Automatyka Ćwiczenia

Ogólna charakterystyka
wybranych elementów
wykonawczych i pomiarowych w
obiektach regulacji i sterowania
w inżynierii środowiska
Wykład 5
ELEMENTY WYKONAWCZE I POMIAROWE
AUTOMATYKI
Schemat blokowy układu regulacji
z
+_
w
e
u
regulator
obiekt
regulacji
urządzenie
wykonawcze
y
obiekt regulacji
ym
element
pomiarowy
y
Urządzenia wykonawcze
• Urządzenie wykonawcze = element napędowy + element wykonawczy
Urządzenie wykonawcze
element
napędowy
+
element
wykonawczy
ELEMENTY WYKONACZE
• Element wykonawczy jest to urządzenie wymuszające zmiany
wielkości regulowanej. W przypadku układów regulacji i sterowania w
inżynierii środowiska elementem wykonawczym jest najczęściej:
• pompa,
• wentylator,
• podajnik,
• przepustnica powietrza,
• zawór regulacyjny.
Konstrukcje zaworów regulacyjnych
przelotowych (jednodrogowych)
Elementy wykonawcze w węźle
ciepłowniczym
Zawór regulacyjny
Pompa
Zastosowanie zaworów przelotowych –
węzeł ciepłowniczy
Zawór regulacyjny
Zco
c.w.u.
Zcw
5
WCWII
WCO
LC2
c.o.
cyrk.
6
1
2
WCWI
sieć
ΔpRRC
LC1
ZRRC
4
3
w.z.
Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b)
rozdzielający
Sposoby montażu zaworów trójdrogowych
a) zawór mieszający,
b) zawór mieszający pełniący
funkcję zaworu rozdzielającego,
c) zawór rozdzielający
Zastosowanie zaworów regulacyjnych
trójdrogowych w kotłowni
Zawór regulacyjny
T
T
H
T
H
T
T
STB
P
T
T
P
T
T
T
M
STB
T
T
Zastosowanie zaworów regulacyjnych
trójdrogowych w wentylacji (mieszający i
rozdzielający)
y=ti
T
uch
y
w
ug
6-drogowy kulowy zawór regulacyjny
6-drogowy kulowy zawór regulacyjny –
przykład zastosowania
Napędy
W inżynierii środowiska najczęściej stosowanymi napędami
są:
- siłowniki zaworów i przepustnic,
- silniki pomp i wentylatorów.
Siłowniki służą do zmiany stopnia otwarcia zaworów i
przepustnic a silniki do utrzymania stałej lub zmiennej
prędkości obrotowej pomp i wentylatorów.
Napędy zaworów regulacyjnych
Jako napędy zaworów regulacyjnych stosuje się
a) w układach nieelektrycznych siłowniki:
• mechaniczne,
• hydrauliczne,
• pneumatyczne,
b) w układach elektrycznych siłowniki:
• elektryczne,
• elektrohydrauliczne,
• termoelektryczne,
• elektromagnetyczne,
Siłownik mechaniczny
• W technice z zakresu inżynierii środowiska siłowniki
mechaniczne stosowane są do regulacji poziomu cieczy
jako element pływakowego regulatora bezpośredniego
działania, gdzie zmiany poziomu, mierzone czujnikiem
pływakowym, są przenoszone za pomocą dźwigni
mechanicznej na ruchy grzybka zaworu regulacyjnego.
Siłownik hydrauliczny
• Siłownik hydrauliczny wyposażony jest w otwartą (a) lub
zamkniętą (b) komorę wypełnioną cieczą manometryczną.
Zmiana ciśnienia w komorze siłownika powoduje ruch
membrany lub mieszka połączonego z grzybkiem i zmiany
stopnia otwarcia zaworu.
ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW
REGULACYJNYCH
ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW
W
siłownikach
elektrycznych
energia
elektryczna
przetwarzana jest na energię mechaniczną, która
wykorzystywana jest do napędzania elementu nastawczego.
