UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET
SEMINARSKI RAD Tema:
Povećanje energetske upotrebljivosti mobilnih mašina upotrebom novih tehnologija i senzorike
Predmet:
INTELIGENTNI SENZORI
Ime i prezime: Broj indeksa: Odsjek: Datum:
Samel Salibašid III-164/08 Mehatronika 05.08.2012
SADRŽAJ 1.
Uvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.
Klasifikacija senzora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1. Klasifikacija prema vrsti izlaznog signala. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2. Klasifikacija prema priroi mjerene veličine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.3. Klasifikacija senzora prema principu rada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3.1. Aktivni i pasivni senzori. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.4. Klasifikacija senzora prema gabaritima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.5. Klasifikacija prema priroi izlazne veličine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.6. Klasifikacija senzora prema uslovima rada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.7. Klasifikacija prema načinu upotrebe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.8. Klasifikacija prema unutrašnjoj strukturi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.9. Klasifikacija prema pouzdanosti u eksploataciji. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.
Fizikalni pricipi rada i upotreba senzora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.1. Senzori u motoru automobila. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.1.1. Senzor temperature rashlane tečnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.1.2. Senzor temperature vazduha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.1.3. Senzor protoka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.3.1. Protokomjer sa vrelom žicom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.1.3.2. Protokomjer sa leptirom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1.4. Senzor pedale gasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1.5. Senzor brzine automobila (VSS, Vehicle Speed Sensor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.2. Senzori u hirauličkim sistemima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.2.1. Metalno- otporni senzor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.2.2. Kombinirani senzori. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.2.3. Mjerne turbine (volumetrijski senzori) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.4. Senzori i mjerni uređaji za analizu fluia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.5. Brojač čestica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.6. Saržaj voe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3. Senzorika kod bagera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.
Zaključak. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.
Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1
POPIS slika Slika 1.1.
Struktura mjernog pretvarača
Slika 2.1.
Podjela senzora na osnovu energije potrebne za mjerenje: a) pasivni, b) aktivni senzor
Slika 3.1.
Senzori u motoru automobila
Slika 3.2.
Karakteristika NTC senzora
Slika 3.3.
Senzor temperature rashlane tečnosti
Slika 3.4.
Senzor temperature vazduha
Slika 3.5. Slika 3.6.
Mjerač protoka sa vrelom žicom Mjerač protoka sa leptirom
Slika 3.7.
Senzor pedale gasa
Slika 3.8.
Senzor brzine automobila
Slika 3.9.
Kombinirani senzor
Slika 3.10.
Mjerna turbina
Slika 3.11.
Slika 3.16.
Brojač čestica CCS 2 Blok ijagram brojača čestica. Inline-mjerni sistem: prikazni i upravljački uređaj CCM 01 i Inline senzor PFS 01 Mjerni priključak Inuktivino mjerenje metalnih čestica. a) Senzor bez čestica, b) Ulaz čestica, c)Izlaz čestica Senzor metalnih čestica, a) MPS 01, b) Mjerni signal
Slika 3.17.
Inline- Mjerni sistem kontaminacije vode WSTM 01
Slika 3.18.
Senzor vlažnosti,a) shematska izgranja, b) izrađeni sensor Palice za hirauličko upravljanje rukom bagera Mehanički princip upravljanja Šema hirauličkog sistema upravljanja bagerom Uprošdena hiraulička šema otvaranja i zatvranja kašike Blok šema raa ruke bagera Logički blok ijagram mehatroničkog sistema upravljanja rukom bagera
Slika 3.12. Slika 3.13. Slika 3.14. Slika 3.15.
Slika 3.19. Slika 3.20. Slika 3.21. Slika 3.22. Slika 3.23. Slika 3.24.
2
1.
