę).

30

Czujniki mechaniczne - 1  Czujniki zębate (zegarowe) to

najbardziej rozpowszechnione czujniki mechaniczne. W osłonie czujnika przesuwa się trzpień pomiarowy 1 zaopatrzony w kulistą powierzchnię pomiarową. Duża wskazówka 3 pokazuje przesunięcia trzpienia pomiarowego. Ilość całych obrotów dużej wskazówki 3 rejestruje mała wskazówka 6. Przekładnię czujników zegarowych tworzy zespół zębatki i kół zębatych.

31

Czujniki mechaniczne - 2  Najprostszą konstrukcją

wyróżniają się czujniki dźwigniowe, oparte na zasadzie dźwigni. Typowymi czujnikami dźwigniowymi są minimetry (znane w Polsce również pod nazwą limimetry). Na trzpieniu pomiarowym 1 umieszczony jest dwustronny nóż 3. Nóż ten wchodzi w wycięcie w dźwigni 5. Dźwignia z drugiej strony opiera się na nieruchomym nożu 6. Nóż przesuwając się wraz z trzpieniem powoduje obrót dźwigni i połączonej z nią wskazówki dookoła ostrza noża.

32

Czujniki mechaniczne - 3  Czujniki dźwigniowo-zębate

są to zwykle czujniki dwuprzekładniowe, z których pierwsza licząc od trzpienia pomiarowego jest zawsze dźwigniowa, następne - zębate. Trzpień pomiarowy powoduje wychylenie dźwigni, na której wykonany jest segment zębaty. Z segmentem zazębia się kółko zębate na osi którego zamocowana jest wskazówka.

33

Czujniki mechaniczne - 4  Czujnikiem mechanicznym o

najwyższej dokładności jest czujnik o przekładni sprężynowej, zwany mikrokatorem. Podstawowym elementem przekładni mikrokatora jest płaska, cienka sprężyna wykonana ze stali, brązu lub szkła, zwinięta w połowie długości w prawo, a w połowie długości w lewo. W środku jest przymocowana lekka wskazówka z włókna szklanego.

34

Czujniki mechaniczne - 5  Ze względu na konstrukcję

przekładni czujniki dźwigniowo-śrubowe charakteryzują się małym wychyleniem dźwigni przenoszącej przesunięcie końcówki pomiarowej na wskazówkę czujnika. Przekładnie tego typu najczęściej stosowane są w czujnikach z poprzecznym ruchem trzpienia.

35

Czujniki optyczne  czujniki optyczne o przekładniach

złożonych z układów soczewek, pryzmatów i zwierciadeł, w których wykorzystano geometryczne prawa rozchodzenia się promieni świetlnych.  przeniesienie ruchów końcówki pomiarowej na urządzenie wskazujące odbywa się przy współdziałaniu elementów przekładni mechanicznych (np. dźwigni lub śrubowo skręconej taśmy) i optycznych (np. układy soczewek, pryzmatów, lusterek, źródła światła).

36

Czujniki optyczne - 1  Schemat pomiarowy

interferometru laserowego oparty jest na układzie Twymana-Greena. Składa się on z lasera, płytki światło dzielącej tzw. dzielnika, dwóch pryzmatycznych zwierciadeł, zestawu fotodetektorów, układu formowania impulsów i licznika rewersyjnego. Wiązka światła z lasera jest rozdzielana, na powierzchni światło dzielącej XX dzielnika, na dwie wiązki. Jedna z nich skierowana jest do nieruchomego zwierciadła pryzmatycznego, a druga - do ruchomego.

37

Czujniki optyczne - 2  W czujnikach optycznych

przeniesienie ruchów końcówki pomiarowej na urządzenie wskazujące odbywa się przy współdziałaniu elementów przekładni mechanicznych (np. dźwigni lub śrubowo skręconej taśmy) i optycznych (np. układy soczewek, pryzmatów, lusterek, źródła światła). Promienie świetlne skierowane od zewnętrznego źródła światła przechodzą przez pryzmat 2 i po załamaniu w nim o 90° oświetlają podziałkę 4a naciętą na szklanej płytce.

38

Czujniki optyczne - 3  Czujnik inkrementalny składa

się ze źródła światła i fotodetektorów. Wzorzec inkrementalny przesuwa się względem nieruchomego przeciwwzorca. Otrzymany sygnał pomiarowy jest prostokątny, a liczba impulsów (zliczana w odpowiednim liczniku) przy znajomości okresu siatki daje informacje o przemieszczeniu układu.

39

Człony pomiarowe grubości i rozmiarów: -fotoelektryczne: Stosowane np. do pomiaru takich elementów jak:

-warstwa -folia -szklane czę ci w przemy le optycznym -w polu widzenia mikroskopu

-elektronowe -rentgenowskie

-z izotopami promieniotwórczymi -kondensatorowe -dławikowe -rezystorowe -pneumatyczne

40

Pomiary prędkości i przyspieszeń liniowych Przyspieszeniomierz: a)wahadłowy z czujnikiem indukcyjno ciowym b)z tensometrami 1 masa 2 tensometr 3 czujnik indukcyjno ciowy

41

Pomiary prędkości i przyspieszeń kątowych: -obrotomierze -poprzez zliczanie impulsów -magnetyczne -radionawigacyjne

42

Cyfrowy pomiar przesunięć kątowych: a)schemat działania układu b)przebiegi napięć otrzymywanych z fotoelementów 1-tarcza pomiarowa 2-o wietlacz 3-fotoelementy 4-wzmacniacze 5-układ wykrywania kierunku obrotu i licznik 6-wycinek tarczy pokazany w powiększeniu

43

Pomiary sił i ciśnień - membrany - płytki uginające się

- cylindry ciskane

44

Pomiary odkształceń Warto ci odkształceń mogą być wyznaczane dotychczas omawianymi metodami przy założeniu odpowiedniej czuło ci. Czujniki oporowe –tensometry R 

Gdzie:

 l s

l- długo ć drutu s- przekrój drutu

Drut na cienkim papierze lub folii w postaci wydłużonej linii falistej

45

Tensometr rezystancyjny metaliczny: 1 klej 2 podkład 3 drut rezystancyjny 4 doprowadzenie

46

Przykład umieszczenia tensometru

A-czułość

R  l A l  R Moduł Junga Konstantan, nikielina, manganian

5  50k 47

Manometry cieczowe i tensometryczne Manometr do pomiaru dużego ci nienia z tensometrem jako czujnikiem odkształceń membrany: 1 czujnik tensometryczny 2 membrana

48

Schemat dynamometru z płaską sprężyną i indukcyjnościowym czujnikiem do pomiaru

jej odkształceń: 1 sprężyny 2 indukcyjno ciowy czujnik przesunięć

49

Zasada działania manometru cieczowego: a) różnicowego b) mikromanometru c) barometru

50

Schemat budowy pływakowego manometru różnicowego: 1 pływak 2 zębatka zmieniająca ruch prostoliniowy w obrotowy

3 wskazówka 4 zawór

51

Przetworniki i przełączniki ciśnienia  Przełączniki

(presostaty) różnicy ci nień 0,2...50 mbar.

52

Cyfrowe mierniki ciśnienia  Dane techniczne:

Dokładno ć: +/-0,06% skali +/-1 cyfra Powtarzalno ć: <0,1% odczytu Warunki pracy: 0...+50°C i 10...90%RH Zasilanie: 1 bateria 9V 6F22 Obudowa: pyłodporna i wodoszczelna (IP67) Funkcje użytkowe: Współparaca z przetwornikami ci nienia o zakresie 0...+/-0,1 do 4000 bar i dokładno ci 0,25% lub 0,5% pełnej skali. Pamięć ostatniego pomiaru.

53

Pomiary drgań mechanicznych - kondensatorowe - piezoelektryczne

- dławikowe - rezystancyjne

54

Pomiar czasu - układ z kondensatorem

55

- układ z generatorem i licznikiem impulsów

56

Pomiary poziomu cieczy Schemat pojemno ciowy miernika poziomu cieczy w zbiorniku: 1 elektroda 2 ciecz

3 zbiornik 4 mostek pomiarowy

57

Poziomomierz pływakowy z indukcyjnościowym czujnikiem przesunięcia pływaka: 1 pływak 2 rdzeń czujnika indukcyjnego

58

Schemat instalacji w zbiorniku ultradźwiękowego miernika poziomu

59

Schemat instalacji czujników pojemnościowych firmy FOSTER

:

1 elektroda

2 element izolacyjny 3 elektroniczny układ formujący sygnał wyj ciowy

60

Pomiar przepływu Schemat przepływomierza wiatraczkowego: a) skrzydełkowego b) turbinkowego

61

Schemat budowy przepływomierza z tarczą naporową: 1 tarcza 2 przepust dźwigni 3 mieszek sprzężenia

zwrotnego 4 dysza 5 wzmacniacz

62

Schemat działania termoprzepływomierza

63

Schemat działania przepływomierza kalorymetrycznego: 1 grzejnik 2 termoelementy

64

Schemat działania przepływomierza ultradźwiękowego: 1 generator impulsów 2 nadajnik sygnałów ultradźwiękowych 3 odbiornik sygnałów ultradźwiękowych 4 wzmacniacz 5 układ pomiaru czasu

65

Pomiar prędko ci przepływu powietrza 

Dane techniczne: Zakres pomiarowy: 0,7...25m/s i 10...50°C Rozdzielczo ć odczytu: 0,01m/s i 0,1°C Dokładno ć: +/-2% i +/-0,6°C Zasilanie: 1 bateria 9V 6F22 Wymiary: 181x71x38mm rednica wiatraka: 70mm Funkcje użytkowe: Obliczanie przepływu w m3/s. Pomiar wilopunktowy. Pamięć warto ci minimalnej i maksymalnej. Oliczanie warto ci rednich. Zatrzymanie ostatniego pomiaru. Wyj cie RS232 66

Mierniki wielofunkcyjne 

Precyzyjny wielofunkcyjny przyrząd posiadający wej cia dla dwóch sond pomiarowych np. temperatury, wilgotno ci, ci nienia, prędko ci i objęto ci przepływu powietrza (sondy termiczne, wiatraczkowe lub rurki Pitota), CO, CO2, prędko ci obrotowej, małych napięć i prądów. Umożliwia obliczanie objęto ci przepływu, temperatury punktu rosy, wilgotno ci bezwzględnej, zawarto ci pary i entalpii. Posiada wbudowaną pamięć, funkcje dodatkowe, możliwo ć współpracy z drukarką i komputerem.

67

Czujniki mikrofalowe Właściwości mikrofal W czujkach mikrofalowych ruchu wykorzystano (podobnie jak w czujkach ultradźwiękowych) efekt Dopplera do wykrywania poruszających się obiektów ale dla fal elektromagnetycznych. Mikrofale mają znacznie większą częstotliwo ć niż ultradźwięki i rozchodzą się ze znacznie większą prędko cią ale charakteryzują się porównywalną długo cią fali. Zasadnicza różnica między mikrofalami a ultradźwiękami to oddziaływanie fal z powietrzem. Mikrofale przenikają powietrze i próżnię. Przenikają powietrze tak, jakby nie istniało. Nie ma więc tłumienia atmosfery. Mikrofale jako fale elektromagnetyczne przenikają w mniejszym bądź większym stopniu każdy niemetaliczny materiał, ultradźwięki jako fale akustyczne są zatrzymywanie praktycznie przez każdą przeszkodę, a przy wyższych częstotliwo ciach widoczny jest wyraźnie efekt tłumienia atmosfery.

68

Dopplerowska czujka mikrofalowa, podobnie jak każdy inny objęto ciowy detektor ruchu, ma dolny próg wykrywania. Oznacza to, że istnieje minimalna warto ć prędko ci poruszania się intruza (zwykle kilka cm/s), poniżej której czujka nie jest w stanie wygenerować kryterium alarmu. Prawdopodobieństwo takiego ominięcia czujki mikrofalowej jest jednak niewielkie i można je zaniedbać. Czujki mikrofalowe mogą nadzorować największy obszar spo ród innych objęto ciowych detektorów ruchu. Czujki szerokokątne mają zasięg do 30m, wąskokątne - nawet do 80m. Można znacznie poszerzyć obszar przez zastosowanie kilku czujek. W dużych pomieszczeniach można instalować czujkę na suficie co podwaja obszar chroniony w stosunku do obszaru obejmowanego przez czujkę mocowaną na cianie. Czuło ć czujek jest największa dla ruchu poosiowego.

69

Przyjęto 5 częstotliwo ci roboczych dla mikrofalowych detektorów ruchu. Najniższa wynosi 915MHz, najwyższa 22 125MHz. W zależno ci od częstotliwo ci pracy detektory mają różne charakterystyki. Większo ć z nich pracuje na częstotliwo ci 10525MHz (l=2,8cm). Maksymalną moc emitowaną przez czujki mikrofalowe ogranicza się do poziomu między 1 a 10mW. Detektory pracujące na częstotliwo ciach 915 i 2450MHz są bardziej skuteczne - ze względu na większą zdolno ć przenikania (mniejsza częstotliwo ć - to większa długo ć fal) - w ochronie pomieszczeń przedzielonych cienkimi ciankami działowymi.

70

Fałszywe alarmy W celu wyeliminowania fałszywych alarmów stosuje się specjalne układy elektroniczne, np. procesor liczący ustawiony na okre loną liczbę impulsów (który redukuje fałszywe alarmy powstające na skutek krótkotrwałych zaburzeń). Czujki mogą dawać fałszywe alarmy, je li będą umieszczone obok wietlówek czy innych lamp wyładowczych. Należy wtedy zabezpieczyć procesor w wąskopasmowy filtr blokujący na 100MHz (częstotliwo ć jonizacji lamp wyładowczych). Celowe jest również zastosowanie filtrów blokady dla sygnałów 50Hz (sieć energetyczna), ponieważ pasmo częstotliwo ci Dopplera większo ci czujek mikrofalowych zawiera częstotliwo ć 50Hz. Detektory nie mogą "patrzeć" na cianę zewnętrzną - promieniowanie mikrofalowe przenika przez cianę, plastyk i szkło; może wystąpić kryterium alarmu na skutek ruchu osób lub samochodów na zewnątrz. Idealnym lustrem dla mikrofal jest metalowy przedmiot. Może on przypadkowo skierować mikrofale na okno, drzwi bądź cianę zewnętrzną. Czujki winny być montowane wysoko i skierowane na podłogę - zmniejsza to prawdopodobieństwo odbicia w dowolnym kierunku.

71

Fałszywe alarmy

Duży wpływ na występowanie fałszywych alarmów mają: - wentylatory, - wibracje budowlane, wibracje czujki, - obiekty kołyszące się w chronionym pomieszczeniu, za oknem lub za przepierzeniem, - zwierzęta poruszające się w obszarze dozorowym, - owady na powierzchni czujki, - lampy fluoroscencyjne, - zakłócenia radiowe, pioruny, wyładowania elektryczne, - woda spływająca w plastykowych rurach. Przy stosowaniu w jednym pomieszczeniu kilku czujek mikrofalowych należy pamiętać o doborze czujek pracujących na różnych częstotliwo ciach. W ten sposób zmniejsza się ryzyko wzajemnych zakłóceń. 72

ródła mikrofal znalazły bardzo szerokie zastosowanie w osuszaniu obiektów wielu dziedzinach, m.in.: w budowlanych z jednoczesnym usuwaniem grzybów i pleśni wraz z ich zarodnikami, jako wbudowane ródła energii w urządzeniach laboratoryjnych, np. reaktorze do syntez chemicznych, czy wysokociśnieniowym mineralizatorze do roztwarzania, również w przemyśle spożywczym, czy w suszarniach rdzeni ceramicznych oraz jako bariery ochronne, czujniki i detektory ruchu i anteny pracujące we wszystkich możliwych częstotliwościach. Mikrofale dotarły także do medycyny, używane są w terapii raka piersi.

73

Czujniki mikrofalowe w barierach ochronnych ERMO 482 50/80/120/200. Bariera mikrofalowa do ochrony zewnętrznej. Jest to bistatyczny detektor radarowy służący do ochrony zewnętrznej. Składa się on z nadajnika i odbiornika, które zainstalowane naprzeciwko siebie tworzą strefę ochrony. Wielkość strefy zależy od rodzaju anteny, odległości pomiędzy urządzeniami i ustawionej czułości systemu. Bariera dostępna jest w wersjach o różnym zasięgu: 50, 80, 120, 74 200m.

Czujniki mikrofalowe jako detektory ruchu TRIADIS wysoka odporność na zakłócenia RFI mikroprocesorowa obróbka sygnalu pokrycie obszaru 62 st .H, 42 st.V podwójne zabezpieczenie antysabotazowe (obrócenie, oderwanie) plynna regulacja zasiegu i czulosci zasieg: 15 m pobór pradu: 21 mA 25 lat gwarancji

75

Dziękuję - na dzi koniec 

76

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 7 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2011

Pomiary wielko ci fizycznych - czę ć 2 Człony pomiarowe i czujniki wilgotno ci

Wilgotno ć powietrza to inaczej zawarto ć pary wodnej w powietrzu.

Wilgotno ć powietrza charakteryzuje się podaj c jeden z poniższych parametrów:  prężno ć pary wodnej lub inaczej jej ci nienie cz stkowe (wielko ci wyrażane w jednostkach ci nienia), wilgotno ć bezwzględn (tj. masę pary wodnej wyrażon w gramach, zawart w 1 m3 powietrza), wilgotno ć wła ciw (tj. masę pary wodnej wyrażon w gramach, zawart w 1 kg wilgotnego powietrza), stosunek zmieszania (tj. masę pary wodnej wyrażon w gramach, zawart w 1 kg suchego powietrza), wilgotno ć względn (tj. stosunek prężno ci pary wodnej zawartej w powietrzu do prężno ci pary nasyconej przy danej temperaturze i ci nieniu), Wilgotno ć powietrza okre lona na różne sposoby jest jednoznaczna

i może być przeliczona na odpowiadaj c jej wilgotno ć powietrza zdefiniowan w inny sposób. Mierzy się j higrometrami (przyrz dami służ cymi do wyznaczania wilgotno ci powietrza) o różnej (w zależno ci od badanego parametru) konstrukcji.

Pożądane cechy przyrządów do pomiaru wilgotno ci  Duża dokładno ć pomiaru w szerokim zakresie temperatur     

powietrza Duża czuło ć pomiaru Mała bezwładno ć Duża odporno ć na wpływ innych czynników w tym zanieczyszczeń powietrza Stabilno ć długookresowa Odporno ć mechaniczna oraz na zakłócenia elektromagnetyczne

METODY I PRZYRZ DY POMIAROWE Najczę ciej stosowane metody pomiaru wilgotno ci powietrza to: •metoda psychrometryczna, •metoda pomiaru punktu rosy, •metody absorpcyjne, •metody elektryczne.

Metoda psychometryczna:

Psychrometr (psychros - zimny, chłodny) Psychrometr pozwala na wyznaczenie prężno ci pary wodnej w atmosferze z pomiaru temperatur w układzie dwóch termometrów: suchego (zwykłego) oraz zwilżonego.

Psychrometr Augusta Psychrometr Augusta psychrometr stosowany do pomiarów w pomieszczeniach, w których ruch powietrza wywołany jest tylko konwekcją naturalną (odwrotnie jak w Psychrometrze Assmanna).

Parametry techniczne: Zakres pomiarowy 0 ...100 % Dokładno ć pomiaru 1.5 % Dokładno ć odczytu 0.1 %

Uwagi - wymaga kontroli zwilżania wod destylowan .

