ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ Λιούσας Βασίλειος Ηλ/γος Μηχ/κος ΠΕ Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 1

2 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ Σ.Α.Ε. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Τα συστήματα του αυτοματισμού φαίνεται ότι είχαν εφαρμογή στις ανάγκες του ανθρώπου από τους αρχαιοτάτους χρόνους. Σαν πρώτες εφαρμογές εμφανίζονται στα χρόνια των αρχαίων Ελλήνων με τη χρήση του αυτοματισμού στη ρύθμιση της στάθμης του νερού σε δεξαμενές. Στη συνέχεια βλέπουμε συστήματα αυτοματισμού κατά την Αλεξανδρiνή και Ρωμαική περίοδο, γύρω στον 3ο αιώνα π.x. όπου ο Αλεξανδρεύς χρησιμοποίησε τον μηχανισμό αυτό για την κατασκευή του ξακουστού τότε υδάτινου ωρολογιού. Αργότερα, γύρω στο 10 μ.x. αι. την ίδια μέθοδο χρησιμοποίησε και ο Φίλων για την αυτόματη ρύθμιση της στάθμης μιας λάμπας λαδιού. Ακολούθησε ο Ηρωνας ο Αλεξανδρινός που έζησε τον 1ο αιώνα μ.x. χρησιμοποιώντας διάφορα είδη αυτοματισμού, η λειτουργία των οποίων βασίζονταν στην υδραυλική πίεση. Το πιο γνωστό σύστημα ελέγχου ήταν ο ρυθμιστής ή ο μηχανισμός ανοίγματος και κλεισίματος στις πύλες ενός ιερού ναού. Ενα διάγραμμα του μηχανισμού φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα 1. Η λειτουργία του μηχανισμού άρχιζε με το άναμμα της φωτιάς στο βωμό της θυσίας. Κάτω από το βωμό υπήρχε ένας θάλαμος με αέρα. Με ένα σωλήνα μετέφεραν το θερμαινόμενο αέρα από το θάλαμο σε μια υπόγεια κυλινδρική δεξαμενή, η οποία περιείχε αρκετή ποσότητα νερού. 2

3 Ετσι θερμαινόταν ο αέρας της δεξαμενής, με αποτέλεσμα να σπρώχνει με κάποια πίεση το νερό το οποίο στη συνέχεια από έναν δεύτερο σωλήνα διοχετεύονταν σ ενα διπλανό δοχείο, το οποίο ήταν κρεμασμένο με σχοινιά και επίσης σ ένα μηχανισμό με αντίβαρο. Οταν το δοχείο γέμιζε με νερό και λόγω του βάρους το αντίβαρο ανέβαινε προς τα πάνω, άνοιγαν οι πύλες. Οταν το δοχείο άδειαζε, τότε το αντίβαρο κατέβαινε προς τα κάτω με αποτέλεσμα να κλείνουν οι πύλες. Για να επιτευχθεί αυτό έρριχναν νερό στη φωτιά και η πίεση μειώνονταν στη δεξαμενή. Ηταν δε τόσο εντυπωσιακό, που προξενούσε το θαυμασμό των πιστών. Το πιο γνωστό σύστημα αυτοματισμού των νεωτέρων χρόνων, που λειτούργησε με μεγάλη επιτυχία ήταν ο ρυθμιστής θερμοκρασίας. Σε αυτό το σύστημα χρησιμοποιήθηκε ανάδραση από τον Ολλανδό Κορνήλιο Ντρεμπέλ ( ).Μετά από 50 χρόνια περίπου επινοήθηκε από τον Ντένις Πάπεν η αυτόματη ρύθμιση πίεσης για λέβητες. Ο James Watt (1769) είναι ο πρώτος επιστήμονας που κατάφερε να ρυθμίσει αυτόματα την ταχύτητα της ατμομηχανής χρησιμοποιώντας το ρυθμιστή με τις σφαίρες ( flyball governor) ή φυγοκεντρικό ρυθμιστή. Με το μηχανισμό αυτό ρυθμίζεται το άνοιγμα της βαλβίδας και η ποσότητα του ατμού που εισέρχεται στη μηχανή Σχήμα 2 Η Αυτόματη Aτμομηχανή του Watt. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 3

4 O ρυθμιστής με τις σφαίρες μετράει τη ταχύτητα που αναπτύσσει ο κεντρικός άξονας μετάδοσης της κίνησης της ατμομηχανής και ρυθμίζει τη ποσότητα του εισερχόμενου ατμούμε το άνοιγμα της βαλβίδας, αξιοποιώντας τη φυγόκεντρο κίνηση των σφαιρών. Ετσι, όταν η ταχύτητα του κεντρικού άξονα αυξάνεται, δηλαδή αυξάνεται η γωνιακή ταχύτητα της μηχανής, οι σφαίρες απομακρύνονται από τον άξονα περιστροφής, δηλαδή η φυγοκεντρική δύναμη τις σπρώχνει προς τα πάνω με αποτέλεσμα να κλείνει η βαλβίδα ατμού. Οταν κλείνει η βαλβίδα, η ποσότητα του ατμού που εισέρχεται στην ατμομηχανή μειώνεται, με αποτέλεσμα να μειώνεται και η ταχύτητα του κεντρικού άξονα της μηχανής ή η γωνιακή ταχύτητα της ατμομηχανής. 4

5 ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΙ ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ( Σ. Α. Ε) ΣΥΣΤΗΜΑ (SYSTEM) Τι είναι σύστημα. Μια βασική έννοια η οποία πρέπει να διευκρινιστεί από την αρχή είναι η έννοια του συστήματος. Η λέξη σύστημα έχει πολλές έννοιες, γι αυτό θα ήταν χρήσιμο στην αρχή να δώσουμε έναν γενικό ορισμό και στη συνέχεια τον ορισμό του συστήματος ποιο συγκεκριμένα σε σχέση με το αντικείμενο που θα μας απασχολήσει. Ορισμός 1 Ονομάζουμε σύστημα μια διάταξη, μια συλλογή από αντικείμενα ενωμένα, τα οποία έχουν κάποια σχέση μεταξύ τους, κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να σχηματίζουν μια ολότητα. Ορισμός 2 Ονομάζουμε σύστημα (από τη πλευρά του μηχανικού) ένα οργανωμένο σύνολο αλληλεπιδρώντων στοιχείων σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να εκπληρώνει ειδικούς σκοπούς. Στο σύνολο αυτό των στοιχείων είναι δυνατόν να λαμβάνουν μέρος μηχανές και άνθρωποι. Ο μηχανικός συστημάτων συντονίζει τις λειτουργίες των στοιχείων και έτσι το αντικείμενο του περιορίζεται στο σύστημα (σαν σύνολο) και στην λειτουργία του. ΕΛΕΓΧΟΣ (CONTROL) Η λέξη έλεγχος έχει την έννοια του ρυθμίζω, κανονίζω, δίδω εντολή. Έτσι μπορούμε να πούμε ότι ο έλεγχος είναι η ρύθμιση της λειτουργίας ενός εξοπλισμού, π.χ. ο έλεγχος ήχου τόνου φωνής, έλεγχος φωτεινότητας κ.λ.π. Μελετώντας τις παραπάνω έννοιες μπορούμε να δώσουμε τον ορισμό στο τι είναι το σύστημα ελέγχου. ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ (CONTROLS SYSTEM) Ονομάζουμε σύστημα ελέγχου (από τη πλευρά του μηχανικού) ένα οργανωμένο σύνολο αλληλεπιδρώντων στοιχείων σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να εκπληρώνει ειδικούς σκοπούς. Στο σύνολο αυτό των στοιχείων είναι δυνατόν να λαμβάνουν μέρος μηχανές και άνθρωποι ώστε να μπορούν να ελέγχουν μια διεργασία ή ορισμένα μεταβλητά μεγέθη όπως: θέση (x,y,z) Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 5

6 ταχύτητα πίεση ηλεκτρική τάση θερμοκρασία κ.λ.π. Ο μηχανικός συστημάτων συντονίζει τις λειτουργίες των στοιχείων. Έτσι το αντικείμενό του περιορίζεται στο σύστημα και στη λειτουργία του. Συστήματα Αυτομάτου Έλεγχου Σ. Α. Ε. (Automatic Control Systems). Τα συστήματα ελέγχου, που λειτουργούν χωρίς την ανάμειξη του ανθρώπου, ονομάζονται συστήματα αυτομάτου ελέγχου. Πορεία ή Διαδικασία (Process) -Πορεία ή διαδικασία ονομάζουμε τη φυσική ή τεχνική ή εκούσια συνεχή αναπτυξιακή λειτουργία στοχεύοντας σε μία σειρά από βαθμιαίες αλλαγές ή ελεγχόμενες λειτουργίες που μας οδηγούν σ ένα πρακτικό και χρήσιμο αποτέλεσμα. Στο αντικείμενο μας οποιαδήποτε λειτουργία που ελέγχεται ονομάζεται πορεία. Η Είσοδος (Input) - Είσοδος είναι η διέγερση ή ο ερεθισμός, ο οποίος προκαλείται σ ένα σύστημα ελέγχου από μια εξωτερική πηγή ενέργειας, για να παραχθεί μια ειδική ανταπόκριση από το σύστημα ελέγχου. H Έξοδος (Output) - Είναι η πραγματική ανταπόκριση η οποία επιτυγχάνεται από το σύστημα ελέγχου. Μπορεί να είναι ή να μην είναι ίση με την οριζόμενη ανταπόκριση η οποία εφαρμόζεται από την είσοδο. Ο Μετατροπέας (Transducer) - Μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε μια άλλη π.χ. μηχανική σε ηλεκτρική. Ο Αθροιστής ή συγκριτής (Summation Point) - Είναι συσκευή που αθροίζει αλγεβρικά τα εισερχόμενα σήματα για να παράγει ένα σήμα εξόδου. Συνήθως αναφέρεται και σαν συγκριτής ή ανιχνευτής σφάλματος. Ο Ελεγκτής (Controller) - Σε όλα σχεδόν τα συστήματα ελέγχου η είσοδος του ελεγκτή είναι το σφάλμα που παράγεται από τον αθροιστή στα συστήματα ελέγχου κλειστού βρόγχου ή την ίδια την είσοδο στα συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόγχου. Είναι μηχανισμός ελέγχου που παράγει μια έξοδο που οδηγεί την ελεγχόμενη διεργασία με σκοπό τον μηδενισμό του σφάλματος και γενικά την βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών του συστήματος. 6

