seminarska rabota konvencionalni senzori

СЕМИНАРСКА РАБОТАпо предметот

Електрични актуатори и сензори

Наслов на трудот:

Конвенционални сензори

Студент : Ванчо Божинов

Професор: д-р Добри Чундев

Електротехнички факултет, 2011

0

Предмет: Електрични актуатори и сензори Тема: Конвенционални сензори

СОДРЖИНА

ВОВЕД.............................................................................................................................2

ТЕМПЕРАТУРНИ СЕНЗОРИ..........................................................................................2

ТЕРМИСТОРИ.................................................................................................................3

ТЕРМОПАРОВИ.............................................................................................................6

INFRARED ТЕРМОМЕТРИ.............................................................................................8

СЕНЗОРИ ЗА ПРИТИСОК...........................................................................................10

ДИЈАФРАГМИ..............................................................................................................12

КАПАЦИТИВНИ МАНОМЕТРИ...................................................................................15

МЕРНИ ЛЕНТИ.............................................................................................................15

СЕНЗОРИ ЗА НИВО....................................................................................................15

КАПАЦИТИВНИ СЕНЗОРИ.........................................................................................15

УЛТРАСОНИЧНИ И АКУСТИЧНИ СЕНЗОРИ............................................................15

РАДАРСКИ РЕФЛЕКТОМЕТРИ ВО ВРЕМЕНСКИ ДОМЕН (TDR)...........................15

СЕНЗОРИ ЗА ПРОТОК................................................................................................15

СЕНЗОРИ ЗА ТРАНСФЕР НА ТОПЛИНА..................................................................16

УЛТРАСОНИЧНИ СЕНЗОРИ.......................................................................................17

ЕЛЕКТРОМАГНЕТНИ...................................................................................................17

ДИФЕРЕНЦИЈАЛНИ СЕНЗОРИ ЗА ПРИТИСОК.......................................................23

КОРИСТЕНА ЛИТЕРАТУРА........................................................................................25

1


1. ВОВЕД

Конвенционалните сензори овде се дефинирани преку три карактеристики: тие мерат единична скаларна величина во една точка во процесот, користат технологија која е во широка фабричка употреба повеќе од 2 децении и се достапни од различни комерцијални добавувачи. Овие сензори се разликуваат од повеќето напредни сензори опишани во следните поглавја, но и конвенционалните и напредните сензори се засноваат на исти физички појави при извршувањето на процесните мерења.

Постојат буквално илјадници различни дизајни на сензори кое се комерцијално достапни за следење и контрола на индустриските процеси, па затоа е невозможно да се представи една сеопфатна листа од нив тука. Наместо тоа, неколку различни технологии представуваат заеднички сензорен процес, и ќе бидат представени за секој тио на мерење поединечно.

1.1 ТЕМПЕРАТУРНИ СЕНЗОРИ

Температурата е основна мера која се користи во текот на многу процеси. Многу американски фабрики се уште ја користат Фаренхајтовата температурна скала, но Целзиус е стандардна единица за мера. Конверзијата помеѓу овие две скали е дадена со равенствата:

F=( 95 )(C+32)

C=( 59 )(F−32)

Температурата се исто така изразува во Келвинова скала, чија нулта точка е дефинирана да биде −273,15℃ или апсолутна нула. Вредноста на топлината која се содржи во едно тело на температура од 0 ° K е нула, и термодинамичката енергија се пресметува по оваа скала. Температурната разлика од еден степен е иста кај двете Келвинова и Целзиусова скала, па така формулата за конверзија е:

К=C+273,15

2


1.1.1 ТЕРМИСТОРИ

Зборот термистор доаѓа од контракција на термален отпорник. Отпорот на термисторот е функција на собната температура. При извод од прв ред, ограниченото движење на промената на отпорот ∆ R на термисторот е пропорционална на промената на температурата ∆T :

∆ R=a ∆T

Каде a е специфичен температурен коефициент на термисторот. Температурниот коефициент кој има ознака W /° C, може да биде позитивен или негативен, во зависност од составот на дадениот термистор.

Позитивниот топлински коефициент (PTC) на термисторот го зголемува неговиот отпор како што температурата се зголемува. Чест тип на PTC термистор се прави со дисперзија на ситно поделени проводни честички во термопластична или терморегулациона матрица (сл.1). Матрицата содржи доволна количина на проводни честици за да формира филтрирани синџири кои спроведуваат струја низ полимерот. Како температурата се зголемува, волуменот се шири, и некои алки од синџирот почнуваат да се одвојуваат што резултира со покачување на отпорот на материјалот.

Сл.1 PTC Термистор

Друг тип на PTC термистор е бариум–титаниум–керамички термистор, составен од мал број на ретки јони на бизмут или антимон. Такви материјали обично имаат ограничен температурен опсег преку кој покажуваат позитивен температурен коефициент.