Uvod
Sredstva za dobivanje informacija u sistemu automatskog upravljanja daju informaciju o
kvalitativnim i kvantitativnim karakteristikama procesa što se ovijaju u upravljanom objektu kao i u samom upravljačkom sistemu. Za upravljanje tehničkim sistemima veoma su važne informacije o ponašanju osnovnih parametara kao što su: temperatura, protok, nivo, pritisak, vrijeme, položaj, i t. Troškovi za obivanje informacija u sistemima automatskog upravljanja čine 1/3 ukupne cijene proizvoa. Informacije se u suštini obivaju mjerenjem fizikalnih veličina koje karakteriziraju ponašanje procesa. Dobivena informacija se obrađuje po nekom algoritmu. Mjerni uređaji pomodu kojih se u sistemu automatskog upravljanja dobivaju informacije su: senzori, transdjuseri i mjerni pretvarači.
Senzor ili avač je primarni osjetilni element, koji pretvara fizikalnu veličinu X'F koja je pogonija za mjerenje. Senzor vrši prvo pretvaranje fizikalne veličine u nizu pretvaranja koja su prisutna u složenim mjernim uređajima. Transducer pretvara mjernu fizičku veličinu XF u neki stanarni oblik – najčešde električni signal,
strujni ili naponski a može biti i pneumatski. Mjerni pretvarač ili transmiter pretvara fizičku veličinu u stanarni signal. Konstruktivno je osposobljen a šalje informaciju sa jednog mjesta na drugo putem prenosnih linija ili medijuma. Sastoji se o primarnog elementa koji procesnu veličinu XF pretvara u neki pogoniji oblik XF', te baznog elementa (aaptera) koji tu veličinu pretvara u informacioni signal sa normalnim obilježjima. Šema pretvaranja mjernog signala data je na slici 1.1.
Slika 1.1. Struktura mjernog pretvarača
3
2.
Klasifikacija senzora
Tehnika senzora razvija se u tri osnovna pravca: 1. Minimalizacija i vedi stepen integracije sastavnih dijelova što je tenencija i u rugim oblastima nauke. 2. Realizacija višestrukog jelovanja, tako a se pomodu jenog senzora istovremeno oređuje
nekoliko različitih fizikalnih veličina (npr. senzor temperature i vlažnosti zraka) 3. Proširivanje funkcionalnih mogudnosti senzora zahvaljujudi ugranji mikroprocesora.
Pojela senzora nije jenostavna. Vrši se u onosu na:
2.1.
-
vrstu izlaznog signala,
-
prirou mjerne veličine,
-
princip rada gabarite,
-
prirou izlazne veličine,
-
uvjete rada,
-
načina upotrebe, unutrašnje strukture,
-
pouzdanosti, itd.
Klasifikacija prema vrsti izlaznog signala
Prema vrsti izlaznog signala senzori se dijele na analogne i digitalne. Analogni senzori imaju normiran
inamički opseg izlaznog signala i osjetljivost na šumove. Digitalni senzori imaju veliku mogudnost interakcije sa mikroprocesorskim upravljačkim sredstvima. aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
2.2.
Klasifikacija prema priroi mjerene veličine
Prema priroi mjerene veličine ijele se na: t oplotne, mehaničke, kinematičke, geometrijske, radijacijske, vremenske i električne, hemijske i fizikalne. Toplotni se koriste za mjerenje temperature, toplotnog kapaciteta, entalpije, toplote izgaranja.
Mehanički se koriste za mjerenje sil e i momenta, pritiska, vakuuma, mehaničkog naprezanja. Kinematički se koriste za mjerenje linearnog i ugaonog ubrzanja i brzine, protoka. Geometrijski se koriste za mjerenje položaja (koorinata) tijela razmjere, nivoa. Radijacijski se koriste za mjerenje intenziteta toplotnog, nuklearnog, akustičnog i elektromagnetnog
zračenja, boje, parametara talasnog procesa. Vremenski se koriste za mjerenje vremenskog perioda i frekvencije.
Električni se koriste za mjerenje elekt romotorne sile, struje, otpora, induktivnosti, kapaciteta, provodnosti. 4
Hemijski senzori se koriste za mjerenje hemijskog sastava. Fizikalni senzori se koriste za mjere nje mase, gustine, vlažnosti, tvrode, plastičnosti, hrapavosti.
2.3.