7 Ανάδραση (Feedback) Την επιστροφή του σήματος από την έξοδο προς την είσοδο σε μία γραμμή μεταφοράς, ονομάζουμε ανάδραση ή ανατροφοδότηση. Η χρήση της ανάδρασης συνήθως επιφέρει ευστάθεια και ακρίβεια στο σύστημα. Ένα σύστημα μπορεί να χρησιμοποιεί πολλές αναδράσεις. Πάντως πρωτεύουσα ανάδραση είναι εκείνη όπου το σήμα εξόδου επιστρέφει και συγκρίνεται με την είσοδο. Αν δεν υπάρχει καμία επικοινωνία μεταξύ εισόδου και εξόδου έχουμε σύστημα ανοιχτού βρόγχου, ενώ αν κάθε φορά παίρνουμε την έξοδο την ελέγχουμε και την οδηγούμε σε μια είσοδο αναφοράς έχουμε σύστημα κλειστού βρόγχου. Ο κλάδος ( δρόμος ) που οδηγεί την έξοδο στην είσοδο λέγεται κλάδος ανάδρασης. Αν το σήμα εξόδου προστίθεται στην είσοδο έχουμε θετική ανάδραση και αν αφαιρείται αρνητική ανάδραση. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ Σ.Α.Ε. Οι τομείς, στους οποίους βρίσκουν εφαρμογή τα Σ.Α.Ε, είναι πρακτικά απεριόριστοι. Από το σύστημα αυτόματου πιλότου των αεροσκαφών μέχρι το αυτόματο σύστημα ελέγχου ταχύτητας οχημάτων (cruise control system) και από τον έλεγχο της θέσης ανάγνωσης κεφαλής σκληρού δίσκου μέχρι τις γραμμές παραγωγής των μεγάλων βιομηχανιών, είναι δύσκολο να σκεφτούμε το σύγχρονο κόσμο χωρίς την παρουσία Συστημάτων Αυτόματου Ελέγχου. ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ Σ.Α.Ε. Τα Σ.Α.Ε., ανάλογα με το πώς θέλουμε να τα μελετήσουμε, μπορούμε να τα κατατάξουμε σε διάφορες κατηγορίες. Στο εργαστήριο θα ασχοληθούμε με τις εξής: 1. Ανάλογα με τη φύση του μέσου ελέγχου 2. Ανάλογα με το αν χρησιμοποιείται ή όχι ανάδραση (ανατροφοδότηση) Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 7

8 ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΗ ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΜΕΣΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ Ηλεκτρικά - ηλεκτρονικά συστήματα Το μέσο ελέγχου είναι ένα ηλεκτρικό σήμα, που μπορεί να ενισχυθεί κατάλληλα με ηλεκτρικούς ενισχυτές και να διεγείρει κάποιον ηλεκτρικό κινητήρα, που με την σειρά του θα κάνει ανάλογη διόρθωση στον μηχανισμό, με τον οποίο είναι συνδεδεμένος. Πλεονεκτήματα 1. Έχουν μεγάλο βαθμό απόδοσης. 2. Δεν χρειάζονται αεροσυμπιεστές, αντλίες. 3. Είναι καθαρά συστήματα και τυχόν διαρροές δεν προκαλούν βλάβες σε διπλανές συσκευές. Μειονεκτήματα 1. Μικρή συγκέντρωση ισχύος (δηλαδή ωφέλιμος.ισχύς/βάρος.εγκατάστασης λόγος μικρός) 2. Προκαλούν σπινθήρες και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εύφλεκτο περιβάλλον. 3. Η συντήρηση τους είναι πολύπλοκη. 4. Συνοδεύονται με ακριβές ηλεκτρονικές μονάδες. Πνευματικά συστήματα Το μέσο ελέγχου είναι αέρας με πίεση που προέρχεται από κάποιο συμπιεστή (compressor) και διεγείρει κάποια βαλβίδα που μέσω κυλίνδρου με έμβολο κάνει την αναγκαία διόρθωση. Πλεονεκτήματα 1. Είναι πολύ απλά στην κατασκευή και τη λειτουργία τους. 2. Χρησιμοποιούν αέρα που είναι ελεύθερος στην φύση και δεν εγκυμονεί κινδύνους πυρκαγιάς. (Η τυχόν διαρροή αέρα δεν προκαλεί βλάβες σε διπλανά συστήματα). 3. Οι μεταβολές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος δεν έχουν επίδραση στο ιξώδες του μέσου λειτουργίας. 4. Η συντήρηση τους είναι εύκολη και γίνεται σε αραιά χρονικά διαστήματα. 5. Αποθηκεύεται ποσότητα αέρα στις αεροφιάλες και έτσι λειτουργούν για λίγο, και μετά την διακοπή του αεροσυμπιεστή. Μειονεκτήματα 1. Είναι αναγκαία η ύπαρξη τουλάχιστον δύο αεροσυμπιεστών, πολλών αεροφιαλών και κατάλληλου δικτύου σωλήνων. 8

9 2. Παρουσιάζουν δυσκολία στην λίπανση των κινούμενων μερών. 3. Λόγω της συμπιεστότητας του αέρα δεν έχουμε ταχεία ανάπτυξη δύναμης στην έξοδο του συστήματος ούτε ακρίβεια εξόδου. Υδραυλικά συστήματα Το μέσο ελέγχου είναι συνήθως λάδι που έρχεται από κάποια αντλία, ελέγχεται από βαλβίδα και κινεί υδραυλικό κινητήρα ή έμβολο κυλίνδρου. Πλεονεκτήματα 1. Υψηλή απόδοση ακόμα και σε μεγάλη ισχύ και ταχύτητα. 2. Μπορούμε να επιτύχουμε μεγάλη ισχύ εξόδου. 3. Το λάδι είναι ασυμπίεστο και έχουμε ταχύτητα απόκρισης. 4. Αυτολίπανση με το κυκλοφορούν λάδι. 5. Σε περίπτωση ανωμαλίας ο επενεργητής (υδραυλικός κινητήρας ή κύλινδρος με έμβολο) παραμένει στην θέση του, γιατί υπάρχουν ειδικές ανεπίστροφες βαλβίδες στις γραμμές παροχής και επιστροφής. Μειονεκτήματα 1. Συχνή συντήρηση των δικτύων υψηλής πίεσης για να μην υπάρχουν διαρροές. 2. Η τυχόν διαρροή λαδιού εγκυμονεί κινδύνους βλάβης των διπλανών συσκευών. 3. Με την αύξηση της θερμοκρασίας μεταβάλλεται το ιξώδες του λαδιού και φυσικά η απόδοση του συστήματος. 4. Η ύπαρξη λαδιού δημιουργεί ένα επιπλέον κόστος στην συντήρηση. 5. Αν στο υδραυλικό δίκτυο υπάρχει θυλάκιο αέρα δεν έχουμε ακρίβεια στην έξοδο (φαινόμενο αερισμού). Ηλεκτροϋδραυλικά συστήματα Η βασική διαφορά τους με τα προηγούμενα είναι ότι η ρυθμιστική βαλβίδα δεν είναι μηχανική αλλά ηλεκτρική δηλαδή λειτουργεί ανάλογα με κάποιο ηλεκτρικό σήμα που θα της στείλουμε από μακριά Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 9

10 και καθορίζει έτσι το μέγεθος και τη φορά της ροής λαδιού προς τον υδραυλικό κινητήρα (ή έμβολο). Ηλεκτροπνευματικά συστήματα Η βασική διαφορά τους με τα πνευματικά συστήματα είναι στο ότι διαθέτουν ηλεκτροπνευματική βαλβίδα που μπορεί να ρυθμιστεί από μακριά με κάποιο ηλεκτρικό σήμα. 2) ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΟ ΑΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ Ή ΟΧΙ ΑΝΑΔΡΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΒΡΟΓΧΟΥ (ΧΩΡΙΣ ΑΝΑΔΡΑΣΗ) Ένα σύστημα ανοιχτού βρόγχου χρησιμοποιεί μία ενεργό συσκευή (που παράγει το σήμα εισόδου), για να ελέγξει απευθείας τη διεργασία χωρίς τη χρήση ανατροφοδότησης. Τα χαρακτηριστικά του είναι: 1. Είναι πολύ απλής κατασκευής. 2. Η ακρίβεια εξαρτάται από τη ρύθμιση διαφόρων στοιχείων. 3. Δεν παρουσιάζουν συνήθως προβλήματα αστάθειας. Ένα γενικό λειτουργικό διάγραμμα ενός συστήματος ελέγχου ανοικτού βρόγχου δίδεται παρακάτω. Σχήμα 4. Σύστημα ανοικτού βρόγχου. Στα συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόγχου, η έξοδος παραμένει σταθερή, εφ όσον έχουμε σταθερή είσοδο και οι εξωτερικές συνθήκες παραμένουν οι ίδιες. Εάν για οποιοδήποτε λόγο υπάρχουν μεταβολές εξωτερικών συνθηκών και παραμέτρων του συστήματος, μπορούν να παρουσιαστούν ανεπιθύμητες μεταβολές στην είσοδο. Έτσι δεν 10