Trzpień
siłownika
napędzany
jest
silnikiem
za
pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o dużym
przełożeniu (zmniejszenie prędkości) oraz przekładni
ślimakowej zamieniającej ruch obrotowy w ruch posuwisty.
SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE
na przykładzie firmy Landis & Gyr.
• Energia elektryczna w tym siłowniku służy do
napędu pompy tłokowej (3) przetłaczającej olej
ze zbiornika (1) nad tłokiem (2) siłownika do
cylindra pod tłokiem.
• Ciśnienie oleju pokonując opór sprężyny (4)
powoduje
przemieszczanie
się
przymocowanego
do
cylindra
trzpienia
siłownika (6).
• Otwarcie zaworu elektromagnetycznego (5) na
przewodzie upustowym do zbiornika (1)
powoduje wyciskanie przez sprężynę powrotną
(4)
oleju
spod
powierzchni
tłoka
i
przemieszczanie się trzpienia (6) siłownika w
kierunku przeciwnym.
SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE
• Elektrohydrauliczne elementy napędowe
dobrze
odpowiadają
wymaganiom
elementów nastawczych, gdyż umożliwiają
łatwe realizowanie dużych sił i powolnego
ruchu elementu nastawczego.
• Siłowniki elektrohydrauliczne rozwijają dużą
siłę nacisku w porównaniu z siłownikami
elektrycznymi
z
zębatą
przekładnią
mechaniczną.
• Siłowniki elektrohydrauliczne są wielokrotnie
lżejsze od elektrycznych przy tej samej
mocy.
SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE
•
•
•
•
Siłowniki termoelektryczne powstały przez modyfikację termostatów
przygrzejnikowych.
W siłownikach tych sprzężony z trzpieniem (3) element (2) zamykający zawór
zwiększa swoją objętość przez podgrzewanie przy pomocy grzałki elektrycznej
(1). Wzrost temperatury powoduje przemieszczanie się trzpienia siłownika i
zamykanie zaworu.
Wyłączenie zasilania elektrycznego powoduje ochładzanie siłownika i otwieranie
zaworu.
Siłownik ma w zasadzie działanie dwustawne. Jednak ze względu na czas
potrzebny do podgrzania i ponownego schłodzenia siłownika działanie to
przyjmuje charakter quasiciągły.
SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE
Zasada
działania
siłownika
(cewki
elektromagnetycznej) polega na wykorzystaniu
siły działającej na materiał ferromagnetyczny w
polu magnetycznym.
Pole magnetyczne wytwarzane w rdzeniu wskutek
przepływu prądu przez cewkę elektryczną (1)
powoduje powstanie siły działającej na rdzeń (3).
Rdzeń przesuwa się, powodując przestawianie
połączonego z nim grzybka zaworu (5).
Po wyłączeniu zasilania cewki rdzeń i połączony z
nim grzybek przesuwany jest pod wpływem
sprężyny (4) w położenie pierwotne.
SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE
W zależności od rodzaju uzwojenia cewki (lewoskrętne lub
prawoskrętne) oraz usytuowania sprężyny, zawory mogą być otwarte
lub zamknięte w stanie beznapięciowym.
Elementy wykonawcze
Przepustnice regulacyjne powietrza
• Przepustnice regulacyjne lub nastawcze stosuje się w
instalacjach powietrznych do zmian ilości lub ciśnienia
powietrza w zależności od zadanych wielkości np.
temperatury, prędkości, ciśnienia.
• Są one jednoelementowe lub wieloelementowe, te zaś
dzielą się na:
a) przepustnice żaluzjowe z łopatkami
współbieżnymi,
b) przepustnice żaluzjowe z łopatkami
przeciwbieżnymi.
Przepustnice jednoelementowe i
wieloelementowe
Zastosowanie przepustnic
• Przepustnice do zewnętrznego powietrza i
powietrza wywiewanego na początku i końcu
instalacji służą do zamykania i mają z tego względu
mają działanie dwupozycyjne zamknięty-otwarty.