3


Негативниот температурен коефициент (NTC) на термисторот го намалува неговиот отпор како што температурата расте. Многу (NTC) термистори се направени од полупроводнички материјал, каде има празнина помеѓу валентниот и проводниот појас (сл.2). Бројот на електроните во проводниот појас е одреден од температурата и од нивото на Ферми EF на полупроводникот, кое е енергетско

ниво опкружено од електрони на температура од апсолутна нула (0 ° K). Веројатноста p ( P ) дека електронот има енергија E е дадено со равенството:

p ( E )= 1

E(E−EF )/ kT+1

каде k е Болцманова константа а T е температурата (° K ¿. Од овде е јасно дека при покачување на температурата, дистрибуцијата на енергија оди криволиниски кон повисоко ниво, и се повеќе електрони се јавуваат во проводната зона или појас. Значи со зголемување на бројот на носителите на полнежите се постигнува поголема струја која се пренесува за дадената потенцијална разлика. Од дефиницијата за отпор, се заклучува дека отпорот на термисторот опаѓа со покачувањена температурата.

Сл.2 NTC Термистор

Процесот на мерење со термистор преку поминување на константна струја I низ него е покажано на сл.3.а. падот на напонот низ термисторот тогаш е прозвод од струјата на напонот и отпорот на отпорникот. Температурата Tможе да се одреди преку набљудуваниот напон:

T=T 0+(V−V 0)

I α

каде V 0 е падот на напонот измерен на температура T 0. Секоја грешка во измерениот напон ке резултира со грешка и во измерената температура. Друг потенцијален извор на грешка е константниот извор на струја.

4


Додека струјата тече низ термисторот, мало количество на топлина се генерира во него. Дополнителната топлина ке ја покачи температурата на термисторот, што ке резултира со повисока проценка одколку измерената температура. Загубената моќност на отпорникот е отпорот по струјата на квадрат, така да овој ефект може да се минимизира со одржување на многу мала струја низ термисторот.

Поради ограничениот топлински капацитет на телото на сензорот, термисторот не може инстантно да одговори на промените во температурата. Всушност, временскиот одзив на промената на измерената температура (како резултат на наглото зголемување на температурата) може да се дефинира во однос на временската константа τ , така што :

dTdt

=(T−T0)

τ

Сл.3 Температурни сензори: (а) мерење на напонот низ термисторот; (b) временско задоцнување помеѓу температурата и одзивот на сензорот; (c) мерење

на напонот продуциран од типот J термопар користејќи операциски засилувач и ладен спој

Оваа диференцијална равенка може да се реши за измерената температура T (t), која е нацртана на сл.3.б како функција од времето:

T (t )=(T 1−T 0 )¿

каде T 0 е почетната температура а T 1 е крајната температура. На тој начин, временскиот одзив на термисторот зависи од вредноста τ , која е функција од масата на сензорот. Брз временски одзив се постигнува со минимизирање на големината и тежината на сензорот. Произлезената брзина на одзивот не е толку важна за бавни реакции или стабилни процеси, но во други случаеви карактеристичниот одзив τ на сензорот треба да биде приближен со временската скала на процесот.

5


1.1.2 ТЕРМОПАРОВИ

Термопаровите обично се употребуват за мерење на температура во хемиските процеси затоа што се ефтини, издржливи и мали. Тие се идеални за детекција на рапидни промени во температурата, затоа што имаат мала маса оттука и многу мал топлински капацитет (сл.4).

Сл.4 Термопар

Операција на терпопаровите е базирана на откритието, извршено во 1820 год. Од Томас Зебек, дека колото составено од жици од различни метали кои генерираат струја кога еден од споевите ќе се загрее. Оваа струја е резултат на електричниот потенцијал кој се добива низ загреаниот спој; потенцијалната разлика (∆V ) зависи само од составот на двете жици и од температурната разлика (∆T ) помеѓу двата споја:

∆V =β ∆T

Каде β, измерено во V /℃, е карактеристичен термоелектричен коефициент за комбинацијата на метали. Температурата на загреаниот спој тогаш може да се детерминира со мерење на термоелектричниот потенцијал.

Зебековиот ефект се должи на разликата во густината на проводните електрони помеѓу два метали. Како што спомнав претходно, можноста за наоѓање на електрон во проводната зона зависи од температурата и од карактеристичното Фермиево ниво на металот. Кога двата метали ќе дојдат во контакт еден со друг, релативниот вишок на слободните полнежи се движат низ спојот од едниот во другиот метал. Оваа движење на полнежи создава електрична струја. Како температурата на спојот расте, се јавуваат два ефекти: електроните имаат поголема средна брзина, и разликата во густината на проводните електрони станува се поизразена. Оттука потенцијалната разлика се зголемува од температурата.

6


Напонот продуциран од термопарот се мери со операциски засилувач или друг инструментален засилувач, покажан на сл.3.а. Вториот термопар (ладен спој) е оставен на однапред позната температура за да го компензира offset напонот продуциран од термоелектричниот ефект на спојот помеѓу жицата од термопарот и инструментот. Традиционално, ладниот спој бил ставан во сад со мраз, кој имал константна температура од 0℃, меѓутоа модерните сензори таа компензација ја вршат електронски. Набљудуваниот напон V се конвертира во температура преку следната формула:

Т=¿¿

Оваа конверзија најчесто се врши автоматски со помош на сензорната електроника.