11 υπάρχει τρόπος να τις ελέγξουμε. Άραγε ένα σύστημα ανοικτού βρόγχου είναι ικανοποιητικό, μόνο αν οι μεταβολές των παραμέτρων του είναι περιορισμένες και οι εξωτερικές συνθήκες καλά ελεγχόμενες ; ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΒΡΟΓΧΟΥ (ME ΑΝΑΔΡΑΣΗ) (FEEDBACK CONTROL SYSTEMS) Σύστημα ελέγχου με ανάδραση είναι το σύστημα εκείνο που τείνει να διατηρήσει τη σχέση μεταξύ της εξόδου και του προτύπου εισόδου συγκρίνοντάς τες και χρησιμοποιώντας την διαφορά τους σαν έννοια του ελέγχου. Σημειώνουμε ότι συστήματα ελέγχου με ανάδραση υπάρχουν άφθονα στον κλάδο των μηχανικών, μπορούμε δε να τα ξεχωρίσουμε σε διάφορους κλάδους μη μηχανικών, όπως στα οικονομικά, βιολογικά κ.λ.π Συστήματα Ελέγχου Κλειστού Βρόγχου - Ένα σύστημα κλειστού βρόγχου χρησιμοποιεί τη μέτρηση του σήματος εξόδου και την ανατροφοδοτεί για να συγκριθεί με το σήμα αναφοράς (είσοδος - επιθυμητή έξοδος). Τα χαρακτηριστικά του είναι: 1. Μεγάλη ακρίβεια. 2. Πολυπλοκότερα συστήματα. 3. Παρουσιάζουν προβλήματα αστάθειας. 4. Έχουν εύρος λειτουργίας. Στα συστήματα κλειστού βρόγχου υπάρχουν διάφορες παραλλαγές. Εμείς θα παρουσιάσουμε ένα απλό διάγραμμα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. Σχήμα 5. Σύστημα κλειστού βρόγχου (ανάδραση). Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 11

12 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ και ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ με την χρήση ηλεκτρονικού πολυμέτρου ΜΕΓΕΘΩΝ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Βασικές Έννοιες Αρχές λειτουργίας 12

13 μετρο Το πολύ Το πολύμετρο είναι ένα πολλαπλό όργανο μέτρησης ηλεκτρικών μεγεθών, το οποίο μπορεί να αντικαταστάσει διάφορα άλλα όργανα όπως: Το Ωμόμετρο, Το Αμπερόμετρο Το Βολτόμετρο Το Συχνόμετρο Το Καπασιτόμετρο κ.τ.λ Και μπορείτε να μετρήσετε αντίστοιχα ηλεκτρικά μεγέθη όπως Αντίσταση (Ohm) Ρεύμα συνεχές και εναλλασσόμενο (Amper) Τάση συνεχή και εναλλασσόμενη (Volt) Συχνότητα (Hertz) Χωρητικότητα (Farad) κ.τ.λ Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 13

14 Στα πολύμετρα διακρίνουμε τα εξής βασικά μέρη 1. Τον περιστρεφόμενο διακόπτη επιλογής κλιμάκων (διακόπτης μεταγωγής). 2. Τις περιοχές μέτρησης: αντίστασης, τάσης, ρεύματος, διόδου 3. Τους (τρεις) ακροδέκτες εισόδου (COM, V / Ω,mA και 10ADC). 4. Τους ακροδέκτες σύνδεσης τρανζίστορ (hfe). (NPN/PNP). 5. Την οθόνη ανάγνωσης μετρήσεων - πληροφοριών. 14

15 Οθόνη πληροφοριών Κλίμακες περιοχών μέτρησης Περιστρεφόμενος διακόπτης επιλογής Υποδοχείς σύνδεσης τρανζιστορς Υποδοχείς σύνδεσης ακροδεκτών Ακροδέκτες σύνδεσης Σχ. 1 Ο περιστροφικός διακόπτης επιλογής αφενός ρυθμίζει ποιο ηλεκτρικό μέγεθος θα μετρηθεί (τάση, ρεύμα, αντίσταση ή άλλο) και αφετέρου την κλίμακα (περιοχή) μέτρησης. Έχει συνήθως τις ακόλουθες επιλογές: Συνεχούς τάσης ( V=) με πέντε ή περισσότερες θέσεις. Εναλλασσόμενης τάσης ( V ) με πέντε ή περισσότερες θέσεις. Αντίστασης (Ω) με πέντε ή περισσότερες θέσεις. Βομβητή για αντιστάσεις μικρότερες από 100 Ω. Έντασης συνεχούς ρεύματος (10A=) από 0 10 amperes. Έντασης συνεχούς ρεύματος (A=) από 200 μα 200 ma με τέσσερις θέσεις. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 15

16 Μέτρησης διόδου. Μέτρησης τρανζίστορ (hfe). Τη θέση OFF, όπου το όργανο είναι εκτός λειτουργίας. Οι ακροδέκτες εισόδου είναι τρεις (ή και τέσσερις σε κάποια μοντέλα). Για τη μέτρηση τάσης, αντίστασης και έντασης ρεύματος μέχρι 200 ma συνδέονται οι ακροδέκτες εισόδου: Αρνητικός ακροδέκτης ( ) COM και θετικός ακροδέκτης (+) V Ω και ma. Για τη μέτρηση ρεύματος τιμής 0 10 Α συνδέονται οι ακροδέκτες εισόδου: COM ( ) και 10 Α. Προετοιμασία μέτρησης με πολύμετρο Πριν ξεκινήσουμε την παρακάτω διαδικασία δεν συνδέουμε το πολύμετρο στο κύκλωμα. Το πολύμετρο έχει τρεις υποδοχές (βλ. σχήμα 1), η κάτω είναι ο ουδέτερος ακροδέκτης (COM), ο οποίος σε μετρήσεις συνεχούς αντιστοιχεί στο σύμβολο (-), και εκεί συνδέουμε πάντα το μαύρο ακροδέκτη. Στις άλλες υποδοχές, [οι οποίες σε μετρήσεις συνεχούς αντιστοιχούν στο σύμβολο (+)], συνδέεται ο κόκκινος ακροδέκτης ανάλογα με την θέση του επιλογέα και τη μέτρηση που θέλουμε να κάνουμε, για παράδειγμα στο πολύμετρο του σχήματος αν θέλουμε να μετρήσουμε τάση ή αντίσταση, συνδέουμε τον κόκκινο ακροδέκτη στη μεσαία υποδοχή (V / Ω), ενώ αν θέλουμε να μετρήσουμε ένταση ρεύματος συνδέουμε τον κόκκινο ακροδέκτη στη πάνω υποδοχή (Α). Για τη μέτρηση ακολουθούμε τα εξής βήματα: 1. Για να μετρήσουμε τάση ή ένταση θα πρέπει πρώτα να επιλέξουμε αν το συγκεκριμένο μέγεθος είναι συνεχές ή εναλλασσόμενο οπότε και 16

17 τοποθετούμε τον περιστροφικό επιλογέα στη θέση (+) ή (~) αντίστοιχα 2. Επιλέγουμε με τον περιστροφικό επιλογέα το μέγεθος που πρόκειται να μετρήσουμε (τάση V, ένταση A ή ma ή μα, αντίσταση Ω). 3. Κάνουμε μία εκτίμηση της τιμής του μεγέθους και τοποθετούμε τον επιλογέα σε μία ένδειξη μεγαλύτερη από την αναμενόμενη τιμή, δηλαδή αν πρόκειται να μετρήσουμε εναλλασσόμενη τάση και η αναμενόμενη τιμή είναι περίπου 80V τότε στο συγκεκριμένο πολύμετρο πρέπει να τοποθετήσουμε τον επιλογέα στην περιοχή (~) και στην ένδειξη 100V ή 300V ή 1000V. ΠΡΟΣΟΧΗ: Αν δε γνωρίζουμε την τιμή του μετρούμενου μεγέθους τοποθετούμε τον επιλογέα στην μέγιστη δυνατή τιμή. Στη συνέχεια, αν είναι εφικτό, ανάλογα με την τιμή που διαβάζουμε στην οθόνη, τοποθετούμε τον επιλογέα σε μικρότερες ενδείξεις για να πάρουμε ακριβέστερες μετρήσεις. Για παράδειγμα, αν πρόκειται να μετρήσουμε μία άγνωστη εναλλασσόμενη τάση, τοποθετούμε το επιλογέα στο 1000V στο εναλλασσόμενο (~). Αν η τιμή που θα διαβάσουμε στην οθόνη είναι πάνω από 300V τη δεχόμαστε, αν είναι από 100V έως 300V μπορούμε να τοποθετήσουμε τον επιλογέα στα 300V για να πάρουμε πιο ακριβή μέτρηση, αν η τιμή είναι από 30V έως 100V μπορούμε να τοποθετήσουμε τον επιλογέα στα 100V κ.ο.κ. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 17

18 4. Όταν πρόκειται να μετρήσουμε κάποιο συνεχές μέγεθος (τάση ή ένταση). Συνδέουμε πάντα τον κόκκινο ακροδέκτη σε θετικότερο σημείο από τον μαύρο ακροδέκτη. Τα ελεύθερα άκρα των συνδετικών καλωδίων συνδέονται στο προς μέτρηση κύκλωμα είτε παράλληλα για την μέτρηση τάσης είτε σε σειρά για την μέτρηση ρεύματος όπως φαίνεται στις αντίστοιχες εικόνες. μέτρηση τάσης (volt) Στη μέτρηση τάσης, το πολύμετρο χρησιμοποιείται ως βολτόμετρο. Επομένως, το συνδέουμε παράλληλα στο εξάρτημα (όπως αντίσταση, πυκνωτής, πηνίο) του οποίου θέλουμε να μετρήσουμε την τάση, και ακολουθούμε τα βήματα της προηγούμενης Μέτρηση Ρεύματος (Amper) 18