Psychrometr Assmanna Psychrometr Assmanna psychrometr ten jest tak skonstruowany że powietrze przepływa wokół czujników termometrów ze stałą prędko cią 2,5 m/s. Psychrometr ten wraz z dokładnymi termometrami zapewnia dużą dokładno ć pomiarów. W przyrządzie tym wentylator wymuszający przepływ powietrza wokół czujników, może być napędzany nakręcaną ręcznie sprężyną lub elektrycznie.

Cechy psychrometrów  Prosta konstrukcja  Niedostateczna dokładno ć przy temperaturach poniżej     

zera Stała czasowa termometru zwilżonego jest mniejsza niż suchego Nie wymaga kalibracji na zawarto ć pary wodnej Uzgadnia poprawkę na ci nienie atmosferyczne Brak skali Musimy zawsze wiedzieć czy zbiornik termometru zwilżonego pokrywa lód czy woda

ródła błędów psychrometrów  Termometry  Różnica psychrometryczna  Prędko ć wentylacji  Zanieczyszczenia term. suchego i zwilżonego  Działanie i błędy term. zwilżonego poniżej temperatury

zamarzania  Przepływ ciepła pomiędzy otoczeniem a term. zwilżonym

Metoda pomiaru punktu rosy  Z definicji temperatury punktu rosy wynika, że ci nienie e pary wodnej zawartej w powietrzu

jest równe ci nieniu pary wodnej nasyconej w temperaturze τ punktu rosy, e = Eτ .  W wilgotno ciomierzu punktu rosy obniżamy temperaturę otoczenia zbiorniczka termometru poprzez sztuczne zwiększanie parowania roztworu wodnego chlorku litu na elektrodzie otaczającej zbiorniczek tego termometru. Odczytujemy ustaloną temperaturę.

DP19 - HIGROMETR PUNKTU ROSY Z CHŁODZONYM LUSTREM

DANE TECHNICZNE  Dokładno ć: +/- 0,2 °C, +/- 1  Odczyt: Cyfrowy  Chłodzenie: Termoelektryczne,  Czas odpowiedzi: 2 °C/ sec.  Temperatura otoczenia: -10...+50 °C dla pracy i przechowywania  Wilgotno ć otoczenia: Maksimum 90% RH, bez kondensacji

 Waga: Około 12 kg

Metoda punktu rosy

 Higrometr punktu rosy wykorzystuje zjawisko

skraplania się pary wodnej na schłodzonej powierzchni, która nie jest higroskopijna.  Przyrząd ten składa się z:  Małego zwierciadła  Elektrycznego układu chłodzącego wykorzystującego zjawisko Peltiera  Układu detektora, wykrywającego moment pojawienia się i znikania kondensatu. Najczę ciej jest to układ optyczny.  Układu pomiaru temperatury (termometr oporowy lub termoelektryczny)  Układu oczyszczania zwierciadła

Higrometr deformacyjny

Przyrząd ten działa na zasadzie zmiany długo ci włosów lub błon organicznych, reagujących na zmiany wilgotno ci względnej. Jest to cenna i do ć niezwykła własno ć tych prostych czujników. Dla ujemnych temperatur wzrasta znacznie bezwładno ć. Pomiar jest możliwy do -40°C.

Higrometr włosowy Horace-Bénédict de Saussure 1776–1782

Higrometr włosowy  Przeznaczony do

pomiarów powietrza o dużej dynamice zmian wilgotności (obiekty użyteczności publicznej, muzea)  Max. błąd wskazań ± 2%

ródła błędów higrometrów włosowych  Błąd zawyżania wskazań w wyniku wysuszenia     

 

włosów Błąd temperaturowy Błędy zwiane z zanieczyszczeniem włosa Błędy bezwładno ciowe zwłaszcza przy niskich temperaturach. Wpływ histerezy Błąd położenia zera (włos „płynie”) Błędy starzenia Błąd związanie z zamarzaniem

Pomiary optyczne- Lyman Alfa  Para wodna posiada w ultrafiolecie (linia Lymana  = 0.1215

µm) silne pasmo absorpcyjne. Zmniejszenie natężenia promieniowania o 1/e ma miejsce na około ułamkach centymetra drogi optycznej.

Zaletą tej metody jest mała stała czasowa rzędu 10-3 s dlatego też używana jest do pomiarów turbulentnych zmian pary wodnej. Czułość przyrządu sięga 1 mg

Higrometr podczerwony  Wykorzystuje pochłanianie promieniowania dla długo ci fal w

   

przedziale 2-10 m. Podobnie jak w przypadku Lyman alfa wykorzystuje się prawo Lamberta Beera. Czuło ć przyrządu wzrasta dla małych wilgotno ci dlatego stosuje się je często w niskich temperaturach. Stała czasowa rządu 5s Wpływ temperatury powietrza jest pomijalny w przeciwieństwie do ci nienia Wykrywanie zmian gęsto ci pary wodnej na poziome 1 mg

Higrometr mikrofalowy  Pomiary wykonuje się przy użyciu refraktometru, który jest

najbardziej dokładnym przyrządem do pomiaru gęsto ci w gazach.  Metoda opiera na wyznaczeniu często ci drgań własnych rezonatora wnękowego.  Często ć ta zależy od przenikalno ci dielektrycznej powietrza a ta z kolei od ci nienia temperatury i wilgotno ci powietrza.

1  f1     o  f o 

1 i o są przenikalnościami dielektrycznym powietrza suchego i wilgotnego, zaś f1 i fo częstością drgań własnych dla powietrza suchego i wilgotnego.

Higrometr ma stałą czasowa na poziomie 0.5 s

Metody elektryczne  Wykorzystują zależno ć przewodno ci elektrycznej warstwy elektrolitu

umieszczonej między elektrodami, od wilgotno ci. Przyrządy działające na tej zasadzie nazwano higrometrami elektrolitycznymi. Ta ma polistyrenowa jest powleczona elektrolityczną warstwą chlorku litu. Wzdłuż krawędzi ta my są umieszczone elektrody. Wilgotno ć powietrza wpływa na opór takiego czujnika.

Czujnik pojemno ciowy - humicap  Absorpcja pary wodnej zmienia stałą dielektryczną

specjalnie wykonanych kondensatorów, w których jedna z okładek jest porowata.  Czujnik charakteryzuje się małą stałą czasową < 1s (wentylacja 6m/s).

Pojemnościowy czujnik wilgotności powietrza

 Zespolony czujnik do pomiaru wilgotno ci

względnej i temperatury powietrza. Przetwarzanie wilgotno ci na napięcie z wykorzystaniem elementu pojemno ciowego i temperatury na napięcie czujnikiem Pt 100.  Zakres pomiarowy 0 ... 100% RH; -40 ... +85°C  Dokładno ć odczytu 0.1% - 0.1°C  Sygnał wyj ciowy - napięcie 0 ... 1V

(wilgotno ć i temperatura)

 Wymiary (wys/ r.) 113/15 mm

•Termohigrometr LB-701 z panelem odczytowym LB-702 jest przeznaczony do

pomiaru temperatury i wilgotno ci powietrza. Panel może być wykonany w wersji z wewnętrznym czujnikiem ci nienia (wersja LB-702B) - możliwy jest wówczas dodatkowo pomiar ci nienia atmosferycznego. •Przyrz d składa się z dwóch zasadniczych czę ci: termohigrometru LB-701 (wykonanego w formie sondy pomiarowej) i panelu odczytowego LB-702. Obie czę ci s poł czone kablem o długo ci 1...20 m. •Sonda pomiarowa LB-701 zawiera: cienkowarstwowy czujnik temperatury Pt-1000, cienkowarstwowy pojemno ciowy czujnik wilgotno ci względnej, elektroniczne układy przetwarzaj ce oraz układ programowanej pamięci nieulotnej, w której zapisywane s indywidualne charakterystyki sondy oraz dane identyfikacyjne i techniczne. Czujniki pomiarowe sondy s chronione wymienn osłon , której typ zależy od zastosowań. •Do panelu odczytowego docieraj sygnały już przetworzone, zawieraj ce zakodowan informację o warto ciach temperatury i wilgotno ci względnej. •Mikroprocesor panelu odczytowego przyrz du, na podstawie informacji z sondy (przetworzonych sygnałów pomiarowych i odczytanych charakterystyk kalibracyjnych), oblicza warto ci: wilgotno ci względnej, temperatury, temperatury punktu rosy oraz objęto ciowej zawarto ci pary wodnej w powietrzu. W wersji panelu LB-702B wewn trz panelu znajduje się dodatkowy czujnik ci nienia i precyzyjny przetwornik analogowocyfrowy. •Przyrz d jest wyposażony w interfejs RS232C, za pomoc którego może być doł czony do dowolnego systemu komputerowego. Umożliwia to zdalne i automatyczne zbieranie danych pomiarowych oraz wpisanie danych kalibracyjnych podczas wzorcowania pierwotnego i wtórnego. •Panel posiada programowy zegar czasu lokalnego Termohigrometr LB-701 uzyskał zatwierdzenie typu RP T 95 76 nadane przez Prezesa Głównego Urzędu Miar w Warszawie.

Odczyt z czujnika

Wszędzie tam gdzie wymagany jest równoczesny pomiar temperatury i wilgotno ci, stosuje się termohigrometry. Przyrządy te za pomocą precyzyjnego czujnika Pt-100 lub Pt-1000 dokonują równoczesnego pomiaru wilgotno ci względnej i temperatury.

Elektroniczne higrometry absorpcyjne oraz adsorpcyjne 

 1)

2)

Wykorzystują higroskopijne własno ci niektórych substancji, które w dynamicznej równowadze z parą wodną otaczającego powietrza wymieniają z nim taką ilo ć pary wodnej, że ci nienie pary nasyconej nad tą substancją jest równe ci nieniu pary wodnej otoczenia. Czujniki tego typu dzielimy na: Higrometryczne wykorzystujące wodny roztwór substancji higroskopijnych (soli) tzn. elektrolit którego stężenie jest funkcja wilgotno ci. Stężenie jest za związane z oporno cią Higrometryczne wykorzystujące higroskopijne substancje stałe, w których oporno ć jest funkcja wilgotno ci. Dzielą się na dwie grupy: absorpcyjne oraz adsorpcyjne.



1) 2)

3) 

W czujnikach adsorpcyjnych para wodna z otoczenia jest pochłaniana tylko w powierzchniowej warstwie czujnika. Dzielą się one na : Węglowe (miara wilgotno ci jest zmienny opór włókien węglowych) Tlenowe (miara wilgotno ci jest zmienny opór oraz pojemno ć cienkich warstw tlenków) Polimerowe (miara wilgotno ci jest zmienna pojemno ć cienkich warstw polimerów) W czujnikach absorpcyjnych para wodna z otoczenia pochłaniana jest przez całą objęto ć czujnika ze względu na jego mikroporowatą strukturę.

Czujnik wilgotno ci względnej HIH3610 firmy Honewall

Cyfrowy czujnik temperatury i wilgotno ci SHT15 i SHT75

Higrometr elektroniczny PLUS HTWZ  Pomiar temperatury na

zewnątrz (sonda umieszczona na 3 m. przewodzie)  Zakres temp. zewn. -50 +60°C  Zakresy: wilgotność 25-95%, temp.-10+ 50°C,  Max. błąd wskazań: ± 5% (wilgotność), ± 1°C, rozdzielczość 1%, 0,1°C

Higrometr elektroniczny Typ 605 – H1  Higrometr formatu 



 

kieszonkowego Precyzyjny i długotrwale stabilny sensor wilgotności firmy Testo Obliczanie punktu rosy zakresy: wilgotność 5-95%, temp. -20+70°C Max. błąd wskazań: ± 3% (wilgotność), ± 0,5°C Wymiary czujnika 125 mm dł. 12 mm,

Miernik wilgotno ci i temperatury Typ EE30EX  Wysoka dokładność

   

zakres pomiarowy do +180°C i 0÷100%RH Stabilność pomiarów Komunikacja z systemem komputerowym RS-232 Obliczanie wielu zmiennych Obudowa przeciw wybuchowa

Mierniki wilgotno ci względnej i temperatury  Dane techniczne: Zakres pomiarowy: 5...95%RH i 10...+50°C Rozdzielczo ć odczytu: 0,1%RH i 0,1°C Dokładno ć: +/-3%RH i +/-1°C Zasilanie: 2 baterie 1,5V AAA Wymiary: 17x48x165mm Funkcje użytkowe: Obliczanie temperatury punktu rosy. Pamięć warto ci minimalnej i maksymalnej. Zatrzymanie ostatniego pomiaru. Odczyt w °C lub °F.

Termohigrometr data-logger DO9406  Podwójny, wysoko



 



kontrastowy wyświetlacz LCD, 3 1/2 cyfry – 12.5mm, Przechowywanie w pamięci MIN i MAX wartości, Automatyczne wyłączanie przyrządu Rozdzielczość: 0.1°C dla temperatury i 0.1% RH dla wilgotności, Temperatura pracy: 5°C...50°C,

Wskaźniki wilgotno ci względnej i temperatury  Dane techniczne:

Zakres pomiarowy: 25...95%RH i 0...+50°C Rozdzielczo ć odczytu: 1%RH i 1°C Dokładno ć: +/-5%RH i +/-1°C Zasilanie: 1 bateria 1,5V AAA Wymiary: 64x98x18mm Funkcje użytkowe: Okre lanie parametrów powietrza: WET - wilgotne, COMFORT komfortowe, DRY - suche. Pamięć warto ci minimalnej i maksymalnej.

Higrometr sprężynowy KOCH HTM H-881t  Higrometr

sprężynowy  Pomiar wilgotności w pomieszczeniach mieszkalnych i przemysłowych  Pomiar temperatury  Ręczna kalibracja wilgotności i temperatury  Max. błąd wskazania ± 5% (wilgotność)

Pomiary wilgotno ci ciał stałych

Masa (objęto ć) wody w definicjach wilgotno ci oznacza jedynie tę ilo ć wody zawartej w materiale, która jest związana z nim fizykochemicznie np. siłami adhezji, nie oznacza natomiast wody związanej chemicznie. Istnieje wiele różnych metod oznaczania wilgotno ci: metoda grawimetryczna nazywana też suszarkową, •metody chemiczne: •miareczkowanie metodą K. Fischera, •metoda karbidowa, •chromatografia gazowa •metody elektryczne i magnetyczne: •pomiar wilgotno ci materiałów w oparciu o ich własno ci rezystancyjne, •pomiar wilgotno ci materiałów w oparciu i ich własno ci dielektryczne, •spektrometria mikrofalowa – pomiar absorpcji lub odbicia promieniowania z zakresu mikrofal, •spektrometria masowa, •spektroskopia podczerwieni – pomiar absorpcji lub odbicia promieniowania z zakresu podczerwieni, •metody jądrowe: •spektroskopia MRJ – pomiar magnetycznego rezonansu jądrowego, •metoda spowalniania neutronów ciężkich, •metoda osłabiania promieniowania beta lub gamma.

MIERNIK WILGOTNO CI KJT-330  Szybki, bezkontaktowy, ci gły

  

   

pomiar wilgotno ci działaj cy na zasadzie absorpcji promieniowania podczerwonego Prosta instalacja oraz obsługa Pomiar niezależny od koloru materiału Wykorzystanie komputera PC do obróbki danych Pomiar wilgotno ci materiałów dozowanych, a następnie mieszanych Pomiar wilgotno ci papieru. Pomiar wilgotno ci wysłodków Pomiar wilgotno ci powietrza

Miernik wilgotno ci KJT-10  Za pomocą złącza RS 232 C

dane mogą być przesyłane komputera PC, drukarki.  Zasilanie miernika stanowi bateria 6,8 VDC, 2A.  Miernik stosuje się do pomiarów wilgotności m.in. powietrza, farmaceutyków, tytoniu, chemikaliów, tekstyliów, produktów spożywczych, produktów papierniczych, kosmetycznych itd.

Wilgotno ciomierz laboratoryjny KTJ 200  Duża dokładno ć

 Prosta obsługa  Niewielkie wymiary

Miernik wilgotno ci ziarna metoda pojemno ciowa  Pomiar wilgotno ci(%)  Pomiar gęsto ci(kg/m)  Ważenie w zakresie

1- 1000g -Wysoka precyzja -Prosty w użyciu -Dozownik do napełniania

Tester wilgotno ci do ziarna  Pomiar wilgotno ci

nasion w warunkach polowych i laboratoryjnych  Zakres pomiarowy 4% - 43% dla zbóż  Dokładno ć do 1,5%  Kalibracja - posiada możliwo ć modyfikacji danych

Super CHTM2 Typowe badane surowce: ziarna zbóż, nasiona warzyw, kwiatów i drzew leśnych, produkty młynarskie.

laboratoryjny miernik służący do pomiaru wilgotno ci cukru  Pozwala on na szybki (w ciągu ok.15 sekund) i

dokładny (powtarzalno ć pomiaru ok.0,001%) pomiar w zakresie wilgotno ci 0-0,3 %. Za pomocą tego miernika możemy wyznaczać wilgotno ć w trzech kategoriach biało ci: 1,2,3 dla których krzywe kalibracji wprowadzone są do pamięci miernika przez producenta. Kalibracja miernika przeprowadzana jest zgodnie ze standardem ICUMSA GS2/1/3-15. W przypadku gdyby okazało się, że cukier nie odpowiada żadnej z wprowadzonych krzywych kalibracji, użytkownik może dodatkowo wprowadzić do pamięci swoje krzywe. Czujnik pomiarowy produkowany jest zgodnie z normą ISO 9001.

