Transcript PolikZ.SZE.AutEpEl.01

Automatikai építőelemek
Szenzorok
Bevezetés és alapfogalmak
Pólik Zoltán
Kutató-fejlesztő mérnök
Corporate Innovation Management, Veszprém
BALLUFF Elektronika Kft.
Veszprém
[email protected]
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
Irodalom:
[1] Lambert Miklós: Szenzorok – elmélet és gyakorlat
www.balluff.com
1
Automatikai építőelemek
Mi az érzékelő?
Az érzékelő egy fizikai (kémiai, biológiai, stb.) mennyiség változásának hatására egy
elektromos (vagy elektromosan közvetlenül mérhető) jellemző változásával válaszol.
távolság
sebesség
hőmérséklet
frekvencia
koncentráció
mágneses térerősség
erő
tömeg
forgatónyomaték változása
fényerősség
sugárzás
vezetőképesség
fordulatszám
hangintenzitás
nyomás
szín
...
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
érzékelő
feszültség
ellenállás
áramerősség
frekvencia
változó vezetőképesség
kapacitás
...
...
...
számérték
www.balluff.com
2
Automatikai építőelemek
Szenzor, érzékelő
Érzékelőelem, mérőelem: elsődlegesen a méréstechnikában, szabályozástechnikában használatosak,
de a modern kommersz (commerce) elektronikában a számuk robbanásszerűen növekszik.
Mérés: összehasonlítás (SI mértékegységgel), információgyűjtés a mérendő mennyiségről
Mérés pontossága: a mérési bizonytalanság a szenzor tulajdonsága és függ a mérés körülményeitől
(a jegyzőkönyv tartalmazza a mérés körülményeit; be kell tartani a specifikációkat)
Mérőrendszer elrendezése, mérés menete
Mérendő
paraméter
Bemenet
Fizikai mennyiség
Mérőrendszer
Kimenet
Mért érték
Megfigyelő
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
3
Automatikai építőelemek
Általános mérőrendszer strukturális felépítése
Szenzor
Jelkondícionáló,
átalakító
Jelfeldolgozó
Adatmegjelenítő
Termisztoros hőmérőrendszer blokkvázlata
Termiszor
10.08.2014
Linearizáló
áramkör
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
A/D konverter
Kijelző
www.balluff.com
4
Automatikai építőelemek
Mérés eredményének feldolgozása
Bizonyos alkalmazásokban elegendő lehet a mért értéket csak vizuálisan kijelezni, de általában nem az.
Az analóg vagy digitális formában reprezentált mért érték általában egy rendszerhez csatlakozik, ahol
visszacsatoló, vagy beavatkozó jel funkcióját tölti be. Ettől a ponttól, a szabályozástechnikából ismert
műveletekkel dolgozhatjuk fel őket.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
5
Automatikai építőelemek
Szenzorok osztályozása
A szenzorok osztályozása többféleképpen lehetséges, a különböző szakirodalmak különbözőképpen tárgyalják.
Egy általános felosztási elv az érzékelendő fizikai paraméter szerinti osztályozás.
Érzékelők osztályozása az érzékelendő fizikai jel szerint
Termikus
Hőmérséklet, hőmennyiség, hőáram, entrópia, hőkapacitás, stb.
Sugárzás
Gamma-, Röntgen-, UV-, látható sugárzás, infravörös, mikrohullámú, RF, stb.
Mechanikai
Helyzet, sebesség, gyorsulás, erő, nyomaték, nyomás, tömeg, áramlás,
hangfrekvencia, hangnyomás, rezgés. stb.
Mágneses
Mágneses tér, fluxus, mágneses nyomaték, mágneses indukció, permeabilitás, stb.
Villamos
Töltés, áram, feszültség, ellenállás, vezetőképesség, kapacitás, induktivitás,
dielektromosság, polarizáció, frekvencia, stb.
Kémiai
Nedvesség, pH érték, gázkoncentráció, gőzök és illatok, mérgező és gyúlékony anyagok,
szennyező anyagok, stb.
Biológiai
Cukrok, proteinek, hormonok, antigének, stb.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
6
Automatikai építőelemek
Érzékelők osztályozása kimenet szerint
Kapcsoló
Induktív-, kapacitív-, optikai közelítéskapcsolók, stb.
