ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ ΟΡΓΑΝΑ - ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ - ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ ΟΡΓΑΝΑ - ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ - ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Σε προηγούμενο κεφάλαιο αναφερθήκαμε σε μια κατηγορία ηλεκτρονικών οργάνων, τους ανιχνευτές προσέγγισης. Τα όργανα αυτά όπως είδαμε είναι σε θέση να μας δώσουν πληροφορία για την ύπαρξη ή όχι κάποιου αντικειμένου στη περιοχή ανίχνευσης. Η πληροφορία συνεπώς που μας δίδουν είναι η στοιχειώδης πληροφορία υπάρχει - δεν υπάρχει, πληροφορία δηλαδή 1 bit. Σε πολλές εφαρμογές εν τούτοις απαιτείται να γνωρίζομε πολύ περισσότερα στοιχεία από μια εγκατάσταση : Μπορεί να θέλομε να γνωρίζομε π.χ. πόσο ψηλά είναι η στάθμη του υγρού σε ένα δοχείο και όχι απλώς αν το δοχείο είναι γεμάτο ή όχι. Στη προκειμένη περίπτωση είναι φανερό ότι επιθυμούμε να έχομε μέτρηση της στάθμης. Υπάρχουν μια σειρά από όργανα με τη βοήθεια των οποίων είμαστε σε θέση να πραγματοποιήσομε μετρήσεις φυσικών μεγεθών. Τα όργανα αυτά θα ονομάζομε αισθητήρια όργανα. Η λειτουργία τους στηρίζεται πάντα σε κάποιο φυσικό νόμο ή αρχή. Κάποια αισθητήρια όργανα ασφαλώς μας είναι γνωστά από τα μαθήματα Φυσικής - θερμόμετρο, πυκνόμετρο, όργανο μέτρησης παροχής κ.λ.π. Την ένδειξή τους μας δίδουν συνηθέστατα σε κάποιο βαθμονομημένο κανόνα όπου και μπορούμε να την διαβάσομε. Στα σύγχρονα συστήματα ελέγχου μας ενδιαφέρει η πληροφορία του οργάνου να είναι ηλεκτρική - σε μορφή δηλαδή τάσεως. Τούτο δε διότι α) τότε μπορεί εύκολα η πληροφορία αυτή να διαβασθεί από τον Ηλεκτρονικό Υπολογιστή και β) διότι τότε το όργανο μπορεί να δώσει εύκολα τα σήματα ανάδρασης σε ένα σύστημα κλειστού βρόχου όπως θα αναλύσομε στο σχετικό κεφάλαιο. Στο εξής λοιπόν όταν αναφερόμαστε σε αισθητήρια όργανα θα εννοούμε όργανα μέτρησης φυσικών μεγεθών που μας δίδουν σε μορφή ηλεκτρική την πληροφορία για την τιμή του μετρουμένου μεγέθους. Υπάρχουν σήμερα διαθέσιμα πλείστα όσα τέτοια αισθητήρια για μέτρηση σχεδόν κάθε μεγέθους που θα θέλαμε. Μικρά σε μέγεθος και με συνεχώς μειούμενο κόστος. Με εκπληκτική πολλές φορές 46

2 ακρίβεια. Στο κεφάλαιο αυτό θα κάνομε μια προσπάθεια να παρουσιάσομε μερικά από αυτά. Τα αισθητήρια διακρίνονται βασικά σε δύο κατηγορίες αναλόγως το είδος του ηλεκτρικού σήματος που παρέχουν στην έξοδο τους : 1. Αισθητήρια αναλογικής εξόδου. Το σήμα στην έξοδο είναι αναλογικό (analog) με την έννοια του συνεχούς. Το μέγεθος της μετρούμενης μεταβλητής είναι ανάλογο του πλάτους της τάσης που δίδει το αισθητήριο. Βασικό τους μειονέκτημα είναι το γεγονός ότι η το ηλεκτρικό σήμα που δίδουν μπορεί να αλλοιωθεί από τον (ηλεκτρικό) θόρυβο (παράσιτα). Έτσι θα έχομε σφάλμα στη μέτρηση. Στο Σχήμα 4.1 φαίνεται πως το σήμα του οργάνου μπορεί να παραμορφωθεί από τον ηλεκτρικό θόρυβο καθώς αυτό μεταφέρεται με καλώδιο από το αισθητήριο στον Η/Υ ή το όργανο μέτρησης της τάσης. Το αισθητήριο κάποια χρονική στιγμή δίδει ας πούμε 4.1 Volts, και στον Η/Υ φτάνουν 4.2 Volts λόγω του θορύβου. Σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον τέτοιοι ηλεκτρικοί θόρυβοι είναι αναπόφευκτοι. τάση Ηλεκτρικός θόρυβος χρόνος Σχήμα Αισθητήρια ψηφιακής εξόδου. Το σήμα στην έξοδο είναι ψηφιακό δηλαδή παίρνει διακριτές τιμές. Η πληροφορία για το μέγεθος του μετρουμένου μεγέθους είναι υπό μορφή δυαδικού αριθμού ή σειράς παλμών. Στη περίπτωση αυτή η μέτρηση δεν αλλοιώνεται τόσο εύκολα. Η πληροφορία εδώ δεν είναι στο πλάτος της τάσης άρα ακόμη κι αν αυτό αλλοιωθεί λίγο η πληροφορία μπορεί να διατηρείται όπως θα δούμε κατά τη ανάλυση σχετικών οργάνων. Στη συνέχεια του κεφαλαίου θα αναφερθούμε συνοπτικά σε διάφορες κατηγορίες αισθητηρίων. Θα συζητηθούν μόνο μερικοί αντιπροσωπευτικοί τύποι από 47