Klasifikacija senzora prema principu rada
Pretvaranje neelektričnih mjernih veličina u električne vrši se pomodu ogovarajudih pretvarača na
va načina. Prvi način porazumijeva a se ogovarajuda neelektrična veličina pretvara u pretvaraču u elekričnu veličinu. Pretvarači koji rae na ovaj način zovu se aktivni pretvarači. Aktivni pretvarači za svoj rad ne trebaju dodatnu energiju. Aktivni senzori mogu biti: -
Indukcioni
-
Elektromagnetni
-
Elektroinamički Piezoelektrični Piroelektrični Termoelektrični Fotoelektrični.
-
Drugu grupu pretvarača čine pasivni pretvarači ili parametarski pretvarači. U pasivnim pretvaračima neelektrične veličine utiču na promjenu neke električne karakteristike, kapaciteta, otpora ili induktiviteta. Pasivni senzori se dijele na: -
Induktivne
-
Otporničke
-
Kapacitivne.
Hemijski senzori rade na principu: polarizacija jona, kombinovanja hemijskih i električnih metoa, promjena impedance u zavisnosti od hemijskog sastava. Hemijski senzori mogu biti: -
Polarizacioni
-
Hemijsko-električni
-
Impedantni.
Optoelektronski dovode do pojave struja u poluprovodnicima koja djeluje na spontanu ili stimulisanu emisiju svjetlosti (svjetleda ili laserska ioa). Kvanti svijetlosti mijenjaju gustinu nosilaca naboja u poluprovodniku , otpor p-n prelaza (fotodioda) ili otpor zapornog sloja metal – poluprovodnik (fotoelement). Optoelektronski senzori su: -
Predajnici
-
Prijemnici sa vanjskim fotoefektom 5
2.3.1.
Aktivni i pasivni senzori
Aktivni pretvarači za svoj ra ne zahtijevaju ovođenje oatne energije tj. izlazni signal senzora je nastao na osnovu energije mjerene veličine. Pasivni pretvarači mouliraju energiju nek og vanjskog izvora tj. potrebno im je dovesti dodatnu energiju.
Slika 2.1. Podjela senzora na osnovu energije potrebne za mjerenje: a) pasivni, b) aktivni senzor
Pasivni senzori su zapravo mjerni uređa ji direktnog tipa, jer energiju neophodnu za mjerenje i transport izlaznog signala uzimaju sa objekta mjerenja. Na slici 2.1.a prikazan je pasiv ni uređaj za mjerenje pritiska. Pritisak fluida prenosi se preko klipa tako da se vrši pomjeranje kazaljke. Ovo pomjeranje je rezultat promjene mjerenog pritiska, jer, nema nikakvog vanjskog izvora energije. Aktivni senzori su mjerni instrumenti indirektnog tipa, oni energiju neophodnu za mjerenje dobijaju iz vanjskog izvora. Vanjski izvor je najčešde električni, ali može biti i pneumatski ili hiraulični. Na slici 2.1.b prikazan je aktivni senzor za mjerenje nivoa goriva u rezervoaru. Promjena nivoa prenosi se
preko plovka na klizač potenciometra. Energija izlaznog signala dolazi iz vanjskog izvora, tako što klizač moulira vrijenost izlaznog napona u skladu sa promjenom nivoa. Razlika između pasivnih i aktivnih senz ora je u rezoluciji mjerenja. U prethodnom primjeru se vidi da se rezolucija mjerenja pasivnih senzora može povedati proužavanjem kazaljke ali je ta mogudnost ograničena iz praktičnih razloga. Rezolucija aktivnih senzora se povedava uzimanjem izvora sa vedim iznosom energije, što je opet ograničeno zbog zagrijavanja voova i povedanih gubitaka toplote i zbog opasnosti od eksplozije. Pasivni senzori su jednostavnije konstrukcije i jeftiniji su od aktivnih pa je izbor jednog od njih stvar kompromisa između cijene i potrebe rezolucije mjerenja.
U literaturi se može nadi i rugačije poi manje pasivnog odnosno aktivnog senzora. Naime, pasivni senzor mehaničkim kontaktom prenosi promjene mjerne fizikalne veličine na promjenu nekog električnog parametra: otpora, induktivnosti, kapaciteta, struje, napona ili intenzi teta zračenja. Aktivni generiraju električni signal (struja, napon, naboj) zahvaljujudi konverziji mehaničke, svijetlosne ili hemijske energije. Primjer pasivnog senzora je otpornički etektor mehaničkog pomjeranja, a aktivnog termoelement, koji toplotnu energiju pretvara u napon.