Metoda rezystancyjna

Tester wilgotno ci do siana

Przyrząd do testowania wilgotno ci ziaren w kopcach lub pojemnikach oraz siana i słomy

25 cm 9 cm

Pomiar rezystancyjny wilgotno ci materiałów WIM-90 

- uniwersalny miernik wilgotno ci - umożliwia pomiar wilgotno ci bez konieczno ci korzystania z tabel: drewna, podłoża betonowego i powietrza - wszystkie konieczne sondy pomiarowe w wyposażeniu standardowym - zakres wilgotno ci i dokładno ć: drewna 6%100% wilgotno ci bezwzględnej, ±2%, 11 gat. drewna; betonu 1%15%, ok. 20% warto ci mierzonej; powietrza 30%90%, ±4% - pomiar wilgotno ci podłoża oparty jest na pomiarze rezystancji, a powietrza realizowany jest sensorem chemicznym

WILGOTNO CIOMIERZ MATERIAŁÓW LB-797  Wilgotno ciomierz materiałów LB-797 przeznaczony jest do pomiaru

wilgotno ci gleby oraz innych materiałów sypkich o rednicy ziarna do 2mm

MIERNIK WILGOTNO CI DREWNA DIGITAL TIMBERMASTER  pomiar wilgotno ci drewna 7-

30%  pomiar temperatury drewna i automatyczna kompensacja temperaturowa pomiaru wilgotno ci (-50 - =100 C)  dostępno ć wielu sond do pomiarów nieniszcz cych i niszcz cych

Miernik wilgotno ci materiałów Typ MS-7000  Wyświetlacz LCD z



 

 

podwójnym odczytem. Pamięć wartości maksymalnej i minimalnej odczytu. Sonda pomiarowa w oddzielnej głowicy, Wbudowany port szeregowy RS-232C. Ręczna kompensacja temperatury od 0°C do 50°C. Samoczynna kalibracja

Wilgotno ciomierze drewna, betonu i tynku Młotkowy wilgotno ciomierz drewna z kompensacją temperatury i wyborem gatunku drewna OPIS • cyfrowy miernik wilgotno ci drewna • konstrukcja młotkowa z elektrodami igłowymi • wilgotno ć wy wietlana na wy wietlaczu LCD • obudowa o dużej wytrzymało ci mechanicznej • kompensacja temperatury drewna w zakresie: 0 - 50°C • wybór gatunków drewna: 270 (w tym egoztyczne) • zakres pomiaru wilgotno ci: od 6% do 50% • dokładno ć: - +/-2%RH (w zakresie 16...28%RH) - +/-10%RH (w zakresie 28...50%RH) • rozdzielczo ć odczytu : 0,1 %

Tanel WRD-50

 Miernik wilgotno ci drewna

 Zakres pomiarowy: 6...50%  Dokładno ć pomiaru: +/-1%  Elektroda: igłowa - wbudowana  Wy wietlacz cyfrowy LCD  Rozdzielczo ć odczytu: 1%

Pomiar wilgotno ci materiałów budowlanych  Orientacyjny pomiar wilgotno ci materiałów budowlanych (drewno, beton,      

tynk, gips, cegła itp.) Zakres pomiarowy: 8...25% Metoda pomiaru: rezystancyjna Zakres pomiarowy: 6...50% Rozdzielczo ć odczytu: 0,1% Skala do klasyfikacji na suche lub mokre Wy wietlacz cyfrowy LCD

Miernik wilgotności papieru

          

Miernik wilgotno ci papieru Zakres pomiarowy: 2...12% Dokładno ć pomiaru: +/-0,6% Elektroda: dotykowa - wbudowana Głęboko ć pomiaru: około 50mm Wy wietlacz cyfrowy LCD Rozdzielczo ć odczytu: 0,1% Zasilanie: 1 bateria 6F22 9V Wymiary: 165x80x33mm W komplecie walizeczka Cena: 732 zł + 22% VAT

Tanel WIP-21B

 Miernik wilgotno ci betonu  Zakres pomiarowy: 0,5...8%

 Dokładno ć pomiaru: +/-0,5%  Elektroda: dotykowa - wbudowana  Głęboko ć pomiaru: około 50mm  Wy wietlacz cyfrowy LCD  Rozdzielczo ć odczytu: 0,1%

Wagosuszarki  Kolejnymi przyrządami służącymi do

laboratoryjnych pomiarów wilgotno ci materiałów są wagosuszarki  pozwalają na prosty oraz dokładny pomiar wilgotno ci ciał stałych oraz ich wła ciwo ci suszarniczych.. Próbka materiału umieszczana jest na specjalnej platformie, której masa mierzona jest w okre lanych odstępach czasowych. Po zamknięciu pokrywy miernika następuje suszenie próbki. Końcowe ważenie próbki oraz kalkulacja wilgotno ci następuje po zakończeniu suszenia. Układ pomiarowy wyposażony jest w 3 tryby pracy/ciągły, automatyczny oraz z dowolną regulacją czasu/. Pozwala to na łatwe dopasowanie miernika do indywidualnych potrzeb pomiarowych. Wszystkie dane pomiarowe oraz wyniki mogą być przesyłane z miernika na drukarkę.

Mikrofalowy miernik wilgotno ci MICRO MOIST 4B356  Ciągły, bezstykowy pomiar  Zakres pom. 0...100%  Możliwo ć pomiaru na

ta mociągach, rurociągach i wsypach  Pomiar niezależny od temperatury i gęsto ci  Prosta instalacja

Schemat instalacji Micro Moist 4B356

MIERNIK WILGOTNO CI (izotopowy) LB 350 - ciągły pomiar wilgotno ci - pomiar niezależny od temperatury, ci nienia, warto ci pH i koloru materiału - prosta instalacja wewnątrz lub na istniejących zbiornikach - wysoka czuło ć pomiarowa - idealny do pomiarów wilgotno ci piasku, koksu, betonu itp.

Zasada działania Neutronowa metoda pomiaru wilgotno ci bazuje na zasadzie spowalniania szybkich neutronów przez jądra atomu wodoru. Szybkie neutrony które są emitowane ze ródła podczas zderzania z jądrami atomów wodoru oddają rednio połowę swojej energii. Po kilku takich zderzeniach neutron jest spowalniany do warto ci energii termicznej. W wyniku rozpraszania rozmytego neutronów - występującego podczas zderzenia neutronów z jądrami - powstaje chmura wolnych neutronów otaczająca ródło szybkich neutronów. Gęsto ć neutronów termicznych w pobliżu ródła jest tym większa im większa jest zawarto ć wodoru. Detektor, który jest umieszczony w jednej obudowie ze ródłem wyłapuje neutrony termiczne. Ilo ć wyłapanych neutronów termicznych jest proporcjonalna do wilgotno ci.

Rejestratory temperatury i wilgotno ci Seria rejestratorów temperatury albo temperatury i wilgotno ci, bez możliwo ci przyłączenia wy wietlacza. Czujniki mogą być wbudowane w obudowę lub umieszczone na przewodach. Ilo ć kanałów od 1 do 4. Dodatkowo mogą obliczać punkt rosy. Programowanie, odczyt danych i ich prezentacja (w postaci tabelarycznej lub graficznej) obywa się za po rednictwem komputera

Dziękuję

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 8 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2011

Zabezpieczenia urządzeń elektrycznych

Układy blokad i sygnalizacji

Wszystkie urządzenia zabezpieczające mają na celu przede wszystkim ochronę zdrowia i życia człowieka, a także zapewnienie ciągłości działania odbiorników i zabezpieczenie ich przed uszkodzeniem (zniszczeniem) Przyczyny nieszczęśliwych wypadków przy obsłudze urządzeń elektrycznych są związane z:  Wadliwą budową urządzeń elektrycznych  Uszkodzeniem izolacji i pojawieniem się napięcia na częściach urządzeń nie znajdujących się w normalnych warunkach pod napięciem (20...25% ogólnej liczby wypadków porażenia prądem elektrycznym)  Nieprzestrzeganiem przepisów eksploatacji urządzeń i bezpieczeństwa pracy

Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka

- niedotlenienie mózgu - migotanie komór serca - poparzenia i spalenia (perły kostne) - olśnienia - uszkodzenie słuchu

Awaryjne stany pracy: - zwarcie 1-fazowe - zwarcie międzyfazowe

- przeciążenie - zanik napięcia w jednej fazie

- zanik napięcia zasilającego

Zabezpieczenie poprawnej pracy urządzeń elektrycznych 1)bezpieczniki: - topikowe

- automatyczne 2) wyłączniki różnicowo - prądowe 3) odłączniki 4) przekaźniki termiczne ( termiki ) 5) styczniki 6) elektryczne układy zabezpieczające: - zmiana kierunku wirowania silnika 3- f - zabezpieczenie przed pracą dwufazową 7) elementy ochrony przeciwporażeniowej: - zerowanie

- uziemienie - ochronne obniżenie napięcia roboczego - izolacja i separacja odbiorników

8) układy samoczynnego załączania rezerwy: - SZR stycznikowy - z przekaźnikiem podnapięciowym

Zerowanie ochronne Zerowaniem ochronnym nazywamy bezpośrednie połączenie z uziemionym przewodem zerowym metalowym części urządzenia elektrycznego podlegającego ochronie. Ten rodzaj ochrony może być stosowany tylko w sieciach niskiego napięcia z uziemionym punktem zerowym i uziemionym przewodem zerowym. W przypadku pojawienia się na zerowanych częściach napięcia niebezpiecznego dla ludzi urządzenie uszkodzone powinno być dostatecznie szybko odłączone od sieci.

Ochronne obniżenie napięcia roboczego Za bardzo niskie napięcie w Polsce uznano napięcie znamionowe: -w urządzeniach prądu przemiennego 42 V -w urządzeniach prądu stałego 80 V Jako źródła napięcia obniżonego służą:  Transformatory bezpieczeństwa (o przekładni 380 V i 500V na 42 V lub 24 V)  Przetwornice ochronne  Bakterie akumulatorów

Spośród wymienionych urządzeń najszersze zastosowanie znalazły transformatory bezpieczeństwa. Są one budowane na moce znamionowe do 10 kVA. Przetwornice można stosować do zasilania stałej sieci bardzo niskiego napięcia. Do zasilania zarówno pojedynczych odbiorników, jak i sieci napięcia bardzo niskiego stosuje się baterie akumulatorów

Uziomy Uziomy dzielimy na:  -Naturalne (rury wodociągowe, konstrukcje metalowe budowli mające dobrą styczność z ziemią, metalowe pancerze kabli elektroenergetycznych ułożonych w ziemi itp.) -Sztuczne (specjalnie do celów ochrony przeciwporażeniowej ułożone w ziemi przedmioty metalowe.

Względy gospodarcze przemawiają za jak najszerszym stosowaniem uziomów naturalnych w urządzeniach prądu przemiennego z wyjątkiem rurociągów do cieczy oraz do palnych i wybuchowych gazów. W urządzeniach prądu stałego nie wolno stosować uziomów naturalnych ze względu na korozję elektrolityczną.

Przewody ochronne Wśród wymagań stawianych przewodom uziemiającym, zerowanym lub zerującym należy wymienić:  -Odpowiednią wytrzymałość mechaniczną  - Dużą odporność na korozję -Wystarczającą obciążalność prądową

Uszkodzenie z jakiegokolwiek powodu przewodu ochronnego stwarza niebezpieczeństwo porażenia. Przewody uziemiające wykonywane są najczęściej ze stali. Miedź i aluminium stosowane są tylko wtedy, gdy przewód uziemiający stanowi jedną z żył przewodu wielożyłowego izolowanego. Przewody miedziane stosowane są ponadto, gdy narażone są one na zginanie (przewody do odbiorników ruchomych) lub gdy wymagają tego właściwości korozyjne ośrodka. Przewody zerujące są wykonywane zarówno z miedzi jak i z aluminium

Bezpieczniki Bezpieczniki elektryczne są to łączniki zwarciowe które zabezpieczają elementy urządzeń elektrycznych (transformatorów, linii, silników) przed przeciążeniem prądowym przy nadmiernych obciążeniach i zwarciach. W urządzeniach elektroniki i automatyki stosujemy takie same bezpieczniki jak w innych urządzeniach elektrycznych

Bezpieczniki topikowe Bezpieczniki topikowe występują w wielu wariantach. Najczęściej spotykane to bezpieczniki w rurkach szklanych i bezpieczniki ceramiczne. Bezpieczniki ceramiczne mają większą zdolność łączeniową. Istnieje również wiele wersji bezpieczników specjalnych o innych wymiarach i właściwościach. Budowa: - gniazdo bezpiecznika - wkładka topikowa (proszę opisać budowę wkładki topikowej) - wstawka kalibrowana - główka bezpiecznika

Bezpieczniki automatyczne Bezpieczniki automatyczne można kasować po zadziałaniu (resetować), dlatego nie muszą być wymieniane. Dla większości zastosowań bezpieczniki muszą być tak skonstruowane, aby kasowanie ich zadziałania nie było możliwe tak długo, jak długo przeciążony jest bezpiecznik. Kasowanie odbywa się ręcznie.

Bezpieczniki termiczne Bezpieczniki termiczne reagują na temperaturę otoczenia i przerywają obwód, gdy temperatura przekroczy pewną granicę. Dzięki temu są przydatne do zabezpieczania większości urządzeń elektrycznych lub elektronicznych przed ich przegrzaniem. W odróżnieniu od tradycyjnych bezpieczników, które uaktywniają się podczas przepływu przez nie nadmiernego prądu, bezpieczniki termiczne uaktywniają się w zależności od temperatury otoczenia. Dlatego też bezpieczniki te stosuje się do sygnalizacji nienormalnej temperatury pracy sprzętu elektrycznego i elektronicznego

Wyłącznik różnicowo – prądowy Wyłącznik ochronny różnicowoprądowy jest najskuteczniejszym środkiem ochrony (ochrona dodatkowa), zapobiegającym skutkom powstania niebezpiecznych napięć dotykowych na obudowach i osłonach narzędzi i urządzeń elektrycznych Zadanie wyłączników przeciwporażeniowych (ochronnych) polega na samoczynnym odłączeniu od sieci urządzenia w momencie jego uszkodzenia – wystąpienia napięcia na jego częściach metalowych (normalnie nie będących pod napięciem).

Budowa Wyłącznik można podzielić na 4 zasadnicze elementy:

•Zestyki torów prądowych wraz z zamkiem i dźwignią załączającą •Wyzwalacz różnicowoprądowy, najczęściej jest to przekaźnik spolaryzowany •Przekładnik Ferrantiego- w postaci pierścienia ferromagnetycznego, przez który przechodzą przewody fazowe i przewód neutralny •Obwód testowania wyłącznika umożliwia jego sprawdzenie w trakcie eksploatacji

Styczniki Stycznik, ł cznik stycznikowy, urządzenie przeznaczone do otwierania i zamykania jedno i trójfazowych obwodów elektrycznych (załączania i wyłączania odbiorników). Zabezpiecza odbiornik przed ponownym załączeniem po zaniku napięcia. Najczęściej spotykane są styczniki elektromagnetyczne .Są to urządzenia łączeniowe sterowane zdalnie zwykle za pomocą przepływu prądu przez cewkę, która siłą elektromagnetyczną powoduje przemieszczenie styków. Styczniki są urządzeniami elektromechanicznymi przeznaczonymi do zamykania i przerywania obwodów elektrycznych z prądem od kilkunastu do kilkuset amperów.

Budowa stycznika Cechuje się dużą trwałością mechaniczną oraz dużą częstością łączeń, przy stosunkowo małych wymiarach, niewielkiej masie i wysokiej pewności działania. Stycznik zbudowany jest z następujących elementów: •izolacyjna podstawa stycznika •rdzeń nieruchomy •Cewka stycznika •zwora ruchoma elektromagnesu

• styk nieruchomy •styk ruchomy •styki zwierne i rozwierane, umieszczone w torach prądowych pomocniczych •sprężyny stykowe zapewniające docisk styków •komory gaszeniowe łuku elektrycznego

Schemat stycznika 1 2

L1 L2 L3

4 6

1. Trzpień 2. Styk główny ( ruchomy) 3. Styk główny ( nieruchomy) 4. Sprężyna powrotna 5. Zwora ruchoma 6. Elektromagnes napędowy

wyjście

wejście

3

5

Podł czenie stycznika wygl da następuj co:

Przy tym poł czeniu stycznik będzie trzymał (złapie), jeśli będziemy wciskać przycisk, lub jeśli będzie to jakiś wył cznik. W momencie gdy puścimy przycisk stycznik także rozewrze swoje styki. Na wył czniku będzie trzymał tak długo, aż rozł czymy wył cznik, lub zabraknie napięcia w sieci. Jednak gdy napięcie się znowu pojawi stycznik złapie.

Dlatego najlepiej i najbezpieczniej jest zastosować poniższy schemat z dwoma przyciskami: STOP i ZAŁ CZ.

Po naciśnięciu przycisku zał cewka stycznika dostanie napięcie i przyci gnie zworę. Jeśli puścimy ten przycisk to w przeciwieństwie do schematu zamieszczonego wyżej, stycznik nie puści, gdyż jest podtrzymywany sam przez siebie (styk rozwarty pod przyciskiem zał).

Przekaźnik termiczny

Przeka nik termiczny - urządzenie zabezpieczające przed przeciążeniem. Podstawowym elementem przekaźnika jest płytka bimetaliczna z nawiniętym na niej drutem oporowym przez który płynie na prąd główny. Przekroczenie 1,1In przez dłuższy czas powoduje zadziałanie termika, czym większe przekroczenie prądu, tym krótszy czas zadziałania termika.

Układy typu KF3 Silniki trójfazowe zabezpiecza się często układami typu KF3. Są to elektroniczne urządzenia włączane przed stycznikiem w obwód zasilanie silnika, które informują o prawidłowym stanie sieci i niewłaściwej kolejności faz. KF3 to urządzenie które:  - jest przedstawicielem nowej generacji zabezpieczeń silników trójfazowych czujnikiem asymetrii fazowej.  -jest selektywnym zabezpieczeniem kontrolującym najważniejsze parametry sieci zasilającej (asymetrię fazową) pod kątem jej przydatności do zasilania silników.  - zapewnia doskonałą ochronę silników - nie powodując niepotrzebnych wyłączeń, tzw. "fałszywych" alarmów. - znakomicie współpracuje z zabezpieczeniami termicznymi, zwiększając ich trwałość i skuteczność

To najskuteczniejsze zabezpieczenie podstawowe silników trójfazowych małej mocy, gdzie zabezpieczenia termiczne są mało skuteczne.

PRZEKA NIK PODTRZYMUJ CY: Klasyczny układ sterowania stycznika zawieraj cy przyciski START i STOP posiada podstawow wadę samoczynnego wył czenia się przy krótkotrwałych zanikach lub spadkach napięcia sieci. Ponowne zał czenie stycznika wymaga działania ze strony personelu obsługuj cego. Przy rozległych obiektach ponowne uruchomienie może być kłopotliwe. Przeka nik A160 eliminuje t dolegliwość. Zapamiętuje on stan stycznika (zał czony/wył czony) i pamięta go przez nastawiony czas podtrzymania. Jeżeli napięcie zasilania powróci przed upływem tego czasu wówczas przeka nik A160 spowoduje, że stycznik znajdzie się w stanie w jakim był przed zanikiem zasilania. Jeżeli czas zaniku napięcia będzie dłuższy niż nastawiony czas podtrzymania wówczas pamięć A160 zostanie skasowana i po podaniu napięcia zasilania stycznik będzie w stanie niewzbudzonym.

Układ samoczynnego załączania rezerwy Układy samoczynnego załączania rezerwy (SZR) są niezbędne w wielu przypadkach: SZR znalazły zastosowanie w rozdzielnicach przemysłowych zasilających ważne odbiorniki oraz w rozdzielnicach elektrowni w celu uzyskania dużej pewności zasilania urządzeń potrzeb własnych. Wykorzystywane są również do przełączania na rezerwowe źródło energii (np. bateria akumulatorów) oświetlenia bezpieczeństwa w zakładach przemysłowych, gmachach widowiskowych, szpitalach i innych obiektach, w których jest wymagana bardzo duża niezawodność zasilania odbiorników oświetleniowych oraz napędów elektrycznych o szczególnej ważności (instalacje odpylania spalin, wentylacji itp.).

Schemat samoczynnego uruchomienia rezerwy zasilania

Sygnalizacja W układach zautomatyzowanych udział obsługi ludzkiej ogranicza się do: - kontroli odbiorczej - rozruchu - kontroli pracy normalnej - konserwacji - interwencji w sytuacjach awaryjnych

Czynniki te s ułatwione przez wprowadzenie: - członów wskaźnikowych - członów alarmowych

Wyróżnia się sygnalizację: - informacyjną - zakłóceniową - dyspozycyjną

Sygnalizacja Układy sygnalizacyjne zapewniaj przekazywanie informacji

urządzenie

obsługa

- wskaźnik torów pomiarowych - optyczne i akustyczne człony sygnalizacyjne - człony rejestrujące

W skład układów sygnalizacyjnych wchodzi układ wykrywający stan obiektu czy urządzenia.

Sygnalizacj nazywamy czynność zdalnego przekazywania z punktu nadawczego do odbiorczego określonych sygnałów, najczęściej optycznych lub akustycznych.

W układach sygnalizacji wykorzystuje się elementy sygnalizacji świetlnej lub dźwiękowej. Do sygnalizacji świetlnej używa się różnego rodzaju lampek i napisów podświetlanych, emituj cych światło ci głe lub przerywane. Do sygnalizacji dźwiękowej używa się dzwonków, buczków oraz syren.