19 Για να μετρήσουμε ένταση ρεύματος, το πολύμετρο χρησιμοποιείται ως αμπερόμετρο. Επομένως, το συνδέουμε σε σειρά στον κλάδο του κυκλώματος του οποίου θέλουμε να μετρήσουμε την ένταση και ακολουθούμε τα βήματα της Μέτρηση αντίστασης με πολύμετρο Αν πρόκειται να μετρήσουμε αντίσταση τότε το πολύμετρο χρησιμοποιείται ως ωμόμετρο. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει η αντίσταση να μην είναι συνδεδεμένη με άλλα εξαρτήματα του κυκλώματος και να μη βρίσκεται υπό τάση. Για τη μέτρηση αντιστάσεων το όργανο διαθέτει εσωτερικές μπαταρίες που δίνουν την απαιτούμενη τάση. Γι αυτό κάθε μέτρηση αντίστασης πρέπει να γίνεται χωρίς τάση στο κύκλωμα. Πριν μετρήσετε αντίσταση αποσυνδέστε την από την τάση της πηγής. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 19

20 Μέτρηση Αντιστάσεων 1. Τοποθετήστε τον επιλογικό διακόπτη κλίμακας σε μία από τις κλίμακες των Ωμ. 2. Συνδέστε τους ακροδέκτες στα άκρα της αντίστασης που θέλετε να μετρήσετε. 3. Διαβάστε την ένδειξη στην κλίμακα των Ωμ. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΧΡΗΣΗΣ Για τη μέτρηση συνεχούς τάσης ο διακόπτης επιλογής του πολυμέτρου της εικόνας πρώτα στρέφεται στη θέση 20 V= ( δηλαδή στην περιοχή μέτρησης 0 20 V DC). Κατόπιν συνδέεται παράλληλα στο κύκλωμα με τους ακροδέκτες COM ( ) και V Ω ma (+) ό πω ς α κ ρ ι β ώ ς έ να β ο λ τ ό μ ε τ ρ ο. Η τ ι μ ή τ η ς μ ε τ ρ ο ύ μ ε ν η ς τ ά σ ης διαβάζεται απευθείας στην οθόνη με ακρίβεια δύο δεκαδικών ψηφίων. Το πρόσημο (+) στην οθόνη υποδηλώνει ότι η σύνδεση του οργάνου στο κύκλωμα είναι ορθή. Αν εμφανιστεί το πρόσημο ( ), πρέπει να αντιστραφεί η πολικότητα της σύνδεσης. 20

21 Για τη μέτρηση συνεχούς ρεύματος το πολύμετρο θα συνδεθεί ως αμπερόμετρο (με το διακόπτη επιλογής στη θέση 10 A= και τους ακροδέκτες στις θέσεις COM και 10A ). Αν το μετρούμενο ρεύμα στην κλίμακα 0 10 Α DC είναι ίσο ή μικρότερο από την τιμή 0,2 (σε Α), τότε ο διακόπτης επιλογής πρέπει να στραφεί στη θέση 200m (δηλαδή στην περιοχή μέτρησης ma DC) και η τιμή του ρεύματος διαβάζεται σε ma Η μέτρηση αντίστασης, όπως αναφέραμε και πιο πάνω, γίνεται πάντοτε με την αντίσταση αποσυνδεμένη από το κύκλωμα (τουλάχιστον το ένα άκρο της αντίστασης να είναι ελεύθερο), και μέσω των ακροδεκτών COM ( ) και V Ω (+) καθώς και το διακόπτη επιλογής στην κατάλληλη θέση (Ω ή kω). **** Όλα τα παραπάνω ισχύουν γενικά για κάθε τύπο πολυμέτρου. (Για όποιες διαφορές υπάρχουν στους ακροδέκτες εισόδου ή στις κλίμακες μέτρησης, όπως και για τα λοιπά τεχνικά χαρακτηριστικά του πολυμέτρου, η καλύτερη πηγή πληροφόρησης είναι ο οδηγός χρήσης (Instruction manual) που συνοδεύει το όργανο). Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 21

22 Γενικά για την χρήση των οργάνων μέτρησης Κάθε όργανο μέτρησης σχεδιάζεται από τον κατασκευαστή του έτσι ώστε να παρέχει ασφάλεια στον χρήστη. Όμως, κανένας σχεδιασμός δεν μπορεί να σας προφυλάξει απόλυτα από μία κακή χρήση του πολυμέτρου και το ενδεχόμενο να υποστείτε ένα ηλεκτρικό σοκ. Τα ηλεκτρικά κυκλώματα μπορεί να είναι επικίνδυνα ή και θανατηφόρα όταν υπάρχει έλλειψη προσοχής και δεν ακολουθούνται ορισμένοι πρακτικοί κανόνες ασφαλείας. Πριν συνδέσετε το πολύμετρο σ ένα κύκλωμα βεβαιωθείτε ότι το κύκλωμα δεν είναι υπό τάση. Πριν κάνετε οποιαδήποτε μέτρηση ελέγξτε δύο φορές τη θέση του επιλογικού διακόπτη κλίμακας (ότι η θέση του αντιστοιχεί στο μέγεθος που θέλετε να μετρήσετε) και τη σύνδεση των ακροδεκτών του πολυμέτρου. Πριν αλλάξετε θέση στον επιλογικό διακόπτη αποσυνδέστε το πολύμετρο από το κύκλωμα ή θέστε το τελευταίο εκτός τάσης. Όταν το πολύμετρο είναι Ωμόμετρο, δηλαδή ο επιλογικός διακόπτης κλίμακας είναι σε μία από τις κλίμακες των Ωμ, μην το συνδέετε ποτέ σε κύκλωμα που είναι υπό τάση. 22

23 Αισθητήρες ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 1. Tα αισθητήριε (sensors) είναι διατάξεις που μετατρέπουν καποια γεγονοτα ή φυσικα μεγεθη σε ηλεκτρικο σημα, προκειμενου να γινει η μετρηση τους a. π.χ. το μικροφωνο μετατρεπει ακουστικη ενεργεια σε ηλεκτρικο σημα 2. Oι μετατροπεις (transducers) μετατρεπουν καποια μορφη ενεργειας σε καποιαν αλλη μορφη ενεργειας (οχι απαραιτητα ηλεκτρικη) a. ο ορισμος ειναι πιο γενικος απο αυτον του αισθητηριου b. π.χ. το μεγαφωνο μετατρεπει το ηλεκτρικο σημα στην εισοδο του σε ακουστικη ενεργεια 3. Tα παθητικα αισθητηρια επαφιενται στο περιβαλλον για τη παροχη της ενεργειας (ή του μεσου) της μετρουμενης ποσοτητας a. π.χ. οι φωτοαντιστασεις 4. Tα ενεργητικα αισθητηρια παρεχουν τα ιδια ενεργεια στο περιβαλλον τους, για την πραγματοποιηση της μετρησης a. π.χ. τα αισθητηρια υπερηχων H χρήση των αισθητήριων συνδυασμένα με τους ανάλογους αλγορίθμους επεξεργασίας και αξιοποίησης της παρεχομένης πληροφορίας, προσδίδει την απαραίτητη "ευφυΐα" σε μηχανικές διατάξεις!!!!!!!!!. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 23

24 Kριτηρια Επιλογής Αισθητήρων 1. Aκριβεια, Eπαναληψιμοτητα και Διακριτικη Iκανοτητα a. Aκριβεια (accuracy): Ποια ειναι η μεγαλυτερη αποκλιση της τιμης της εξοδου του αισθητηριου για μια συγκεκριμενη διεγερση απο την ιδανικη b. Eπαναληψιμοτητα (repeatability): Σε ποιο βαθμο η αποκριση του αισθητηριου ειναι σταθερη για την ιδια διεγερση c. Διακριτικη Iκανοτητα (resolution): Oριζεται ως η μικροτερη μεταβολη στην διεγερση η οποια μπορει να γινει αντιληπτη απο το αισθητηριο (δηλαδη να μεταβαλει την εξοδο του) 2. Συμβατοτητα με το περιβαλλον χρησης a. Oι εξωτερικες συνθηκες πρεπει να επιτρεπουν την εξαγωγη του μετρουμενου σηματος απο το αισθητηριο 3. Kαταναλωση ενεργειας a. Oταν η τροφοδοσια γινεται απο μπαταριες, περιοριζεται η δυνατοτητα χρησης αισθητηριων με μεγαλη καταναλωση ή αντιστοιχα μεγαλου αριθμου αισθητηριων 4. Το Mεγεθος a. οφειλει να βρισκεται εντος των προδιαγραφων ωφελιμου βαρους, διαστασεων, και καταναλωσης 5. Σημαντικος επισης παραγοντας σε υλοποιησεις μικρης κλιμακας ειναι η απαιτουμενη υπολογιστικη ισχυς για την υλοποιηση των αλγοριθμων επεξεργασιας του πρωτογενους σηματος του αισθητηριου 6. και φυσικα το KOΣTOΣ 24

25 ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΘΑ ΔΟΥΜΕ ΚΑΠΟΙΟΥΣ ΒΑΣΙΚΟΥΣ ΤΥΠΟΥΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΤΗΝ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥΣ 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 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. Μπορεί κανείς να βρει στο εμπόριο γραμμικά ποτενσιόμετρα μήκους από μερικά εκατοστά μέχρι και μερικά μέτρα. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 25

26 Η διακριτική ικανότητα (resolution) του οργάνου εξαρτάται από την πυκνότητα των τυλιγμάτων της αντίστασης Παράδειγμά χρήσης του γραμμικού ποτενσιόμετρου Στο σχήμα 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 (της προηγούμενης εφαρμογής) 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 26

27 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. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 27

28 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. 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. Σχ4.5 Απόσταση = Αριθμός παλμών * απόσταση μεταξύ οπών Η διακριτική ικανότητα του οργάνου είναι η απόσταση μεταξύ δύο οπών 28

29 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 και ταχύτητας περιστροφής χρησιμοποιείται η ταχογεννήτρια. 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. Κωδικοποιητές Γωνιακής Θέσης Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 29

30 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". Σχ 4.8 Στο σχήμα 4.8 συγκρίνονται ένας γραμμικός και ένας γωνιακός κωδικοποιητής θέσης. Και οι δύο αυτοί τύποι, κυκλοφορούν σήμερα ευρέως και είναι διαθέσιμοι σε κατηγορίες ανάλογα με την επιθυμητή διακριτική τους ικανότητα. Από τα ψηφιακά όργανα που περιγράψαμε, ο γωνιακός κωδικοποιητής θέσης 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. 30