6
2.4.
Klasifikacija senzora prema gabaritima
Prema veličini mjerni senzori mogu biti: -
Normalni i oni su standardne izvedbe
-
Malogabaritni za primjenu u ograničenom prostoru
-
Minijaturne koji se koriste za specijalne namjene
Klasifikacija prema priroi izlazne veličine
2.5.
Prema priroi izlazne veličine senzore možemo poijeliti na: -
Mehanički čiji je izlazni signal sila ili pomak
-
Vremenski čiji je izlazni signal vremenski ili frekventni ko Električni čiji se izlazni signali mjerene veličine oražavaju kroz promjenu R, L, C parametara izlaza, pa se zovu i parametarski. Ukoliko se na izlazu generira električni signal to su
-
generatorski ili aktivni senzori.
2.6.
Klasifikacija senzora prema uslovima rada
Prema uslovima rada senzori mogu da budu: -
Stacionarni koji su fiksirani na jednom mjestu i
-
Prenosivi koji se mogu pomjerati na razna mjesta
Klasifikacija prema načinu upotrebe
2.7.
Prema načinu upotrebe mogu biti: -
Operativni koji služe za neposreno avanje informacija Pomodni za obivanje pomodnih inf ormacija.
Klasifikacija prema unutrašnjoj strukturi
2.8.
Prema svojoj unutrašnjoj strukturi senzore možemo poijeliti na: -
2.9.
Direktni kojima se vrši o ulaza o izlaza irektan prijenos (konverzioni lanac) i Kompenzacioni sa negativnom povratnom spregom po izlaznoj veličini.
Klasifikacija prema pouzdanosti u eksploataciji
Prema pouzanosti u eksploataciji senzore možemo poijeliti na: -
Pouzdane koji imaju mali intenzitet otkaza i malo vrijeme obnavljanja i
-
Nepouzdane
7
3.
Fizikalni pricipi rada i upotreba senzora
Senzori rae na osnovu njihove interakcije sa procesom i to tako što reagiraju na stanja, a reakciju transformiraju u izlazni signal. Postoji veliki broj fizikalnih pojava i efekata, načina transformacije svojstava procesa kao i metoda konverzije energije koji se mogu primijeniti pri gradnji senzora.
Nosilac informacije je masa ili energija. Mjerenje neelektričnih signala počinje pretvaranjem u električni pa se ona obavlja procesiranje. Važnost imaju fizikalni efekti koji omogudavaju takvu konverziju. Za neelektrično-električno pretvaranje potrebna je energija iz omena mjernog signala ili van njega.
Danas se senzori koriste u mnogim mašinama kako bi se na neki način olakšao ra čovjeka, te na neki način omogudila sigurnost čovjeka u svim uvjetima raa. Takođe su prisutni i ko automobila sa kojima se čovjek susrede svaki an. U aljem tekstu de biti naveeni najčešde korišteni senzori, kao i neka poručja primjene.
3.1.
Senzori u motoru automobila
Elektronski sistem (računar) za svoj ra koristi senzore. Stotinu puta u sekuni senzori šalju mjerenja
računaru o stanju u motoru. Računar upravlja sistemom i u mnogim automobilima se on obiljež ava sa ECU. Programiran je od strane fabrike da daje odgovaraju de izlazne veličine na osnovu poataka koje dobija od senzora. ECU u svakom trenutku mora imati informaciju o stanju u motoru . Da li se automobil nalazi na uzbrdici, dok motor radi na 3000 ob\min, po vrelom danu ili je moža u pitanju
graska vožnja po hladnom vremenu, a motor upravo pokrenut. Sve ove podatke ECU dobija preko ugrađenih senzora.
Slika 3.1. Senzori u motoru automobila
Senzori pretvaraju fizičke veličine iz jenog oblika u rugi. U poručju motora i vozila najčešde se pretvaraju mehaničke pojave kao što su sila, pritisak, položaj, brzina rotacije it. u električne signale tj. električni napon.
