(Microsoft PowerPoint - Sens\366r_sunum.ppt [Uyumluluk Modu])
advertisement
Kocaeli Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü MKT 208 SENSÖR TEKNİĞİ Doç.Dr. H.Metin ERTUNÇ 2011 BAHAR Sensörler ve Transducerler • Sensor – Fiziksel sinyalleri elektrik sinyallerine çevirir. • Transducer – Bir enerji formunu diğer bir enerji formuna dönüştürür. Pratikte, bu iki terim eşanlamlı olarak kullanılabilir. Örnek: Mikrofon sesi algılayan bir sensördür. Öte yandan, ses dalgalarını, içindeki bobin aracılığıyla elektrik akımına dönüştürdüğü için bir transdüserdir. Bu yüzden bu iki kelimeyi eş anlamlı kabul edebiliriz Sensörler (Algılayıcılar, Duyargalar) Sensörler, günlük hayatta sürekli karşılaşılan konum, basınç, sıcaklık, seviye ve akış gibi fiziksel büyüklükleri diğer bir fiziksel büyüklük olan elektrik sinyallerine dönüştüren algılama araçlarıdır. Bir endüstriyel sistem insan vücuduna benzetilecek olursa sensörler bu sistemin gözleri, kulakları gibidirler. Actuator (Eyleyiciler, sürücüler) • Sensörlerin ters işlemini yapan cihazlara aktüatör denir. • Elektriksel sinyali, başka bir forma, genellikle elektriksel sinyale çeviren cihazlardır. • Aktuatörler de transdüser olarak adlandırılabilirler. Ölçülen büyüklükler • İvme, Hava hızı, akım, Öteleme, Akış hızı, Kuvvet, Isı akısı, Nem, Sıvı seviyesi, Ani sarsıntı, Işık, Nükleer radyasyon, Basınç, Hız, Gerilme, Sıcaklık, Tork, Mutlak değer, Açı, Fark, Kızıl ötesi, Yoğunluk, Doğruluk, Kütle, Parlaklık, Yüzey pürüzlülüğü, Kapasitif, elektromanyetik, ndüktif, fotovoltaik, piezoelektrik, resistif, gerilme kuvveti, termo elektrik. Sensörlerin giriş büyüklüklerine göre sınıflandırılması • Algılayıcılarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrılabilir. 1. Mekanik : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), Basınç, Hız, İvme, Pozisyon, Ses dalgaboyu ve yoğunluğu 2. Termal : Sıcaklık, ısı akısı 3. Elektriksel : Voltaj, akım, yük, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı ve frekans 4. Manyetik : Alan yoğunluğu, akı yoğunlugu, manyetik moment, geçirgenlik 5. Işıma (Optik) : Yoğunluk, dalgaboyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme 6. Kimyasal : Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, pH miktarı Besleme ihtiyacına göre • Aktif – Harici bir enerji kaynağına ihtiyaç duymadan çalışırlar. – Ölçülen değere göre kendileri bir sinyal üretirler – Örnek: Termokupl, fotovoltaik piller (güneş hücreleri), piezoelektrik sensörler. • Pasif – Harici bir güç kaynağına ihtiyaç duyarlar. – Ölçülen değerle orantılı olarak direnç, kapasite ve endüktans değişimi oluşur. – Bu değişimler elektriksel sinyale çevrilip yükseltilirler. Tipik bir sensör uygulaması Ölçülmüş nicelik Elektriksel çıkış SENSOR SIGNAL CONDITIONING gerilim A/D CPU Seri ya da paralel Çeşitli Sensör Uygulamaları Sensörlü otomatik kapı Metal dedektörü Gıda endüstrisi Otomotiv Endüstrisi Makine ve imalat endüstrisi Konveyor hatları İş makinaları (Mobil uygulamalar) SENSÖRLER KONUM ALGILAYICILAR YAKLAŞIM ANAHTARLARI AKIŞ ALGILAYICILAR AKIŞ SENSÖRLERİ İNDÜKTİFSENSÖRLER BASINÇ SENSÖRLERİ KAPASİTİF SENSÖRLER SICAKLIK SENSÖRLERİ FOTOELEKTRİK