31 Μέτρηση Μετατόπισης Τράπεζας Αυτόματης Εργαλειομηχανής Σχ 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 : 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. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 31

32 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. Eφαρμογη γωνιακού Kωδικοποιητη Mια πολυ διαδεδομενη χρηση των οπτικων κωδικοποιητων γωνιας ειναι για την μετρηση της κινησης της "μπιλιας" των μηχανικων mouse στους υπολογιστες Xρησιμοποιουνται δυο αξονες για την καταγραφη της (x,y) μετακινησης του mouse, μεσω της μπιλιας κινησης Kαθε αξονας ειναι εφοδιασμενος με οπτικο κωδικοποιητη, ο οποιος υπολογιζει την περιστροφη του συγκεκριμενου αξονα, χρησιμοποιωντας 2 ζευγη πομπου-ανιχνευτη υπερυθρων ακτινων O κωδικοποιητης εχει 36 συνολικα ανοιγματα 32

33 Αισθητήρια θερμοκρασίας 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. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 33

34 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. 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. 34

35 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. Θερμίστορς Μια άλλη κατηγορία θερμομέτρων αντίστασης είναι τα θερμίστορς (thermistors). Αυτά σε αντίθεση με τα προηγούμενα που χρησιμοποιούν μεταλλικό στοιχείο αντίστασης, διαθέτουν ημιαγωγό στοιχείο. Το πλεονέκτημα τους είναι η μεγάλη ευαισθησία σε μεταβολές της θερμοκρασίας. Σε αντίθεση με τους 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 Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 35

36 ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας τους. Στο σχήμα 4.14 φαίνεται όλη η διάταξη. Σχ 4.14 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 36

37 μόνο μια επαφή που χρησιμοποιείται απ ευθείας για την μέτρηση της θερμοκρασίας όπως σχηματικά φαίνεται στο σχήμα. 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. Συσκευές μέτρηση πίεσης. Οι διάφορες συσκευές για μέτρηση πίεσης χωρίζονται σε δύο βασικούς τύπους: Στον τύπο σύγκρισης δύναμης. Χρησιμοποιούνται μανόμετρα και διατάξεις ζύγισης, όπου η πίεση μετριέται μέσω της δύναμης που εξασκείται σε μια επιφάνεια γνωστού εμβαδού. Στον τύπο ελαστικής παραμόρφωσης. Χρησιμοποιούνται ελαστικά μηχανικά στοιχεία τα οποία παραμορφώνονται κάτω από την επίδραση της πίεσης. Οι μετρητές πίεσης συγκρίνουν την πίεση που πρόκειται να μετρηθεί με μια πίεση αναφοράς. Ανάλογα με την πίεση αναφοράς χωρίζονται στις κατηγορίες : Σχετικής πίεσης ως προς την ατμοσφαιρική. Συγκρίνουν την μετρούμενη πίεση με την ατμοσφαιρική. Σχετικής πίεσης. Συγκρίνουν την μετρούμενη πίεση με την πίεση που υπάρχει σ ένα σφραγισμένο χώρο μέσα στο μετρητή. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 37

38 Απόλυτης πίεσης. Μετρούν την πίεση ως προς το κενό. Διαφορικής πίεσης. Αναφέρονται στη διαφορά της μέτρησης δύο πιέσεων. ΤΥΠΟΙ ΜΕΤΡΗΤΩΝ ΠΙΕΣΗΣ Μανόμετρα και διατάξεις ζύγισης Τα μανόμετρα συγκρίνουν την άγνωστη πίεση με την πίεση που δημιουργείτε από μια στήλη υγρού (συνήθως υδραργύρου). Οι διατάξεις ζύγισης χρησιμοποιούνται κυρίως για μέτρηση οργάνων με πιο μικρή ακρίβεια ή για μετρήσεις ακρίβειας. Το έμβολο 2 προωθείται προς τα μέσα, με αποτέλεσμα η πίεση P του υγρού αυξάνει έως ότου το έμβολο 1 με το γνωστό βάρος B επιπλεύσει. Ισχύει : B = S P, όπου S η διατομή του κυλίνδρου 1. Επειδή το βάρος B και η διατομή S είναι γνωστά, υπολογίζεται η πίεση P και συγκρίνεται με την ένδειξη του ελεγχόμενου μετρητή πίεσης. Ο υπολογισμός της πίεσης μπορεί να γίνει με ακρίβεια ακόμα και 0,01% 38

39 Διαφράγματα. Ένας μετατροπέας πίεσης αυτού του τύπου αποτελείται συνήθως από ένα διάφραγμα και ένα μετατροπέα θέσης που μετράει την μετατόπιση λόγω παραμόρφωσης του κέντρου του διαφράγματος. Η παραμόρφωση που υφίστανται το διάφραγμα πρέπει να είναι μικρή για να υπάρχει γραμμική σχέση μεταξύ της πίεσης και της μετατόπισης. Φυσητήρες. Είναι διαφορικοί αισθητήρες πίεσης. Χρησιμοποιούνται για μικρές πιέσεις συνήθως μικρότερες από μερικές δεκάδες ατμόσφαιρες. Είναι κατασκευασμένοι από λεπτό σωλήνα κράματος χαλκού που πιέζεται και λαμβάνει τη μορφή ενός αυλακωτού φύλλου. Ο σωλήνας είναι σφραγισμένος στο ένα άκρο του και έχει μια μικρή οπή στο άλλο. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 39

40 Όταν εφαρμοστεί πίεση μέσω της οπής, ο φυσητήρας διαστέλλεται κατά μήκος d. Η πίεση που ασκείται στο φυσητήρα δίνεται από την εξίσωση: P =λ d/α, όπου d η απόσταση που διαγράφεται από το φυσητήρα, A το εμβαδόν διατομής του και λ η σταθερά του. Μετατροπέας πίεσης με ΓΜΔΜ (Γραμμικό Μεταβλητό Διαφορικό Μετασχηματιστή) Οι μετατροπείς αυτοί χρησιμοποιούν έναν ΓΜΔΜ για την μέτρηση της μετατόπισης λόγω παραμόρφωσης ελαστικού στοιχείου το οποίο μπορεί να είναι διάφραγμα, φυσητήρας ή σωλήνας Bourdon. 40

41 Το ελαστικό στοιχείο παραμορφώνεται γραμμικά λόγω της πίεσης. Η παραμόρφωση αυτή μετατοπίζει τον πυρήνα του ΓΜΔΜ και έτσι δημιουργείται ένα ηλεκτρικό σήμα ανάλογο της πίεσης. Επειδή τα ηλεκτρικά τους μέρη δεν είναι εκτεθειμένα στη πίεση, οι μετατροπείς αυτοί χαρακτηρίζονται για την αξιοπιστία τους. Μετατροπείς πίεσης με πιεζοαντίσταση Χρησιμοποιούν ένα διάφραγμα σαν ελαστικό στοιχείο και ελεύθερες ή προσκολλημένες πιεζοαντιστάσεις για τη μέτρηση της μετατόπισης του κέντρου του διαφράγματος ή των τάσεων του διαφράγματος. Οι μετατροπείς πίεσης με ελεύθερες πιεζοαντιστάσεις συνήθως μετρούν τη μετατόπιση του κέντρου του διαφράγματος. Μπορούν να μετρήσουν μέγιστες πιέσεις έως και μερικές εκατοντάδες Kp/cm2. Η ακρίβεια τους είναι καλύτερη από 1% της πλήρους κλίμακας και παρέχουν τάση εξόδου μερικές δεκάδες mv. Οι μετατροπείς πίεσης με προσκολλημένη πιεζοαντίσταση μετρούν την μετατόπιση του κέντρου του διαφράγματος (με χρήση μετατροπέα δύναμης) ή των τάσεων του διαφράγματος (με χρήση συνήθως τεσσάρων προσκολλημένων πιεζοαντιστάσεων στο διάφραγμα). Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 41

42 Η ακρίβεια που παρέχουν είναι καλύτερη από το 0.5% της πλήρους κλίμακας και μπορούν να μετρήσουν πιέσεις από μερικά δέκατα του Kp/cm2 έως και μερικές χιλιάδες Kp/cm2. Η τάση εξόδου για μέγιστη πίεση είναι μερικά mv. 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. Οι μετρητές με βυθιζόμενο σώμα. Η αρχή λειτουργίας του μετρητή στάθμης με βυθιζόμενο σώμα φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: 42

43 Ένα σώμα με ειδικό βάρος μεγαλύτερο από το ειδικό βάρος του υγρού εμβαπτίζεται μέσα στο υγρό. Η διαφορά του άγνωστου βάρους με το βάρος του σώματος που εμβαπτίζεται είναι ανάλογη της στάθμης του υγρού. Οι μετρητές με επιπλέον σώμα Οι μετρητές με επιπλέον σώμα μετρούν την στάθμη ενός υγρού μετρώντας την θέση του επιπλέοντας σώματος. Το βαρίδι ισορροπεί το φαινόμενο βάρος του επιπλέοντας σώματος. Αν ανεβεί ή κατεβεί η στάθμη θα ανεβεί ή θα κατεβεί και το επιπλέον σώμα και η τροχαλία θα περιστραφεί αντίστοιχα. Η περιστροφή της τροχαλίας αντιστοιχεί στην μεταβολή της στάθμης. 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 Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 43

44 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. Aισθητηρια Προσεγγισης Tα αισθητήρια προσέγγισης (proximity sensors) παρέχουν πληροφορία για τη σχετική απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και άλλων αντικειμένων στο περιβάλλον Στο απλούστερο επίπεδο δίνουν δυαδική έξοδο για την ύπαρξη ή όχι κάποιου αντικειμένου μέσα στην εμβέλεια τους Πιο πολύπλοκες διατάξεις παρέχουν (με ακρίβεια που εξαρτάται από τον τύπο του αισθητηρίου και το περιβάλλον χρήσης του) και την απόσταση του αντικειμένου από το αισθητήριο Πρόκειται κυρίως για ενεργητικά αισθητήρια με συνηθέστερους τύπους τους: Αισθητήριες επαφής Mετρητές υπερύθρων Σόναρ υπερήχων 44