Важно е да се напомене дека термопаровите мерат температурна разлика помеѓу две точки а не и апсолутна температура. Различните метални легури беа развиени заради максимизирање на термоелектричниот потенцијал, а стандардните термопарови се дефинирани само заради поедноставување на калибрацијата и мерењето. Типот J термопарови (прикажано на слика 3.c.) составени од железо и бакар-никел жици и имаат термоелектричен коефициент од 51 ¿/° K ¿ можат да се користат до 700 ℃. Типот K составен од никел-хром никел-алуминиум легура и имаат коефициент од 41 ¿/° K ¿ на собна температура, можат да се користат на температура преку 1000 ℃. Термопаровите обично се заштитени со оклоп од нерѓосувачки челик.

1.1.3 INFRARED ТЕРМОМЕТРИ

Предметите кои се на повисока температура отколку нивното опкружување емитираат електро-магнетно зрачење: овој факт е докажан со светлина емитирана од светлечки објекти кои се црвено или бело зажарени. Квалитетно набљудување е тоа дека предметите загреани на околу 500 ℃ емитираат заматен црвен сјај, како што температурата расте светлината станува се по јасна но исто така и побела. Оваа емисија е наречена blackbody радијација, и е предизвикана од топлинската екситација на електроните кои зрачат енергија. Електронската екситација и зрачењето се зголемуват со температурата на предметот.

Дури и објектите кои се малку над собната температура емитираат светлина, таа е инфрацрвена и поради тоа не може да се види со голо око туку со соодветен детектор без да се допира објектот. Безконтактните мерења посебно се корисни кога температурата го надминува опсегот на термопаровите (пример во печките за производство на челик).

Средната топлинска енергија на честиците на температура T (мерена во апсолутна скала во ° K) е во редот на kT , каде Болцмановата константа

k=8.617 X 10−5 eV /° K . На температури близу 500 ℃ , оваа средна енергија е само мал дел од неколку електрон-волти од енергијата потребна да се создаде фотон

7


на видливата светлина, така да емисијата на такви фотони од жешки предмети може да изгледа изненадувачка. Објаснувањето лежи во фактот дека топлинските взаемни дејствија се случајни, и постои можност да на било која температура, електронот може да достигне многу поголемо енергетско ниво и да ја зрачи оваа енергија како електро-магнетен бран. Интензитетот на blackbody радијациската енергија е всушност функција од електро-магнетната фрекфенција f :

I ( f )= 4hf 3

c2(ehfkT−1)

каде h е Планктова константа а c е брзина на светлината. Доколку енергијата на фотонот е еднаква на производот (hf ), интензитетот на дистрибуцијата од претходното равенство може да се изрази и како:

I ( Е )=4 Е3

¿¿¿

Релативната големина на оваа функција е споредена на неколку различни температури на сл.5.

Сл.5 Релативниот интензитет на зрачењето како функција од енергијата на фотонот, прикажано на температури од 800 ° K ,1300 ° K ,и2000 ° K

Оттаму може да се види дека енергијата на зрачењето се поместува нагоре како што температурата расте.

Вкупната вредност на моќноста P (енергија во единица време) емитирана од тело е функција од неговата температура над температурата од околината (∆T ):

P=σεA (∆T )4

каде σ е Штефан-Болцманова константа (5,67×10−8 W∗m−2∗K−4), ε е способноста

на површината да емитира радијација, а A е површината на објектот. Способноста на површината да емитира радијација е бездимензионален број со вредност помеѓу 0 и 1, и ја покажува способноста на површината на телото да абсорбира и да емитува електромагнетно зрачење. Со фаќањето на дел одинфрацрвенате светлина емитирана од објектот, може да се мери релативната моќност на зрачењето и на тој начин да се утврди температурната разлика ∆Т .

8


Основниот инфраред термометар користи леќи за да го фокусира зрачењето во разладен инфраред детектор (сл.6).

Сл.6 Инфраред термометар

Најдобри резултати се постигнуваат со разладен детектор затоа што топлинските шумови се редуцираат на ниски температури. Во многу модерни детектори, разладувањето е постигнато со Пелтиер спој, кој користи спротивен термоелектричен ефект за да ја одстрани топлината од биметалниот спој. Детекторот сам за себе може да биде како уред со цврсто тело.

Друг тип на детектор кој се користи во безконтактните топлински мерења е термопилот, кој е спој од 20-100 термпопарови врзани во серии кои делат заеднички топол спој (активниот дел на сензорот) и заеднички ладен спој (сл.7). Кога зрачењето е апсорбирано во топлиот спој, доведената енергија се ослободува како топлина, и термопилот генерира мал напон. Температурата на термопилот е резултат на балансот помеѓу вредноста на топлината депонирана од апсорбираното зрачење и вредноста на топлината загубена низ проводникот. Стабилната состојба се брзо воспоставува, и добиениот напон од термопилот покажува релативна енергија која е депонирана од зрачењето.