Optyczne człony wskaźnikowe i alarmowe. - sygnalizacyjne źródła światła; - żarówki i lampy neonowe o wstrząsoodpornym mocowaniu (bagnetowe) 2-220V, wielkości 7 - 10mm - neonowe 0,05 - 0,5W

- żarówki 0,4 - 25W - przełączniki podświetlane - napisy podświetlane (trwałość 5-10 tys. godzin)

- wyłączniki klapkowe (razem z akustycznym) - wymagają kasowania - sygnalizatory cyfrowe - sygnalizatory wskaźnikowe

Akustyczne człony alarmowe - dzwonki 1,5 - 30V 0,2 - 4W - buczki 5 - 10W - syreny od 40W (zasięg 0,5km) do 11kW(zasięg 15km)

Urz dzenia sygnalizacyjne przyczyniaj się do udoskonalenia urz dze technologicznych i do modernizacji produkcji. Ich zastosowanie przyczynia się do: - zwiększenia niezawodności pracy, - poprawy rytmiczności produkcji, - zmniejszenia liczby pracowników, - zwiększenia bezpiecze stwa pracy, - ograniczenia czasu trwania zakłóce , zapobiegaj c stratom w produkcji, - ochrony urz dze , które w przypadku powstania zakłócenia mog być narażone na uszkodzenie.

Zadania urz dze sygnalizacyjnych: - przekazuj na odległość określone sygnały, np. optyczne, dźwiękowe, dotykowe, czuciowe, informuj ce o aktualnych stanach fizycznych, chemicznych lub przestrzennych i o stanach pracy, ruchu, zakazu, zakłócenia, zagrożenia, - informuj o zaistnieniu określonego stanu bezzwłocznie po jego wyst pieniu lub z odpowiedni zwłok . - niekiedy wymagaj zastosowania w aparatach i maszynach odpowiednich dodatkowych czujników.

Sygnalizacja informacyjna ma za zadanie przekazywanie określonych danych z punktu nadawczego do punktu odbiorczego. Do tego rodzaju sygnalizacji zalicza się np: przekazywanie informacji o położeniu części mechanicznych, położeniu zamknięcia lub otwarcia ł czników, o poziomie płynów i ciał sypkich w zbiornikach, o prędkości obrotowej maszyn, prędkości przepływu cieczy lub gazów w ruroci gach, o stanie parametrów fizycznych oraz chemicznych, a także sygnałów czasu. Do realizacji sygnalizacji tego typu potrzebny jest układ wykrywaj cy rzeczywisty stan elementu którego dotyczy przekazywana przez układ informacja. Sygnalizację informacyjn dzieli się na: sygnalizacje stanów technologicznych oraz sygnalizację czasu.

Iskrobezpieczny sygnalizator optyczny ISE. Przeznaczenie. Iskrobezpieczny sygnalizator optyczny ISE przeznaczony jest do wyświetlania napisów informacyjnych koloru zielonego.

Warunki stosowania. Iskrobezpieczny sygnalizator optyczny ISE może być stosowany w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem metanu oraz kategorii „A” i „B” zagrożenia pyłowego, temperaturze otoczenia od -20°C do +40°C, wilgotności względnej 93±2% i stopniu agresywności korozyjnej C (wg PN-71/H-0465 1).

ASTER Akomodacyjny Sterownik Sygnalizacji Ulicznej Służy do sterowania sygnalizacj zarówno na pojedynczych skrzyżowaniach jak i zespołach skrzyżowa . Jego konstrukcja i funkcje predysponuj go w szczególności do pracy w miejskich systemach monitoringu i centralnych systemach sterowania ruchem.

URZ DZENIE SYGNALIZACJI ALARMOWEJ PSW-81-03/04 Dane techniczne: - 35 wejść alarmowych, - 28 - wyjść sygnalizacji optycznej, -2 - przekaźnikowe wyjścia sygnalizacji akustycznej, dzwonek, buczek - Możliwość bezpośredniego sterowania stycznikiem z cewk na napięcie = 24V -Temperatura pracy 0 – 55°C - Wilgotność 40 - 80%

Typowe zastosowania: - Do sygnalizacji stanów inicjatorów i czujników obiektowych, wywoływania sygnału akustycznego i optycznego. - Po zmianie oprogramowania użytkowego – sterownik logiczno - sekwencyjny dla maszyn i urz dze .

Blok ostrzegania typu BO-24 Blok ostrzegania BO-24 służy do przekazywania ośmiu ostrzeże dotycz cych wybranych stanów awaryjnych instalacji lub występuj cych zagroże . Ostrzeżenia te przekazywane s w postaci napisów o wybranych barwach (czerwonej, żółtej lub zielonej), podświetlanych przez elementy elektroluminescencyjne. W przypadku potrzeby przekazania większej ilości ostrzeże z bloków BO-24 można tworzyć zestawy złożone z dowolnej ilości egzemplarzy. Jasność świecenia napisów w bloku dobierana jest automatycznie w zależności od warunków oświetlenia zewnętrznego.

Przekaźnik czasowy PCM-01 - Układ ostrzegania przed startem silnika (maszyny) Przekaźnik czasowy PCM-01 pracuje w układzie, w którym po naciśnięciu przycisku START/STOP przez czas t będzie brzmiał ostrzegawczy sygnał dźwiękowy informuj cy o zbliżaj cym się zał czeniu silnika (maszyny). Przekaźnik ten współpracuje z przekaźnikiem czasowym PCM-04 w trybie przekaźnika bistabilnego z ograniczeniem czasowym (MODE = I), dzięki czemu mamy możliwość zał czenia i wył czenia silnika przy pomocy jednego przycisku oraz ustawienia maksymalnego dopuszczalnego czasu pracy silnika.

Przekaźnik elektromagnetyczny PEM-01/230 - Układ sterowania oświetleniem placów, ulic, wiat, itp. Układ steruj cy wykorzystuj cy wył cznik zmierzchowy WZM 01 wraz z sond SOH - 05 oraz trzy przekaźniki elektromagnetyczne PEM 01/230. Po wykryciu zmroku wył cznik zmierzchowy podaje sygnał steruj cy do zamknięcia zestyków przekaźników elektromagnetycznych - każdy przekaźnik oddzielnie dla każdej z faz zasilaj cej oświetlenie linii kablowej trójfazowej.

Sygnalizacja dyspozycyjna przyczynia się do mechanicznych i automatycznych procesów technologicznych. Umożliwiaj bezpośredni i szybk ingerencję dyspozytora w przypadku powstania zakłóce w procesach technologicznych. Ponadto w takich przypadkach stosowana bywa blokada elektryczna, która nie dopuszcza do wykonywania czynności niedozwolonych, groż cych zakłóceniem procesu technologicznego lub niebezpiecznych w skutkach dla życia lub zdrowia obsługi.

Sygnalizacja zakłóce , a więc wszelkich nieprawidłowości przebiegu procesu wymagaj cych interwencji personelu (zakłócenia krótkotrwałe należy zapamiętać do czasu rozeznania sytuacji)

UKŁADY CENTRALNEJ SYGNALIZACJI ZAKŁÓCE

UCS/xxx

Podstawowe dane techniczne: - Ilość sygnałów wejściowych dwustanowych: 16 - 1024 - Ilość sygnałów analogowych: 0 - 128 - Pojemność rejestru zakłóce : 256 alarmów - Komunikacja: Ethernet TCP/IP, i in.

Schemat funkcjonalny typowego układu sygnalizacji

Układ centralnej sygnalizacji zakłóce przeznaczony jest do kontroli poprawności pracy urz dze przemysłowych i energetycznych takich jak linie technologiczne, rozdzielnie, transformatory i generatory niskiego oraz średniego napięcia. Sygnalizuje przekroczenie dopuszczalnych parametrów pracy, zadziałanie zabezpiecze , a także błędy lub przypadkowe działania obsługi. Podstawowym elementem układu jest sterownik logiczny, który w przypadku pojawienia się nieprawidłowości w pracy nadzorowanego systemu uruchamia sygnalizację świetln i dźwiękow oraz wysyła informację do współpracuj cego z nim terminala operatorskiego lub komputera.

Każdy alarm zapisywany jest w pamięci terminala wraz z godzin przyjścia, odejścia oraz zatwierdzenia (przyjęcia do wiadomości). Rejestrowane mog być także inne zdarzenia, ważne ze względów bezpiecze stwa lub kontroli, takie jak np. zał czenie lub wył czenie wybranych urz dze lub pól rozdzielni. Dostęp do pamięci terminala może być chroniony hasłem w celu ograniczenia ingerencji osób niepowołanych. Terminal posiada przyciski, za pomoc których można kasować sygnał dźwiękowy oraz uruchomić testowanie całego układu sygnalizacji lub niezależnie sygnału dźwiękowego i świetlnego.

Aparat steruj cy komunikacj Sterowanie i monitorowanie do dziewięciu zautomatyzowanych klap przeciwpożarowych.

Zastosowanie: Aparat BKS24 – 9A przewidziany jest do zabudowy w szafie sterowniczej; pokazuje on pozycję, względnie występuj ce zakłócenia w pracy podł czonych do niego klap przeciwpożarowych. Przy pomocy zintegrowanych styków pomocniczych, może być realizowana lokalna sygnalizacja funkcjonowania (pozycje klap) i zakłóce jak również dalsze przekazywanie tych sygnałów do nadrzędnego systemu monitorowania.

Układy blokad Zabezpieczenie układów przed pomyłkowym wykonaniem ł czeń oraz powodowanie wył czeń w sytuacjach groż cych awari . - mechaniczne (np. zespoły izostatów w radiu) - elektromechaniczne (rygle mechaniczne napędzane elektromagnesem) - elektryczne

Blokady -czynna (samoczynne wyłączanie pracujących obwodów w razie awarii)

x

a

Blokady - bierna (uniemożliwienie załączenia np. drzwi windy)

y a x

A

Blokady - mieszana

x a

y

z

A

Blokady - wykluczaj

ca - wyłączenie jednego powoduje odłączenie innego - uprzywilejowana - zapewniająca konieczność zachowania kolejności załączenia

a

a

A b A

B

C

- złączenie A powoduje wyłączenie B i C

- załączenie B powoduje wyłącznie C

Dziękuję

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 9 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2011

Układ zautomatyzowany jest to taki układ, w którym zadanie postawione przez użytkownika jest zrealizowane za pomocą urządzenia sterującego bez udziału obsługi, pomimo występowania zakłóceń przypadkowych o przewidzianym zakresie. Możliwo ć zastosowania pojęć z dziedziny automatyki do konstrukcji urządzeń wynika z możliwo ci i konieczno ci użycia w urządzeniu szeregu identycznych członów.

Budowa i wła ciwo ci eksploatacyjne typowych elementów automatyki

Rodzaj czynno ci Pierwotnie

Nadzór pracy fizycznej przez kierownika

Obserwacja (zmysł)

Mierniki

Sterowanie bezpo rednie /półautomatyczne

Urządzenia zautomatyzowa ne Człony pomiarowe

Człony przesyłowe Wska niki

Człony sprzęgające

Rozumienie i decyzja

Pracownik

Program + człony porównujące

Nerwy od rodkowe

Przycisk mikrofon

Człony sterowne

Wyłącznik program 1-razowy

Człony sprzęgające

Człony przesyłowe Wzmacniacze

Mię nie Narzędzia

Sygnalizacja gło niki

Człony sprzęgające i transformujące

Pracownik wykonujący

Wzmacniacze Człony napędowe Człony wykonawcze

Poza wymienionymi członami (pomiarowymi, przesyłowymi, sprzęgającymi, porównującymi, wzmacniającymi, przetwornikami, członami napędowymi i wykonawczymi) w skład układu realizującego zadanie wchodzą:  układy zasilania (zasilanie wzmacniaczy i urządzeń     

wykonawczych) zabezpieczenia pracy urządzeń i obsługi sieć sygnalizacji i wska ników kontrolnych rejestracja pracy urządzeń układy automatycznego wykrywania uszkodzeń układy automatycznej wymiany podzespołów

W zależno ci od rodzaju urządzenia (stopnia jego skomplikowania) i rodzaju członu wykonawczego wybiera się okre loną konfigurację i zasady pracy urządzeń sterowania np.: urządzenie małe o kilku członach , sterujące mechanicznym rozpływem cieczy, może być urządzeniem hydraulicznym. Ale je li chcemy zdalnie nim sterować to musi to być urządzenie elektryczne.

CZŁONY ELEKTRYCZNE

ródła energii elektrycznej Zasilanie z sieci jednofazowej: 230V, 50Hz lub trójfazowej; 400V, 50Hz Maksymalny prąd jaki może być pobierany z sieci zależy od przyłączy: w domowych 10, 16, 20, 25, 32, 50 A Zmiana napięcia prądu przemiennego – transformatory, indywidualnie lub grupowo. W urządzeniach dużej mocy istnieje konieczność zasilania ich napięciem 3x6kV wtedy buduje się rozdzielnię na miejscu.

W urządzeniach o małej prędkości i niewielkiej dokładności stosuje się częstotliwość 50Hz Wady: - częstotliwości sygnałów sterowania musi być <<50Hz - wpływ wahań napięcia i częstotliwości oraz zakłóceń (spawarki) - niektóre czujniki nie mogą pracować na częstotliwości 50Hz wtedy stosuje się zasilanie z prądnic, napięciem o częstotliwości 500 Hz

Inne ródła zasilania:  Prądnica  niekonwencjonalne źródła  akumulatory  chemiczne źródła (przenośne, małej mocy)

Elementy przewodowe: - znormalizowane kable i przewody  Przekrój żyły (prąd , temp., spadek napięcia)

instalacyjne

 Rodzaj żyły  rodzaj powłoki (gołe, izolowane, w oprzędach, kable przesyłowe)

Prędko ć przepływu fal elektrycznych 10 000 – 250 000 km / s !!! korozja złącza – opór !!! !!! aluminium – tlenek nie przewodzi !!! !!! rozlu nienie złącz !!!

informacyjne

energetyczne

Elementy RLC

R – rezystancja u(t) = Ri(t) Opornik – potoczna nazwa rezystora (z łac. resistere, stawiać opór) – najprostszy element rezystancyjny, element bierny obwodu elektrycznego. Jest elementem liniowym: spadek napięcia jest wprost proporcjonalny do prądu płynącego przez opornik. Przy przepływie prądu zamienia energię elektryczną w ciepło. Występuje na nim spadek napięcia. W obwodzie służy do ograniczenia prądu płynącego w obwodzie

R

L

R

C

Najmniejsze wartości L i C wykazują oporniki warstwowe ( z masy węglowej ) 0,25 - 20 W * 10 - 10M drutowe do kilkudziesięciu kHz

Zależno ć rezystancji od temperatur ! Wzrost temperatury powoduje, że rezystancja:  metali – ro nie,  masy węglowej i półprzewodników – maleje.

Na stykach różnych metali powstają siły elektromotoryczne.

Potencjometry

R

R

R

drutowe

L

L

L

Nieliniowe zależności I=f(U) wykazują elementy półprzewodnikowe i elektroniczne - diody prostownicze

- dioda Zenera

Może służyć do przesuwania charakterystyk ( w połączeniu szeregowym)

Dioda tunelowa I

U

Stabilizator jarzeniowy I

U

C - kondensator

C

C

Kondensator to element elektryczny (elektroniczny) R zbudowany z dwóch przewodników (okładzin) rozdzielonych dielektrykiem.

     

pojemno ć, wytrzymało ć na przebicie, upływno ć, stratno ć, ciężar, rozmiary najmniejsze – elektrolityczne

Przykłady konstrukcji kondensatorów stałych: a)

zwijkowego,

b)

wielowarstwowego,

c)

płytkowego,

d)

rurkowego,

e)

SMD do montażu powierzchniowego

-olejowe (dużej mocy) -mikowe (dużej mocy) -papierowe -ceramiczne -tworzywowe -elektrolityczne

Kondensatory nastawne:

powietrzne mikowe

ferrodielektryczne (nieliniowe) C=f(U) (znaczna zależność od temp.)

Szczególne cechy (konstrukcję i wła ciwo ci) mają trymery do naręcznych zegarków elektronicznych.

L - indukcyjno ć L

R

L

bezrdzeniowe L

rdzeniowe Q=L/R – dobroć cewki 50 Hz – dobroć: 1–10

f rośnie  Q rośnie, potem maleje – straty i wzrost rezystancji przewodnika

C

Cewka jest elementem inercyjnym, gromadzi energię w wytwarzanym polu magnetycznym. W połączeniu z kondensatorem tworzy, dla pewnej częstotliwości, obwód rezonansowy - jeden z fundamentalnych obwodów elektronicznych. Cewki zasilane prądem stałym, zwane elektromagnesami są wykorzystywane do wytwarzania pola magnetycznego lub jego kompensacji, np. przy rozmagnesowaniu i pomiarach pola

transformatory

Elementy półprzewodnikowe

Człony hydrauliczne

no nik energii – ciecz (mało ci liwe) Wady

Zalety

 Gorsze własno ci przy

 Możliwo ć konstruowania

 

  

przekazywaniu sygnałów na odległo ć (ciężar, czas) nie można uzyskać precyzji trudno uzyskać złożone charakterystyki częstotliwo ciowe (filtry) zależno ć od temperatury wyciek cieczy zmiany chemiczne cieczy

członów wykonawczych wielkiej mocy -napędowy 4kW jest 20 razy lżejszy niż analogiczny elektryczny  zmniejszenie stałej czasowej  zwiększenie prędko ci działania  prostota

Zasilanie

źródło energii - silnik elektryczny lub spalinowy -pompa  Linie przesyłowe - grubo ć cianek, rednica rurociągu, czas przesyłu fali,

- złącza  Charakterystyki specjalne

-dławiki, - zawory (maksymalny, różnicowe, redukcyjny, zwrotny)

Zakłócenia!

Gwałtowne zamknięcie zaworu lub przesterowanie rozdzielacza – uderzenia hydrauliczne, nieliniowo ć tłoków (wycieki), temperatura.

Człony pneumatyczne

No nik energii - gaz Zalety gazu jako no nika: znaczna ci liwo ć oraz mała lepko ć (mniejsze przekroje przewodów, mniejsze grubo ci cianek). Zasilanie - silnik elektryczny lub spalinowy, - sprężarka gazu -zasobniki -reduktory -zawory Linie przesyłowe - rednica - czas przesyłu

Charakterystyki specjalne - zwężki R

- pojemno ć pneumatyczna

Q1

Q2

Ogólne wady i zalety zbliżone do elektrycznych.