45 Λέιζερ Aισθητηρια Eπαφης Ως επί το πλείστον υλοποιούνται με διακόπτες, οι οποίοι αλλάζουν κατάσταση όταν υπάρξει μηχανική επαφή Πολύ απλή και οικονομική μορφή αισθητηρίου, με πολλαπλές όμως χρήσεις και εφαρμογές Οι διακόπτες παρέχονται σε μεγάλη ποικιλία μοντέλων, είναι ευρέως διαθέσιμοι και διασυνδέονται εύκολα στο σύστημα ελέγχου Επιπρόσθετα, εάν απαιτείται κάποια ειδική κατασκευή, αυτή μπορεί συνήθως να κατασκευαστεί με ευκολία Οι μικροδιακοπτες επιλογής, παρέχουν τρεις ακροδέκτες C - common NC - normally closed (επαφή "κανονικά κλειστή") NO - normally open (επαφή "κανονικά ανοιχτή") Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 45

46 C NC NO Eπιταχυνσιομετρα Tα επιταχυνσιομετρα (accelerometers) βασιζονται στη μετρηση της αδρανειακης δυναμης η οποια δημιουργειται οταν καποια μαζα επηρρεαζεται απο καποια μεταβολη στη ταχυτητα. Αναλογα με τον τυπο του επιταχυνσιομετρου, η δυναμη αυτη ενδεχεται να μεταβαλλει τη συμπιεση ενος ελατηριου την εκτροπη μιας ακτινας τη συχνοτητα ταλαντωσης καποιας μαζας Εκτος απο τη μετρηση επιταχυνσεων κινουμενων αντικειμενων, χρησιμοποιουνται σε σειρα αλλων εφαρμογων (κυριως για τη καταγραφη δονησεων) 46

47 Αρχη Λειτουργιας Eπιταχυνσιομετρων Τα κυρια τμηματα ενος επιταχυνσιομετρου ειναι η κινουμενη μαζα το συστημα αναρτησης η διαταξη μετρησης της μετατοπισης ΑΣΚΗΣΗ 1 ΠΡΑΚΤΗΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ Ελεγχος θερμοκρασίας χώρου με ηλεκτρονικό θερμοστάτη. Το πείραμα χωρίζεται σε δύο μέρη: Α. χρησιμοποιώντας σήστημα αυτομάτου ελέγχου θερμοκρασίας με ανοικτό βρόγχο και χρονική λειτουργία του θερμαντικού στοιχείου. Β. Χρησιμοποιώντας σύστημα αυτομάτου ελέγχου θερμοκρασίας με κλειστό βρόγχο (ΑΝΑΔΡΑΣΗ) και έλεγχο της πραγματικής θερμοκρασίας του χώρου. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 47

48 Μια θερμάστρα (ηλεκτρική αντίσταση), η οποία θερμαίνει κάποιο χώρο, ελέγχεται από ένα θερμοστάτη και απο ένα χρονοδιακόπτη, είναι ένα σύστημα ελέγχου. Η είσοδος (input) του συστήματος είναι: Α. Ο χρόνος που ορίζουμε στον χρονοδιακόπτη και Β. το setting του θερμοστάτη. Η έξοδος (output) είναι η πραγματική θερμοκρασία του χώρου. Στην πρώτη περίπτωση ο χώρος θερμένεται για όσο χρόνο έχουμε ορίσει στον χρονοδιακόπτη μετά την παρέλευση του οριζόμενου χρόνου η θέρμανση διακόπτεται, ανεξάρτητα απο την πραγματική θερμοκρασία του χώρου. Στην δεύτερη περίπτωση ορίζουμε την επιθυμητή θερμοκρασία του χώρου στο setting του θερμοστάτη, όταν ο θερμοστάτης αντιλαμβάνεται ότι η έξοδος του συστήματος είναι μικρότερη από την είσοδο, τότε η θερμάστρα παρέχει θέρμανση έως ότου η θερμοκρασία του χώρου εξισωθεί με την θερμοκρασία εισόδου (setting). Στην συνέχεια η θερμάστρα αυτόματα κλείνει. Ηλεκτρονικός θερμοστάτης Ο ηλεκτρονικός θερμοστάτης είναι συσκευή ελέγχου, η οποία χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας είτε σε κάποια συσκευή είτε σε κάποιο χώρο. Αυτό επιτυγχάνεται με την σύνδεση του θερμοστάτη σε ένα μηχανισμό θ έ ρ μ α ν σ η ς ή ψ ύ ξ η ς. Αποτελείται από ένα αισθητήριο θερμοκρασίας, (sensor), ένα ηλεκτρονικό σύστημα καθορισμού επιθυμητής θερμοκρασίας από το χρήστη και ένα μηχανισμό σύγκρισης ο οποίος συγκρίνει την θερμοκρασία του αισθητήρα με την επιθυμητή θερμοκρασία που έχει καθορίσει ο χρήστης. Ο θερμοστάτης, ανάλογα με το αποτέλεσμα της σύγκρισης, ανοίγει ή κλείνει μια ηλεκτρική 48

49 επαφή δίνοντας εντολή στο σύστημα θέρμανσης ή ψύξης να λειτουργήσει ή να σταματήσει. Για την λειτουργία του θερμοστάτη είναι απαραίτητη η τροφοδότισή του με ηλεκτρική τάση 220V στους ακροδέκτες 7 και 8. Ενώ η τροφοδοσία του φορτίου ελέγχεται απο την ηλεκτρική επαφή στου ακροδέκτες 1 και 3 Χρονοδιακόπτης Ο χρονοδιακόπτης είναι μια ηλεκτρική ή ηλεκτρονική συσκευή που αποτελείτε απο ένα χρονόμετρο και μια ηλεκτρική επαφή. Η λειτουργία της ηλεκτρικής επαφής γίνεται συναρτήσει του χρόνου. Η ηλεκτρική επαφή αλάζει κατάσταση μετά την παρέλευση του οριζόμενου χρόνου που έχουμε προρυθμίσει στην συσκευή μας. Για την λειτουργία του χρονοδιακόπτη είναι απαραίτητη η τροφοδότισή του με ηλεκτρική τάση 220V στους ακροδέκτες 2 και 7. Ενώ η τροφοδοσία του φορτίου ελέγχεται απο την ηλεκτρική επαφή στου ακροδέκτες 1 και 4. Ο αισθητήρας ελέγχου της θερμοκρασίας συνδέεται στους ακροδέκτες 11 και 12. Στο παρακάτω κύκλωμα το οποίο θα κατασκευάσουμε στον εργαστήριο η τροφοδοσία του φορτίου μας (Αντίσταση) θα ελεγχθεί στην αρχή απο την επαφή του χρονοδιακόπτη (θα συνδέσουμε στα σημεία Α και Β του κυκλώματος με τους ακροδέκτες 1 και 4 του χρονοδιακόπτη) οπότε θα έχουμε την λειτουργία της αντίστασης για όσο χρόνο έχουμε προρυθμίσει στον χρονοδιακόπτη. Το σύστημά μας στην περίπτωση αυτή είναι ένας ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΣ ΧΩΡΙΣ ΑΝΑΔΡΑΣΗ. Στη συνέχεια θα αποσυνδέσουμε την επαφή του χρονοδιακόπτη και στη θέση της θα συνδέσουμε την επαφή ελέγχου του θερμοστάτη (ακροδέκτες Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 49

50 1 και 3) οπότε θα έχουμε την λειτουργία της αντίστασης συναρτήσει της θερμοκρασίας που έχουμε προρυθμίσει στον θερμοστάτη. Το σύστημά μας στην περίπτωση αυτή είναι ένας ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΕ ΑΝΑΔΡΑΣΗ. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας είναι ένας αισθητήρας αντίστασης PT100 και συνδέεται στους ακροδέκτες 11 και 12 του θερμοστάτη. 50

51 Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 51

52 ΑΣΚΗΣΗ 2 ΜΕΤΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ ΩΜΟΜΕΤΡΟ. Είναι ένα όργανο με την βοήθεια του οποίου μπορούμε να μετρήσουμε την αντίσταση τον διαφόρων καταναλώσεων. Η αντίσταση των καταναλώσεων μετράται εκτός κυκλώματος. Πριν την οποιαδήποτε μέτρηση επιλέγουμε την κατάλληλη κλίμακα (περιοχή μέτρησης). Οι συνηθισμένες κλίμακες των ωμομέτρων είναι σε ΩΜ, ΚΩ (1ΚΩ=1000Ω) και ΜΩ(1ΜΩ= ΩΜ) *** Πρέπει να γνωρίζουμε ότι το Ωμόμετρο λειτουργεί με μπαταρίες που πρέπει να είναι σε καλή κατάσταση για να έχουμε και τις σωστές ενδείξεις. ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ. Είναι το όργανο που μετρά την διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων. Επομένως οι δύο ακροδέκτες του πρέπει να πάρουν δύο μετρήσεις σε δύο διαφορετικά σημεία του κυκλώματος, το όργανο να βρει την διαφορά δυναμικού των δύο αυτών σημείων και να αποτυπώσει το αποτέλεσμα στην οθόνη του οργάνου. ΑΜΠΕΡΟΜΕΤΡΟ. Είναι ένα όργανο που μετρά την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που περνά μέσα από έναν αγωγό. Εξ ορισμού είναι φανερό ότι θα πρέπει να συνδεθεί σε σειρά στο κύκλωμα για να περάσει μέσα από το όργανο όλο το ηλεκτρικό ρεύμα. 52

