بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
ابزار اندازه گیری و کنترل
Instrumentation and Control
فصل پنجم:
حسگرهای بکار رفته در مبدل ها
اسلاید 2 :
مقدمه
مبدل ها وسايل الکترومکانيکی هستند که يک تغيير در کمیت مورد اندازه گیری (مانند جابجايی يا نيرو) را به تغيير در يک سيگنال الکتريکی که مي تواند بعد از دستکاری (Conditioning) به صورت ولتاژ مانيتور شود، تبديل مي کنند. گستره وسيعی از مبدل ها برای استفاده در اندازه گيری کميت های مختلف وجود دارند.
مشخصه های مبدل ها که شامل محدوده، خطی بودن، حساسيت و دماهای عملکرد است در ابتدا توسط حسگری که در مبدل برای توليد سيگنال خروجی استفاده مي شود، تعيين مي گردد.
اسلاید 3 :
حسگرهای مورد استفاده در مبدل ها
پتانسيومترها
ترانسفورمرهای تفاضلی
کرنش سنج ها
خازن ها
کريستال های پيزوالکتريک
کریستال های پيزومقاومتی
ترميستورها
موارد دیگر
اسلاید 4 :
پتانسیومترها (Potentiometers)
از پتانسیومترها برای اندازه گیری جابجایی های (خطی و زاویه ای) کوچک استفاده می شود. ساده ترين نوع پتانسيومترها، نوع مقاومت سيم لغزان است.
کاربرد پتانسيومترهای با مقاومت سيمی مستقيم به طور گسترده ميسر نيست؛ زيرا مقاومت سيم با طول کوتاه کم است و اين مقاومت کم، سبب تحميل توان اضافی روی منبع ولتاژ مي شود.
اسلاید 5 :
پتانسومترهای خطی و زاویه ای
افزايش طول سيم به صورت سيم پيچی حول يک مغزی ايزوله (عایق) باعث افزایش مقاومت گشته و این امر سبب کاهش توان مصرفی روی منبع ولتاژ می گردد.
پتانسیومتر خطی
پتانسیومتر زاویه ای
اسلاید 6 :
مزایا و معایب پتانسیومترها
نويزهای الکترونيکی اغلب به هنگام حرکت کنتاکت روی جاروبگر ازيک حلقه به حلقه ديگر پيش می آيد. اين نويز را مي توان با تميز نگهداشتن سيم پيچ از لايه های اکسيدی که روی آن تشکيل مي شود (بوسيله روغنکاری) به حداقل رساند.
پتانسيومترها وسايل ارزان و نسبتا دقيقی هستند؛ اما مزيت اصلی آنها سادگی عملکردشان است. از معايب آن ها محدود بودن پاسخ فرکانسی شان است يعنی نمي توان از آن ها در اندازه گيري های ديناميکی استفاده کرد. چون پاسخ ديناميکی آنها به شدت به اينرسی شافت و جاروبگر بستگی دارد. بنابراین فقط مي توان در اندازه گيري های استاتيکی و شبهه استاتيکی از آن ها استفاده کرد.
مقاومت پتانسیوترهای سیم پیچی شده وقتی که لغزنده از یک حلقه به حلقه مجاور حرکت می کند، به روش پله ای و گام به گام افزایش می یابد. این تغییر گام در مقاومت، قابلیت تمایز و وضوح پذیری پتانسیومتر را به L/n محدود می کند که L طول سیم پیچ و n تعدا حلقه ها است.
اسلاید 7 :
ترانسفورمرهای تفاضلی (Differential transformers)
اين حسگر که براساس قانون اندوکتانس (خود القایی) متغير کار مي کند نيز جهت اندازه گيری جابجايی کوچک بکار ميرود. عمومی ترين حسگر خودالقایی متغیر برای اندازه گيری جابجايی های خطی، ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی (LVDT) است.
Linear Variable Differential Transformer
اسلاید 8 :
ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی (LVDT)
تا زمانی که LVDT در محدوده کاری باشد، ولتاژ خروجی تابع خطی از حرکت هسته مغناطیسی می باشد.
اسلاید 9 :
ترانسفورمر تفاضلی متغیر دوار (Rotary Variable Differential Transformer (RVDT))
از ترانسفورمرهای تفاضلی متغیر دوار (RVDT) جهت اندازه گیری جابجایی زاویه ای استفاده می گردد.
اسلاید 10 :
مزایای استفاده از ترانسفورمرهای تفاضلی متغیر خطی و دوار
عدم تماس باعث می شود که قطعات برای مدت زیادی دوام داشته باشد و این حسگرها به وسیله حرکت بیش از حد، خسارت نبینند. بنابراین آن ها را می توان به عنوان مبدل های بازخورد در سیستم های کنترل خودکار به کار برد.