Człony mechaniczne

Napęd - silniki elektryczne Wady - kłopoty z ruchem w kierunkach dowolnych - konieczno ć smarowania - zużycie - zależno ć od otoczenia, temperatury

Przesyłanie - wały - pasy - przekładnie, limaki, przeguby Cardana

Charakterystyki specjalne Sprężyny

Tłumiki

Wisząca masa

M

C

R

L

Inne człony

 człony promieniste  człony cieplne  człony biologiczne (człowiek)

wiatło Oko

Ruch człowieka

Nerwy

Kora mózgowa Nerwy

Układ

od rodkowe

(regulator)

ruchowy

od rodkowe

Intensywno ć wrażeń

wzrok

Natężenie wiatła

Zakresy pracy zasadniczych rodzajów urządzeń w funkcji mocy P i częstotliwości f przy sterowaniu mechanicznym P [kW]

1000

100

H E

10

1

P 0,1

0,01

0,1

1

10

102 103

104

105

f [Hz]

Koniec na ten raz 

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 10 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2011

Układy logiczne

Co to jest automat  Urządzenie, maszyna lub ich zestaw, wykonujące

samoczynnie cykl czynno ci lub operacji okre lony konstrukcją lub programem.  Jest to układ mający (w ogólnym przypadku) l wej ć i k wyj ć. Sygnały x należą do zbioru X obejmującego zbiór sygnałów wej ciowych, podobnie sygnały y należą do zbioru Y sygnałów wyj ciowych.  Jeżeli ilo ć sygnałów wej ciowych i wyj ciowych jest skończona automat nazywamy automatem skończonym x1 y1 x2 y2 Automat xl

yk

Układ sterowania logicznego składa si z trzech funkcjonalnych elementów i bloków. Są to:  czujniki, dzi ki którym uzyskuje si informacj o stanie urządzeń procesu,  cz ć centralna, decydująca o sposobie działania układu (odpowiednik regulatora) – układ kombinacyjny lub sekwencyjny,  elementy wykonawcze, sygnalizacyjne i wzmacniające oraz oddziałujące na obiekt przez włączanie i wyłączanie urządzeń.

Układy logiczne można podzielić na kombinacyjne i sekwencyjne. Układy kombinacyjne to takie, których warto ci wyj cia zależą jednoznacznie od aktualnego stanu wej ć. Oznacza to, że stany wyj ć są w pełni okre lone stanem wej ć. W układach sekwencyjnych zasada ta nie jest spełniona i wyj cie zależy również od historii układu.

Układy kombinacyjne Jeżeli identyczny zestaw sygnałów wej ciowych wygeneruje identyczny zestaw sygnałów wyj ciowych to taki „prymitywny” układ okre lamy jako układ kombinacyjny. Przykładem układu kombinacyjnego są układy bramek logicznych

Bramka logiczna - element konstrukcyjny maszyn i mechanizmów (dzi zazwyczaj: układ scalony, choć podobne funkcje można zrealizować również za pomocą innych rozwiązań technicznych, np. hydrauliki czy pneumatyki), realizujący fizycznie pewną prostą funkcj logiczną, której argumenty (zmienne logiczne) oraz sama funkcja mogą przybierać jedną z dwóch warto ci, np. 0 lub 1 . Podstawowymi elementami logicznymi, stosowanymi powszechnie w budowie układów logicznych, są elementy realizujące funkcje logiczne: sumy (alternatywy), iloczynu (koniunkcji) i negacji.

BRAMKI 1.Suma, lub, OR

y=x1+x2 y=x1 v x2

X1 X2

Y

x1 0

x2 0

y 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

2. Iloczyn, „i”, AND

y=x1*x2 y=x1 /\ x2

x1 x2

y

x1

x2

y

0 0 1 1

0 1 0 1

0 0 0 1

3. Negacja, „nie”, NOT y=

X

X

Y

x

y

0 1

1 0

4 .Negacja sumy, „nie lub”, NOR y=x1+ x2 y=x1 v x2

X1 Y X2

x1 0 0 1 1

x2 0 1 0 1

y 1 0 0 0

5 .Negacja iloczynu, „nie i”, NAND y=x1* x2 y=x1 /\ x2

X1 X2

Y

x1 0 0 1 1

x2 0 1 0 1

y 1 1 1 0

6-inne np. Suma modulo 2, albo, EXCLUSIVE OR

X1 X2

Y

x1 0 0 1 1

x2 0 1 0 1

y 0 1 1 0

Bramki NAND (negacja koniunkcji), oraz NOR (negacja sumy logicznej) nazywa si funkcjonalnie pełnymi ponieważ przy ich użyciu (tzn. samych NAND lub samych NOR) można zbudować układ realizujący dowolną funkcj logiczną. Dowolną bramk logiczną można też skonstruować za pomocą pary bramek, np. za pomocą OR i NOT lub AND i NOT. Układy takie nazywamy układami zupełnymi.

Vcc

14

7493 1 GND Vcc

14

7493 1 GND

 Algebra Boole'a jest elementem

matematycznym służącym do opisu, analizy i syntezy układów logicznych.  Dla zdefiniowania każdej algebry potrzebne jest okre lenie pewnego zbioru, działań w tym zbiorze (operacji), elementów wyróżnionych w tym zbiorze oraz zespołu aksjomatów i twierdzeń.

Binarną algebr Bool'a tworzą:  zbiór dwuelementowy {0,1}  wyróżnione elementy tego zbioru - 0 i 1 (czyli oba są wyróżnione)  dwa działania (operacje, funktory) - suma logiczna (+) oraz iloczyn logiczny (*)

PRAWA PRAWA ALGEBRY ALGEBRY BOOLE’A BOOLE’A

1.Prawo przemienności : x1+x2 = x2+x1 x1*x2 = x2*x1 2.Prawo łączności : (x1+x2 )+ x3= x1+(x2 + x3) (x1*x2 )* x3= x1*(x2 * x3)

3.Prawo rozdzielczości : (x1+x2)*x3 = x1*x3+x2*x3 x1*x2+x3 = (x2+x3)*(x2+x3) 4.Prawo dopełniania (de Morgana) :

x1+x2 = x1* x2 x1*x2 = x1+ x2

5.Prawo powtórzeń : x+x = x x*x= x

6.Reguła pochłaniania : x1+x1 * x2= x1+x2 x1+x1 * x2= x1 7. Reguła sklejeń (x1+x2 )*(x1+ x2)=x1 x1x2+x1x2= x1

Prawa logiczne sprawdzić można za pomocą tabel logicznych, lub analizy układów bramek logicznych realizujących daną funkcję .

Układ dwójkowy 1 i 0 pozycyjny! Przykład: system 0-1- dwójkowy

10110=1*24 + 0*23 + 1*22 + 1*21 + 0*20 Przykład: system dziesiętny

132=1*102 + 3*101 + 2*100

1,32=1*100 + 3*10-1 + 2*10-2

27

26 25 24 23 22 21 20

128

64 32 16 8

4

2

1

132(10)=1*128+0*64+0*32+0*16+0*8+1*4+0*2+0*1

132-128 =4

= 10000100 (2)

KOD DWÓJKOWY an 1an 2 ... a0 , a 0,1 X  10  2

n 1

 an 1  2

n2

 an  2  2

n3

 an 3 ...a0

Iloraz Reszta 35  17................1 2 17  8..................1 2 8  4...................0 2 4  2...................0 2 2  1...................0 2 1  0...................1 2

100011

Cyfra dziesi tna

0 1 2 3 4 5 6 7

Wektor informacji cyfrowej

000 001 010 011 100 101 110 111

10100111 2  27 1  26  0  25  1  24  0  23  0  22 1  21 1  20 1  167 10

KOD ÓSEMKOWY

3 7

6

4 (8)

Cyfra dziesi tna 0 1 2 3 4 5 6 7

Wektor informacji cyfrowej 000 001 010 011 100 101 110 111

011 111 110 100(2) 3764 8  83  3  82  7  81  6  80  4  1536  448  48  4 10  2036 10

KOD SZESTNASTKOWY

F

A

4 (16)

1111 1010 0100 (2) 7 6 4 4(8)

Cyfra szesnast. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

Wektor informacji cyfrowej 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

FA4 16  162  15  161  10  160  4  3840  160  4 10  4004 10

Sposoby przedstawiania funkcji układów kombinacyjnych 1. Tabela logiczna 10

x1

x2

x3

y

0

0

0

0

0

1 2 3 4 5 6 7

0 0 0 1 1 1 1

0 1 1 0 0 1 1

1 0 1 0 1 0 1

0 0 1 0 1 1 1

2. Postać kanoniczna sumy (1!) 0

1

1

1

0

1

1

1

0

1

1

1

Y=x1*x2*x3+x1*x2*x3+x1*x2*x3+x1*x2*x3

3. Postać kanoniczna sumy zapis dziesiętny Y=

(3,5,6,7)

4. Postać kanoniczna iloczynu (0!) 0

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

Y=(x1+x2+x3)(x1+x2+x3)(x1+x2+x3)(x1+x2+x3)

5. Postać kanoniczna iloczynu zapis dziesiętny

Y=

(0,1,2,4)

6. Funkcja układów kombinacyjnych w postaci bramek logicznych

X1

Y Y

X2

X3

Minimalizacji dokonuje się na podstawie praw i reguł algebry BOOLE’A

7. Tabela minimalizacyjna MINIMALIZACJA WZGL DEM SUMY oraz ILOCZYNU

X2X3

00

01

11

10

0

0

0

1

0

1

0

1

1

1

X1

8. Postać zminimalizowana względem sumy Y=x2*x3+ x1*x3+ x1*x2 9. Postać zminimalizowana względem iloczynu Y=(x2+x3)( x1+x3)( x1+x2)

Układ zminimalizowany

X1

X2

X3

Y

Łączenie elementów w kontury

-nie można łączyć po 3 elementy

-należy łączyć jak największe kontury -element którego nie da się nigdzie dołączyć też należy opisać

W każdym „konturze” powinien znajdować się choć choć jeden element nie należący do żadnego innego konturu

x2x3

00

01

11

10

0

1

1

1

1

1

0

1

0

0

x1

Tabela minimalizacyjna przy 4 zmiennych i możliwe kształty konturów

x3x4 x1x2

00

01

11

10

00 0

1

3

2

4

5

7

6

12

13

15

14

8

9

11

10

01 11 10

Analiza istniejącego układu X1 X2

y

Tabela logiczna

X3

Wyniki zapisujemy w tabeli do dalszej analizy i minimalizacji

lp.

x1

x2

x3

y

0

0

0

0

1

1 2 3 4 5 6 7

0 0 0 1 1 1 1

0 1 1 0 0 1 1

1 0 1 0 1 0 1

0 0 1 0 1 1 0

Bramki logiczne można zastępować innymi funkcja AND Y=X1/\X2 OR Y=X1vX2 NOR Y=X1vX2=X1/\X2

NAND X1/\X2= X1vX2

Realizacja NAND

Realizacja NOR

Najprostszym elementem pami ciowym jest przerzutnik prosty (latch) -wej cie wpisujące jedynk W (set) -wej cie zerujące z (reset) W 0 1 0 1 Przerzutnik jest ustawiany i zerowany przez podanie zera na odpowiednie wej cie

W

Z Q

Z 0 0 1 1

Q 1 0 1 1

Q 1* 1 0 0

*STAN NIEDOZ WOLON Y

przerzutniki złożone

Zmiana stanu następuje pod wpływem zmiany sygnału zegarowego z 0 na 1 lub z 1 na 0 .Rodzaj tej zmiany określony jest przez stan wejść w czasie poprzedzającym zmianę -wejścia przygotowujące J , K ,D -wejście zegarowe (sterujące ) C

Zastosowanie multipleksera jako modułu uniwersalnego w syntezie układów kombinacyjnych

 Typowe multipleksery mają jedno, dwa,

trzy lub cztery wej cia adresowe.  Multiplekser na swoim wyj ciu powtarza sygnał tylko z jednego wej cia informacyjnego o numerze dziesi tnym b dącym odpowiednikiem zapisanego adresu na wej ciach informacyjnych.

 Zalety:

jednorodno ć struktury mniejsza ilo ć potrzebnych kostek wi ksza nie zawodno ć łatwiejsze diagnozowanie układu  Wady: wi kszy koszt montażu układu wi ksza moc pobierana

Sposób realizacji idei multipleksera za pomocą bramek AND, OR i negatora

Inne układy  po redniczące  czasowe  liczniki

 bloki arytmetyczne  kodery i dekodery  pami ci (zapisywalne RAM i stałe ROM )

Układy sekwencyjne  Są to układy obdarzone pami cią a układ sygnałów

wyj ciowych zależy od stanu automatów. Oprócz sygnałów wej ciowych i wyj ciowych dodaje si dodatkowy parametr s czyli stan wewnętrzny automatów. W zależno ci od stanu wewn trznego s i sygnału wej ciowego x, generowany jest sygnał wyj ciowy y oraz nowy stan wewn trzny s’.

Przykład układu sekwencyjnego  Automat sterujący pracą silnika żaluzji.

Dla uproszczenia wyeliminowano automatyczne zatrzymanie u góry i dołu  Stany wej ciowe: X: {g, d, s}  Stany wyj ciowe: Y: {g, d, s}  Stany wewn trzne: S: {sg, sd, ss, jd, jg} s/s

ss

d/d

jd

g/g s/s

s/s

jg

g/g d/d

d/d

g/s

d/s

sg

g/g

sd s/s

s/s

s

x

y

s’

sg

g

s

sg

sg

d

d

jd

sg

s

s

sg

ss

g

g

jg

ss

d

d

jd

ss

s

s

ss

sd

g

g

jg

sd

d

s

sd

sd

s

s

jd

jg

g

g

jg

jg

d

d

jd

jg

s

s

ss

jd

g

g

jg

jd

d

d

jd

jd

s

s

ss

Wiadomości, informacje kodowanie sygnałów

Schemat przekazywania informacji wg Shanona N Wiadomość

Sygnał

– ródło informacji N –nadajnik K –kanał O –odbiornik U –użytkownik

K

O Sygnał

U

Wiadomość

Źródła informacji utworzone w taki sposób, że prawdopodobieństwo wystąpienia znaków równe jest cz stotliwo ci wyst powania znaku w ciągu znaków nazywamy ródłami Shannonowskimi. Wiadomość jest rzeczą obiektywną, natomiast informacja jest rzeczą subiektywną zależną od interpretacji wiadomo ci. Wiadomo ć zawarta w informacji w istotnym stopniu zależy od czasu w jakim dociera ona do odbiorcy.

Mogą istnieć wiadomo ci niezależne od czasu Teoria informacji Shannona zajmuje si podejmowaniem decyzji. Informacja decyzyjna jest miarą decyzji podejmowanej przy klasyfikowaniu i rozpoznawaniu wysyłanego lub przyjmowanego znaku.

Wiadomością może być znak lub ciąg znaków. Zbiór możliwych znaków jest ograniczony (np. alfabet) Każdy znak wybierany może być z okre lonym prawdopodobieństwem. Z punktu widzenia informatyki interesujący jest przypadek gdy prawdopodobieństwo wystąpienia znaku równe jest cz stotliwo ci jego wystąpienia w ciągu znaków. Proces wybierania takich znaków jest stacjonarnym procesem stochastycznym.

Komunikat jest to odpowiednio zakodowana wiadomo ć zawierająca pewną ilo ć informacji. Przyjmuje si , że wiadomo ć może być przekazywana tylko komunikatów.

w postaci

Czyli każdą wiadomo ć należy (w celu jej przekazania za pomocą urządzeń technicznych) zakodować-przekształcić do okre lonej postaci. Za podstaw kodowania przyjmuje si informacj decyzyjna. Kodowanie polega na podejmowaniu alternatywnych decyzji. Każdorazowy wynik wyboru oznaczyć można przez 0 lub 1. Wtedy procesowi wyboru odpowiada ciąg znaków dwójkowych nazywany słowem dwójkowym. Takie słowo nazywamy kodem znaku a zbiór wszystkich kodów znaków nazywamy kodem ródła. Kody znaków mogą mieć różną długo ć.

Długo ć słowa, znaku o prawdopodobieństwie wyst powania pi wynosi:(minimalna!) 1 ki  log 2    pi 

Ze względu na eliminację błędów wprowadza się Warunek Fano –żadne słowo kodu nie jest identyczne z początkiem kodu innego słowa. Kody ródeł spełniające warunek Fano noszą nazw kodów jednoznacznych. rednia długo ć słowa równa jest: n

L   pi N i i 1

gdzie n-ilo ć słów w zbiorze pi-prawdopodobieństwo wystąpienia i-tego znaku

Ni-długo ć słowa odpowiadającego i-temu znakowi

Przykład: Zbiór zawiera 10 znaków. Prawdopodobieństwo wystąpienia każdego ze znaków są równe i wynoszą 0,1  1  ki  log 2    3,32  0,1 

Minimalna długość słowa 10

1 N i  4bity i 1 10

L

Ni=4

rednia długo ć słowa (je li wszystkie =4) Bit jest miarą decyzji potrzebną do odróżniania znaku.

Entropia ródła wiadomo ci jest to warto ć okre lająca rednią ilo ć informacji decyzyjnej przypadająca na dowolnie wybrany znak ze zbioru znaków. 1 H   pi log 2  ; bit  i 1  pi  n

gdzie: n-ilo ć znaków w zbiorze pi-prawdopodobieństwo wystąpienia i-tego znaku 1 H   0,1 log 2    3,32bita i 1  pi  10

Entropia ródła jest dolną granicą liczby decyzji jaką można osiągnąć przy najlepszym kodowaniu.

Redundancją kodu nazywamy różnice: 1 R  L  H   pi N i   pi log 2   i 1 i 1  pi  n

n

Redundancją wzgl dną kodu nazywamy r

R LH H   1  % L L L

jest ona miarą bł dnych decyzji w procesie kodowania ródła. Powi kszenie redundancji jest czasem celowe bo zwi ksza si wraz z jej wzrostem niezawodno ć kodowania (najwi kszą mają kody samokorygujące) Im wi ksza redundancja tym mniejsze mogą być wymagania niezawodno ci dla urządzeń do transmisji danych.

Zwi kszenie redundancji pociąga za sobą wydłużenie komunikatu i czasu przepływu a zmniejszenie redundancji powoduje konieczno ć wzrostu niezawodno ci (kosztów) urządzeń teletransmisyjnych. Twierdzenie Shanona

^

LH 

 1

Każde ródło można zakodować tak że czyli tak, że L-H jest dowolnie małe

Zasady kodowania Różne litery pojawiają si w danym j zyku z różną cz stotliwo cią. Tak sama w ródle sygnału poszczególne znaki pojawiać si mogą z okre loną (różną) cz stotliwo cią. Ideą podziału zbioru znaków dla prowadzenia kodowania jest podział na dwa podzbiory o równym prawdopodobieństwie potem na nast pnie dwa itd. . Załóżmy, że znaki mają takie prawdopodobieństwo wyst powania, że jest możliwy podział na dwa podzbiory. Je li po k decyzjach alternatywnych został wydzielony i-ty znak to prawdopodobieństwo wystąpienia tego znaku jest;

ki

1    pi 2

Przykład: ródło wiadomo ci zawiera znaki: a, b, c, d, e, f, g, h

o prawdopodobieństwach wyst powania 1 pa  pc  4 1 pe  ph  8 1 pb  pd  p f  p g  16

Podział :

b;d;e; f;g;h

a;c

bd fg

eh

bd

fg

identyfikacja a: 1) Czy to jest a lub c 2) Czy to jest a

Tak Tak

identyfikacja c: 1) Czy to jest a lub c 2) Czy to jest a

Tak Nie

1 0

identyfikacja e: 1) Czy to jest a lub c 2) Czy to jest e lub h 3) Czy to jest e

Nie Tak Tak

0 1 1

1 1

identyfikacja h: 1) Czy to jest a lub c Nie 0 2) Czy to jest e lub h Tak 1 3) Czy to jest e Nie 0

identyfikacja b: 1) Czy to jest a lub c 2) Czy to jest e lub h 3) Czy to jest b lub d 4) Czy to jest b

Nie Nie Tak Tak

identyfikacja d: 1) Czy to jest a lub c 2) Czy to jest e lub h 3) Czy to jest b lub d 4) Czy to jest b

Nie Nie Tak Nie

identyfikacja f: 1) Czy to jest a lub c 2) Czy to jest e lub h 3) Czy to jest b lub d 4) Czy to jest f

Nie 0 Nie 0 Nie 0 Tak 1

0 0 1 1

0 0 1 0

identyfikacja g: 1) Czy to jest a lub c 2) Czy to jest e lub h 3) Czy to jest b lub d 4) Czy to jest f

Nie Nie Nie Nie

0 0 0 0

a –11 b –0011 c –10 d –0010

Spełniony warunek Fano

e –011

f –0001 g –0000 h –010

Długo ć słów Na,c=2 bity Ne,h=3 bity Nb,d,f,g=4 bity W tym przypadku H=L=2,75 R=0 Kod optymalny!