3 κάθε κατηγορία. Προκειμένου να συμπεριλάμβανε κανείς όλο το φάσμα από τα αισθητήρια που χρησιμοποιούνται θα χρειαζόταν ένα ολόκληρο βιβλίο! 4.2 ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ Το γραμμικό ποτενσιόμετρο Είναι ίσως το απλούστερο αισθητήριο θέσης. Αποτελείται από μια αντίσταση κατά μήκος της οποίας κινείται μια επαφή - η μεσαία λήψη όπως ονομάζεται (Σχήμα 4.2). E l v Σχήμα 4.2 Η αντίσταση που είναι συνήθως 10 KΩ τροφοδοτείται με συνεχή τάση. Η τάση τότε στη μεσαία λήψη είναι ανάλογη της απόστασής l από τo άκρο της αντίστασης που έχει μηδενική τάση. V=E*L/l = K*l όπου L το συνολικό μήκος της αντίστασης. Είναι φανερό λοιπόν ότι το όργανο μετρά την μετατόπιση l με την βοήθεια του πλάτους της τάσης V. H μέτρηση δε όπως φαίνεται είναι γραμμική. Πρόκειται δηλαδή για ένα αναλογικό όργανο μέτρησης της μετατόπισης. Συνήθως η αντίσταση είναι προσαρμοσμένη σε μια ακίνητη επιφάνεια η δε επαφή σε ένα κινούμενο στέλεχος. Τότε η τάση στη μεσαία λήψη (κινούμενη επαφή) του ποτενσιόμετρου είναι ανάλογη της μετατόπισης του στελέχους. Το στοιχείο αντίστασης μπορεί να είναι είτε κυλινδρικό είτε επίπεδο (τύπου φιλμ). Η διακριτική ικανότητα (resolution) του οργάνου εξαρτάται από την πυκνότητα των τυλιγμάτων 48

4 της αντίστασης. Στα ποτενσιόμετρα τύπου φιλμ, αυτή είναι σχεδόν άπειρη. Μπορεί κανείς να βρει στο εμπόριο γραμμικά ποτενσιόμετρα μήκους από μερικά εκατοστά μέχρι και μερικά μέτρα. Γραμμικό ποτενσιόμετρο Βολτόμετρο βαθμονομημένο για ένδειξη στάθμης Σχήμα 4.3 Στο Σχήμα 4.3 φαίνεται πως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα γραμμικό ποτενσιόμετρο για την μέτρηση της στάθμης υγρού σε δοχείο. Η μεσαία λήψη παρακολουθεί τη στάθμη με τη βοήθεια του πλωτήρα και του αντίβαρου. Τη τάση της μεσαίας λήψης παρακολουθούμε με τη βοήθεια βολτομέτρου, το οποίο έχομε βαθμονομήσει κατάλληλα Ο Γραμμικός Μεταβλητός Διαφορικός Μετασχηματιστής (Linear Variable Differential Transformer - LVDT) Το ποτενσιόμετρο έχει περιορισμένο χρόνο ζωής και απαιτεί για την κίνησή του κάποια δύναμη λόγω της τριβής της κινούμενης επαφής με την αντίσταση. Τα μειονεκτήματα αυτά δεν υπάρχουν στο Γραμμικό Μεταβλητό Διαφορικό Μετασχηματιστή. Αυτός αποτελείται βασικά από ένα σωλήνα στον οποίο υπάρχουν τρία ομοαξονικά τυλίγματα.(σχήμα 4.4) 49

5 Σχήμα 4.4 Το κεντρικό απ' αυτά είναι το πρωτεύον τα δε δύο άλλα τα δευτερεύοντα (ακριβώς ίδια). Μέσα στον σωλήνα κινείται ελεύθερα ένας μαγνητικός πυρήνας. Το πρωτεύον τροφοδοτείται με εναλλασσόμενη υψίσυχνη τάση και τα δευτερεύοντα συνδέονται εν σειρά και με αντίθετη πολικότητα. Όταν ο μαγνητικός πυρήνας βρίσκεται στο κέντρο, λόγω συμμετρίας οι τάσεις που επάγονται στα δευτερεύοντα πηνία είναι ίσες και αφού συνδέονται αντίθετα, η έξοδος είναι μηδέν. Η μετακίνηση του πυρήνα δημιουργεί ένα σήμα (εναλλασσόμενη τάση) στην έξοδο που το πλάτος του είναι ανάλογο της μετατόπισης, η δε φάση του δείχνει την κατεύθυνση της κίνησης. Είναι δυνατόν τώρα να παρεμβάλουμε κατάλληλες ανορθωτικές διατάξεις στην έξοδο του αισθητηρίου ούτως ώστε να μετατρέψουμε την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή, αν αυτό είναι επιθυμητό στην εφαρμογή μας. Ο Γραμμικός Μεταβλητός Διαφορικός Μετασχηματιστής είναι όργανο μεγάλης ακρίβειας αλλά μικρού εύρους μέτρησης (μερικά εκατοστά). Χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις που χρειαζόμαστε να μετρήσομε με μεγάλη ακρίβεια μικρές μετατοπίσεις Γραμμικοί κωδικοποιητές θέσης (Linear Encoders) Πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία των αισθητηρίων οδήγησαν στην κατασκευή ψηφιακών οργάνων ανάγνωσης γραμμικής θέσης που ονομάζονται κωδικοποιητές θέσης. Αναφερόμενοι στο σχήμα 4.5, βλέπουμε σχηματικά πως μπορεί να είναι ένας τέτοιος κωδικοποιητής. Πάνω σε μια μακρόστενη μεταλλική πλάκα έχουν ανοιχτεί σε ίσες αποστάσεις οι οπές που φαίνονται. Κατά μήκος της πλάκας έχει τη δυνατότητα να ολισθαίνει ο παλμοδότης - στη προκειμένη περίπτωση μια λεπτή κατασκευή σε μορφή Π που αγκαλιάζει τη πλάκα. Από την μια μεριά του Π υπάρχει φωτεινή πηγή που εκπέμπει λεπτή δέσμη φωτός και από την άλλη φωτοδίοδος ή φωτοτρανζίστορ - ηλεκτρονικές μονάδες που άγουν ηλεκτρικά όταν πέσει πάνω τους φως. Η φωτοευαίσθητη μονάδα συνδέεται κατάλληλα σε κύκλωμα στην έξοδο του οποίου παίρνομε είτε ψηλή τάση (όταν το Π βρίσκεται μπροστά από οπή) είτε χαμηλή (στην αντίθετη περίπτωση). Καθώς λοιπόν το Π κινείται κατά μήκος της πλάκας, η έξοδος του ηλεκτρονικού κυκλώματος θα εναλλάσσεται από μια χαμηλή τάση σε μια ψηλή. Η εναλλαγή αυτή ονομάζεται παλμός - τάσης εν προκειμένω. Ας υποθέσομε ότι ο παλμοδότης ξεκινά από την αρχή της πλάκας και κινείται. Για κάθε οπή που συναντά και περνά θα υπάρχει στην έξοδο ένας παλμός. Ο αριθμός λοιπόν των παλμών αντιπροσωπεύει τον αριθμό των οπών που έχει συναντήσει ο παλμοδότης κατά τη κίνησή του. Όμως η απόσταση μεταξύ των οπών είναι συγκεκριμένη, άρα η απόσταση που έχει διανύσει ο παλμοδότης είναι : Απόσταση = Αριθμός παλμών * απόσταση μεταξύ οπών Άρα για τη μέτρηση της απόστασης που διανύθηκε, αρκεί να μετρηθεί ο αριθμός των παλμών που έδωσε ο παλμοδότης. Έχομε ήδη αναφέρει σε προηγούμενο κεφάλαιο ότι 50