8
3.1.1.
Senzor temperature rashlane tečnosti
Senzor temperature rashlane tečnosti aje ECU podatke o temperaturi rashladne tečnosti. U vedini slučajeva smješten je na kudištu termostat a. Ovaj senzor ima promjenljivu NTC karakteristiku sa promjenom temperature tj. ako se povedava temperatura motora, njegova otpornost se smanjuje. Senzor se preko ECU napaja konstantnim naponom, a informacija se vodi nazad u ECU jer je povezivanje realizovano na principu Filbus sistema (sa vije žice). Na slici 3.2. prikazana je NTC karakteristika senzora, dok je na slici 3.3. prikazan senzor temperature rashlane tečnosti.
Slika 3.2. Karakteristika NTC senzora
Kad ECU dobije informaciju da je temperatura rashl ane tečnosti ovoljno visoka, zaključuje a je motor dostigao radnu temperaturu i tada ECU sa "open loop" prelazi na zatvoreni povratni hod (closed loop) upravljanja motorom. Sa prelaskom na "closed loop" ECU analizira i ostale ulazne podatke sa senzora kako bi kontrolisao kvalitet (emisiju) izduvnih gasova. Ovaj senzor je jako pouzdan u eksploataci ji, ali ako pretrpi oštedenje i izgubi funkciju sprečava ECU a pređ e na "closed loop", što ce ovesti o "prebogate" sm ješe, jako izraženog povedanja potrošnje i povedane emisije karbon monoksida (CO). Senzor koji nije više u funkciji se lako mož e dijagnostikovati mjerenjem elektro provoljivosti istog ok motor ostiž e radnu temperaturu, jer se njegova elektro
provoljivost nede mijenjati sa prom jenom temperature rashlane tečnosti motora.
Slika 3.3. Senzor temperature rashlane tečnosti
9
3.1.2.
Senzor temperature vazduha
Temperatura vazuha koji se usisava se takođ e mjeri. Senzor za ovu namjenu se mož e nalaziti na
kutiji vazušnog filtera ili na usisnoj cijevi. Ovaj sensor je takođ e sa NTC karakteristikom promjenljive otpornosti. On ima otpornost o 3555 Ω-a na 20 ºC, a 475 Ω -a na 70 ºC. Temperatura ulaznog vazuha može ostidi blizu 70 ºC kaa je vreo ljetni dan. Na slici 3.4. prikazan je senzor temperature vazduha.
Slika 3.4. Senzor temperature vazduha
Senzori temperature – NTC otpornik izrađen je od tankog sloja nikla. Nikal je naparen u obliku filma
na keramičku jezgru koja služi kao nosivi dio senzora. Obično su i priključni kontakti izvedeni istom tehnologijom tj. naparivanjem.
3.1.3.
Senzor protoka
Da bi ECU obezbi jeio ogovarajudu količinu goriva i zapalio smješu u ogovarajudem trenutku,
potrebno je a ima informaciju koliko je opteredenje motora. Neki automobili koriste “Mjerač količine vazuha“ ili “Protokomjer“ a bi izmjerili opteredenje motora. Snaga motora zavisi direktno o količine vazuha koji u njega ulazi. Ako motor koristi mnogo vazuha, ona je potrebno a se ubrizga i veda količina goriva, a sve u cilju a se orž i optimalan odnos vazduha i goriva. Postoji nekoliko tipova protokomjera koji se danas u građuju. Dva standardna tipa protokomjera su: -
Protokomjer sa vrelom žicom,
-
Protokomjer sa leptirom.
3.1.3.1.
Protokomjer sa vrelom žicom
Vazduh koji ulazi u motor struji oko žičanog otpornika napravljenog o platine.Žičani otpornik se zagrije istosmjernom strujom koja teče kroz njega a vazuh koji struji hlai ga. ECU orž ava platinasti
otpornik na konstantnoj temperaturi. Što je više struje potrebno a se otpornik grije, više vazuha ulazi u motor. Ovaj tip senzora pravi mali otpor vazduhu koji ulazi u motor jer su mu dimenzije radnog dijela male. Na slici 3.5. pri kazan je protokomjer sa vrelom ž icom.