Przykład: Jaka ma być minimalna długo ć kodu liczb od 0 do 9

n  10 1 pi  10  1  10 1 H   pi log 2     log 2 10  3,32bita i 1  pi  i 1 10 L4 10

Jeden z możliwych –kod Aikena 0 –0000 1 1 –0001 0 2 –0010 0 3 –0011 1 4 -0100 0 5 –1011 0 6 –1100 1 7 –1101 0 8 –1110 0 9 –1111 1

R=4-3,32=0,68

Wada kodu: -je li nastąpi przekłamanie w czasie transmisji to może nastąpić zamiana jednego słowa w drugie Dla uniknięcia dodaje się bit kontroli parzystości 

je li liczba „jedynek” jest parzysta to 1



je li liczba „jedynek” nie jest parzysta to 0

W sumie nieparzysta liczba jedynek R=5-3,32=1,68

Do oceny niezawodno ci przesyłu stosuje si tzw. stopę błędów. Stopa bł dów to stosunek liczby bitów lub bloków odebranych z bł dem które nie zostały wykryte do ogólnej liczby nadawanych bitów lub bloków. Stopa bł dów 

znakowa



bitowa



blokowa

Gdy stopa bł dów jednostkowego przesyłu znaków wynosi 10-6 to wystarczy zastosować kontrol parzysto ci z 1-pozycją kontrolną.

Metody dyskretyzacji wiadomości ciągłych

Dwie metody v

rastrowanie

v

kwantowanie

Rastrowanie

1 –przy pomocy schodków (oś czasu dzieli się na równe odcinki i wartości sygnału uśrednia się w tych odcinkach) 2 –przy pomocy impulsów (pomiar wartości funkcji w określonych odstępach czasu) 2

1 f

f

t

Dokładność rastrów zależy od gęstości próbkowania.

t

Twierdzenie o odtwarzaniu Je li

tr 

1 2 G

to funkcj można odtworzyć z funkcji rastrowanej

ωG -cz stotliwo ć graniczna górna w funkcji rastrowanej tr –okres rastrowania

Kwantowanie

Polega na przekształceniu zbioru liczb rzeczywistych na przeliczalny zbiór wielokrotności pewnej stałej k zwanej krokiem kwantowania. Poszczególne wielokrotności kroku mogą być zakodowane dwójkowo. Kwantowanie odbywa się do końca lub do środka przedziału. Oś liczb R

k

k

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 11 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2011

Regulatory

2

Przez pojęcie regulatora jako urządzenia rozumie się obecnie aparat, który dodatkowo zawiera urządzenia do nastawiania wartości zadanej (tzw. zadajniki), przełączniki rodzaju pracy regulatora, urządzenia do sterowania ręcznego obiektem oraz mierniki mierzące wartość wielkości istotnych dla procesu regulacji Często regulatory wykonywane, są w postaci dwóch konstrukcyjnie rozdzielonych urządzeń: regulatora i tzw. stacyjki manipulacyjnej. Mierniki, zadajnik, przełącznik rodzaju pracy oraz urządzenie do sterowania ręcznego umieszczane są wówczas w stacyjce manipulacyjnej. Budowane są równie regulatory zawierające urządzenia umo liwiające im współpracę z elektronicznymi maszynami cyfrowymi (komputerami). 3

Schemat blokowy układu regulacji 1 - człon porównujący, 2 - nastawnik wartości zadanej 3 - przełącznik rodzaju pracy, 4 - nastawnik sterowania ręcznego 4

Jednym z wa niejszych zespołów w ka dym regulatorze, jest urządzenie do nastawiania wartości zadanej. Nastawianie, a szczególnie utrzymywanie potrzebnej wartości zadanej, powinno odbywać się z du ą dokładnością. Od dokładności nastawienia wartości zadanej zale y bezpośrednio dokładność regulacji. Przełączniki rodzaju pracy - słu ą do przełączania układu regulacji z pracy automatycznej na sterowanie ręczne i odwrotnie. Przy poło eniu przełącznika pozycji praca automatyczna regulator jest połączony z obiektem, tak jak przedstawiono na rys.1. Po przełączeniu do pozycji sterowanie ręczne regulator odłączony jest od obiektu, a na jego miejsce dołączone jest urządzenie do sterowania ręcznego. Bardzo wa ne jest, aby przy przełączaniu rodzaju pracy sygnał sterujący obiektem nie ulegał zmianie. Zapobiega to powstawaniu zakłóceń w układzie. Spełnienie tego 5 warunku uzyskuje się dzięki specjalnej konstrukcji regulatorów.

Rodzaje regulatorów Najstarszą grupę regulatorów stanowią regulatory nie korzystające z energii pomocniczej,czyli regulatory bezpośredniego działania. Mają one niestety ograniczony zakres zastosowania, poniewa trudno za ich pomocą uzyskać du ą dokładność regulacji. Regulatorami bezpośredniego działania nazywamy regulatory, które energię potrzebną do przestawiania zaworu nastawczego pobierają z procesu regulowanego za pośrednictwem czujnika pomiarowego. Nie wymagają one stosowania dodatkowych ródeł zasilania, np:sprę arki lub pompy olejowej.

6

Regulator pływakowy 1 - pływak, 2,5 -d wignie, 3 - wałek, 4 - cięgło, 6 - zawór 7

Zaletą regulatorów bezpośredniego działania jest prosta i zwarta budowa, oraz wynikająca stąd stosunkowo niska cena i du a niezawodność działania. Jednak zakres ich stosowania ogranicza się do regulacji stałowartościowej o małej dokładności. Wynika to z faktu e w regulatorach tych nie mo na uzyskać działania proporcjonalno-całkowego, oraz proporcjonalno-całkowo-ró niczkowego, jak równie nie mo na uzyskać du ych mocy do napędu zaworów. Regulatory bezpośredniego działania są najczęściej regulatorami proporcjonalnymi Regulatory korzystające z energii pomocniczej dzielą się na; elektryczne pneumatyczne i hydrauliczne. 8

Innym kryterium klasyfikacji regulatorów jest postać sygnału wyjściowego regulatora. Wyró nić mo na regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym i z sygnałem wyjściowym ciągłym. Regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym mogą być dwustawne. Działają one na zasadzie "załączyć-wyłączyć„ zale ne od znaku uchybu regulacji. Regulatory tego typu mają szerokie zastosowanie w urządzeniach powszechnego u ytku szczególnie przy regulacji temperatury. Istota regulacji dwustawnej polega na tym; e na wyjściu regulatora otrzymujemy sygnał, który mo e przyjmować tylko dwa stany nazywane umownie stanami 0 i 1. Stanom tym odpowiada wyłączanie i załączanie dopływu energii lub materiału do obiektu, czyli otwieranie i zamykanie wyłącznika lub zaworu. Taki sposób sterowania mo e być stosowany do obiektów, które oprócz innych właściwości, charakteryzują się istnieniem 9 strat lub odpływu.

Do obiektów takich nale ą np. obiekty cieplne, o temperaturze wyra nie ró niącej się od temperatury otoczenia, zbiorniki i inne. Do sterowania obiektów, które wymagają zmiany kierunku przepływu energii lub materiału (dobrym przykładem mo e być obiekt cieplny, który zale nie od warunków; zewnętrznych powinien być ogrzewany lub chłodzony) potrzebny jest regulator, którego sygnał mo e przyjmować jeszcze jeden trzeci stan. Stan ten oznaczamy symbolem - l, a regulator nazywamy regulatorem trójstawnym. Najprostszym regulatorem dwustawnym jest taki, w którym element o charakterystyce przeka nikowej jest przełączany sygnałem uchybu (odchyłki regulacji). Zgodne z przyjętą zasadą na charakterystyce statycznej elementu przeka nikowego oznaczono przez 0 stan wyłączenia, a przez 1 stan załączenia 10

Schemat blokowy regulatora dwustawnego 1 - nadajnik wartości zadanej, 2 -element dwustanowy h - szerokość pętli histerezy 11

Regulator trójstawny otrzymamy na podobnej zasadzie, doprowadzając sygnał uchybu do trójstanowego elementu przeka nikowego.

Schemat blokowy regulatora trójstawnego z elementem trzystanowym

12

W rozwiązaniach praktycznych często zamiast elementu trójstanowego stosowane są dwa elementy dwustanowe (rys.4 ), z charakterystykami przesuniętymi w taki sposób, aby po zsumowaniu mo na było otrzymać charakterystykę elementu trójstanowego.

Schemat blokowy regulatora trójstawnego z dwoma elementami dwustanowymi

13

Regulatory dwustawne, ze względu na swoją prostotę, są stosowane powszechnie w wielu ró nych dziedzinach, poczynając od sprzętu gospodarstwa.domowego.Dobrym przykładem takiego właśnie regulatora dwustawnego jest regulator temperatury (zwany te termostatem) elazka do prasowania . Elementem pomiarowym i jednocześnie przełączającym jest taśma bimetaliczna,która powstaje przez sprasowanie dwóch taśm, wykonanych z metali ró niących się znacznie wartościami współczynnika rozszerzalności cieplnej. Przy wzroście temperatury taśma odkształca się, wygina się w kierunku warstwy o mniejszym współczynniku rozszerzalności. Oznacza to, e w elemencie przedstawionym na rysunkach przy wzroście temperatury koniec taśmy będzie się przesuwał do dołu. Przy określonej wartości temperatury odkształcenie taśmy osiągnie wartość, przy której styki zostaną rozwarte i obwód zasilania elazka zostanie przerwany, elazko zostanie wyłączone. 14

Gdy temperatura elazka obni y się, obwód zostanie zamknięty elazko zostanie załączone. elazko będzie więc załączane, gdy jego temperatura będzie ni sza od nastawionej (zadanej) i wyłączane, gdy będzie wy sza.Nastawianie wartości zadanej odbywa się przez zmianę poło enia śruby regulacyjnej, zmieniającej poło enie górnego styku. Im bardziej zostanie wkręcona śruba regulacyjna, tym większe musi być odkształcenie taśmy bimetalicznej (tym wy sza temperatura), aby nastąpiło wyłączenie grzejnika.

15

16

W termoregulatorze styki są zwierane i rozwierane bezpośrednio przez element bimetaliczny. Powoduje to bardzo powolne rozwieranie zwieranie obwodu, prowadzące do iskrzenia i zu ywania się styków.Ponadto, poniewa występuje zjawisko sklejania się styków, więc zarówno punkty przełączania jak i szerokość pętli histerezy na charakterystyce statycznej podlegają znacznym wahaniom.

Termoregulator bimetalowy z bezpośrednim załączaniem obwodu

17

Znacznie korzystniej przebiega proces przełączania w termoregulatorze przedstawionym poni ej, w którym styk został przeniesiony z taśmy bimetalicznej na element przestawiany migowo pod naciskiem tej taśmy

Termoregulator bimetalowy z załącznikiem migowym. A - materiał o małym współczynniku rozszerzalności cieplnej B - materiał o du ym współczynniku rozszerzalności cieplnej18

Układ regulacji temperatury z regulatorem trójstawnym 1 - grzejnik, 2 - chłodnica, 3 - czujnik temperatury, A - przeka nik B - elektromagnes

19

Przebiegi w układach z regulatorami dwustawnymi i trójstawnymi Zobaczmy teraz, jakich rezultatów mo emy oczekiwać stosując regulatory dwustawne do regulacji temperatury. Stwierdzenie, e chodzi o regulację temperatury ma tu znaczenie o tyle, e określa charakterystykę obiektów - jak wiadomo obiekty cieplne nale ą do klasy obiektów inercyjnych z opó nieniem. Otrzymane wyniki będą oczywiście wa ne równie dla układów regulacji innych wielkości z obiektami tej samej klasy.

20

Przebiegi wielkości regulowanej w układzie regulacji dwustawnej

1-przy małej wartości zadanej 01, 2- przy du ej wartości zadanej 02  - temperatura, U-napięcie zasilania grzejnika, hszerokość pętli histerezy, T0-opó nienie obiektu, T-stała czasowa 21

Z wykresów przedstawionych na rys. 8 widać tak e zale ność przebiegu temperatury w obiekcie od wartości zadanej. Gdy wartość zadana jest du a - bliska wartości, jaką mo na uzyskać włączając grzejnik na stałe (wartości maksymalnej; rys. 8 krzywa 2), wówczas wzrastanie temperatury jest powolne; a malenie szybkie. Wobec tego po wyłączeniu grzejnika temperatura w obiekcie w ciągu czasu To zdą y wzrosnąć mniej ni wyniesie obni enie temperatury po załączeniu grzejnika, równie w ciągu czasu To. Okresy czasu, kiedy temperatura jest ni sza od wartości o i grzejnik jest załączony, są dłu sze ni okresy, kiedy temperatura jest wy sza od wartości o i grzejnik jest wyłączony. Gdybyśmy obliczyli wartość średnią temperatury w obiekcie, to okazałoby się, e jest ona ni sza ni wartość zadana. 22

Gdy wartość zadana jest niewielka (krzywa 1), wówczas wzrastanie temperatury jest szybkie, a malenie wolne. Okresy załączania grzejnika są krótkie, a wyłączenia - długie, wartość średnia temperatury jest wy sza ni wartość zadana. Grupę pośrednią między regulatorami z sygnałem wyjściowym nieciągłym a regulatorami z sygnałem wyjściowym ciągłym stanowią regulatory krokowe trójstawne z korekcją. Sygnał otrzymywany na wyjściu tych regulatorów jest nie ciągły - mo e przyjmować tylko trzy wartości. Je eli jednak regulator zostanie połączony z silnikiem nawrotnym jako z członem wykonawczym to wielkość nastawiającą (np. poło enie przepustnicy) będzie się zmieniała w sposób ciągły i działanie regulatora będzie zbli one do działania regulatora z sygnałem wyjściowym ciągłym. Regulatory dwustawne i trójstawne są budowane prawie wyłącznie jako regulatory elektryczne. 23

Wraz z szerokim rozpowszechnieniem mikrokomputerów pojawiła się nowa, klasa regulatorów: regulatory cyfrowe. Regulatory cyfrowe początkowo były realizowane jako podprogramy w du ych komputerach sterujących procesami, obecnie są budowane jako wyodrębnione aparaty tablicowe. W regulatorach cyfrowych sygnał wyjściowy jest obliczany przez program umieszczony w pamięci regulatora. Przez zmianę programu mo na zmienić rodzaj regulatora. Drugą wa ną cechą regulatora cyfrowego jest fakt, e zarówno wprowadzanie danych pomiarowych, jak i zmiany sygnału -wyjściowego odbywają się w określonych chwilach czasowych. Sygnały wejściowe muszą być przetwarzane przez przetworniki analogowo-cyfrowe, a sygnały wyjściowe przez przetworniki cyfrowo-analogowe. 24

Najliczniejszą, najbardziej uniwersalną grupę stanowią regulatory z sygnałem wyjściowym ciągłym. W tej grupie budowane są regulatory elektryczne (analogowe i cyfrowe), pneumatyczne i hydrauliczne. W zale ności od sposobu kształtowania sygnału wyjściowego mogą to być regulatory typu P, PI, PD bąd PID, czyli proporcjonalne, proporcjonalno-całkowe, proporcjonalno-ró niczkowe lub proporcjonalno-całkowo-ró niczkowe.

25

Typy regulatorów Regulator proporcjonalny typu P Zastosowanie regulatora proporcjonalnego - zmniejsza wpływ zakłóceń, nie eliminuje ich jednak całkowicie - uchyb w układzie z regulatorem proporcjonalnym jest proporcjonalny do wartości zakłóceń i w przybli eniu odwrotnie proporcjonalny do wzmocnienia regulatora - regulator proporcjonalny jest członem bezinercyjnym; ma więc charakterystykę skokową przedstawioną na rys. 9

Odpowied skokowa regulatora proporcjonalnego

26

Wzmocnienie regulatora proporcjonalnego jest oznaczane symbolem Kp. Najczęściej jednak stosowane jest pojęcie zakresu proporcjonalności, tzn. odwrotności wzmocnienia, wyra onej w procentach: xp=(1/Kp )*100 Pochodzenie nazwy zakres proporcjonalności wyjaśnimy na przykładzie: Załó my, e wzmocnienie regulatora Kp = 5, wówczas zakres proporcjonalności xp = 20%. Oznacza to, e proporcjonalność między sygnałem wyjściowym i wejściowym regulatora jest zachowana przy zmianach sygnału wejściowego w granicach 20%. Dla większego zakresu zmian sygnału wejściowego zachowanie proporcjonalności nie jest mo liwe, bo sygnał wyjściowy regulatora nie mo e być ani większy ni 100%, ani mniejszy ni 0%. Przy większym ni 20% zakresie zmian sygnału wejściowego regulator wejdzie w nasycenie. 27

W układzie z regulatorem proporcjonalnym dokładność regulacji jest tym większa, im większe jest wzmocnienie. Dla uzyskania uchybu zerowego nale ałoby zastosować regulator o bardzo du ym teoretycznie rzecz biorąc nieskończenie wielkim wzmocnieniu. Wzmocnienie regulatora jest jednak ograniczone warunkami stabilności układu

28

Regulatory o działaniu ciągłym Regulator proporcjonalny P

xr  k  ye 100 % ZP k Transmitancja taka jak dla elementu proporcjonalnego

Gr (s)  k 29

Charakterystyka czasowa regulatora P x

1

t y

gdzie: 1 – charakterystyka teoretyczna 2 – charakterystyka rzeczywista

1

2

k

t

30

Regulator całkowy (typu I) Właściwości elementu całkującego pozwalają, w wypadku u ycia go jako, regulatora, sprowadzić do zera uchyb regulacji. Regulator całkowy ma jednak istotne wady: powoduje znaczne wydłu enie (w stosunku do układu z regulatorem proporcjonalnym) czasu regulacji i łatwo prowadzi do niestabilności układu, w który pracuje.