6 υπάρχουν οι απαριθμητές με τη βοήθεια των οποίων είμαστε σε θέση να μετράμε αριθμό παλμών. Απαριθμητής παλμών Παλμοδότης Ηλεκτρονικό κύκλωμα Σχήμα 4.5 Φωτοδίοδος Φωτεινή πηγή Η διαδικασία λοιπόν της μέτρησης έχει ως εξής : Ο παλμοδότης έρχεται σε κάποια θέση της πλάκας και ο απαριθμητής μηδενίζεται. Από κει και πέρα η ένδειξη του απαριθμητή αντιπροσωπεύει μετατόπιση από την θέση μηδενισμού. Είναι λοιπόν φανερό ότι η μέτρηση δεν είναι απόλυτη, μετράμε μετατόπιση από τη θέση μηδενισμού του απαριθμητή. Αυτό δεν είναι και τόσο σοβαρό πρόβλημα για κάποιες εφαρμογές ( μέτρηση θέσης φορείου εργαλειομηχανής που θα εξετάσομε παρακάτω) αλλά για άλλες είναι. Ο κωδικοποιητής για το λόγο αυτό ονομάζεται κωδικοποιητής αυξητικού τύπου (Incremental encoder). Η διακριτική ικανότητα του οργάνου είναι η απόσταση μεταξύ δύο οπών. Στο διάστημα αυτό ο απαριθμητής δίδει ένα παλμό, που είναι και το ελάχιστο που μπορεί να αναγνώσει ο απαριθμητής παλμών. Υπάρχουν σήμερα κωδικοποιητές θέσης που έχουν διακριτική ικανότητα της τάξης του 1/10 του χιλιοστού. Έτσι όπως περιγράφηκε, το όργανο δεν είναι σε θέση να διακρίνει αν η κίνηση είναι προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά. Αν δηλαδή ο παλμοδότης κινηθεί 12 οπές προς τα δεξιά και μετά επιστρέψει 5 οπές, ο απαριθμητής θα έχει καταγράψει 17 παλμούς που θα μπορούσε να σημαίνει ότι κινήθηκε 17 οπές δεξιά. Για το σκοπό αυτό οι περισσότεροι κωδικοποιητές δίδουν δύο παλμοσειρές που προέρχονται από δύο ζεύγη φωτεινής πηγής φωτοτρανζίστορ μετατοπισμένα μεταξύ τους κατά 1/4 της απόστασης των οπών. Μπορεί τότε να αποδειχθεί ότι όταν η κίνηση είναι προς τα δεξιά η μια παλμοσειρά προηγείται της άλλης κατά Τ/4, όπου Τ η περίοδος του παλμού - ενώ το αντίθετο συμβαίνει όταν η κίνηση είναι προς τα αριστερά. Η πληροφορία αυτή για τη διαφορά φάσης των δύο παλμοσειρών αξιοποιείται στη συνέχεια από κατάλληλο ηλεκτρονικό κύκλωμα το οποίο και πληροφορεί των απαριθμητή παλμών αν πρέπει να προσθέτει (κίνηση προς τα δεξιά) ή να αφαιρεί 51

7 παλμούς (κίνηση προς τα αριστερά). Έτσι ανεξάρτητα της φοράς της κίνησης γνωρίζομε τότε την πραγματική θέση. Ο γραμμικός κωδικοποιητής απολύτου τύπου είναι αρκετά διαφορετικός. Κατ' αρχήν όπως φαίνεται στο σχήμα 4.6 η πλάκα είναι χαραγμένη κατά αρκετά πιο πολύπλοκο τρόπο. Υπάρχουν στην προκειμένη περίπτωση τρεις διαφορετικές γραμμές οπών, κάθε μία με το δικό της "μάτι" - δηλαδή την συσκευή για την δημιουργία των παλμών όπως και προηγουμένως. Σε κάθε θέση της πλάκας κάθε μάτι δίδει την πληροφορία 0 ή 1 ( σκοτεινή περιοχή ή φωτεινή περιοχή ). Άρα για κάθε θέση της πλάκας σχετικά με το κινητό στέλεχος έχουμε ένα τριψήφιο δυαδικό αριθμό και μόνο ένα. Έτσι μπορούμε να φτιάξουμε τον παρακάτω πίνακα που αντιστοιχίζει την ένδειξη του αισθητηρίου με την απόσταση από την αρχή της πλάκας : Ε ν δ ε ι ξ η α ι σ θ η τ η ρ ί ο υ Απόσταση από αρχή 1η γραμμή 2η γραμμή 3η γραμμή Δεκαδική μορφή 0-1 cm cm cm cm cm Δυαδική ένδειξη Κινητό στέλεχος Πρώτη γραμμή Δεύτερη γραμμή Τρίτη γραμμή 52