53 Έτσι λοιπόν διακόπτουμε το κύκλωμα στο σημείο που θέλουμε να μετρήσουμε το ποσό φορτίου που περνά στην μονάδα του χρόνου, και παρεμβάλουμε το αμπερόμετρο. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Απαραίτητα όργανα Υλικά Τροφοδοτικό 0 30 V DC Κιβώτιο Αντιστάσεων Ηλεκτρονικό Πολύμετρο Καλώδια σύνδεσης Α. Κάντε τις απαραίτητες ρυθμίσεις στο πολύμετρό σας ώστε να αυτό να μετράει αντιστάσεις (Ωμόμετρο). Συνδέστε τους ακροδέκτες στους υποδοχείς COM και V/Ω του οργάνου και βρείτε την ονομαστική τιμή των αντιστάσεων. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα: ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ R1 R2 R3 ΕΝΔΕΙΞΗ ΠΟΛΥΜΕΤΡΟΥ (Αντίσταση) ΜΟΝΑΔΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 53

54 Β. Πραγματοποιείστε το παρακάτω κύκλωμα και αφού ρυθμίσετε το πολύμετρο ώστε αυτό να μετατραπεί σε ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ πάρτε τις τιμές ***Τάση τροφοδοτικού 25 V των τάσεων στα άκρα των τριών αντιστάσεων και συμπληρώστε τον αντίστοιχο πίνακα ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ R1 R2 R3 ΕΝΔΕΙΞΗ ΠΟΛΥΜΕΤΡΟΥ (Ταση) ΜΟΝΑΔΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Γ. Πραγματοποιείστε το παραπάνω κύκλωμα και αφού μετατρέψετε το πολύμετρο σε ΑΜΠΕΡΟΜΕΤΡΟ πάρτε τις τιμές του ρεύματος Στη συνέχεια αφαιρέστε την αντίσταση R2 και ξαναμετρήστε το ρεύμα του κυκλώματος. 54

55 ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ R1 + R2 R1 ΕΝΔΕΙΞΗ ΠΟΛΥΜΕΤΡΟΥ (Ρεύμα) ΜΟΝΑΔΑ Με τις μετρήσεις που πήρατε συμπληρώστε τον αντίστοιχο πίνακα. Τι παρατηρείτε στις δύο αυτές μετρήσεις; Δικαιολογήστε την απάντησή σας. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 55

56 ΑΣΚΗΣΗ 3 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗΣ ΘΕΣΗΣ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗ ΘΕΣΗΣ Ο Γραμμικός Μεταβλητός Διαφορικός Μετασχηματιστής (Linear Variable Differential Transformer - LVDT) O Γραμμικός Μεταβλητός Διαφορικός Μετασχηματιστής είναι ένας αισθητήρα με τον οποίο μπορούμε να ανιχνεύσουμε την θέση ή και την μετατόπιση, ως προς ένα αρχικό σημείο, ενός αντικειμένου ή ενός άξονα. Αυτός αποτελείται βασικά από ένα σωλήνα στον οποίο υπάρχουν τρία ομοαξονικά τυλίγματα 56

57 Το κεντρικό απ' αυτά είναι το πρωτεύον και τα άλλα δύο τα δευτερεύοντα. Μέσα στον σωλήνα κινείται ελεύθερα ένας μαγνητικός πυρήνας, που είναι συνδεδεμένος με εξωτερικό άξονα και αυτός με τη σειρά του με το προς μέτρηση αντικείμενο. Το πρωτεύον τροφοδοτείται με εναλλασσόμενη υψίσυχνη τάση. Η μετακίνηση του πυρήνα δημιουργεί ένα σήμα (εναλλασσόμενη τάση) στην έξοδο που το πλάτος του είναι ανάλογο της μετατόπισης και της θέσης του μαγνητικού πυρήνα. Η τάση εξόδου του γραμμικού μεταβλητού μετασχηματιστή οδηγείτε στην είσοδο του εκάστοτε συστήματος ελέγχου, το οποίο από την τιμή της τάσης αντιλαμβάνεται την θέση του ελεγχόμενου αντικειμένου. 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. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 57

58 ΓΩΝΙΑΚΗ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗ ΘΕΣΗΣ Η ΜΕΤΑΒΛΗΤΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΩΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΓΩΝΙΑΚΗΣ ΘΕΣΗΣ Σε γενικές γραμμές μπορούμε να πούμε ότι για κάθε αισθητήριο γραμμικής θέσης - ταχύτητας υπάρχει το αντίστοιχο γωνιακής θέσης - ταχύτητας. Το περιστροφικό ποτενσιόμετρο (μεταβλητή αντίσταση) είναι ίσως το όργανο με την πιο διαδεδομένη χρήση. Το βασικό στοιχείο ενός γραμμικού ποτενσιόμετρου είναι μια αντίσταση η οποία μεταβάλλεται ανάλογα με τη θέση της μεσαίας λήψης του ποτενσιόμετρου. Η αντίσταση στα άκρα Α και Β του ποτενσιομέτρου είναι σταθερή, ενώ η τιμή της αντίστασης μεταξύ του άκρου Α ή του άκρου Β και της μεσαίας λήψης W μεταβάλλεται ανάλογο της γωνίας περιστροφής του άξονα. (σχ. 1) Συνήθως η στροφή είναι περιορισμένη στις 360 0, αλλά υπάρχουν και ποτενσιόμετρα περισσοτέρων στροφών.. Σχ. 1 58

59 Σε μετρητικά συστήματα και σε συστήματα ελέγχου ο άξονας του ποτενσιομέτρου συνδέεται με τον προς μέτρηση άξονα ενώ η μεσαία λήψη W που είναι η έξοδος του αισθητήρα οδηγείτε στην είσοδο του εκάστοτε συστήματος ελέγχου, το οποίο και «μεταφράζει» την μεταβολή αντίστασης σε μεταβολή θέσης του ελεγχόμενου άξονα. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Απαραίτητα υλικά και όργανα Παροχή 230 V AC Τροφοδοτικό 0 30 V DC. Γραμμικός Μεταβλητός Διαφορικός Μετασχηματιστής. Σύστημα τροφοδοσίας του LVDT Μεταβλητή αντίσταση (περιστροφικό ποτενσιόμετρο). Ηλεκτρονικό πολύμετρο. Καλώδια. Χάρακας με υποδιαιρέσεις εκατοστών. Α. Γραμμική μετατόπιση Μετατρέπουμε το πολύμετρο σε βολτόμετρο DC και συνδέουμε τους ακροδέκτες στους ακροδέκτες εξόδου του LVDT. Τροφοδοτούμε το Σύστημα τροφοδοσίας του LVDT με 230 V AC. Παίρνουμε την πρώτη μας μέτρηση τάσης με τον άξονα του LVTD στην εσωτερική θέση. Βγάζουμε τον άξονα κατά ένα εκατοστό και παίρνω την δεύτερη μέτρηση τάσης. Πραγματοποιώ την παραπάνω εργασία μέχρι να φτάσει ο άξονας στην τελική (εξωτερική) θέση 10 cm. Συμπληρώνω με τις τιμές που πείρα τον παρακάτω πίνακα. Ποιες οι παρατηρήσεις σας ως προς την λειτουργία του LVDT και την γραμμικότητά του; Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 59

60 Τάση Volt Θέση άξονα cm Β. Περιστροφική μετατόπιση. Μετατρέπουμε το πολύμετρο σε Ωμόμετρο Περιστρέφουμε τον άξονα της μεταβλητής αντίστασης στο αριστερό τέρμα της. Μετράω την αντίσταση μεταξύ της μεσαίας λήψης (W) και του άκρου (Α) Χωρίς να αλλάξω θέση στον άξονα της μεταβλητής αντίστασης μετράω την αντίσταση μεταξύ της μεσαίας λήψης (W) και του άκρου (Β). Καταχωρώ τις δύο μετρήσεις στην στήλη 1 του παρακάτω πίνακα. Επαναλαμβάνω τις εργασίες από (3) έως και (5) για οκτώ διαφορετικές θέσεις του άξονα της μεταβλητής αντίστασης, (περιστρέφοντας τον άξονα δεξιόστροφα). Ποιες οι παρατηρήσεις σας ως προς την λειτουργία της μεταβλητής αντίστασης; Αντίσταση W -A Αντίσταση W -B 60

61 ΑΣΚΗΣΗ 4 ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΜΕ ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΟΣ Αισθητήρια θερμοκρασίας Ο έλεγχος της θερμοκρασίας στη βιομηχανία είναι επιθυμητός σε πάρα πολλές εφαρμογές. Για την μέτρηση της θερμοκρασίας υπάρχει μεγάλη ποικιλία οργάνων σε σχετικά χαμηλές τιμές. Κάποιοι απο του τύπους των αισθητήρων θερμοκρασίας είναι: Αισθητήρια θερμοκρασίας διμεταλλικού τύπου Θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης Θερμόμετρα υγρού Θερμίστορς Θερμοστοιχεία Στην εργασία αυτή θα εξετάσουμε ένα θερμοστοιχείο. Κάτω από ορισμένες συνθήκες η θερμική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Όταν δύο διαφορετικά μέταλλα σχηματίζουν βρόχο και τα δύο σημεία σύνδεσης βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε στο κλειστό Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 61