31

Regulator całkujący I t

x t)ky t)dt r( e( 0

x s) k r(  G s) r( y s) s e( błąd regulacji w stanie ustalonym

(ye )ust  0

32

Charakterystyka czasowa regulatora I xr

1

t ye

t

33

Wydłu enie czasu regulacji wynika stąd, e w chwili zmiany wartości uchybu sygnał wyjściowy regulatora nie zmienia się tak jak to było w regulatorze proporcjonalnym. Dopiero po czasie równym stałej czasowej całkowania zmiana wartości sygnału wyjściowego regulatora będzie taka, jaką na wyjściu regulatora proporcjonalnego otrzymalibyśmy w chwili zmiany wartości uchybu. Regulator proporcjonalno-całkowy (typu PI) Niezadowalające wyniki regulacji w układach z regulatorami proporcjonalnymi oraz całkowymi były powodem opracowania regulatorów bardziej zło onych. Przez połączenie elementów typu P oraz I powstał regulator proporcjonalno- -całkowy (typu PI), łączący w sobie zalety obu omawianych regulatorów podstawowych. Dzięki zastosowaniu w regulatorach typu PI elementu całkującego; uchyb ustalony w układach z takimi regulatorami mo e być sprowadzony do zera. Czas regulacji w układach z regulatorami typu PI jest wprawdzie dwukrotnie dłu szy ni w układach z regulatorami typu P, ale jest znacznie krótszy ni , w układach z regulatorami typu I. 34

a)

b)

Regulator proporcjonalno-całkowy: a) schemat blokowy b) odpowied skokowa 35

Regulator proporcjonalno – całkujący PI

1 G s ) k ( 1  ) r( T is t   1   x ( t ) k y ( t ) y ( t ) dt   r e e T i0   Równanie charakterystyki czasowej dla wymuszenia skokowego jednostkowego

t xr (t)  k[1 (t )  ] Ti

36

Charakterystyka czasowa regulatora PI ye

1 t

xr

k

k

t Ti

37

Regulator proporcjonalno – ró niczkujący PD

G s ) k ( 1  T ) r( ds dy  e x t) k y T r( e d   dt   Równanie charakterystyki czasowej dla wymuszenia skokowego jednostkowego

1( d t) T ] k [1(t)Td(t)] xr (t)  k[1(t) d dt

38

Charakterystyka czasowa regulatora PD ye

ye

1 t

t

xr

xr

kTd

k

kTd

t

t Td

39

Regulator proporcjonalno-całkowo-ró niczkowy typu PID) Regulator typu PID jest najbardziej uniwersalnym typem regulatora, dającym przy odpowiednim zakresie zmian nastaw mo liwość dostosowania się do wymagań ró nych obiektów. Jak widać z rys. 11 regulator typu PID powstaje przez dołączenie do regulatora typu PI elementu ró niczkującego (elementu typu D). Na podstawie schematu blokowego mo na napisać wzór podający zale ność między wielkością wyjściową regulatora a uchybem.

 d  1 y(t )  Kp     ( )d  Td  T0 dt   1

40

Oraz transmitancję operatorową

  1 G( s)  K p 1   Td s  ( s)  Ti s 

41

Regulator proporcjonalno-całkowo-ró niczkowy: a) schemat blokowy; b) odpowied skokowa 42

Regulator PID 1 G ( s )  k ( 1   T s ) r d T s i t  1  dy e x t k y y dt T    ( )   r e e d dt i0  T 

Równanie charakterystyki czasowej dla wymuszenia skokowego jednostkowego

t xr (t)  k[1 (t) Td(t)] T i

Dla wymuszenia liniowego

 12  x ( t ) k t t  T r d   T i  2  43

Charakterystyka czasowa regulatora PID ye

1 t xr

t 44

Nastawy regulatorów Regulatory typu P; PI, PID są produkowane jako uniwersalne. Oznacza to, e mogą być stosowane w układach regulacji ró nych wielkości w ró nego rodzaju obiektach. W zale ności od statycznych i dynamicznych parametrów obiektów będą się zmieniały wymagania co do wartości parametrów regulatorów. W regulatorach uniwersalnych wartości poszczególnych parametrów mo na nastawiać za pomocą odpowiednich pokręteł zaopatrzonych w podziałki. Zakres zmian parametrów (nastaw) powinien umo liwiać dostrajanie regulatorów do wymagań ró nych obiektów. W produkowanych obecnie regulatorach uniwersalnych stosowane są najczęściej następujące zakresy zmian poszczególnych parametrów: - zakresu proporcjonalności xp =1/kp* 100 w granicach 3-400%; - czasu zdwojenia Ti w granicach 3 s - 30 min; - czasu wyprzedzenia Td w granicach 0-15 min. 45

46

Urządzenia zawierające układ pomiarowy, właściwy regulator i organ wykonawczy, które do działania nie potrzebują energii zasilającej (gdy pobierają ją z procesu regulowanego za pośrednictwem układu pomiarowego), nazywa się regulatorami bezpośredniego działania. Regulatory te wykonuje się zarówno jako regulatory dwustawne, jak i o działaniu ciągłym. Oprócz podstawowych regulatorów PI (PID) produkuje się regulatory ,które otrzymują sygnał (analogowy) o wartości zadanej z zewnątrz, np. z drugiego regulatora połączonego w układzie kaskadowym. Regulatory dwustawne, trójstawne i krokowe produkuje się m.in. w standardach zbli onych do regulatorów ciągłych. Dotyczy to w szczególności regulatorów cyfrowych z mikroprocesorem. Rozró nia się wiele rodzajów regulatorów dwustawnych i trójstawnych, które są przeznaczone do obsługi konkretnych procesów (np. do zamra arek lub urządzeń ciepłowniczych).

47

RMB-10S  Dane techniczne:

Napięcie zasilania: Us=230 V (+10%, -15%), 50 / 60 Hz, max. 4VA Zakres napięcia: pomiarowegoUp=100...500 V, 50 / 60Hz, Znamionowy prąd pomiarowy: In = 5 A Pobór mocy obwodu prądowego :max 0,5 VA Zakres zmian prądu pomiarowego: 0.01... 1.2 In długotrwale Zakres nastawy cos fi:0.5ind...1,0...0,5poj. (co 0,01) Obciążalność każdego wyjścia :2A , 250 V , 500VA

48

ELEKTRYCZNE REGULATORY DWUSTANOWE POZIOMU ERH-…-16

DANE TECHNICZNE : Zakres pomiarowy: 10; 20; 30mm Powtarzalność :±15% Masa :2 kg Ciśnienie statyczne czynnika: 4 MPa Dopuszczalna temperatura czynnika:250°C Temperatura otoczenia: -25…+70°C Stopień ochrony obudowy: IP 66 Minimalna gęstość cieczy: 0,6 x 10-3kg/cm3

49

B T K - 0 1 grzejny regulator temperatury  DANE TECHNICZNE :

Rodzaj wejścia: półprzewodnikowy czujnik temperatury (oferowany w komplecie z regulatorem) - typowa długość kabla : 2 mb ) Rodzaj wyjścia: przekaźnik , zestyk 5 A / 250V~ Rozdzielczo: 1 oC Dokładność: +/- 0,5 oC Wymiary obudowy: 90 x 47 x 110 mm Zasilanie:220V, 50Hz (ew. 12= lub 24V~)

50

T R - 5 0 W grzejny regulator temperatury  DANE TECHNICZNE : Zakres regulacji temp: 5...95oC Napięcie zasilania :220V/50Hz +/10% Pobór mocy:< 1,5 W Zakres temp. pracy :-10oC do 50oC Strefa histerezy: 1oC Max. długość przew. czujnika :10 m Czas pamiętania nastaw: > 50 lat Wyjście :220V/50Hz

51

BTCK - 01 trój stawny regulator temperatury do klimatyzacji  DANE TECHNICZNE

Rodzaj wejścia: krzemowy czujnik temperatury TP102J 1k Rodzaj wyjścia :2 przekaźniki RM-96, zestyki 8A/250V~ Zakres temperatur:17 ... 25 oC (lub inny, wg ustaleń) Dokładność nastawy: (t1 ) +/- 0.5 oC Okno D T typowo : 2 oC Histerezy DT1, DT2 typowo : 1 oC Obudowa pokojowa:BOPLA "Elegant" Zasilanie :24 V ~

52

BTC-02 chłodniczy regulator temperatury

 DANE TECHNICZNE :

Rodzaj wejścia: półprzewodnikowy czujnik temperatury (oferowany w komplecie z regulatorem) - typowa długość kabla : 2 mb ) Zakres temperatur : od -30 oC do +10 oC (lub wg ustaleń) Rozdzielczość: 1 oC Dokładność :+/- 0,5 oC Wymiary obudowy: 90 x 47 x 110 mm Zasilanie: 220V, 50Hz (ew. 12= lub 24V~)

53

CYFROWE REGULATORYTEMPERATURY RGT205A  DANE TECHNICZNE:

Charakterystyka regulacji:ON-OFF , P , PD Rodzaj czujnika:termoelement Fe-CuNi-J Pomiar:cyfrowy Błąd podstawowy:1% zakresu regulacji Zakres proporcjonalności:3-5% Częstotliwość łączeń:3 - 7 cykli/min Zakres nastawy temperatur: 0-300st.C (0-100;50-350st.C) Histereza:1% Obciążalność:220V AC/5A,lub współpraca z przekaźnikami elektronicznymi.

54

UNIWERSALNY REGULATOR TEMPERATURY - UR11 UR11 mo e regulować temperaturę w zakresie od 0 do 999 °C w zale ności od zastosowanego typu czujnika. Przystosowany jest do czujników temperatury PT100 lub termopar. Regulator zasilany jest bezpośrednio z sieci 220V, 50Hz. Posiada wbudowany przeka nik przełączny o dwóch zestykach. Ka dy zestyk mo e przełączać prąd 6A i napięcie 220V AC. Metalowa obudowa urządzenia ma wymiary 90x90x75 mm i płytę czołową 96x96 mm. Zakres temperatur pracy urządzenia wynosi od 0 do 70 °C.

55

REGULATOR MIKROPROCESOROWY URM11

 Dane techniczne:

Wejścia: Termometr oporowyPt100 Wyjście: Stykowe 5A/250VAC, obciążenie rezystancyjne Programowanie: Sposób programowania Z klawiatury 2 klawisze, 2 tryby pracy: programowanie, normalna praca Zasilanie: Napięcie170 - 250 VAC, 24VAC Pobierana moc :4VA Temperatura pracy: 0 - 45 °C Wilgotność: 80% bez kondensacji Rozmiary : WxSxG (48x96x90mm)

56

Regulatory ró nicy ciśnień bezpośredniego działania Regulatory różnicy ciśnień bezpośredniego działania stosowane są w instalacjach ciepłowniczych i przemysłowych. Przeznaczone są do regulacji zadanej różnicy ciśnień (?p) w przedziale od 10 do 700 kPa. Stosowane są do wody zimnej, gorącej, pary wodnej (do temperatury 200oC dla regulatorów RCB i do 150oC dla regulatorów RCBm) oraz gazów niepalnych do temperatury 80oC.

57

Regulatory różnicy ciśnień upustowe bezpośredniego działania Regulatory różnicy ciśnień upustowe bezpośredniego działania stosowane są w instalacjach ciepłowniczych i przemysłowych. Montuje się je w przewodach obejściowych i utrzymują stałą wartość różnicy ciśnień (?p) w przedziale od 10 do 700 kPa odpowiednio do wartości zadanej. Przeznaczone są do wody zimnej, gorącej, pary wodnej (do temperatury 200oC dla regulatorów RCUB i do 150oC dla regulatorów RCUBm) oraz gazów niepalnych do temperatury 80oC.

58

Regulatory ciśnienia upustowe bezpośredniego działania Regulatory ciśnienia upustowe bezpośredniego działania stosowane są w instalacjach ciepłowniczych i przemysłowych. Montuje się je w przewodach obejściowych i utrzymują stałą wartość ciśnienia (?p) w przedziale od 10 do 700 kPa przed regulatorem odpowiednio do wartości zadanej. Przeznaczone są do wody zimnej, gorącej, pary wodnej (do temperatury 200oC dla regulatorów RCRUB i do 150oC dla regulatorów RCRUBm) oraz gazów niepalnych do temperatury 80oC.

59

Dziękuję 60

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Rolniczej

Automatyka Wykład 13 Dr hab. inż. Deta Łuczycka ( [email protected] )

Wrocław 2011

Regulatory

2

Przez pojęcie regulatora jako urządzenia rozumie się obecnie aparat, który dodatkowo zawiera urządzenia do nastawiania wartości zadanej (tzw. zadajniki), przełączniki rodzaju pracy regulatora, urządzenia do sterowania ręcznego obiektem oraz mierniki mierzące wartość wielkości istotnych dla procesu regulacji Często regulatory wykonywane, są w postaci dwóch konstrukcyjnie rozdzielonych urządzeń: regulatora i tzw. stacyjki manipulacyjnej. Mierniki, zadajnik, przełącznik rodzaju pracy oraz urządzenie do sterowania ręcznego umieszczane są wówczas w stacyjce manipulacyjnej. Budowane są równie regulatory zawierające urządzenia umo liwiające im współpracę z elektronicznymi maszynami cyfrowymi (komputerami). 3

Schemat blokowy układu regulacji 1 - człon porównujący, 2 - nastawnik wartości zadanej 3 - przełącznik rodzaju pracy, 4 - nastawnik sterowania ręcznego 4

Jednym z wa niejszych zespołów w ka dym regulatorze, jest urządzenie do nastawiania wartości zadanej. Nastawianie, a szczególnie utrzymywanie potrzebnej wartości zadanej, powinno odbywać się z du ą dokładnością. Od dokładności nastawienia wartości zadanej zale y bezpośrednio dokładność regulacji. Przełączniki rodzaju pracy - słu ą do przełączania układu regulacji z pracy automatycznej na sterowanie ręczne i odwrotnie. Przy poło eniu przełącznika pozycji praca automatyczna regulator jest połączony z obiektem, tak jak przedstawiono na rys.1. Po przełączeniu do pozycji sterowanie ręczne regulator odłączony jest od obiektu, a na jego miejsce dołączone jest urządzenie do sterowania ręcznego. Bardzo wa ne jest, aby przy przełączaniu rodzaju pracy sygnał sterujący obiektem nie ulegał zmianie. Zapobiega to powstawaniu zakłóceń w układzie. Spełnienie tego 5 warunku uzyskuje się dzięki specjalnej konstrukcji regulatorów.

Rodzaje regulatorów Najstarszą grupę regulatorów stanowią regulatory nie korzystające z energii pomocniczej,czyli regulatory bezpośredniego działania. Mają one niestety ograniczony zakres zastosowania, poniewa trudno za ich pomocą uzyskać du ą dokładność regulacji. Regulatorami bezpośredniego działania nazywamy regulatory, które energię potrzebną do przestawiania zaworu nastawczego pobierają z procesu regulowanego za pośrednictwem czujnika pomiarowego. Nie wymagają one stosowania dodatkowych ródeł zasilania, np:sprę arki lub pompy olejowej.

6

Regulator pływakowy 1 - pływak, 2,5 -d wignie, 3 - wałek, 4 - cięgło, 6 - zawór 7

Zaletą regulatorów bezpośredniego działania jest prosta i zwarta budowa, oraz wynikająca stąd stosunkowo niska cena i du a niezawodność działania. Jednak zakres ich stosowania ogranicza się do regulacji stałowartościowej o małej dokładności. Wynika to z faktu e w regulatorach tych nie mo na uzyskać działania proporcjonalno-całkowego, oraz proporcjonalno-całkowo-ró niczkowego, jak równie nie mo na uzyskać du ych mocy do napędu zaworów. Regulatory bezpośredniego działania są najczęściej regulatorami proporcjonalnymi Regulatory korzystające z energii pomocniczej dzielą się na; elektryczne pneumatyczne i hydrauliczne. 8

Innym kryterium klasyfikacji regulatorów jest postać sygnału wyjściowego regulatora. Wyró nić mo na regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym i z sygnałem wyjściowym ciągłym. Regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym mogą być dwustawne. Działają one na zasadzie "załączyć-wyłączyć„ zale ne od znaku uchybu regulacji. Regulatory tego typu mają szerokie zastosowanie w urządzeniach powszechnego u ytku szczególnie przy regulacji temperatury. Istota regulacji dwustawnej polega na tym; e na wyjściu regulatora otrzymujemy sygnał, który mo e przyjmować tylko dwa stany nazywane umownie stanami 0 i 1. Stanom tym odpowiada wyłączanie i załączanie dopływu energii lub materiału do obiektu, czyli otwieranie i zamykanie wyłącznika lub zaworu. Taki sposób sterowania mo e być stosowany do obiektów, które oprócz innych właściwości, charakteryzują się istnieniem 9 strat lub odpływu.

Do obiektów takich nale ą np. obiekty cieplne, o temperaturze wyra nie ró niącej się od temperatury otoczenia, zbiorniki i inne. Do sterowania obiektów, które wymagają zmiany kierunku przepływu energii lub materiału (dobrym przykładem mo e być obiekt cieplny, który zale nie od warunków; zewnętrznych powinien być ogrzewany lub chłodzony) potrzebny jest regulator, którego sygnał mo e przyjmować jeszcze jeden trzeci stan. Stan ten oznaczamy symbolem - l, a regulator nazywamy regulatorem trójstawnym. Najprostszym regulatorem dwustawnym jest taki, w którym element o charakterystyce przeka nikowej jest przełączany sygnałem uchybu (odchyłki regulacji). Zgodne z przyjętą zasadą na charakterystyce statycznej elementu przeka nikowego oznaczono przez 0 stan wyłączenia, a przez 1 stan załączenia 10

Schemat blokowy regulatora dwustawnego 1 - nadajnik wartości zadanej, 2 -element dwustanowy h - szerokość pętli histerezy 11

Regulator trójstawny otrzymamy na podobnej zasadzie, doprowadzając sygnał uchybu do trójstanowego elementu przeka nikowego.

Schemat blokowy regulatora trójstawnego z elementem trzystanowym

12

W rozwiązaniach praktycznych często zamiast elementu trójstanowego stosowane są dwa elementy dwustanowe (rys.4 ), z charakterystykami przesuniętymi w taki sposób, aby po zsumowaniu mo na było otrzymać charakterystykę elementu trójstanowego.

Schemat blokowy regulatora trójstawnego z dwoma elementami dwustanowymi

13

Regulatory dwustawne, ze względu na swoją prostotę, są stosowane powszechnie w wielu ró nych dziedzinach, poczynając od sprzętu gospodarstwa.domowego.Dobrym przykładem takiego właśnie regulatora dwustawnego jest regulator temperatury (zwany te termostatem) elazka do prasowania . Elementem pomiarowym i jednocześnie przełączającym jest taśma bimetaliczna,która powstaje przez sprasowanie dwóch taśm, wykonanych z metali ró niących się znacznie wartościami współczynnika rozszerzalności cieplnej. Przy wzroście temperatury taśma odkształca się, wygina się w kierunku warstwy o mniejszym współczynniku rozszerzalności. Oznacza to, e w elemencie przedstawionym na rysunkach przy wzroście temperatury koniec taśmy będzie się przesuwał do dołu. Przy określonej wartości temperatury odkształcenie taśmy osiągnie wartość, przy której styki zostaną rozwarte i obwód zasilania elazka zostanie przerwany, elazko zostanie wyłączone. 14

Gdy temperatura elazka obni y się, obwód zostanie zamknięty elazko zostanie załączone. elazko będzie więc załączane, gdy jego temperatura będzie ni sza od nastawionej (zadanej) i wyłączane, gdy będzie wy sza.Nastawianie wartości zadanej odbywa się przez zmianę poło enia śruby regulacyjnej, zmieniającej poło enie górnego styku. Im bardziej zostanie wkręcona śruba regulacyjna, tym większe musi być odkształcenie taśmy bimetalicznej (tym wy sza temperatura), aby nastąpiło wyłączenie grzejnika.

15

16

W termoregulatorze styki są zwierane i rozwierane bezpośrednio przez element bimetaliczny. Powoduje to bardzo powolne rozwieranie zwieranie obwodu, prowadzące do iskrzenia i zu ywania się styków.Ponadto, poniewa występuje zjawisko sklejania się styków, więc zarówno punkty przełączania jak i szerokość pętli histerezy na charakterystyce statycznej podlegają znacznym wahaniom.