8 1cm Σχήμα 4.6 Στην θέση του κινητού στελέχους στο Σχήμα 4.6, η ένδειξη θα είναι που πράγματι αντιστοιχεί σε μετακίνηση 2-3 cm από την αρχή της κλίμακας. Η μετατόπιση λοιπόν από την αρχή της πλάκας αντιστοιχίζεται σε ένα και μόνο ένα δυαδικό αριθμό. Συνεπώς πρόκειται για απόλυτη μέτρηση. Ο δυαδικός αυτός αριθμός στη συνέχεια συνήθως διαβάζεται από Η/Υ. Είμαστε σε θέση να καταλάβουμε ότι η διακριτική ικανότητα του παραπάνω αισθητηρίου είναι 1 cm. Αν θέλαμε να την κάνουμε καλύτερη - ας πούμε 0,5 cm - απλά πρέπει να προσθέσουμε άλλη μια γραμμή στην κλίμακα. Γενικότερα η διακριτική ικανότητα του οργάνου είναι Διακριτική ικανότητα = Μήκος μέτρησης / 2 ν όπου ν : Αριθμός των ματιών που χρησιμοποιούνται. Εύκολα φαίνεται ότι για να πετύχει κανείς μεγάλη διακριτική ικανότητα και μεγάλο μήκος μέτρησης πρέπει να αυξήσει πολύ τον αριθμό των ματιών, πράγμα που κάνει πολύπλοκο και ακριβό το όργανο. 4.3 ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ ΓΩΝΙΑΚΗΣ ΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ Σε γενικές γραμμές μπορούμε να πούμε ότι για κάθε αισθητήριο γραμμικής θέσης - ταχύτητας υπάρχει το αντίστοιχο γωνιακής θέσης - ταχύτητας. Το περιστροφικό (κοινό) ποτενσιόμετρο είναι ίσως το όργανο με την πιο διαδεδομένη χρήση. Το ηλεκτρικό σήμα (τάση) στη μεσαία λήψη είναι συνήθως ανάλογο της γωνίας περιστροφής. Συνήθως η στροφή είναι περιορισμένη στις 360 0, αλλά υπάρχουν και ποτενσιόμετρα περισσοτέρων περιστροφών. Ο περιστροφικός μεταβλητός διαφορικός μετασχηματιστής είναι το ακριβές ανάλογο του γραμμικού και χρησιμοποιείται για την μέτρηση γωνιών στροφής. Στην προκειμένη βέβαια περίπτωση ο πυρήνας στρέφεται αντί να ολισθαίνει. Για την μέτρηση γωνιών στροφής χρησιμοποιείται ακόμη το "σύγχρο" (synchro). Πρόκειται για συσκευή που μοιάζει με μοτέρ εναλλασσόμενου ρεύματος ως προς την κατασκευή (Σχήμα 4.7). 53

9 Σχήμα 4.7 Το σύγχρο έχει ένα στρεφόμενο πηνίο (ρότορα) που συνδέεται - με ψήκτρες - σε μια πηγή εναλλασσόμενης τάσης. Στο στάτη υπάρχουν 3 τυλίγματα τοποθετημένα συμμετρικά στην περιφέρεια. Καθώς ο ρότορας στρέφεται, τα ρεύματα που επάγονται στα τρία τυλίγματα του στάτη εξαρτώνται από την θέση του ρότορα. Αποδεικνύεται ότι με κατάλληλη σύγκριση των ρευμάτων αυτών, η γωνία στροφής του ρότορα μπορεί να προσδιορισθεί ακριβώς. Την εργασία αυτή την κάνει ο "αποδιαμορφωτής". Η φορά περιστροφής μπορεί επίσης να προσδιοριστεί. Οι συσκευή που περιγράψαμε είναι θαυμάσια όσον αφορά την ακρίβεια της είναι όμως αρκετά ακριβή. Η ταχογεννήτρια είναι το πιο διαδεδομένο ίσως αισθητήριο μέτρησης γωνιακής ταχύτητας. Είναι βασικά ένας μικρός κινητήρας συνεχούς ρεύματος που χρησιμοποιείται σαν γεννήτρια. Η τάση που δίδει στην έξοδο της είναι ανάλογη της ταχύτητας περιστροφής, ενώ η πολικότητα της τάσης μας δίνει πληροφορία σχετικά με την φορά περιστροφής. Όπως και στην γραμμική κίνηση, υπάρχουν και για την περιστροφική ψηφιακά αισθητήρια θέσης, οι κωδικοποιητές γωνιακής θέσης (rotary shaft encoders). Όπως και με τους γραμμικούς αντίστοιχους χωρίζονται και αυτοί σε "απόλυτους" και "αυξητικούς". Στο σχήμα 4.8 συγκρίνονται ένας γραμμικός και ένας γωνιακός κωδικοποιητής θέσης (αυξητικού τύπου). Και οι δύο αυτοί τύποι, καθώς και οι αντίστοιχοι απόλυτοι, κυκλοφορούν σήμερα ευρέως και είναι διαθέσιμοι σε κατηγορίες ανάλογα με την επιθυμητή διακριτική τους ικανότητα. 54