Сл. 7 Термопили

9


1.2 СЕНЗОРИ ЗА ПРИТИСОК

Притисокот е дефиниран како сила извршена врз единица површина. Во гасовите и течностите, овој притисок доаѓа од тежината на флуидот (на дното од садот), или од кинетичката енергија добиена од топлинското движење на молекулите на флуидот. Единица за притисок е паскал (Pa), кој е дефиниран како 1 њутн на квадратен метар. Мерењата на притисок во фабричките процеси често се изразува како релативен притисок, кој е различен од собниот или атмосферскиот притисок. Апсолутниот притисок се изразува во однос на вакуум, и затоа една атмосфера (0,1 MPa) е повеќе од релативниот притисок.

Хидростатичкиот притисок на длабочина d (во метри) во сад полн со течност е даден со равенството:

p (d )=ρgd+ p0

каде ρ е густина [kg/m3] на флуидот, g е забрзување како резултат на земјината гравитација (9,8 m/s2), и p0 е притисокот на гасот над течноста. Длабочината dе вертикалното растојание измерено од површината до влезот на сензорот.

Во гас, притисокот е детерминиран од слободниот волумен V на садот, апсолутната температура T и бројот на молекули N во гасот. Во идеален гас, се предпоставува дека молекулите немаат взаемно дејство, и производот на притисокот и волуменот е:

PV=NkT

каде k е повторно Болцманова константа. Идеалниот гас се распаѓа на високи притисоци и ниски температури, каде меѓу молекуларните сили почнуваат да доминираат на кинетичките својства на гасот.

10


1.2.1 ДИЈАФРАГМИ

Додека притисокот по дефиниција е сила извршена врз единица површина, притисокот може да се измери директно со мерење на силата врз диск на позната површина. Тврд диск може да се користи ако тој е монтиран на мевови кои дозволуваат движење како одговор на силата, во тој случај силата може да се измери директно со сензор за сила. Други слични дизајни користат флексибилна дијафрагма или мембрана која се деформира под дејство на притисок (сл.8).

Сл.8 Сензор за мерење притисок со помош на флексибилна дијафрагма

Кога еднаш ќе биде измерено отклонувањето, тоа може да се конвертира како сила (или евентуално во притисок) со користење на механички модел за тоа како дијафрагмата се деформира под дејство на оптеретување.

Генеричкиот манометар е прикажан на слика 8.

Сл.8 Сензор за притисок: (a) дијафрагма со два влеза за мерење диференцијален притисок; (b) дијафрагма со еден влез за мерење апсолутен притисок; (c)

деформација на дијафрагмата под дејство на притисок; (d) шема на фолија за мерење на деформација во сензорите за притисок

Дијафрагмата во сензорот на сл.8.a е изложена од двете страни. Нето силата на дијафрагмата е разлика во притисокот помеѓу страната A и страната B, помножена со плоштината на дијафрагмата:

F=A( pA−pB)

Видливо во овој случај е деформацијата, која е измерена користејќи еден од уредите опишан подолу. Ако влезот на страната A е поврзан со процесот, а влезот

11


на страната B е оставен отворен кон надвор, тогаш сензорот покажува релативен притисок. Истиот сензор може да се употреби за мерење на диференцијален притисок со поврзување на влезот A и B со различни точки во процесот. Сепак ако страната A е запечатена, прикажано како на слика 8.b, тогаш сензорот мери апсолутен притисок.

Кога притисокот дејствува врз дијафрагмата, таа се деформира до вредност dприкажано на слика 8.c. Истиот однос помеѓу аплицираниот притисок и деформацијата на дијафрагмата зависи од деталите во дизајнот на сензорот. За релативно ниски притисоци, може да се користи тенка мембрана со радиус r, и деформацијата тогаш е пропорционална со притисокот.

d= r2 p4S

Овде, S е радијално напрегање врз мембраната. Нормално, тенка мембрана ќе се распадне на високи притисоци, наместо тоа може да се користи тенка плоча. Исто така, равенството за деформацијата е малку посложено одколку за деформација со тенка мембрана. Значи, сензорите за притисок се базирани на мерењата на деформациите на мембраните или дијафрагмите.

1.2.2 КАПАЦИТАТИВНИ МАНОМЕТРИ

Еден начин за да се измери деформацијата на проводната дијафрагма е да се однесува паралелно како една плоча на кондензатор. Капацитетот е обратно пропорционален на растојанието помеѓу двете плочи, па движењето на дијафрагмата предизвикува видлива промена на електричниот капацитет. Еден метод за детекција на оваа промена е да се направи електронско осцилаторно коло чија фрекфенција е детерминирана од капацитетот на дијафрагмата. Таков уред е наречен капацитативен манометар. Манометрите обично се користат за мерење притисок помал од една атмосфера (сл.9).