Analóg
Nyúlásmérő bélyeg, potenciométer, hőmérő,stb.
Lineáris útmérő
Induktív-, mágneses-, pozíció jeladók, mágneses és magnetostrikciós útmérő
Analóg távolságmérő Induktív-, kapacitív-, optikai távolságmérők
Elfordulás
Optikai, induktív forgó encoderek és elfordulásmérők
Digitális jel
Kapcsolójel, analóg jel, lineáris pozícióadat, elfordulás-érték digitalizált értékének
megjelenítése a kimeneten
Aktív és passzív érzékelőelemek :
Aktív: A mérendő folyamat energiájából állítják elő a mérőjelet
Pl.: hőelem, pH-mérő, fényelem stb.
Passzív: Külső tápforrás szükséges a mérőjel előállításához
Pl.: potenciométer, fotoellenállás, magnetorezisztor stb.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
7
Automatikai építőelemek
Szenzorok karakterisztikái
Szenzorok esetében kétféle karakterisztikát különböztetünk meg: Statikus karakterisztikát és
dinamikus karakterisztikát.
Statikus karakterisztikák
A szenzorok jelátalakítók, amik a mérendő fizikai paramétereket feldolgozható (általában villamos)
mennyiségekké alakítják. Az átalakítási tulajdonságot, vagyis a mérendő és kimeneti jel összefüggését
karakterisztikával adják meg. A karakterisztika megadható diagrammal, táblázattal, vagy analitikusan.
Az analitikus megadási mód lineáris, vagy egyszerű matematikai összefüggéssel leírható
karakterisztikájú szenzoroknál elterjedt (pl.: szinusz, exponenciális stb.). Bonyolultabb
összefüggéseknél a grafikus megoldások jellemzőek. Példa: termisztorok karakterisztikái
A táblázatos megadás nem elterjedt, mivel itt a közbülső értékek interpolációval határozhatók csak
meg.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
8
Automatikai építőelemek
Statikus karakterisztikák
A statikus karakterisztika időben állandósult bemeneti és kimeneti jelek értékpárjaira vonatkozik!
A statikus karakterisztikák felvétele állandósult környezeti körülmények között, definiált
referenciafeltételek mellett történik. Pl.: beállított hőmérséklet, páratartalom, légnyomás, geometriai
elrendezés, stb.
- Mérési tartomány: specifikált bemenetikimeneti értékpárok
Statikus karakteriszika [1]
- Működésképtelen tartomány: kicsi a
mérőjel; rossz jel-zaj viszony; a zaj
összemérhető a hasznos jel értékével
- Túlterhelési tartomány: bemenő jel
meghaladja az engedélyezett mértéket,
a kimeneti jel nem a specifikáció szerint
függ a bemeneti jeltől (pl.: telítésbe
megy). Károsodás léphet fel, feléledési
időre lehet szükség a mérési
tartománybeli újbóli helyes működéshez.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
9
Automatikai építőelemek
Érzékenység
Az üzemi tartomány pontjainak jellemzője az érzékenység. Az érzékenység megmutatja az érzékelő
kimenti jele változásának mértékét a bemeneti jel változásának függvényében:
𝛽=
d𝑦
d𝑥
ahol β az érzékenység, x a mérendő tulajdonság, y a mérőjel.
x
Szenzor
y
A sorozatgyártással készült szenzorok karakterisztikái az alkatrészek paraméterszórásai és a gyártási szórások
miatt a specifikációban megadott karakterisztikát csak valamekkora eltéréssel tudják teljesíteni. A statikus
karakterisztika ideálistól való eltérésének jellemzőit különböző paraméterekkel szokás megadni:
Hiszterézis hiba, ismétlőképességi hiba, linearitási hiba, alakhiba, felbontóképesség, kúszás, nullponteltolódás, érzékenységváltozás.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
10
Automatikai építőelemek
Hiszterézis
A legtöbb szenzor a bemenő jel megegyező értékénél eltérő kimeneti jelet szolgáltat, ha a bemenő
értéket csökkenő, illetve növekvő megközelítésével érjük el. Ezt a jelenséget nevezzük hiszterézisnek.
Kimenet hiszterézise [1]
Ismétlőképességi hiba
Ha a szenzor kimenetén azonos irányú bemenőjel-változás
esetén eltérő kimeneti értéksort kapunk, ismétlőképességi
hibáról beszélünk.