10 Σχήμα 4.8 Από τα ψηφιακά όργανα που περιγράψαμε, ο γωνιακός κωδικοποιητής θέσης αυξητικού τύπου έχει ίσως τις περισσότερες εφαρμογές. Τέτοια όργανα υπάρχουν διαθέσιμα με διακριτικές ικανότητες μέχρι και κάποια δέκατα της μοίρας. Υπάρχει όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.8 ένας δίσκος πάνω στον οποίο είναι χαραγμένες οπές, καθώς και παλμοδότης. Η όλη κατασκευή είναι κλεισμένη σε κυλινδρικό κουτί από το οποίο βγαίνει μόνο ο άξονας πάνω στον οποίο είναι στερεωμένος ο δίσκος. Αρκεί να συνδέσει κανείς το άξονα αυτό πάνω στον άξονα του οποίου θέλει να μετρήσει τη γωνία στροφής. Το όργανο χρησιμοποιείται κατά κόρο στις αυτόματες εργαλειομηχανές για μέτρηση της θέσης του φορείου καθώς και σε ρομποτικές εφαρμογές. Μειωτήρας στροφών Περιστρεφόμενο κοπτικό εργαλείο Κινητήρας Κατεργαζόμενο αντικείμενο Κινούμενη τράπεζα Γωνιακός κωδικοποιητής θέσης Κοχλίας κίνησης Η/Υ Σχήμα 4.9 Στο Σχήμα 4.9 φαίνεται πως συνήθως χρησιμοποιείται ένας κωδικοποιητής γωνιακής θέσης για τη μέτρηση της μετατόπισης της τράπεζας αυτόματης εργαλειομηχανής. Η τράπεζα κινείται με τη βοήθεια κοχλία κίνησης και περικοχλίου. Ο κοχλίας παίρνει κίνηση από κινητήρα (συνεχούς ρεύματος) μέσω του μειωτήρα. Η μέτρηση της μετατόπισης της τράπεζας γίνεται έμμεσα, μετρώντας δηλαδή τη γωνία στροφής του ρότορα του κινητήρα. Ας υποθέσομε ότι α) ο κοχλίας κίνησης έχει βήμα 5 χιλιοστά. β) ότι η σχέση μείωσης είναι 3:1 γ) ότι ο κωδικοποιητής δίδει 360 παλμούς/περιστροφή. Τότε σε ένα παλμό αντιστοιχεί μετατόπιση του φορείου : 55

11 5 mm /(360*3) 1/200 mm που αποτελεί και τη διακριτική ικανότητα μέτρησης της θέσης της τράπεζας και που είναι απόλυτα ικανοποιητική : Στις αυτόματες εργαλειομηχανές επιθυμούμε ακρίβειες κατεργασίας της τάξης του 1/100 mm. Ας σημειωθεί ότι ο μειωτήρας είναι συνήθως απλώς ένα ζεύγος σύγχρονων τροχαλιών με ιμάντα για να αποφεύγονται οι τζόγοι των γραναζιών. Η ανάγνωση βέβαια της θέσης γίνεται από τον Η/Υ που ελέγχει την μηχανή. Μπορεί ακόμη να σκεφθεί κανείς ότι αφού πρόκειται για κοπή κάποιου κομματιού, δεν ενδιαφέρει η απόλυτη θέση : Το κοπτικό εργαλείο φέρεται κοντά στο κομμάτι που πρόκειται να κοπεί και η θέση της τράπεζας μηδενίζεται. Για το λόγο αυτό αρκεί κωδικοποιητής θέσης αυξητικού τύπου. 4.4 ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ -ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ ΔΥΝΑΜΗΣ Σε όλες τις πρακτικές εφαρμογές η μέτρηση της δύναμης γίνεται έμμεσα - μετρώντας δηλαδή την παραμόρφωση την οποία αυτή προκαλεί όταν επενεργεί σε κατάλληλα διαλεγμένα μηχανικά στοιχεία (μια ράβδο ή ένα διάφραγμα ή ένα ελατήριο). Η παραμόρφωση - που όταν είναι μικρή είναι σύμφωνα με τον νόμο του Hook ανάλογη της δύναμης - μετριέται στη συνέχεια με κάποιο αισθητήριο θέσης ή παραμόρφωσης. Συνήθως χρησιμοποιείται το μηκυνσιόμετρο ή μετρητής παραμόρφωσης (strain gauge) σπανιότερα δε το LVDT. Το πρόβλημα που αντιμετωπίζομε όταν πρόκειται να μετρήσομε δύναμη με τον παραπάνω τρόπο, είναι ότι το μέγεθος των παραμορφώσεων είναι απειροελάχιστο - της τάξης μεγέθους μερικών μικρών πολύ συχνά. Γι' αυτόν ακριβώς τον λόγο έχουν αναπτυχθεί ειδικές διατάξεις μέτρησης των παραμορφώσεων. Ας σημειωθεί εδώ ότι παραμορφώσεις χρειάζεται να μετρά κανείς και σε άλλες περιπτώσεις ανεξάρτητα από μέτρηση δύναμης : Για μετρήσεις παραμορφώσεων σε φέρουσες κατασκευές προκειμένου να διαπιστώσει την αντοχή τους (γέφυρες, μεγάλους γερανούς..) Ο πιο γνωστός αισθητήρας παραμόρφωσης είναι το μηκυνσιόμετρο ενσωματωμένου συρματιδίου (bonded wire strain gauge). Η λειτουργία του στηρίζεται στο γεγονός ότι η ηλεκτρική αντίσταση ενός συρματιδίου εξαρτάται εκτός των άλλων και από το μήκος και από τη διατομή του. Όταν το συρματίδιο παραμορφώνεται υπό την επίδραση κάποιας δύναμης, τότε μεταβάλλεται και το μήκος και η διατομή του, άρα και η ηλεκτρική του αντίσταση. Αποδεικνύεται ότι στην απλή περίπτωση της επιμήκυνσης, η μεταβολή της αντίστασης του συρματιδίου είναι όπου ΔR/R=ε*k ε =Δl/L : επιμήκυνση για την οποία στην ελαστική περιοχή όπου ισχύει ο νόμος του Hook έχομε 56