SENSÖRLER ARTIMLI VE MUTLAK ENKODERLER GÜÇ KAYNAKLARI VE KONTROL ÜNİTELERİ SEVİYE SENSÖRLERİ AĞ VE KONTROLÜ AS-İ Temel Kavramlar • Doğruluk – Bir aletin bilinen giriş değerindeki sapma miktarını belirtir.Genelde (full scale) yüzdelik olarak. • Duyarlık (tekrarlanabilirlik) – tekrar tekrar ölçmede aynı sonucu verebilmesi. • Çözünürlük– Çözünürlük ölçülen nicelikteki en küçük algılanabilir farklılık Performans Tanımlayıcıları • Range, Span = min to max giriş değerleri, span = max-min • Error = gerçek değer – ölçülen değer • Doğruluk = ölçülen değerin yanlış olma derecesi. Ör:. ± 2°C or ± 2% of full scale • Duyarlık = (kazanç) linear output/unit input ör. 5 mv/psi, 0.5Ω/ °C • Hysteresis hata – Giriş değerinin artması ve azalmasına bağlı çıkış değeri. • Non-linearity hata – girişe bağlı çıkıştaki hata sonucu. • Repeatability/reproducibility – Aynı giriş-aynı çıkış? • Kararlılık – sabit giriş sırasındaki çıkıştaki sapma. • Dead band/time-ölçülemeyen çıkış değerinde giriş oranı. • Çözünürlük– çıkış adımları, girişteki en küçük ölçülebilir değişiklik • Çıkış direnci – sensörün bağlı olduğu devrenin elektrik karakteristiklerinden nasıl etkilendiği. Doğrusallık Hatası K type thermocouple and AD595 Amplifier Chip Çözünürlük Örneği Statik ve Dinamik Karakteristikler • Yanıt Süresi – time to 95% of final value for step input • Zaman Sabiti – time to 63.2% (1e-1) of final value • Yükselme Zamanı – time to rise some specified percentage of s.s. output • Yerleşme Zamanı – time to get to within 2% of the s.s. value Displacement, proximity, position, (linear and angular) • Proximity/limit switch (mechanical) – Binary output • Potentiometer (rotary or linear) – Analog output Microswitch™ Limit Switch • LVDT, RVDT – Variable transformer LVDT Joystick (2 pots) Differential Transformer Konum algılayıcılar İNDÜKTİFSENSÖRLER Algılama alanına metal cisim yaklaştığında çıkış veren sensörlerdir. İndüktif yaklaşım anahtarları İndüktif Yaklaşım anahtarları (sensörleri) içlerindeki elektronik devre tarafından oluşturulan manyetik alanın; algılama mesafesi alanına giren metal malzeme ile bozulması sonucu çalışan sensörlerdir. Sensör ve oluşturduğu manyetik alan Eddy currents (Girdap akımları) • Metal malzeme üzerinde oluşan girdap akımları sensörün oluşturduğu manyetik alandan güç çekerler. Belirli mesafede girdap akımları öyle yoğun bir güç çekerlerki sensörün oluşturduğu manyetik alan sönümlenir. • Manyetik alanın sönümlendiği bu noktaya Algılama Noktası denir. indüktif yaklaşım anahtarları ile kapak kontrolü. İndüktif yaklaşım anahtarları ile elevatörde kayma ve dönüş hızı kontrolü. indüktif yaklaşım anahtarları ile devir kontrolü. Konum algılayıcılar KAPASİTİF SENSÖRLER Doğadaki bütün cisimleri algılayabilen sensörlerdir. Genellikle metal olmayan cisimlerin algılanmasında ve seviye kontrolünde kullanılır. Kapasitif sensörler Kapasitif sensörlerin çalışma mantığı aynı indüktif sensörlerde olduğu gibi osilasyon temeline dayanır. Tek fark indüktiflerde hedef cisim yaklaştığında osilasyon yok olurken kapasitiflerde cisimle beraber osilasyon oluşur. Uygulama alanları Kapasitif yaklaşım anahtarları ile cam algılama