Ismétlőképességi
hiba [1]
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
11
Automatikai építőelemek
Linearitási hiba
A szenzorok többsége lineáris statikus karakterisztikával rendelkezik. Egy konkrét példány a
termékspecifikációban megadott lineáris statikus karakterisztikától maximum a gyártó által
meghatározott mértékben térhet el. Ezt az eltérést a linearitási hibával szokás jellemezni, melyet
többféleképpen is lehet definiálni.
Elméleti linearitási hiba [1]
Elméleti linearitási hiba
A linearitási hiba miatt a valóságos karakterisztika eltér
a lineáristól. A definíció szerint a valódi karakterisztikákhoz
a lineárissal párhuzamos érintőt húzunk, +hlin és –hlin
érték a lineáristól való eltérés mértéke.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
12
Automatikai építőelemek
Végpontra vonatkoztatott linearitási hiba
Az elméleti karakterisztika meghatározása az üzemi méréshatár végpontjából a közepes ofszet értékéhez
húzott egyenessel történik. A hiba az elméleti linearitási hibához hasonlóan a mért karakterisztikák érintő
párhuzamosának és az elméleti karakterisztikának függőleges tengelyen mérhető távolságából
származtatható.
Végpontokra vonatkoztatott
linearitási hiba [1]
Független linearitási hiba
Az a hiba, melynek értékénél a valódi
karakterisztikák sem pozitív, sem negatív irányban
nem térnek el nagyobb mértékben a lineáristól.
Független
linearitási hiba [1]
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
13
Automatikai építőelemek
Regressziós linearitási hiba
A regressziós linearitási hiba definíciója szerint az elméleti karakterisztika egyenese ott fut, ahol a mért
görbeeltérések négyzetösszege minimális.
Regressziós linearitási hiba [1]
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
14
Automatikai építőelemek
Alakhiba
Nem minden érzékelő karakterisztikája lineáris. Az elméleti nemlineáris karakterisztikától való eltérést
alakhibának nevezzük és a görbe bizonyos pontjára vonatkoztatva adjuk meg.
Felbontóképesség
A felbontóképesség a legkisebb mérhető mennyiség, amely a szenzor kimenetén mérhető jelet szolgáltat.
Másszóval a bemeneti jel felbontóképességnél kisebb változásainak érzékelésére a szenzor nem alkalmas
Felbontóképesség [1]
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
15
Automatikai építőelemek
Kúszás
A szenzor egyik stabilitáshibája, amely a bemeneti és kimeneti értékpárok élettartam alatti lassú változását
okozzák. A kúszás oka általában a szenzorban felhasznált anyagok és alkatrészek öregedés miatti
paraméterváltozása, de gyártástechnológiai és konstrukciós okai is lehetnek.
Nullpont eltolódás
A nullpont eltolódás okai hasonlóak a kúszáséhoz, a jelenség azonban eltérő. A nullpont eltolódáskor zérus
bemeneti jel és állandó referenciafeltételek mellett a kimeneti jel a szenzor élettartama során megváltozik.
Érzékenységváltozás
Az szenzor érzékenységének meghatározott idő alatt tapasztalható megváltozása, melynek okai az előző
két stabilitáshibához hasonló okokra vezethetők vissza.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
16
Automatikai építőelemek
Környezeti hatások
Mivel a szenzorok a legritkább esetben működnek a referenciafeltételek mellett – rendszerbe integrált
szenzorokkal találkozhatunk pl. minden automatizált gépben – a környezet hatása is befolyásolhatja a statikus
karakterisztikát. A környezeti hatások a mérésre és a szenzor alkatrészeire is befolyással vannak, ezért az
adatlapban meghatározzák a környezeti változók megengedett maximális és minimális értékeit.
Pl.: hőmérséklet (-40..+85 °C), gyorsulás (100 m/s2) stb.
A megadott tartományon belüli használat esetén a szenzor az adatlapban megadott pontossággal képes működni
(általában!).
Hőmérséklet hatása
A hőmérséklet a legtöbb szenzor karakterisztikájára hatással van. A hőmérsékletváltozás által
okozott statikus karakterisztika-változást diagramban, hibasávval szokás megadni.