• Przepustnice dławiące do zmiany ilości powietrza
powinny z reguły posiadać przeciwbieżne łopatki.
Zastosowanie przepustnic
• Przepustnice
mieszające
są
klimatyzacyjnych do mieszania
powietrzem zewnętrznym.
stosowane
w
urządzeniach
powietrza recyrkulacyjnego z
Przepustnica obejściowa dla wymiennika
ciepła
• Przepustnice obejściowe powinny mieć opór przy otwarciu w
przybliżeniu równy oporowi drugiej przepustnicy powiększonej o opór
wymiennika ciepła, tak aby ilość powietrza pozostawała w przybliżeniu
stała (zwężenie, duża prędkość).
Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych
Do napędu przepustnic są stosowane siłowniki elektryczne, w których
element nastawczy wykonuje ruch obrotowy w zakresie 0 do 90.
Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych
Dobierając siłownik przepustnicy należy zwrócić uwagę na:
• Moment obrotowy. Minimalna wartość tego momentu w [Nm] powinna
być równa co najmniej pięciokrotnej wartości pola powierzchni czołowej
przepustnicy w [m2].
• Napięcie zasilania. Napięcie zasilania 24 V lub 230 V powinno być
dostosowane do napięcia stosowanego w układzie regulacji.
• Sygnał sterujący. Siłowniki przepustnic mogą być sterowane sygnałem
zamknij/otwórz (dwustawnie), sygnałem krokowym - pulsacyjnym
(trójstawnie), proporcjonalne - sygnałem analogowym (0÷10V) lub
binarnie np. magistralą LonWorks.
• Funkcja bezpieczeństwa. Przepustnice, które muszą być zamykane
lub otwierane po zatrzymaniu urządzenia wentylacyjnego powinny być
wyposażane w siłowniki ze sprężyną powrotną.
Podział i rodzaje czujników
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Automatyzacja instalacji w inżynierii środowiska wymaga
zastosowania czujników służących do pomiaru takich
wielkości jak:
temperatura,
ciśnienie,
wilgotność,
prędkość przepływającego medium,
strumień objętości,
strumień ciepła,
entalpia,
jakość powietrza,
zawartość CO2,
poziom cieczy,
ruch,
obecność itp.
CZUJNIKI TEMPERATURY
• Czujniki temperatury posiadają element czuły na
temperaturę, który przy zmianie temperatury (wejście)
zmienia wartość sygnału wyjściowego.
• W zależności od zastosowanej zasady pomiaru temperatury
czujniki można podzielić na: rezystancyjne, termoelementy,
bimetalowe, manometryczne i cieczowe.
CZUJNIKI REZYSTANCYJNE
• W typowych układach z regulatorami cyfrowymi stosowane są czujniki
rezystancyjne z elementami zmieniającymi swoją oporność elektryczną
przy zmianie temperatury.
• Są to przeważnie oporniki drutowe lub warstwowe z platyny lub niklu, jak
również specjalne elementy półprzewodnikowe – termistory.
• Opór elektryczny czujnika rezystancyjnego oznaczonego w literaturze
symbolem RTD (ang. Resistance Temperature Device) zależy od
temperatury, wzrasta z temperaturą.
• Termometry rezystancyjne robione są najczęściej z platyny i niklu.
• Wybór materiału na termometr rezystancyjny zależy od zakresu
temperatury, wymagań antykorozyjnych, wymagań co do mechanicznej
trwałości i kosztu.
Czujniki rezystancyjne platynowe
• Są najszerzej stosowane do pomiarów cieplnych, ponieważ platyna jest
najbardziej trwała i odporna na korozję.
• Termometrem platynowym do dokładnych pomiarów jest termometr
Pt1000, co oznacza, że rezystancja czujnika w temperaturze 0°C wynosi
1000 Ω (R0= 1000 Ω).