Сл. 9 Капацитативен манометар

12


1.2.3 МЕРНИ ЛЕНТИ

Најголем број на сензори за притисок користат мерни ленти за следење на деформацијата на дијафрагмата (сл.10). Мерната лента е електричен уред чиј излезен сигнал е пропорционален на растегливата или компресивната лента под дејство на надворешните сили. Лентата има релативна или делумна промена во должина, на пример прачка со номинална должина L која се истегнува под дејство на напрегање на должина ∆ L, има напрегање σ , каде:

σ=∆ LL

Ако мерната лента е добро залепена за прачката, тогаш мерната лента ке го има истото напрегање σ .

Едноставната мерна лента е базирана на отпорот на проводен материјал како што е метална фолија. Ако отпорот на жицата е пропорционален на должината, од овде следува дека со издолжување на жицата се зголемува и отпорот. Отпорните мерни ленти обично имаат модел на фолија слично како на сликата 8.d со цел да се зголеми чувствителноста на лентата долж наведената насока. Напрегањето σ е еднакво на делумната промена во отпорот, така што притисокот може да се измери со фиксирање на мерна лента на дијафрагмата како на слика 8.c а со тоа и следење на оторот.

Сл.10 Мерна лента

Модерните мерни ленти кои се употребуват во сензорите за притисок се направени од силициум или друг полупроводен материјал. Овие уреди имаад две предности во однос на постарите типови или метални ленти. Тие имаат повисок отпор и можат да се напојуват со константен извор на струја, и можат да се вградат во интегрално коло вклучувајќи овде и инструментален засилувач и некои други видови на кола. Ова коло праќа константна струја низ мерната лента и го снима произведениот напон.

13


1.3 СЕНЗОРИ ЗА НИВО

Сензорите за ниво се користат за следење на количество на течност или честици во резервоар или силос (сл.11). Излезната величина на сензорот е растојанието, мерено од врвот па се до дното на резервоарот. Еден начин за да се одреди нивото на течност во резервоарот е да се измери релативниот притисок на дното од резервоарот.

Сл.11 Сензори за мерење на ниво на течности

1.3.1 КАПАЦИТИВНИ СЕНЗОРИ

Капацитивните сензори за ниво мерат електричен капацитет електродата сонда и втората електрода, која е обично метален ѕид на резервоарот (сл.12). Капацитетот на централната електрода се менува како функција од висината на материјалот во резервоарот, почнувајќи од најниска вредност кога резервоарот е празен, и достигнувајќи ја максималната вредност кога резервоарот е полн. Реалната вредност на капацитетот зависи од геометријата на електродата и резервоарот и од диелектричната константа на материјалот.

Овој тип на сензор може да се користи во различни варијанти на течности и тврди тела. Во голема мера може да се толерира составот на електродата, затоа што претставува многу мал дел од напречниот пресек на површината на резервоарот. Како и да е, оваа техника има ограничувања: високо проводните материјали можат да направат краток спој поради електричното поле кое се генерира од централната електродата. Ако материјалот е проводна течност, резултантната струја ќе предизвика загревање, кое може да доведе до несакани ефекти. Во случај на проводно цврсто тело или влакна, загревањето ќе биде концентрирано на дејството помеѓу честичките и може да дојде до нивно спојување.

14


Сл.12 Нивото на материјал во метален резервоар може да се измери преку капацитетот C помеѓу централната електрода и металниот ѕид

Друг алтернативен пристап за следење на нивото на проводни течности е со употреба на електрода како на слика 12 со мерење на отпорот наместо капацитетот. Релативно мали струи може да се пуштат во центарот на електродата, така што може да се измери падот на напонот кој го има помеѓу електродата и ѕидот на резервоарот. Во овој случај, отпорот ќе биде максимален кога резервоарот е празен, а на минимум кога резервоарот е полн.

1.3.2 УЛТРАСОНИЧНИ И АКУСТИЧНИ СЕНЗОРИ

Друг пристап е да се лоцира интерфејсот помеѓу врвот наматеријалот и гасот кој е во празниот простор. Додека звучните бранови се рефлектираат како разлика во густината или акустичната импеданса, интерфејсот помеѓу материјалот и празниот простор генерално произведува доволно контраст за да се створи ехо. Фрекфенцијата на звукот е во опсег кој човечкото уво го регистрира, или да биде ултрасоничен, но во двата случаја мора да биде пулс со релативно кратко траење.

Во случај кај многу течности, овој тип на сензор може да се монтира на дното на резервоарот гледајќи нагоре или монтиран на врвот гледајќи надолу. Во случај на прашкасти материи или честици, сензорот работи најдобро ако е монтиран на врвот на резервоарот. Во друга позиција, звукот патува се додека не се случи одбивање, каде што ехото се формира. Ехото патува назад до трансдусерот каде што се детектира. Пропагираното време (или време на лет) на звукот во течности или гасови е детерминиран од растојанието кое го поминува звукот. Ако временското задоцнување помеѓу емисијата на пулсот и приемот на ехото е

15


означено како τ , тогаш растојанието од сензорот до точката на одбивање на звукот е:

d=( τ2 )vкаде v е јачината на звукот.