Lineáris karakterisztikájú érzékelőknél a nullpont eltolódására és az érzékenység meredekségének
hőmérséklet függvényében előálló változására külön grafikont szokás megadni.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
17
Automatikai építőelemek
A hőmérséklet állandósult értékei mellett előfordul, hogy a hőmérséklet ugrásszerű megváltozása is
hatással van a szenzor karakterisztikájára. Ha definiálva van, akkor a tranziens hőmérsékleti változás
hatása diagram formájában adható meg.
Tranziens hőmérsékleti hiba [1]
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
18
Automatikai építőelemek
További hibák
Mivel a szenzorok többsége ipari környezetben helyezkedik el, ezért fokozottan ki vannak téve a
rezgéseknek is. Azok a szenzorok, amelyek mérőeleme, vagy elektronikája érzékeny a rezgésekre, a
kimeneten tapasztalható hibajelenségeket produkálhat. Ezért a rezgésekre érzékeny szenzorok esetén
megadják a maximális rezgést, vagy sokkot, amelyet az érzékelő helyes működés mellett képes tolerálni
és a meghibásodási értékeket is, amelyeknél nagyobb fizikai behatásoknál a szenzor tönkremenetelére
lehet számítani.
A környezeti levegő vagy folyékony közeg nyomása deformációkat okozhat az érzékelő felületén,
alkatrészeiben, amely a statikus karakterisztika megváltozását okozhatja. A nyomásváltozás melegedést is
okozhat, amely ezen keresztül járul hozzá a kimenet megváltozásához. Az adatlapon megadott maximális
nyomás meghaladásakor a szenzor károsodhat.
A nedvesség különböző módokon hathat az érzékelők karakterisztikájára. Nedvszívó anyagoknál
geometriai deformációt, nyomásnövekedést, vezetőképesség változást okozhat, szigetelőknél a
dielektromos állandó és a veszteségi tényező megváltozását eredményezheti, villamos átvezetéshez,
átütéshez vezethet, illetve hosszú távon korróziót okozhat, amely hibás mérési eredményekhez vezet.
A külső elektromágneses tér is hatással lehet az érzékelők működésére, különösen azokéra, amelyek
elektromágneses elven működnek. Habár léteznek (és egyre több) olyan eszközök, amelyek EMCvédelemmel ellátottak, többségüknél hibás működésre, extrém esetben tönkremenetelre lehet számítani a
megengedettnél nagyobb hatások esetén. Az ipari érzékelők gyártói általában megadják az jellemző
elektromágneses zavarokra vonatkozó vizsgálatok (pl.: ESD, Surge, Burst) eredményeit, ezeknek
megfelelően kell alkalmazni őket.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
19
Automatikai építőelemek
EMC
IEC EN 61000-4-2, Electromagnetic compatibility (EMC)- Part 4-2: Testing and measurement techniques Electrostatic discharge immunity test
IEC EN 61000-4-3, Electromagnetic compatibility (EMC)- Part 4-3: Testing and measurement techniques Radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test
IEC EN 61000-4-4, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-4: Testing and measurement techniques Electrical fast transient/burst immunity test
IEC EN 61000-4-5, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-5: Testing and measurement techniques Surge immunity test
IEC EN 61000-4-6, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-6: Testing and measurement techniques Immunity to conducted disturbances, induced by radio-frequency fields
IEC EN 61000-4-7, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-7: Testing and measurement techniques General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power
supply systems and equipment connected thereto
EN 61000-4-8, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-8: Testing and measurement techniques Power frequency magnetic field immunity test
IEC EN 61000-4-9, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-9: Testing and measurement techniques Pulse magnetic field immunity test
IEC EN 61000-4-11, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-11: Testing and measurement techniques
short
and voltage variations immunity tests
www.balluff.com
10.08.2014 - Voltage dips,
Balluff
Kft, CIMinterruptions
Veszprém, Z. Pólik
20
Automatikai építőelemek
Szerelési hatások
- Szerelő szerszámok (nyomatékkulcs)
-Technológia (csavarmaghúzási sorrend, tömítőanyag)
-Beüzemelési feltételek (geometriai, levegő nyomás, páratartalom stb.)
-Környező anyagok (fémek, dielektromos anyagok)
- … minden ami hatással lehet a mérés fizikai elvére vagy a szenzor alkatrészeire
Ezért beüzemelésnél, beépítésnél, beállításnál mindig az adatlapban leírtak szerint kell eljárni.