Czujniki rezystancyjne platynowe
Termometr rezystancyjny platynowy:
a) z uzwojeniem umieszczonym wewnątrz obudowy ceramicznej,
b) z uzwojeniem nawiniętym na zewnątrz,
c) cienkowarstwowy
Czujniki rezystancyjne platynowe
Rysunek a: Czujnik z platynowym uzwojeniem 1,
umieszczonym w okrągłych studniach wywierconych w
ceramicznej obudowie 2, uzwojenie uszczelnione jest w
obudowie szklanym szczeliwem 3. Termometr tego typu
przystosowany jest raczej do wyższych temperatur.
Rysunek b: Typ czujnika o prostej konstrukcji stosowany do
pomiaru
temperatury
umiarkowanego
środowiska
termicznego. Na pręcie ceramicznym 2 nawinięte jest
uzwojenie platynowe 1 (z przyspawanymi przewodami
zewnętrznymi 4 w obrębie czujnika), które jest pokryte
szklaną polewą 5.
Czujniki rezystancyjne platynowe
cienkowarstwowe
• Na rysunku c pokazano konstrukcję czujników platynowych
temperatury firmy Heraeus Sensor-Nite (ang. New
Innovative Technologies for the Environment).
• Czujnik zawiera (wykonaną techniką fotolitograficzną)
cienką warstwę platynowego rezystora 1 naniesioną na
płytkę 2 pokrytą tlenkiem glinu Al2O3, którą przykrywa płytka
szklana 3 z wtopionymi stykami 4 i przewodami 5.
• Dla uszczelnienia strefę styków 4 przykrywa warstwa 6 z
pasty szklano-ceramicznej.
Termistory
• Wykonywane są z polikrystalicznych półprzewodników, w
postaci tlenków metali: chromu, manganu, żelaza, kobaltu,
niklu i miedzi.
• Małe stałe czasowe oraz duża dokładność przyczyniła się
do szerokiego stosowania tych czujników.
• Dzięki wysokiej wartości oporności nie wymagają układów
kompensacji oporności linii łączącej czujnik z regulatorem,
co znacząco obniża koszt okablowania układu automatyki.
• Termistory typu NTC (ang. Negative Temperature
Coefficient) charakteryzują się dużym jednostkowym
spadkiem oporu elektrycznego przy wzroście temperatury.
• Przykładowa charakterystyka czujnika NTC – patrz tabela
poniżej.
Temperatura
°C
Rezystancja
Ω
-5
8093
0
7661
+5
7182
10
6667
15
6126
20
5573
25
5025
30
4492
35
3987
40
3518
45
3089
50
2702
55
2358
60
2056
65
1792
70
1563
75
1364
80
1193
85
1047
90
921
95
815
Czujnik do pomiaru temperatury powietrza w
kanale (kanałowy)
CZUJNIKI ZANURZENIOWE – POMIAR TEMPERATURY
CIECZY
SPOSÓB MONTAŻU
CZUJNIK PRZYLGOWY
SPOSÓB MONTAŻU
Pomieszczeniowy czujnik temperatury powietrza
oraz czujnik temperatury z nastawnikiem
ZALECENIA DOTYCZĄCE MONTAŻU CZUJNIKÓW
POMIESZCZENIOWYCH
Czujnik temperatury powietrza zewnętrznego
Zalecenia dotyczące lokalizacji czujnika temperatury powietrza
zewnętrznego w systemach ogrzewania budynków
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI
Czujnik kanałowy i pomieszczeniowy
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI
• Zasada działania elektrycznych czujników wilgotności
oparta jest na zastosowaniu substancji lub złożonych
układów, które absorbują lub tracą wilgoć przy zmianie
wilgotności względnej otoczenia, co powoduje zmianę
właściwości elektrycznych układu jak impedancja i
pojemność elektryczna lub inne parametry elektryczne.