12 ε = σ/ε : σ = τάση του συρματιδίου Ε = μέτρο ελαστικότητας του Joung k : Συντελεστής μέτρησης Για συρματίδιο από κονσταντάνη που συνήθως χρησιμοποιείται, ο συντελεστής k = Με ένα τέτοιο υλικό έχομε την δυνατότητα να μετρήσομε παραμορφώσεις της τάξης του 1μm / μέτρο! Πραγματικά αυτή η παραμόρφωση επιφέρει μια αύξηση στην αντίσταση της τάξης των 2x10-6. Αυτή η απειροελάχιστη αύξηση της αντίστασης είναι μετρήσιμη - με γέφυρα και ενισχυτή. Την παραμόρφωση αυτή θα αποκτήσει ένα συρματίδιο διατομής 1mm όταν σ' αυτό επενεργήσει δύναμη μερικών γραμμαρίων. Ράβδος της οποίας μετράμε την παραμόρφωση V R1 R2 Ενισχυτής e R3 Ηλεκτρονική μονάδα Μηκυνσιόμετρο Σχήμα 4.10 Στο Σχήμα 4.10 φαίνεται η όλη διάταξη με την βοήθεια της οποίας ένα μηκυνσιόμετρο μετρά την παραμόρφωση κάποιας ράβδου. Το μηκυνσιόμετρο συνδέεται σαν η τέταρτη αντίσταση σε γέφυρα Weatstone. Η γέφυρα τροφοδοτείται με τάση V στα δύο άκρα της, γνωρίζομε δε ότι η τάση στα δύο άλλα είναι ανάλογη της μεταβολής της αντίστασης της μεταβαλλόμενης αντίστασης - δηλαδή του μηκυνσιομέτρου εν προκειμένω. Στη συνέχεια η μικρή αυτή τάση ενισχύεται και (φιλτράρεται συνήθως) έτσι που να μας δίδει ένα σήμα μετρήσιμο από μετρητικά όργανα ή τον Η/Υ. Όλη η εργασία γίνεται στην ηλεκτρονική μονάδα, το δε σήμα e που παίρνομε είναι συνήθως μια τάση 0..5 V ή V ανάλογη της παραμόρφωσης κατάλληλη δηλαδή να διαβασθεί από Η/Υ. 57

13 Σχήμα 4.11 Από κατασκευαστική άποψη το συρματίδιο είναι σε μορφή μαιάνδρου ενσωματωμένο σε λεπτό φύλλο πλαστικού όπως φαίνεται στο σχήμα Το φιλμ του πλαστικού ενσωματώνεται στη συνέχεια στη ράβδο της οποίας πρόκειται να μετρηθεί η παραμόρφωση. Αν φαντασθούμε στην κατασκευή του Σχήματος 4.11 την ράβδο να είναι κατάλληλα διαλεγμένη τότε η όλη κατασκευή αν βαθμονομηθεί μετρά τη δύναμη επενέργειας πάνω στη ράβδο - αφού η παραμόρφωση είναι ανάλογη της δύναμης στην ελαστική περιοχή. Τα όργανο τότε είναι μια μονάδα μέτρησης δύναμης και θα την ονομάζομε δυναμοκυψέλη (Load cell). Υπάρχουν σήμερα διαθέσιμες δυναμοκυψέλες για μέτρηση δυνάμεων από μερικά γραμμάρια μέχρι αρκετούς τόνους. Όταν καλούμαστε να επιλέξομε πρέπει να λάβομε υπόψη την περιοχή δυνάμεων που θέλομε να μετράμε καθώς και το είδος της δύναμης (θλιπτική ή εφελκυστική). Το μηκυνσιόμετρο χρησιμοποιείται και για την μέτρηση της ροπής που μεταφέρει κάποιος άξονας. Για τον σκοπό αυτό ενσωματώνεται έτσι στον άξονα ώστε να μετράει την στρέψη του, η οποία είναι για την ελαστική περιοχή ανάλογη της μεταφερόμενης ροπής. Πρόσφατα έχουν κατασκευασθεί μετρητές παραμορφώσεων που χρησιμοποιούν ημιαγωγό υλικό αντί για συρματίδιο. Το πλεονέκτημα τους είναι ότι η αντίσταση τους μεταβάλλεται πολύ περισσότερο για μια δεδομένη παραμόρφωση από ότι αυτή του κοινού σύρματος, συνεπώς μπορούν να μετρήσουν μικρότερες δύναμης. Μειονεκτήματα τους το κόστος και η ευαισθησία σε θερμοκρασία και κτυπήματα. Ένα άλλο αισθητήριο δύναμης είναι ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος. Η λειτουργία του βασίζεται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο : ορισμένοι κρύσταλλοι (Quartz, άλας Rochelle) όταν συμπιεστούν εμφανίζουν μια τάση στα άκρα τους. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε περιπτώσεις ταχέως μεταβαλλόμενων δυνάμεων. 58