Физичка величина која ја набљудуваме во овој случај е времето, но грешката во јачината на звукот во предходното равенство може да има повеќе штетни ефекти во мерењето одколку временското закаснување. Од овде произлегува дека јачината на звукот генерално е многу осетлива на температурата, така што потенцијален проблем при овој пристап е варијацијата на температурата додека звукот патува. Дури и сензорите кои имаат вградено температурна корекција не можат точно да одговорат на времето на лет, затоа што тие мерат локална температура.

1.3.3 РАДАРСКИ РЕФЛЕКТОМЕТРИ ВО ВРЕМЕНСКИ ДОМЕН (TDR)

Радарите можат да се користат за мерење на времето не лет дури и кога има температурни варијации во процесот. Во овој случај техниката се вика радарска рефлектометрија во временски домен(TDR), но основниот концепт е ист како и оној што го користат ултрасоничните сензори (сл.13). Минијатурната радарска единица генерира сигнали на електромагнетно зрачење кои можат да бидат раштркани и рефлектирани од материјалите, посебно ако се тие проводни. Овие сензори се монтирани во внатрешноста и на врвот од садот, затоа што електромагнетното поле не може да ги пробие металните зидови.

Сл.13 TDR Сензор за ниво на течност

16


Како во случајот со ултрасоничните сензори, времето на лет τ , се мери за радарскиот сигнал. Брзината употребена во равенството од предходното поглавје е брзина на светлината, и треба да се напомене дека вредностите на τ се прилично мали, типичните вредности можат да бидат во опсег од 5 до 100 ns. Затоа мерењето не времето е повеќе важно во случај на радар одколку кога е случај со ултрасонична рефлектометрија. Затоа е многу тешко да се добијат прецизни мерења користејќи радар, многу подобри резултати се добиваат користејќи акустични сензори.

1.4 СЕНЗОРИ ЗА ПРОТОК

Овие сензори мерат или брзина v¿/s¿ на протокот или m ¿/s¿ на течности или течни честици во цевка или проток во некој процес. Ако средната брзина v низ цевката е измерена, тогаш масата на протокот може да се одреди од:

m=Aρv

каде A е напречниот пресек на цевката [m2] a ρ e густината на материјалот [kgm−3].

1.4.1 СЕНЗОРИ ЗА ТРАНСФЕР НА ТОПЛИНА

Вообичаен метод при мерењето проток на течности или гасови е да се измери и вредноста на топлината пренесена при протокот. Пример за ова е топло-жичан анемометар, кој се состои од електрично греен елемент кој е во топлински контакт со флуидот кој се мери. Топлинската енергија која произлегува од жицата е апсорбирана од флуидот кој тече кон сензорот. Значи температурата на грејниот елемент е определена од балансот помеѓу топлината од жицата која се дава и топлината која се пренесува во флуидот. Нивото на проток на флуидот е ја

17


одредува вредноста на ладењето на сензорот, така да температурата е индикатор за нивото на проток, под предпоставка дека електричната струја е константна.

Топлината, представена како Q и измерена во џули, е едноставно трансфер на топлинска енергија од еден кон друг материјал. Кога топлината тече кон или или од објектот (во овој случај сензорот за проток), температурата на објектот се зголемува пропорционално кон вредност ∆T :

Q=K ∆T

Овде, пропорционалната константа K е наречена топлински капацитет на сензорот. Топлината Q ја представува нето енергијата.

Константниот температурен анемометар генерира доволно топлина за да се одржи константна температура на сензорот и оваа температура е нешто над собната температура на флуидот. Контролното коло во сензорот константно ја следи температурата и ја прилагодува согласно со моќноста на грејачот. Еден начин за мерење на температурата на жицата е мерење на нејзината отпорност, како што беше покажано порано како функција од температурата. Во овој тип на сензор, контролното коло пушта краткотрајна топлина проследена со мерење на отпорот на топлинскиот елемент. Со најизменично менување на циклусите на греење и мерење, сензорот е во состојба да одржува константна температура и симултано да генерира сигнал кој е пропорционален со со нивото на проток.

Се разбира, овие сензори мора да се калибрираат за типот на флуидот кој го допира сензорот. Вишокот топлина кој флуидот го носи од сензорот има специфична топлина Km одредена со равенството:

Km=Q

m∆T

каде m е масата на даденото количество течност. Овде топлината Q е вредноста на топлината потребна да се зголеми температурата на масата m на течноста до вредност ∆T . Специфичната топлина е различна кај материјалите и варира од еден до друг флуид, и исто така е функција од температурата.од овие причини, топлинските сензори не работат добро во мултифазни проточни апликации каде вредноста на Km може да варира.