Élettartam
A szenzoroknak, mint minden műszernek, élettartama van, amely típusonként eltérő. Az érzékelő
élettartamára az adatlapban találhatunk információt. Típustól, fajtától függően az adatlap előírhat
karbantartást, amelyet be kell tartani. Csak így biztosítható a megadott élettartam. A karbantartás jelenthet
tisztítást, kalibrációt, beállítást stb. Vannak olyan szenzorok is, amelyek nem igényelnek karbantartást,
ezek élettartamuk végéig az adatlapban megadott paraméterek szerint üzemeltethetők.
Környezeti hatások működésen kívül
A szenzor beszerelése előtt (késztermék, áru formájában) üzemen kívül van, és beszerelése után is lehet
üzemen kívüli állapotban. Fontos, hogy szállítás, tárolás során, illetve beszerelt üzemen kívüli állapotban is
be legyenek tartva az adatlapban megadott feltételek. Ezek nem teljesülése esetén a szenzor
meghibásodhat.
Jellemzően hőmérséklet, páratartalom, mechanikai behatások megadása az általános.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
21
Automatikai építőelemek
Környezeti hatások csökkentésének módszerei
Korrekció: A szenzort zavaró jel külön szenzorral való mérése és jelfeldolgozó egységgel a szenzor jelének
zavaró jellel történő korrekciója.
Különbségképzés: Két ugyanolyan szenzor elhelyezése, melyek közül az egyikre a mérőjel és a zavaró jel,
a másikra csak a zavaró jel hat. A zavaró jelet mérő szenzor jelének másik szenzor jeléből
való levonásával a mérendő jel kapható meg.
Kompenzáció: Nemlineáris jelleggörbéjű szenzornál az egyik szenzorra a mérendő jel és a zavarjel hat, a
referenciaszenzorra pedig a zavarjel és egy ismert, a mérendő jellel arányos jel, amellyel a
mérendő jel kompenzációja történik. A referenciaszenzor jelét végül levonjuk a
mérendő jelet mérő szenzor jeléből.
Visszahatás
Szenzorok alkalmazásakor fontos tudatában lenni annak, hogy a szenzorok sok esetben visszahatnak a
mérendő mennyiségre. Például a hőmérő felmelegítése hőt (hőenergiát) von el attól a testtől, aminek a
hőmérsékletét mérni szeretnénk. Egy kontaktusos végálláskapcsoló is megváltoztathatja a céltárgy
pozícióját. Ezért a rendszer tervezésekor figyelembe kell venni a mérőrendszer hatását is a mérendő
folyamatra és ennek megfelelően kell megválasztani az érzékelőt, beállítani a rendszert.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
22
Automatikai építőelemek
Dinamikus karakterisztikák
Habár a szenzorok állandósult állapotban való viselkedése a statikus karakterisztikával kellő
pontossággal leírható, időben gyorsan változó bemeneti jeleknél ezek nem feltétlenül lesznek igazak.
A kimeneti és bemeneti mennyiségek pillanatnyi értékei között a szenzor időfüggő differenciálegyenlete
adja meg a kapcsolatot, amelyet a szenzor dinamikus karakterisztikájának nevezünk. A dinamikus
karakterisztika felvétele speciális vizsgálójellel (dirac, egységugrás), vagy szabványban meghatározott
módszerrel történik. Megadható az idő és frekvenciatartományban.
Időtartományban
Általában egységugrásra adott
válasz.
Dinamikus karakterisztika az
időtartományban [1]
Beállási idő és hibasáv definiálható
A beállás közben a szenzor
által szolgáltatott jelalak a
szenzor tulajdonságaitól függ.
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
23
Automatikai építőelemek
Frekvenciatartományban
Frekvenciatartomány beli dinamikus
karakterisztika a frekvenciakarakterisztika.
A bemeneti jel szinuszos, frekvenciája a
kérdéses tartományon belül változik.
A válaszfüggvény a szenzor
frekvenciakarakterisztikája.
A ±δ amplitúdóváltozáshoz tartozik az ω
sávszélesség.
Frekvenciatartománybeli
dinamikus karakterisztikák [1]
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
24
Automatikai építőelemek
Szenzor adatlapok
10.08.2014
Balluff Kft, CIM Veszprém, Z. Pólik
www.balluff.com
25