10
Slika 3.5. Mjerač protoka sa vrelom žicom
3.1.3.2.
Protokomjer sa leptirom
Ovaj tip protokomjera koristi za svoj rad leptir koji pregrađuje usisnu cijev. Što je vedi otklon leptira,
veda je i količina vazuha koja ulazi u motor. Leptir je povezan sa električnim potenciometrom. Otpornost potenciometra se mijenja direktno proporcionalno sa otklonom leptira tj. direktno zavisi od ugla otklona leptira. O vaj tip protokomjera pruža vedi otpor vazduhu koji ulazi u motor, jer je
površina ranog ijela tj. leptira velika. Na slici 3.6. prikazan je protokomjer sa leptirom.
Slika 3.6. Mjerač protoka sa leptirom
3.1.4.
Senzor pedale gasa
Takođe ECU jedinica mora imati podatke i o položaju papuče gasa. Senzor papuče gasa aje važ ne
informacije naročito prilikom ubrzavanja. Vedina ovakvih senzora su vopolož ajni (0, 1) gd je “0“ prestavlja osnovni položaj tj. prazan ho, a “1“ pun gas. Na slici 3.7. prikazan je senzor pedale gasa.
Slika 3.7. Senzor pedale gasa
11
3.1.5. Senzor brzine automobila (VSS, Vehicle Speed Sensor) Svrha senzora brzine automobila je jednostavna. Sa ov og senzora se šalje informacija ka ECU o tome kolika je brzina kretanja automobila. Senzor se može nalaziti na mjenjaču, ili na točku. Ovaj se nzor se u nekim automobilima koristi za o graničenje maksimalne brzine, a takođe i a se poboljšaju
ekonomičnost i vozne karakteristike. Na slici 3.8. prikazan je senzor brzine automobila. Ovaj senzor konstantno nadzire trenutnu brzinu vozila. Na osnovu te informacije koja se prosl jeđuje u ECU, reguliše se brzina "zatvaranja" konvertora momenta, aaptira način reagovanja na promenu stepena prenosa i slično. Senzor se može nalazit i na diferencijalu, tijelu transmisionog sistema, glavi brzinomera ili na drugoj lokaciji. Problemi u radu ovog senzora mogu uticati na funkciju "cruise" kontrole, kao i "osjetljivost" sistema na promjene stepena prenosa u zavisnosti od brzine kretanja.
Slika 3.8. Senzor brzine automobila
Senzori u hirauličkim sistemima
3.2.
Moerne mašine i postrojenja, koje koriste hiraulički sistemi, moraju se prilagoiti trenutnim uvjetima često uz obzir na mehatroničke aspekte. Potrebno je poesiti ventile, ali to često nije ovoljno, jer se koriste upravljački i regulacijski sistemi, koji se takođe moraju optimalno poesiti. Za hirauličkog inžinjera u praksi je bitno poznavanje strukture i jelovanja senzora i mjernih instrumenata za mjerenje fizikalnih parametara. Inovacije u hiraulici ne znače samo efektivan izajn komponenti, njihovu optimalnu kombinaciju i kontrolu, nego i upotrebu senzorskih i mjernih sistema
za pradenje i ijagnostiku komponenti. Neki o tih senzora i mjernih sistema opisani su u aljem tekstu.
3.2.1.
Metalno- otporni senzor
Zavisnost otpora jenog električnog provonika, zavisi o temperature T , obija se jenačinom (3.1), gdje je Ro otpor ko efinitivno oređene temperature, i α je termički koeficijent:
R
R0 1 T
(3.1)
12
Promjenom jednačine (3.1) po temperaturi T može se u jenačini (3.2) odrediti temperatura iz izmjerenih otpornih vrijednosti: T
R
R0
R0
(3.2)
Žice o platinskih ili niklovanih senzora, su tako izjenačeni, a pri temperaturi T=0° javlja se otpor o 100Ω. Iz toga proizilazi i upotreba oznaka PT 100 za ovaj senzor. U DIN 43760 su oređeni termički koeficijenti, otporne vrijenosti i klase tačnosti. Elementi senzora se postavljaju kao žičani ili slojni otpori. Mjerni signali se često u senzoru pojačavaju a potom oaju obrai mjerne vrijenosti. Metalno- otporni senzori su tačniji o termoelemenat, ali imaju često veliku vremensku konstantu. Oni su pogodni za mjerenje u hidraulici , jer ispunjavaju uslove koji su potrebni u praksi.