به علت اینکه خروجی به صورت مداوم با ورودی تغییر می کند، قابلیت تمایز به وسیله مشخصات ثبات ولتاژ معین می شود.
از آنجایی که هیچ تماسی بین هسته و سیم پیچ ها وجود ندارد، بنابراین اصطکاک و اینرسی به حداقل خود می رسد. بنابراین جرم کم هسته و فارغ بودن از اصطکاک به حسگر توانایی اندازه گیری های دینامیکی محدود را می دهد.
اسلاید 11 :
کرنش سنج های مقاومتی (Resistance Strain Gauges)
کرنش سنج های مقاومتی – الکتریکی، شبکه های نازک فلزی هستند که روی سطح یک قطعه یا سازه چسبانده می شوند. وقتی قطعه یا سازه بارگذاری می شود، کرنش ایجاد شده به شبکه نازک سیمی کرنش سنج منتقل می شود. مقاومت سیم ها نسبت به کرنش ناشی از بار اعمال شده تغییر می کند.
اسلاید 12 :
مقاومت سیم
کرنش سنج های مقاومتی (Resistance Strain Gauges)
مقاومت مخصوص فلز استفاده شده در ساخت سیم
طول سیم
مساحت سطح مقطع سیم
اسلاید 13 :
ثابت کالیبراسیون (حساسیت) کرنش سنج های مقاومتی
يک کرنش سنج تغيير مقاومت مربوط به کرنش در جهت شبکه خود يعنی را به صورت رابطه زير بروز مي دهد:
در رابطه فوق را Gauge factor يا ثابت کاليبراسيون مي گويند.
اسلاید 14 :
نحوه تبدیل تغییر مقاومت کرنش سنج های مقاومتی به تغییر ولتاژ
خروجی يک کرنش سنج معمولا توسط يک پل وتستون (Wheatstone bridge) مطابق شکل زير به يک سيگنال ولتاژ تبديل مي شود. اگر يک کرنش سنج در يکی از بازوهای پل وتستون استفاده شود و در ديگر بازوها مقاومت های ثابت R استفاده شوند، آنگاه ولتاژ خروجی برابر است با:
ولتاژ خروجی پل وتستون
ولتاژ ورودی پل وتستون
مقاومت کرنش سنج
اسلاید 15 :
حسگرهای خازنی (Capacitive Sensors)
ظرفیت خازن (PF)
فاصله بین صفحات خازن
مساحت صفحات خازن
ثابت دی الکتریک ماده بین صفحات (هوا=1)
ثابت تناسب (برای ابعاد اینچی برابر 0/225 و برای ابعاد میلیمتری برابر 0/00885 است.)
اسلاید 16 :
اندازه گیری فاصله با حسگرهای خازنی
تغییر فاصله بین صفحات (Δh)
تغییر سطح مشترک
چون تغییرات خطی نیست، بنابراین محدودیت وجود دارد.
چون تغییرات خطی است، بنابراین محدودیت وجود ندارد.
اسلاید 17 :
کاربرد حسگرهای خازنی در صنعت غذا
اسلاید 18 :
اندازه گیری رطوبت با حسگرهای خازنی
تغییر ضریب دی الکتریک خازن
چون تغییرات خطی است، بنابراین محدودیت وجود ندارد.
Grain moisture meter
اسلاید 19 :
حسگرهای پیزوالکتریک (Piezoelectric Sensors)
پيزوالکتريک ماده ای است که وقتی تحت تاثير نيرو يا فشار قرار مي گيرد، بار الکتريکی توليد مي کند.
مواد پيزوالکتريک يا مانند کوارتز تک کريستال هستند و يا مانند تيتانات باريم چند کريستاله و حاوی مولکول هايي با توزيع بار نامتقارن هستند. هنگام اعمال فشار کريستال مزبور تغيير شکل مي دهد و يک جابجايی نسبی بين بارهای مثبت و منفی درون کريستال پيدا مي شود. اين جابجايی بارهای داخلی، يک بار خارجی با جهت مخالف را روی سطوح خارجی کريستال ايجاد مي کنند.
اسلاید 20 :
محاسبه بار ایجاد شده در حسگرهای پیزوالکتریک
اگر سطوح پيزوالکتريک با الکترودهای فلزی پوشش داده شوند، بارq توليدی را می توان از ولتاژ خارجی vo با استفاده از رابطه زیر بدست آورد:
ظرفیت کریستال پیزوالکتریک
همچنين بار توليد شده با فشار اعمالی به صورت زير رابطه دارد:
حساسیت بار کریستال پیزوالکتریک
سطح الکترود
فشار اعمال شده به سطح سنسور
حساسيت بار تابعی است از موقعیت حسگر (معمولا يک استوانه است) نسبت به محور کريستال پيزوالکتريک.