62 κύκλωμα δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα που η τιμή του είναι ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας των δύο επαφών (σχήμα 1). Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται θερμοηλεκτρικό φαινόμενο ή φαινόμενο Seebeck. Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ιδιαίτερα χρήσιμο γιατί επιτρέπει τη χρήση του θερμοηλεκτρισμού για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Η αρχή λειτουργίας του θερμοζεύγους στηρίζεται στο φαινόμενο Seebeck (θερμοηλεκτρικό φαινόμενο) σύμφωνα με το οποίο όταν μεταξύ των ά κρων ενός μεταλλικού αγωγού υπάρχει θερμοκρασιακή διαφορά, η ενε ργειακή κατανομή των ηλεκτρονίων θα είναι διαφορετική κατά μήκος του αγωγού και τα ηλεκτρόνια του θερμότερου άκρου θα είναι ενεργότερα από τα αντίστοιχα του ψυχρώτερου άκρου. Αποτέλεσμα αυτής της ενεργειακής κατανομής των ηλεκτρονίων είναι η ροή ηλεκτρονίων από το θερμότερο προς το ψυχρώτερο άκρο του αγωγού και η εμφάνιση μιας θερμικής ηλεκτρεγερτικής δύν αμης στα άκρα του. Αν ΔV είναι η διαφορά δυναμικού στα άκρα του αγωγού και ΔΤ η διαφορά θερμοκρασίας, ο λόγος η=δv/δτ ονομάζεται θερμοηλεκτρικός συντελεστής του υλικού ή συντελεστής Seebeck (σχήμα 1). Τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των αγωγών των θερμοζευγών είναι συνήθως λευκόχρυσος, χαλκός, σίδηρος, κράματα νικελίου και χρωμίου, κράματα αλουμινίου και νικελίου, και κράματα νικελίου και χαλκού. Τα θερμοζεύγη έχουν μικρό μέγεθος, πολύ γρήγορη απόκριση, μεγάλο εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας, και είναι απλά στην κατασκευή τους. Παρουσιάζουν όμως χαμηλή τάση εξόδου και γενικά δεν έχουν καλή γραμμικότητα σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Χρησιμοποιούνται για μετρήσεις θερμοκρασίας στη βιομηχανία (φούρνους, κλιβάνους, υγρά μέταλλα κλπ.), σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, σε ιατρικές εφαρμογές και σε ερευνητικά εργαστήρια. 62

63 Σχήμα 1 Σχήμα 2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Απαιτούμενα μέσα Ηλεκτρονικό πολύμετρο Θερμοζευγος Χαλκού Κονσταντανης Γεννήτρια θερμού αέρα Ηλεκτρονικό θερμόμετρο Καλώδια σύνδεσης Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 63

64 Σχήμα 3 Πραγματοποιήστε τις συνδέσεις του παραπάνω σχήματος. Τοποθετήστε κατάλληλα τον αισθητήρα του ηλεκτρονικού θερμομέτρου ώστε να βρίσκεται στην ίδια θέση με την διμεταλλική επαφή. Με το ψηφιακό πολύμετρο στη ένδειξη mv DC μετρήστε την τάση που αναπτύσσετε στα άκρα του θερμοσεύγους και διαβάστε την ένδειξη του ηλεκτρονικού θερμομέτρου. Καταχωρίστε τις μετρήσεις σας στον πίνακα 1. Θερμάνετε τον χώρο που βρίσκονται οι δύο αισθητήρες με την γεννήτρια θερμού αέρα για 3 sec, μετρήστε την τάση που αναπτύσσετε στο θερμοζεύγος, διαβάστε την ένδειξη του ηλεκτρονικού θερμομέτρου και καταχωρίστε τις τιμές στον πίνακα 1. Αυξήστε διαδοχικά την θερμοκρασία του ελεγχόμενου χώρου κατά 10 oc μέχρι τους 100 oc,καταχωρίστε τις μετρήσεις στον πίνακα 1. Υπολογίστε την αύξηση της παραγόμενης τάσης για κάθε 1 oc. Να συγκρίνεται τη τιμή που βρήκατε με αυτή που αναφέρεται στη βιβλιογραφία για το συγκεκριμένο θερμοζεύγους, 43 μv/oc Σχεδιάστε σε γράφημα την αύξηση της τάσης συναρτήσει της αύξησης της θερμοκρασίας. Σχολιάστε την γραμμικότητα του θερμοζεύγους. Α/Α Θερμοκρασία 64

65 Ηλεκ. θερμομέτρου Μετρούμενη Τάση Υπολογιζόμενη Τάση για 1 oc Υπολογιζόμενη θερμοκρασία 7. Γράψτε τις παρατηρήσεις σας. ΑΣΚΗΣΗ 5 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΙΕΣΣΗΣ και ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΘΕΣΗΣ ΑΙΣΘΗΤΉΡΙΑ ΠΙΈΣΕΩΣ Η πίεση ορίζεται σαν η εξασκούμενη δύναμη σε μια επιφάνεια δια της επιφάνειας αυτής, επομένως για να μετρηθεί η πίεση αρκεί να μετρηθεί η δύναμη που εξασκεί αυτή πάνω σε μια γνωστή επιφάνεια. Έτσι τα περισσότερα αισθητήρια πίεσης χρησιμοποιούνται κατά βάση κάποιο αισθητήριο δύναμης. Συσκευές μέτρηση πίεσης. Οι διάφορες συσκευές για μέτρηση και έλεγχο πίεσης χωρίζονται σε δύο βασικούς τύπους: Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 65

66 Στον τύπο σύγκρισης δύναμης. Χρησιμοποιούνται μανόμετρα και διατάξεις ζύγισης, όπου η πίεση μετριέται μέσω της δύναμης που εξασκείται σε μια επιφάνεια γνωστού εμβαδού. Στον τύπο ελαστικής παραμόρφωσης. Χρησιμοποιούνται ελαστικά μηχανικά στοιχεία τα οποία παραμορφώνονται κάτω από την επίδραση της πίεσης, Με την βοήθεια της παραμόρφωσης ενεργοποιείτε ηλεκτρικός διακόπτης που αυτός με τη σειρά του δίνει ηλεκτρική πληροφορία στο σύστημα ελέγχου. Στην κατηγορία των μετρητών πίεσης τύπου ελαστικής παραμόρφωσης ανήκουν οι πιεσσοστάτες. Ο πιεσοστάτης είναι αυτόματος ηλεκτρικός διακόπτης που ενεργοποιείται με τη μεταβολή της πίεσης. Τα κύρια μέρη του πιεσοστάτη είναι : Το αισθητήριο πίεσης: Το αισθητήριο είναι το μέρος εκείνο του πιεσοστάτη, που αντιλαμβάνεται τη μεταβολή της πίεσης και προκαλεί το άνοιγμα ή κλείσιμο μιας επαφής. Συνήθως το αισθητήριο αποτελείται από μια μεμβράνη η οποία ανάλογα με τη μεταβολή της πίεσης εκτείνεται ή συστέλλεται. Ο διακόπτης: Ο διακόπτης του πιεσοστάτη είναι συνήθως μεταγωγική ηλεκτρική επαφή ή μια ανοικτή και μια κλειστή επαφή (N.O. N.C.). Μηχανισμός ρύθμισης πίεσης: Έχει τη δυνατότητα με ρυθμιστικούς κοχλίες να ρυθμίζει την ανώτερη και την 66

67 κατώτερη στάθμη πίεσης στην οποία ανοίγει ή κλείνει τις επαφές του διακόπτη του. Βάση ή πλαίσιο: Η βάση του είναι κατάλληλα διαμορφωμένη, ώστε τόσο να συγκρατεί τα εξαρτήματά του, όσο και να προσαρμόζεται συνδέεται στο ελεγχόμενο δίκτυο πίεσης. ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΘΕΣΗΣ Tα αισθητήρια ανίχνευσης θέσης παρέχουν πληροφορία για τη σχετική απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και άλλων αντικειμένων στο περιβάλλον. Οι συνηθέστεροι τύποι αισθητήρων θέσης είναι: ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ (Proximity Sensors) Οι επαγωγικοί αισθητήρες προσέγγισης είναι συνήθως δυαδικοί (N.O. ή Ν.C. διακόπτες). Είναι ηλεκτρονικές συσκευές και λειτουργούν χωρίς να έρχονται σε άμεση επαφή με το αντικείμενο που ανιχνεύουν. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 67

68 Ο επαγωγικός αισθητήρας προσέγγισης είναι ο περισσότερο διαδεδομένος τύπος αισθητήρα για έλεγχο θέσης μεταλλικών τμημάτων. Όταν παρουσιαστεί μπροστά από την ενεργό επιφάνειά του, κάποιο μεταλλικό αντικείμενο, τότε η έξοδός του αλλάζει κατάσταση. Αυτήν την ιδιότητα του επαγωγικού αισθητήρα την εκμεταλλευόμαστε σε διάφορες εφαρμογές. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΕΠΑΓΩΓΙΚΩΝ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΗΣ ΘΕΣΗΣ ΤΟΥ ΕΜΒΟΛΟΥ ΣΕ ΕΝΑ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟ Ή ΥΔΡΑΥΛΙΚΟ ΚΥΛΙΝΔΡΟ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΠΑΝΩ ΣΕ ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΥΛΙΚΩΝ 68

69 ΤΕΡΜΑΤΙΚΟΙ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ Οι τερματικοί διακόπτες είναι δυαδικοί διακόπτες (N.O. ή Ν.C.). Είναι ηλεκτρικές συσκευές και δίνουν σήμα στο σύστιμα ελέγχου όταν έρχονται σε άμεση επαφή με το αντικείμενο που ανιχνεύουν. ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΙ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ Οι μαγνητικοί διακόπτες είναι δυαδικοί διακόπτες (N.O. ή Ν.C.). και ενεργοποιούνται από το μαγνητικό πεδίο μαγνήτη (μόνιμου ή ηλεκτρομαγνήτη) ο οποίος βρίσκετε στο ελεγχόμενο αντικείμενο, π.χ. στο διάφραγμα ενός πνευματικού κυλίνδρου, χωρίς να έρχεται σε άμεση επαφή με το αντικείμενο που ανιχνεύουν. Λιούσας Βασίλης Ηλ/γος Μηχ/κός Π.Ε Εργαστ. Συνεργάτης ΤΕΙ Σερρών 69

70 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Απαιτούμενα Υλικά Πνευματικός κύλινδρος διπλής ενεργείας Πνευματικός κύλινδρος διπλής ενεργείας με μαγνητικούς διακόπτες ελέγχου θέσης του εμβόλου. Ηλεκτροπνευματική βαλβίδα 5/2 (δισταθές) Πιεσσοστάτης (2 έως 8 bar). επαγωγικός αισθητήρας προσέγγισης. Τερματικός διακόπτης Ν.Ο. Χειροκίνητος ρυθμιστής πίεσης. Μικρορελέ. Τροφοδοτικό 24 V DC 70