14 4.5 ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Δεν υπάρχει ίσως άλλη κατηγορία αισθητηρίων που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, για την οποία να υπάρχει τόση ποικιλία οργάνων σε σχετικά χαμηλές τιμές, όσο αυτή των αισθητηρίων θερμοκρασίας. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι επιθυμητός σε πλείστες όσες εφαρμογές και γι αυτό θα προσπαθήσομε να δώσομε μια εικόνα του φάσματος των οργάνων που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της Θερμόμετρα υγρού Είναι τα αρχαιότερα θερμόμετρα που όμως και σήμερα χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές λόγω κυρίως του χαμηλού κόστους τους. Δεν κρίνεται σκόπιμο να αναλυθεί η λειτουργία τους μιας και αυτή είναι απλή αλλά και αρκετά γνωστή. Το πρόβλημα με τα θερμόμετρα υγρού είναι ότι δεν μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν σαν αισθητήρια σε ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου ούτε να δώσουν τη μέτρηση σε Η/Υ, παρά το ότι έχουν γίνει προσπάθειες και υπάρχουν κάποιοι τύποι κατάλληλοι γι αυτό το σκοπό Αισθητήρια θερμοκρασίας διμεταλλικού τύπου Η δεύτερη αυτή κατηγορία αισθητηρίων θερμοκρασίας, στηρίζουν την λειτουργία τους στο φυσικό φαινόμενο της διαστολής των μετάλλων. Πιο συγκεκριμένα στην ιδιότητα ενός διμεταλλικού ελάσματος - έλασμα αποτελούμενο από δύο συγκολλημένα μεταξύ τους ελάσματα - να κάμπτεται μα την αύξηση της θερμοκρασίας. Τα ελάσματα πρέπει να είναι από υλικά με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής και η κάμψη οφείλεται ακριβώς σ αυτή την ανισοτροπία του διμεταλλικού ελάσματος όσον αφορά την διαστολή του. Σχήμα 4.12 Όταν το ένα άκρο του ελάσματος είναι σταθερά τοποθετημένο, τότε το άλλο μετακινείται, και η θέση του είναι ένδειξη της θερμοκρασίας (Σχήμα 4.12). Είναι δυνατόν να χρησιμοποιήσομε κάποιο αισθητήριο θέσης στη συνέχεια και να πάρομε ένα ηλεκτρικό σήμα ανάλογο (υπό συνθήκες) της θερμοκρασίας. Τέτοια αισθητήρια κυκλοφορούν ευρέως λόγω κυρίως του μικρού τους κόστους και της απλότητας τους. 59

15 Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές στη βασική χρήση του διμεταλλικού ελάσματος. Στην πιο ενδιαφέρουσα απ αυτές, το διμεταλλικό έλασμα χρησιμοποιείται σαν επαφή που ανοίγει ή κλείνει κάποιο ηλεκτρικό κύκλωμα. Η συσκευή τότε είναι ο γνωστός μας από την πλατιά χρήση του θερμοστάτης. Θερμοστάτες χρησιμοποιούνται σε οικιακές συσκευές (σίδηρο, τοστιέρα), για τον έλεγχο της κεντρικής θέρμανσης, αλλά και σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές όταν είναι επιθυμητός έλεγχος θερμοκρασίας δύο θέσεων (ON-OFF) Θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης Η κατηγορία αυτή των αισθητηρίων θερμότητας βασίζεται στo φαινόμενο της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης των μετάλλων και των ημιαγωγών όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία. Το απλούστερο από τα παραπάνω αισθητήρια αποτελείται από ένα λεπτό σύρμα από χαλκό ή νικέλιο ή πλατίνα που αφού πάρει κατάλληλο σχήμα - συνήθως μαιάνδρου - κλείνεται σε ένα προστατευτικό περίβλημα. Στο σχήμα 4.13 φαίνονται μερικοί τύποι τέτοιων αισθητηρίων διαγραμματικά καθώς και στην εμπορική τους μορφή. Σχήμα 4.13 Το παραπάνω αισθητήριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για την μέτρηση της θερμοκρασίας ενός υγρού ή αερίου - οπότε απλώς εμβαπτίζεται στο ρευστό - είτε για την μέτρηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας των στερεών - οπότε το αισθητήριο έχει τη μορφή λεπτού φιλμ και επικολλάται στην επιφάνεια της οποίας επιθυμούμε να μετρήσουμε την θερμοκρασία. Η μέτρηση συνεπώς της θερμοκρασίας ανάγεται και πάλι σε μέτρηση μικρών μεταβολών ηλεκτρικής αντίστασης - όπως και στη περίπτωσης της παραμόρφωσης. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι η ίδια : Γέφυρα και ενισχυτική διάταξη. Μια άλλη κατηγορία θερμομέτρων αντίστασης είναι τα θερμίστορς (thermistors). Αυτά σε αντίθεση με τα προηγούμενα που χρησιμοποιούν μεταλλικό στοιχείο αντίστασης, διαθέτουν ημιαγωγό τέτοιο στοιχείο. Το πλεονέκτημα τους είναι η μεγάλη ευαισθησία σε μεταβολές της θερμοκρασίας.σε αντίθεση με τους 60

16 μεταλλικούς αγωγούς, παρουσιάζουν μείωση της αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας. Συνηθισμένα θερμίστορς έχουν αντίσταση της τάξης των 100 Ω σε υψηλές θερμοκρασίες και εκατοντάδες megaohms σε χαμηλές θερμοκρασίες. Τα θερμίστορς χρησιμοποιούνται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές καθώς το κόστος τους πέφτει και η αξιοπιστία τους ανεβαίνει Θερμοστοιχεία Ένα άλλο αισθητήριο θερμοκρασίας είναι το θερμοστοιχείο του οποίου η αρχή λειτουργίας είναι γνωστή από παλιά και είναι το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο : Όταν δύο συρματίδια από διαφορετικά υλικά ενώνονται σε δύο διαφορετικά σημεία (επαφές) έτσι που να σχηματίζεται βρόχος μεταξύ των επαφών αυτές δε έχουν διαφορετική θερμοκρασία, αναπτύσσεται τάση μεταξύ τους που είναι ευθέως ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας τους. Στο σχήμα 4.14 φαίνεται όλη η διάταξη. Οι αναπτυσσόμενες τάσεις είναι της τάξης των μιλιβόλτς (mv) και συνεπώς απαιτούνται ευαίσθητα ηλεκτρονικά για τη σωστή μέτρηση τους. Ακόμη για να είναι δυνατή η μέτρηση της θερμοκρασίας πρέπει να υπάρχει μια άλλη θερμοκρασία αναφοράς - αφού το θερμοστοιχείο μόνο διαφορές θερμοκρασίας αντιλαμβάνεται. Η θερμοκρασία αυτή - που συνήθως είναι το 0 ο - προσομοιώνεται ηλεκτρονικά. Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρονικό κύκλωμα του αισθητηρίου παράγει την τάση που θα παρήγαγε η κρύα επαφή. Έτσι το όργανο διαθέτει μόνο μια επαφή που χρησιμοποιείται απ ευθείας για την μέτρηση της θερμοκρασίας όπως σχηματικά φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα 3.10 Το θερμοστοιχείο χρησιμοποιείται πλατιά στη βιομηχανία λόγω του χαμηλού του κόστους και της αξιοπιστίας του. 4.6 ΔΙΑΦΟΡΑ ΑΛΛΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ 61