Kapasitif yakla yaklaşım ım anahtarları ile tank dışından seviye algılama Kapasitif yaklaşım anahtarları ile silo seviyesi algılama Kapasitif yaklaşım anahtarları ile odun kütüklerin algılanması Temassız sensörler (Non-Contact Sensors) • Ultrasonic Ultrasonic Fluid Level Meter • Optical • Magnetic (Inductive, Reed, Hall Effect) • Laser vibrometer • Capacitive or Eddy current – measuring vibration of rotating shafts Dönel Pozisyon ve Hız Ölçümü için ENCODER 4 Bit Mutlak Encoder 50 pulses/rev Artımlı Toothed wheel (gear) + magnetic pickup + counter 500 pulses/rev, Artımlı Quadrature Mutlak ve Artımlı Enkoderler (Absolute and Incremental Encoders) Enkoderler milden aldığı fizikseldönüş bilgisini elektronik darbelere dönüştürerek konum ve mesafe ölçmeye yarayan sistemlerdir. Enkoder seçerken dikkat edilecek hususlar; Milin biçimi (delikli mil, düz mil) Kullanılış amacı Artımlı veya mutlak enkoder Hassasiyet / çözünürlük Çalışma gerilimi Enkoderler Artımlı (incremental) Mutlak (Absolute) Artımlı ve Mutlak Enkoderler Uygulama alanları Titreşim-Vibration • Accelerometer – Piezo-electric (AC) – IC, Strain gage (DC) Kuvvet/Tork(Force/Torque) • Strain gage Resistance ∝ Strain FORCE • Piezo-electric (AC coupled) • Piezo-resistive, piezo-ceramic Basınç (Pressure) • Microphone (AC coupled) • Diaphragm (for static measurement) • Tube, Bellows • Manometer (Akış ölçümleri) Flow measurement • • • • • • • • Orifice plate, venturi Turbine meter Float Rotameter Hot-wire anemometer Laser interferometer Pitot tube Positive displacement meter (rotary vane) Sıcaklık (Temperature) • Thermometer • Thermocouple • Thermistor • RTD (platinum) • • • • Solid state sensor (thermodiodes and transistors) Pyro-electric sensor Bimetallic strip Optical pyrometer OPTİK SENSÖRLER OPT+İK kelimesi OPTO ve ELEKTRONİK kelimelerinin birleştirilmesi ile elde edilmiş bir terim olup bir cismi dokunmaksızın ışık yardımı ile algılama ve elektronik olarak değerlendirme anlamına gelir. Fiziksel olarak büyük olmaları fakat algılama mesafelerinin yeterince büyük olmamaları sebebi ile indüktif ve kapasitif sensörler yerine fotosel dediğimiz ışığın yansıması prensibine göre çalışan sensörler kullanılmaya başlanmıştır. Optik sensörler • Photo-voltaic cell • CdS sensor (R output) • Phototransistor KONUM ALGILAYICILAR Fotoelektrik sensörler Foto elektrik sensörler çalışma prensibi bakımından 3 gruba ayrılır. KARŞILIKLI ÇALIŞAN SENSÖRLER REFLEKTÖRLÜ SENSÖRLER CİSİMDEN YANSIMALI SENSÖRLER FOTOELEKTRİK SENSÖRLER Fiber optik sensörler 1- cam fiber 2- çelik örgülü koruma 3- metalkoruma kılıfı 4- silikon kılıf FOTOELEKTRİK SENSÖRLER Fiber optiksensörlerin uygulama alanları • Çalışma alanının küçük olduğu uygulamalarda •Küçük nesnelerin algılanmasında •Ortam sıcaklığının yüksek olduğu uygulamalarda (+290ºC ye kadar) •Nemli yada zorlu çalışma standartlarında Seçim Ölçütleri • Ne ölçülecek • Büyüklük, oran, ölçülen niceliğin dinamiği (hızlı,yavaş?) • İstenen çözünürlük,doğruluk oranı. • Maliyet • Çevre(sıcak,kirli?) • Arayüz gereksinimleri: – Çıkış niceliği (gerilim, akım, direnç,…) – Duyarlık – Signal conditioning – A/D gereksinimleri (#bits, data rate)