• Czujniki elektryczne mogą mieć wyjście napięciowe lub
częstotliwościowe, w przypadku którego stosuje się
przetwornik częstotliwościowo-napięciowy dla uzyskania
sygnału napięciowego proporcjonalnego do wilgotności.
ELEKTRYCZNE CZUJNIKI WILGOTNOŚCI
a) Czujnik rezystancyjny Dumnore'a,
b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu: model struktury
czujnika i układ zastępczy czujnika.
Czujnik rezystancyiny Dunmor'a
• Zawiera dwie elektrody (rys.) naniesione na płytkę pokrytą
warstwą z utrwalonym 2 do 5% roztworem chlorku litu.
Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu.
• Czujnikiem jest płytka aluminiowa z naniesioną elektrolitycznie warstwą
tlenku glinu o dużej higroskopijności (ma strukturę włóknistą z
podłużnymi porami skierowanymi ku powierzchni).
• Tlenek pokrywa przepuszczalna dla wilgoci mikrowarstewka
naparowanego chromu lub złota.
• Nie trawiona część płytki aluminiowej oraz metalowa warstwa
stanowiąca elektrodę tworzą dwie elektrody, okładki kondensatora
złożonego z warstwy tlenku glinu.
Czujniki ciśnienia
• W przetwornikach ciśnienia elementem pomiarowym jest membrana lub
piezorezystor.
• Piezorezystorami nazywa się czujniki wykonane z materiałów
półprzewodnikowych, których rezystancja zależy od naprężeń w
materiale.
• Zachodzące pod wpływem zmian ciśnienia odkształcenia membrany lub
zmiany rezystancji elementu piezorezystora w przetworniku
przetwarzane są na standardowy sygnał elektryczny napięciowy lub
prądowy.
Czujnik jakości powietrza VOC
• Czujnik jakości
powietrza w pomieszczeniu służy do
pomiaru zawartości niekorzystnych składników w postaci
łatwo utleniających się gazów organicznych lub par (VOC –
Volatile Organic Compounds - lotne składniki organiczne).
• Pomiar umożliwia optymalizację jakości powietrza w
pomieszczeniu oraz ograniczenie zużycia energii poprzez
określenie
niezbędnego
zapotrzebowania
powietrza
świeżego.
Oszczędności energii wynikające z zastosowania
czujników jakości powietrza VOC w systemach
wentylacji
System zliczania liczby osób
• Systemy zliczania liczby osób stosuje się do ustalania liczby
osób przebywających w danym momencie w obiekcie np.
hali sprzedaży supermarketu i wyznaczania na tej
podstawie w systemach wentylacji pomieszczeń ilości
powietrza świeżego podawanego przez wentylatory
nawiewne, przy założeniu jednostkowego strumienia
minimalnego przypadającego na jedną osobę.
• W systemach tych wykorzystuje się pyroelektryczne czujniki
podczerwieni.
System zliczania liczby osób - zasada działania
•
•
Czujniki umieszczone w bramach wejściowych i wyjściowych działają na
zasadzie pasywnych czujników podczerwieni reagujących na promieniowanie
cieplne osób przechodzących w obu kierunkach w strefie ich zasięgu .
Informacje z czujników przesyłane są do mikroprocesorowego analizatora z
możliwością dalszego przesyłania danych w formie cyfrowej, po RS 232, lub w
formie niezależnych impulsów oddzielnie dla osób wchodzących i osób
wychodzących.
System zliczania liczby osób – zasada działania
• Elementy składowe czujników pyroelektrycznych wytwarzają w zakresie
strefy roboczej po dwie kurtyny po stronie wewnętrznej bramy i po
stronie zewnętrznej.
System zliczania liczby osób – zasada działania
• Osoby wchodzące w przestrzeń pomiędzy kurtyny wewnętrzne lub
zewnętrzne generują sygnały informujące o ilości osób wchodzących i
wychodzących.
KONIEC WYKŁADÓW
do zobaczenia na kolokwium