1.4.2 УЛТРА СОНИЧНИ СЕНЗОРИ

Како што е случај со мерењата на ниво на течности, брзината на проток течности или гасови може да се измери користејќи техника на ултрасонично време на лет. На сликата 14 е прикажана цевка со дијаметар D со два ултрасонични трансдусери монтирани на влезовите од спротивните страни од цевката. Едниот трансдусер емитира ултра звучен сигнал, а другиот, кој е монтиран на познато растојание z, го прима сигналот. Фрекфенцијата на ултразвукот е обично 1 MHz

18


или помал за гасови и 1-20 MHz за течности. Фрекфенцијата на ултразвукот е избрана како компромис помеѓу јачината на сигналот (која има тенденција да биде повисока на пониски фрекфенции) и адекватниот дефиниран сигнал (кој бара повисока фрекфенција).

Сл.14 Ултрасоничен мерач на проток монтиран во цевка со дијаметар D

Ако брзината на флуидот во цевката е нула, тогаш времето на лет на ултразвукот τ 0 ќе биде едноставно растојанието помеѓу трансдусерите поделено со брзината

на звукот c0 во течноста:

τ 0=√D2+z2

c0

Како и да е, ако течноста низ цевката се движи со средна брзина v, тогаш звучните бранови ќе се движат со течноста како што е прикажано на сл.14, и времето на лет ќе биде редуцирано. Се разбира, брзината на проток во цевката генерално е функција од положбата во цевката, но вкупниот ефект на протокот на течност ќе биде забрзан со доаѓањето на сигналот.

Користејќи апроксимација дека просечната брзина на протокот во цевката е v (m/s), може да се изведе прост израз за време на лет.

Сл.15 Позициите на приемникот и емитерот, како и аголот θ под кој звукот го сече ѕидот на цевката

Слика 15.a ја покажува геометријата употребена во оваа калкулација, дадените позиции на емитерот и приемникот, звукот кој патува во линија која го сече ѕидот на цевката под агол θ, каде:

cosθ= z

√D 2+z2= z

c0 τ0

Како што беше наведено погоре, звучните бранови патуваат со протокот на течност, така што ефективната брзина на звукот во насока на протокот е (c0+v), додека ефективната брзина трансверзално на протокот е само c0. Додека брзината е вектор, брзината на течноста може да се реши преку две ортогонални компоненти, како што е прикажано на слика 15.б. Компонентата на брзината на

19


протокот долж насоката дефинирана со агол θ е (vcosθ), така да во оваа насока звукот се шири со брзина (c0+vcosθ).

Времето τ (време на лет) на сигналот од емитерот до ресиверот е исто така еднакво на растојанието поделено со ефективната брзина на звукот во таа насока. Од равенството евидентно е дека:

√D2+ z2=c0 τ0

па од овде следи дека времето на патување е:

τ= √D2+z2

c0+v cosθ=

c0 τ0

c0+[ vzc0 τ0

]=

(c0 τ 0)2

c02 τ0+vz

Со решавање на v ов оваа равенство добиваме дека:

v=c0

2 τ02−c0

2 τ0 τzτ

=( c02 τ 0

z )( τ0

τ−1)

Според тоа, брзината на течноста во цевката може да биде измерена преку времето на лет без точно дефинирање на дијаметарот на цевката, туку само ако се познати времето на лет τ 0 и растојанието помеѓу двата трансдусери. Исто така

возможно е сензорот да се калибрира со екстраполација τ 0 од времето τ забележено при неколку брзини на проток.

Голем дел од несигурноста во мерењето на проток се должи на температурните ефекти. Брзината на звукот зависи од температурата T ,така да задолжително е да се знае c0(T ) исто така и температурата во цевката каде што е вршено мерењето. Овие сензори генерално имаат вградено еден вид на температурна компензација во нив. Повеќе напредни модели можат да го моделираат c0 ¿) врз основа на поголем број калибрации на различни температури.

Друга шема за мерење на брзината на проток во течности преку ултразвук е со детекција на фрекфентната промена на ехото од честичките или меурите. Ако сноп на ултразвукот од трансдусерот се ињектира во протокот, дел од звучните бранови ќе се рефлектираат од честиците или меурите кои се ствараат во течноста. Ултразвукот може да биде континуиран бран или пулсирачки звук со релативно кратко траење. Во случај на континуиран бран, ехото може да биде регистрирано од вториот трансдусер, а ако е тоа пулсирачки тон, тогаш ехото може да биде регистрирано и од конверторот при задоцнувањата помеѓу трансмисиите. Во секој случај, фрекфенцијата на повратниот бран ќе биде Доплеров ефект.

Фрекфенциската промена ∆ f беше пресметана во равенството за светлина рефлектирана од подвижно огледало, но резултатот е ист и за ултразвук, каде c е брзина на светлината. Земајќи ја f 0 како фрекфенција на ултразвукот емитирана од трансдусерот, тогаш следи дека фрекфенцијата на ехото f е детерминирана од брзината на течноста v :

20


f=f 0+2 vc

f 0

Решавајќи го v, добиваме дека :

v= c2( ff 0

−1)

каде v е позитивна ако протокот е насочен кон сензорот а негативна ако е насочен спротивно.