17 Τα αισθητήρια που περιγράψαμε αναλυτικά στις προηγούμενες παραγράφους δεν είναι φυσικά τα μόνα που υπάρχουν. Αντίθετα σήμερα υπάρχουν αισθητήρια για μέτρηση κάθε σχεδόν φυσικού μεγέθους. Στη συνέχεια και για λόγους πληρότητας του κεφαλαίου θα αναφερθούμε σε μερικές ακόμη κατηγορίες αισθητήριων χωρίς αυτό να σημαίνει και πάλι ότι έχομε αναφερθεί σε όλα που υπάρχουν Αισθητήρια πιέσεως Επειδή η πίεση ορίζεται σαν η εξασκούμενη σε μια επιφάνεια δύναμη δια της επιφάνειας αυτής, καταλαβαίνει κανείς ότι είναι δυνατόν να μετρηθεί η πίεση αν μετρηθεί η δύναμη που εξασκεί αυτή πάνω σε μια γνωστή επιφάνεια. Έτσι τα περισσότερα αισθητήρια πίεσης χρησιμοποιούνται κατά βάση κάποιο αισθητήριο δύναμης Αισθητήρια στάθμης υγρού Σε πάρα πολλές εφαρμογές στην βιομηχανία είναι επιθυμητό να παρακολουθούμε την στάθμη σε δοχεία υγρών. Για το σκοπό αυτό υπάρχουν διαφόρων ειδών αισθητήρια στάθμης. Τα περισσότερα απ αυτά χρησιμοποιούν κάποιο πλωτήρα σε συνδυασμό με ένα αισθητήριο γραμμικής ή γωνιακής θέσης. Ακόμη υπάρχει η δυνατότητα μέτρησης της στάθμης, μετρώντας την πίεση στον πυθμένα του δοχείου - η τελευταία πάντως μέτρηση δεν έχει καλή ακρίβεια Αισθητήρια ροής Το απλούστερο από τα αισθητήρια της κατηγορίας αυτής είναι το κοινό όργανο μέτρησης της κατανάλωσης νερού που χρησιμοποιείται στα σπίτια μας. Μετράει ποσότητα υγρού και όχι ροή (ποσότητα ανά μονάδα χρόνου) και χρησιμοποιεί για τον σκοπό αυτό περιστρεφόμενο δίσκο που εγκλωβίζει στο περίβλημα του οργάνου ποσότητα υγρού και την οδηγεί στην έξοδο. Έτσι οι περιστροφές του δίσκου αντιστοιχούν σε καθορισμένη ποσότητα υγρού. Μια άλλη ομάδα αισθητηρίων ροής χρησιμοποιούν στην ουσία ένα σωλήνα Ventouri για την μέτρηση. Όπως είναι γνωστό όταν ο σωλήνας ροής στενεύει η πίεση πέφτει και η πτώση πίεσης είναι ανάλογη (υπό συνθήκες) της παροχής. Μια τρίτη ομάδα τέτοιων αισθητηρίων χρησιμοποιεί ένα μικροσκοπικό στρόβιλο. Όταν η ροή περάσει μέσα από το αισθητήριο, ο στρόβιλος περιστρέφεται με ταχύτητα που (υπό συνθήκες) είναι ανάλογη της παροχής. Στη συνέχεια βέβαια απαιτείται αισθητήριο ταχύτητας. Τα αισθητήρια ροής που περιγράψαμε έχουν το κοινό χαρακτηριστικό ότι πρέπει να παρεμβληθούν εν σειρά στο κύκλωμα του οποίου μετριέται η παροχή. Πρόσφατα αναπτύχθηκαν αισθητήρια τα οποία δεν απαιτούν κάτι τέτοιο. Αυτά χρησιμοποιούν ένα πομπό και ένα δέκτη υπερήχων και η λειτουργία τους βασίζεται στο ότι η ταχύτητα διάδοσης του υπερήχου σε ένα υγρό εξαρτάται εκτός των άλλων και από την ταχύτητα του υγρού. 4.7 ΕΚΛΟΓΗ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΟΥ 62

18 Η εκλογή των κατάλληλων αισθητηρίων που θα χρησιμοποιηθούν σε ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου είναι σπουδαίας σημασίας για την καλή λειτουργία του συστήματος. Από την στιγμή που έχει γίνει καθαρό πια μεταβλητή είναι επιθυμητό να μετρηθεί, πρέπει να καθοριστούν τα χαρακτηριστικά του αισθητηρίου : Ποιο είναι τι εύρος της μέτρησης ; Ποιά είναι η επιθυμητή διακριτική ικανότητα (resolution) του οργάνου ; Ποιά είναι η απόκριση χρόνου του αισθητηρίου (πόσο γρήγορα εκτελεί την μέτρηση δηλαδή) ; Μετά την εκλογή του κατάλληλου αισθητήριου πρέπει να ακολουθήσει η εκλογή της τοποθέτησης του στο όλο σύστημα. Πολλές φορές έχουμε την δυνατότητα να μετρήσουμε την ίδια μεταβλητή σε πολλά σημεία του συστήματος. Σε μια τέτοια περίπτωση πρέπει να διαλέξουμε την πιο κατάλληλη θέση, εκεί δηλαδή που η μέτρηση θα είναι πιο αξιόπιστη. Πρέπει ακόμη να λάβομε υπ όψη πως θα μεταφερθεί το ηλεκτρικό σήμα στη μετρητική διάταξη διότι συχνά στο βιομηχανικό περιβάλλον παρεμβάλλονται παράσιτα που παραμορφώνουν το σήμα. 63