Termoregulator bimetalowy z bezpośrednim załączaniem obwodu

17

Znacznie korzystniej przebiega proces przełączania w termoregulatorze przedstawionym poni ej, w którym styk został przeniesiony z taśmy bimetalicznej na element przestawiany migowo pod naciskiem tej taśmy

Termoregulator bimetalowy z załącznikiem migowym. A - materiał o małym współczynniku rozszerzalności cieplnej B - materiał o du ym współczynniku rozszerzalności cieplnej18

Układ regulacji temperatury z regulatorem trójstawnym 1 - grzejnik, 2 - chłodnica, 3 - czujnik temperatury, A - przeka nik B - elektromagnes

19

Przebiegi w układach z regulatorami dwustawnymi i trójstawnymi Zobaczmy teraz, jakich rezultatów mo emy oczekiwać stosując regulatory dwustawne do regulacji temperatury. Stwierdzenie, e chodzi o regulację temperatury ma tu znaczenie o tyle, e określa charakterystykę obiektów - jak wiadomo obiekty cieplne nale ą do klasy obiektów inercyjnych z opó nieniem. Otrzymane wyniki będą oczywiście wa ne równie dla układów regulacji innych wielkości z obiektami tej samej klasy.

20

Przebiegi wielkości regulowanej w układzie regulacji dwustawnej

1-przy małej wartości zadanej 01, 2- przy du ej wartości zadanej 02  - temperatura, U-napięcie zasilania grzejnika, hszerokość pętli histerezy, T0-opó nienie obiektu, T-stała czasowa 21

Z wykresów przedstawionych na rys. 8 widać tak e zale ność przebiegu temperatury w obiekcie od wartości zadanej. Gdy wartość zadana jest du a - bliska wartości, jaką mo na uzyskać włączając grzejnik na stałe (wartości maksymalnej; rys. 8 krzywa 2), wówczas wzrastanie temperatury jest powolne; a malenie szybkie. Wobec tego po wyłączeniu grzejnika temperatura w obiekcie w ciągu czasu To zdą y wzrosnąć mniej ni wyniesie obni enie temperatury po załączeniu grzejnika, równie w ciągu czasu To. Okresy czasu, kiedy temperatura jest ni sza od wartości o i grzejnik jest załączony, są dłu sze ni okresy, kiedy temperatura jest wy sza od wartości o i grzejnik jest wyłączony. Gdybyśmy obliczyli wartość średnią temperatury w obiekcie, to okazałoby się, e jest ona ni sza ni wartość zadana. 22

Gdy wartość zadana jest niewielka (krzywa 1), wówczas wzrastanie temperatury jest szybkie, a malenie wolne. Okresy załączania grzejnika są krótkie, a wyłączenia - długie, wartość średnia temperatury jest wy sza ni wartość zadana. Grupę pośrednią między regulatorami z sygnałem wyjściowym nieciągłym a regulatorami z sygnałem wyjściowym ciągłym stanowią regulatory krokowe trójstawne z korekcją. Sygnał otrzymywany na wyjściu tych regulatorów jest nie ciągły - mo e przyjmować tylko trzy wartości. Je eli jednak regulator zostanie połączony z silnikiem nawrotnym jako z członem wykonawczym to wielkość nastawiającą (np. poło enie przepustnicy) będzie się zmieniała w sposób ciągły i działanie regulatora będzie zbli one do działania regulatora z sygnałem wyjściowym ciągłym. Regulatory dwustawne i trójstawne są budowane prawie wyłącznie jako regulatory elektryczne. 23

Wraz z szerokim rozpowszechnieniem mikrokomputerów pojawiła się nowa, klasa regulatorów: regulatory cyfrowe. Regulatory cyfrowe początkowo były realizowane jako podprogramy w du ych komputerach sterujących procesami, obecnie są budowane jako wyodrębnione aparaty tablicowe. W regulatorach cyfrowych sygnał wyjściowy jest obliczany przez program umieszczony w pamięci regulatora. Przez zmianę programu mo na zmienić rodzaj regulatora. Drugą wa ną cechą regulatora cyfrowego jest fakt, e zarówno wprowadzanie danych pomiarowych, jak i zmiany sygnału -wyjściowego odbywają się w określonych chwilach czasowych. Sygnały wejściowe muszą być przetwarzane przez przetworniki analogowo-cyfrowe, a sygnały wyjściowe przez przetworniki cyfrowo-analogowe. 24

Najliczniejszą, najbardziej uniwersalną grupę stanowią regulatory z sygnałem wyjściowym ciągłym. W tej grupie budowane są regulatory elektryczne (analogowe i cyfrowe), pneumatyczne i hydrauliczne. W zale ności od sposobu kształtowania sygnału wyjściowego mogą to być regulatory typu P, PI, PD bąd PID, czyli proporcjonalne, proporcjonalno-całkowe, proporcjonalno-ró niczkowe lub proporcjonalno-całkowo-ró niczkowe.

25

Typy regulatorów Regulator proporcjonalny typu P Zastosowanie regulatora proporcjonalnego - zmniejsza wpływ zakłóceń, nie eliminuje ich jednak całkowicie - uchyb w układzie z regulatorem proporcjonalnym jest proporcjonalny do wartości zakłóceń i w przybli eniu odwrotnie proporcjonalny do wzmocnienia regulatora - regulator proporcjonalny jest członem bezinercyjnym; ma więc charakterystykę skokową przedstawioną na rys. 9

Odpowied skokowa regulatora proporcjonalnego

26

Wzmocnienie regulatora proporcjonalnego jest oznaczane symbolem Kp. Najczęściej jednak stosowane jest pojęcie zakresu proporcjonalności, tzn. odwrotności wzmocnienia, wyra onej w procentach: xp=(1/Kp )*100 Pochodzenie nazwy zakres proporcjonalności wyjaśnimy na przykładzie: Załó my, e wzmocnienie regulatora Kp = 5, wówczas zakres proporcjonalności xp = 20%. Oznacza to, e proporcjonalność między sygnałem wyjściowym i wejściowym regulatora jest zachowana przy zmianach sygnału wejściowego w granicach 20%. Dla większego zakresu zmian sygnału wejściowego zachowanie proporcjonalności nie jest mo liwe, bo sygnał wyjściowy regulatora nie mo e być ani większy ni 100%, ani mniejszy ni 0%. Przy większym ni 20% zakresie zmian sygnału wejściowego regulator wejdzie w nasycenie. 27

W układzie z regulatorem proporcjonalnym dokładność regulacji jest tym większa, im większe jest wzmocnienie. Dla uzyskania uchybu zerowego nale ałoby zastosować regulator o bardzo du ym teoretycznie rzecz biorąc nieskończenie wielkim wzmocnieniu. Wzmocnienie regulatora jest jednak ograniczone warunkami stabilności układu

28

Regulatory o działaniu ciągłym Regulator proporcjonalny P

xr  k  ye 100 % ZP k Transmitancja taka jak dla elementu proporcjonalnego

Gr (s)  k 29

Charakterystyka czasowa regulatora P x

1

t y

gdzie: 1 – charakterystyka teoretyczna 2 – charakterystyka rzeczywista

1

2

k

t

30

Regulator całkowy (typu I) Właściwości elementu całkującego pozwalają, w wypadku u ycia go jako, regulatora, sprowadzić do zera uchyb regulacji. Regulator całkowy ma jednak istotne wady: powoduje znaczne wydłu enie (w stosunku do układu z regulatorem proporcjonalnym) czasu regulacji i łatwo prowadzi do niestabilności układu, w który pracuje.

31

Regulator całkujący I t

x t)ky t)dt r( e( 0

x s) k r(  G s) r( y s) s e( błąd regulacji w stanie ustalonym

(ye )ust  0

32

Charakterystyka czasowa regulatora I xr

1

t ye

t

33

Wydłu enie czasu regulacji wynika stąd, e w chwili zmiany wartości uchybu sygnał wyjściowy regulatora nie zmienia się tak jak to było w regulatorze proporcjonalnym. Dopiero po czasie równym stałej czasowej całkowania zmiana wartości sygnału wyjściowego regulatora będzie taka, jaką na wyjściu regulatora proporcjonalnego otrzymalibyśmy w chwili zmiany wartości uchybu. Regulator proporcjonalno-całkowy (typu PI) Niezadowalające wyniki regulacji w układach z regulatorami proporcjonalnymi oraz całkowymi były powodem opracowania regulatorów bardziej zło onych. Przez połączenie elementów typu P oraz I powstał regulator proporcjonalno- -całkowy (typu PI), łączący w sobie zalety obu omawianych regulatorów podstawowych. Dzięki zastosowaniu w regulatorach typu PI elementu całkującego; uchyb ustalony w układach z takimi regulatorami mo e być sprowadzony do zera. Czas regulacji w układach z regulatorami typu PI jest wprawdzie dwukrotnie dłu szy ni w układach z regulatorami typu P, ale jest znacznie krótszy ni , w układach z regulatorami typu I. 34

a)

b)

Regulator proporcjonalno-całkowy: a) schemat blokowy b) odpowied skokowa 35

Regulator proporcjonalno – całkujący PI

1 G s ) k ( 1  ) r( T is t   1   x ( t ) k y ( t ) y ( t ) dt   r e e T i0   Równanie charakterystyki czasowej dla wymuszenia skokowego jednostkowego

t xr (t)  k[1 (t )  ] Ti

36

Charakterystyka czasowa regulatora PI ye

1 t

xr

k

k

t Ti

37

Regulator proporcjonalno – ró niczkujący PD

G s ) k ( 1  T ) r( ds dy  e x t) k y T r( e d   dt   Równanie charakterystyki czasowej dla wymuszenia skokowego jednostkowego

1( d t) T ] k [1(t)Td(t)] xr (t)  k[1(t) d dt

38

Charakterystyka czasowa regulatora PD ye

ye

1 t

t

xr

xr

kTd

k

kTd

t

t Td

39

Regulator proporcjonalno-całkowo-ró niczkowy typu PID) Regulator typu PID jest najbardziej uniwersalnym typem regulatora, dającym przy odpowiednim zakresie zmian nastaw mo liwość dostosowania się do wymagań ró nych obiektów. Jak widać z rys. 11 regulator typu PID powstaje przez dołączenie do regulatora typu PI elementu ró niczkującego (elementu typu D). Na podstawie schematu blokowego mo na napisać wzór podający zale ność między wielkością wyjściową regulatora a uchybem.

 d  1 y(t )  Kp     ( )d  Td  T0 dt   1

40

Oraz transmitancję operatorową

  1 G( s)  K p 1   Td s  ( s)  Ti s 

41

Regulator proporcjonalno-całkowo-ró niczkowy: a) schemat blokowy; b) odpowied skokowa 42

Regulator PID 1 G ( s )  k ( 1   T s ) r d T s i t  1  dy e x t k y y dt T    ( )   r e e d dt i0  T 

Równanie charakterystyki czasowej dla wymuszenia skokowego jednostkowego

t xr (t)  k[1 (t) Td(t)] T i

Dla wymuszenia liniowego

 12  x ( t ) k t t  T r d   T i  2  43

Charakterystyka czasowa regulatora PID ye

1 t xr

t 44

Nastawy regulatorów Regulatory typu P; PI, PID są produkowane jako uniwersalne. Oznacza to, e mogą być stosowane w układach regulacji ró nych wielkości w ró nego rodzaju obiektach. W zale ności od statycznych i dynamicznych parametrów obiektów będą się zmieniały wymagania co do wartości parametrów regulatorów. W regulatorach uniwersalnych wartości poszczególnych parametrów mo na nastawiać za pomocą odpowiednich pokręteł zaopatrzonych w podziałki. Zakres zmian parametrów (nastaw) powinien umo liwiać dostrajanie regulatorów do wymagań ró nych obiektów. W produkowanych obecnie regulatorach uniwersalnych stosowane są najczęściej następujące zakresy zmian poszczególnych parametrów: - zakresu proporcjonalności xp =1/kp* 100 w granicach 3-400%; - czasu zdwojenia Ti w granicach 3 s - 30 min; - czasu wyprzedzenia Td w granicach 0-15 min. 45

46

Urządzenia zawierające układ pomiarowy, właściwy regulator i organ wykonawczy, które do działania nie potrzebują energii zasilającej (gdy pobierają ją z procesu regulowanego za pośrednictwem układu pomiarowego), nazywa się regulatorami bezpośredniego działania. Regulatory te wykonuje się zarówno jako regulatory dwustawne, jak i o działaniu ciągłym. Oprócz podstawowych regulatorów PI (PID) produkuje się regulatory ,które otrzymują sygnał (analogowy) o wartości zadanej z zewnątrz, np. z drugiego regulatora połączonego w układzie kaskadowym. Regulatory dwustawne, trójstawne i krokowe produkuje się m.in. w standardach zbli onych do regulatorów ciągłych. Dotyczy to w szczególności regulatorów cyfrowych z mikroprocesorem. Rozró nia się wiele rodzajów regulatorów dwustawnych i trójstawnych, które są przeznaczone do obsługi konkretnych procesów (np. do zamra arek lub urządzeń ciepłowniczych).

47

RMB-10S  Dane techniczne:

Napięcie zasilania: Us=230 V (+10%, -15%), 50 / 60 Hz, max. 4VA Zakres napięcia: pomiarowegoUp=100...500 V, 50 / 60Hz, Znamionowy prąd pomiarowy: In = 5 A Pobór mocy obwodu prądowego :max 0,5 VA Zakres zmian prądu pomiarowego: 0.01... 1.2 In długotrwale Zakres nastawy cos fi:0.5ind...1,0...0,5poj. (co 0,01) Obciążalność każdego wyjścia :2A , 250 V , 500VA

48

ELEKTRYCZNE REGULATORY DWUSTANOWE POZIOMU ERH-…-16

DANE TECHNICZNE : Zakres pomiarowy: 10; 20; 30mm Powtarzalność :±15% Masa :2 kg Ciśnienie statyczne czynnika: 4 MPa Dopuszczalna temperatura czynnika:250°C Temperatura otoczenia: -25…+70°C Stopień ochrony obudowy: IP 66 Minimalna gęstość cieczy: 0,6 x 10-3kg/cm3

49

B T K - 0 1 grzejny regulator temperatury  DANE TECHNICZNE :

Rodzaj wejścia: półprzewodnikowy czujnik temperatury (oferowany w komplecie z regulatorem) - typowa długość kabla : 2 mb ) Rodzaj wyjścia: przekaźnik , zestyk 5 A / 250V~ Rozdzielczo: 1 oC Dokładność: +/- 0,5 oC Wymiary obudowy: 90 x 47 x 110 mm Zasilanie:220V, 50Hz (ew. 12= lub 24V~)

50

T R - 5 0 W grzejny regulator temperatury  DANE TECHNICZNE : Zakres regulacji temp: 5...95oC Napięcie zasilania :220V/50Hz +/10% Pobór mocy:< 1,5 W Zakres temp. pracy :-10oC do 50oC Strefa histerezy: 1oC Max. długość przew. czujnika :10 m Czas pamiętania nastaw: > 50 lat Wyjście :220V/50Hz

51

BTCK - 01 trój stawny regulator temperatury do klimatyzacji  DANE TECHNICZNE

Rodzaj wejścia: krzemowy czujnik temperatury TP102J 1k Rodzaj wyjścia :2 przekaźniki RM-96, zestyki 8A/250V~ Zakres temperatur:17 ... 25 oC (lub inny, wg ustaleń) Dokładność nastawy: (t1 ) +/- 0.5 oC Okno D T typowo : 2 oC Histerezy DT1, DT2 typowo : 1 oC Obudowa pokojowa:BOPLA "Elegant" Zasilanie :24 V ~

52

BTC-02 chłodniczy regulator temperatury

 DANE TECHNICZNE :

Rodzaj wejścia: półprzewodnikowy czujnik temperatury (oferowany w komplecie z regulatorem) - typowa długość kabla : 2 mb ) Zakres temperatur : od -30 oC do +10 oC (lub wg ustaleń) Rozdzielczość: 1 oC Dokładność :+/- 0,5 oC Wymiary obudowy: 90 x 47 x 110 mm Zasilanie: 220V, 50Hz (ew. 12= lub 24V~)

53

CYFROWE REGULATORYTEMPERATURY RGT205A  DANE TECHNICZNE:

Charakterystyka regulacji:ON-OFF , P , PD Rodzaj czujnika:termoelement Fe-CuNi-J Pomiar:cyfrowy Błąd podstawowy:1% zakresu regulacji Zakres proporcjonalności:3-5% Częstotliwość łączeń:3 - 7 cykli/min Zakres nastawy temperatur: 0-300st.C (0-100;50-350st.C) Histereza:1% Obciążalność:220V AC/5A,lub współpraca z przekaźnikami elektronicznymi.

54

UNIWERSALNY REGULATOR TEMPERATURY - UR11 UR11 mo e regulować temperaturę w zakresie od 0 do 999 °C w zale ności od zastosowanego typu czujnika. Przystosowany jest do czujników temperatury PT100 lub termopar. Regulator zasilany jest bezpośrednio z sieci 220V, 50Hz. Posiada wbudowany przeka nik przełączny o dwóch zestykach. Ka dy zestyk mo e przełączać prąd 6A i napięcie 220V AC. Metalowa obudowa urządzenia ma wymiary 90x90x75 mm i płytę czołową 96x96 mm. Zakres temperatur pracy urządzenia wynosi od 0 do 70 °C.

55

REGULATOR MIKROPROCESOROWY URM11

 Dane techniczne:

Wejścia: Termometr oporowyPt100 Wyjście: Stykowe 5A/250VAC, obciążenie rezystancyjne Programowanie: Sposób programowania Z klawiatury 2 klawisze, 2 tryby pracy: programowanie, normalna praca Zasilanie: Napięcie170 - 250 VAC, 24VAC Pobierana moc :4VA Temperatura pracy: 0 - 45 °C Wilgotność: 80% bez kondensacji Rozmiary : WxSxG (48x96x90mm)

56

Regulatory ró nicy ciśnień bezpośredniego działania Regulatory różnicy ciśnień bezpośredniego działania stosowane są w instalacjach ciepłowniczych i przemysłowych. Przeznaczone są do regulacji zadanej różnicy ciśnień (?p) w przedziale od 10 do 700 kPa. Stosowane są do wody zimnej, gorącej, pary wodnej (do temperatury 200oC dla regulatorów RCB i do 150oC dla regulatorów RCBm) oraz gazów niepalnych do temperatury 80oC.

57

Regulatory różnicy ciśnień upustowe bezpośredniego działania Regulatory różnicy ciśnień upustowe bezpośredniego działania stosowane są w instalacjach ciepłowniczych i przemysłowych. Montuje się je w przewodach obejściowych i utrzymują stałą wartość różnicy ciśnień (?p) w przedziale od 10 do 700 kPa odpowiednio do wartości zadanej. Przeznaczone są do wody zimnej, gorącej, pary wodnej (do temperatury 200oC dla regulatorów RCUB i do 150oC dla regulatorów RCUBm) oraz gazów niepalnych do temperatury 80oC.

58

Regulatory ciśnienia upustowe bezpośredniego działania Regulatory ciśnienia upustowe bezpośredniego działania stosowane są w instalacjach ciepłowniczych i przemysłowych. Montuje się je w przewodach obejściowych i utrzymują stałą wartość ciśnienia (?p) w przedziale od 10 do 700 kPa przed regulatorem odpowiednio do wartości zadanej. Przeznaczone są do wody zimnej, gorącej, pary wodnej (do temperatury 200oC dla regulatorów RCRUB i do 150oC dla regulatorów RCRUBm) oraz gazów niepalnych do temperatury 80oC.

59

Dziękuję 60