Изведувањето на оваа равенство е под предпоставка дека ултразвукот се пропагира во насока на протокот, и некои дизајни на сензори се такви да трансдусерот се поставува директно во средината на процесното струење на течноста. Овакво поставување не е оптимално затоа што го закочува протокот на течност. Повеќето Доплерови мерачи на проток предаваат и емитираат ултразвук под агол θ во однос на цевката. Во такви сензори, брзината што се всушност мери е компонента на брзината на протокот ¿).Затоа општ облик на равенството е :

v= c2cosθ

( ff 0

−1)

Како што беше случај со мерењето на време на лет, Доплеровите техники се осетливи во однос на температурните промени. Мерачите на проток генерално вклучуваат следење на температурата заради утврдување на точната вредност на протокот. Едно нешто може овој недостаток да го претвори во предност. Ако вредноста на протокот е позната, тогаш промените на времето на лет или фрекфенцијата можат да се употребат заради утврдување на температурата од c0(T ). Овој пристап е основен за ултрасонични термометри.

1.4.3 ЕЛЕКТРОМАГНЕТНИ СЕНЗОРИ

Електромагнетните мерачи на проток овде се спомнати на кратко, затоа што тие имаат доста широка примена и нивното функционирање ќе биде објаснето на друго место. Тие можат да се употребуваат за мерење на проводни течности и кашасти материјали кое се употребуваат во индустриските процеси. Принципот на функционирање овде се засновува на фактот дека проводните течности имаат висока концентрација на позитивни и негативни јони. Додека овие јони се пренесуваат низ течноста, тие можат да бидат одбиени од надворешен магнет чии линии на магнетниот флукс се нормални на цевката. Резултантната сила на јоните предизвикува тие да се движат нормално во двете насоки на текот на течноста и на магнетните линии на флуксот (сл.16).

21


Сл.16 Електромагнетен сензор за проток со магнетно поле. Протокот е од лево кон десно

На оваа слика е прикажан генерички сензор, каде ⊗ го покажува магнетниот флукс, ако протокот се движи на десно како на сликата, тогаш позитивните јони ке се одбиваат нагоре а негативните јони надолу. Ако електродите се поставени така да бидат во контакт со процесниот флуид, тогаш ќе се створи електричен потенцијал помеѓу нив, и напонот ќе биде пропорционален со средната брзина на протокот.Магнетното поле може да се добие од перманентен магнет, или обично од пар електромагнетни калеми. Предноста при употреба на електромагнети е тоа дека тие можат да произведат најизменично магнетно поле, што од своја страна генерираат најизменичен поларитет на електродите. Набљудуваниот напон може да се измери со употреба на фазна детекција или друга техника на промената на излезот.

1.4.4 ДИФЕРЕНЦИЈАЛНИ СЕНЗОРИ ЗА ПРИТИСОК

Еден од најчесто употребуваните сензори за проток во индустријата е диференцијалниот мерач на притисок (сл.17). Пумпањето на гас или течност преку стегање, како намален дијаметар на цевката (сл.16.а) или преку процеп (сл.17.б), ствара пад на притисокот низ стеснувањето. Овој диференцијален притисок се зголемува со брзината на протокот, така што сензорот за притисок мозе да се искористи за мерење на протокот. Се употребуваат различни геометрии заради генерирање на диференцијален притисок.

Сл.17 Диференцијални сензори за притисок

22


Типичен сензор за мерење на проток на течности е Вентури метарот, прикажан на слика 17.а. Овој уред е составен од заоблена цевка која се стеснува од влезот (лево) па до минимум дијаметар на грлото на уредот и се шири на излезот. Вентури метарот е дизајниран за мерење на вискозни флуиди со густина ρ. Неговата работа е базирана на Бернулиевата равенка, која покажува дека притисокот ρ и брзината v во било кои точки при течењето во таков флуид е:

ρ1+ρ v1

2

2=ρ2+

ρ v22

2Овде, ние го мериме диференцијалниот притисок ρ помеѓу влезот и грлото на Вентури метарот. Како прв извод, предпоставуваме дека брзината на грлото е пропорционалнална на брзината при влезот:

v2=K v1

каде K>1 .Од овде следува дека:

∆ ρ=ρ1− ρ2=ρ2

(v22−v1

2 )= ρ2(K 2−1) v1

2

што значи дека брзината при влезот е пропорционална на квадратниот корен на падот на притисокот:

v2∝√∆ ρ

Во пракса, вискозноста на реален флуид и геометријата на Вентури метарот влијаат на ∆ ρ, така што пропорционалната константна во оваа равенство мора да се најде експериментално или приближно од инженерските прирачници за дадената апликација. Температурните ефекти исто така морат да се земат во предвид во конечната калкулација за брзината на протокот.

Протокот на гас исто така често се мери со помош на процеп слично како на слика 17.б. Падот на притисокот зависи од големината на процепот, зависно за соодветната апликација, помали процепи обично се употребуват за помали протоци.

КОРИСТЕНА ЛИТЕРАТУРА

WWW.WIKIPEDIA.ORG

23


24

seminarska rabota konvencionalni senzori

Documents

blackbody

tdr

ntc

ptc