3.2.2.
Kombinirani senzori
U anašnjoj mjernoj praksi, sa jenim zahvatom u hiraulički sistem, se snimi više mjernih veličina. To je mogude sa kombiniranim senzorima (slika 3.9. ), koji sarže senzor pritiska i senzor temperature.
Slika 3.9. Kombinirani senzor
Ved poznate pojeinačne komponente za pritisak i temperaturu su konstruktivno tako spojene, a je ovoljan mini mjerni priključak. Jeino je električni priključak kompaktnije postavljen, jer se prenosi više signala preko priključnog kabla. Senzori se samo mogu koristiti za temperaturu mjerenja na previđenim mjernim mjestima, jer se temperaturni mjerač mora nalaziti u tekudini.
3.2.3.
Mjerne turbine (volumetrijski senzori)
Volumetrijski senzori, koji koriste energiju stujanja protočnog meija, označavaju se kao mjerne turbine. One se često u uljnoj hiraulici koriste za mjerenje volumetrijskog protoka. Turbinski zupčanik je aksijalno protočan, prikazan na slici 3.10. ,i tako se stavlja u rotaciju. Obrtni sloj turbinskog zupčanika je zavisan o brzine strujanj a i viskoznosti fluida. Ona je uzročna komponenta snage na turbinskom zupčaniku, zavisna o onosa trenja u fluiu(granični slojevi) i cijelokupnog 13
mjernog puta. Obrtni broj turbinskog zupčanika se mjeri bez oira, koristi se za prikaz
volumetrijskog protoka. Mjerne turbine su otporne na pritisak, i mogu u oba protočna smjera, uz uzimanja u obzir ogovarajudih kalibracijskih vrijenosti (viskoznosti) biti pokrenute.
Slika 3.10. Mjerna turbina
Ko upotrebe treba voiti računa a kalibrirajude vrijenosti koje pripaaju svakoj mjernoj turbini, važe samo za jean viskozitet, što znači, ko primjene fluia, tj. temperature fluia javljaju se mjerne greške, koje se o korisnika ne mogu procjeniti. Tome oatno, a kroz nečistodu fluia tj.kroz visoke mjerne vrhove, uticaj na onose trenja ležajeva turbinskih zupčanika, može pojaviti. Time je u svakom slučaju pogreška mjernih vrijenosti povezana. Mjerne turbine imaju mjernu grešku o ± 2,5% koja se onosi na trenutnu vrijenost, to znači a procentualna greška ostaje nezavisna o trenutne mjerne vrijednosti, konstantna.
3.2.4.
Senzori i mjerni uređaji za analizu fluia
Stanje kontaminacije fluia utiče na osobine cijelokupnog hirauličnoh sistema i aje informacije o trenutnom stanju habanja sistema, i time naočekivanu ostupnost postrojenja. Upotreba ogovarajude mjerne tehnike u različitim konfiguracijama omogudava kontinuirani nazor i ijagnozu stanja hirauličkih sistema, kao i nazor i rano otkrivanje greške.
3.2.5.
Brojač čestica
Kroz poznavanje postojanja pojele čestica u hirauličkom tj pomazivnom sistemu( broj i veličina čvrstih čestica u efiniranom fluinom volumenu) obijaju se lažne informacije za ocjenu stanja sistema, kao: -
Učinkovitost konfiguracije filtera, Promjena stanja habanja u sistemu,
Promjena vezana ejstvom sekunarne nečistode u sistemu.
Primjenjivač je tako u stanju, kroz ogovarajude mjere, utiče na stanje sistema i time osigurava optimalnu dostupnost postrojenja. Pitanje tačnosti mjerenja nije zavisno o toga, a li online ili pomodu uzorka boce, rezultat laboratorije biva mjeren, nego se kroz korišteno za brojanje čestica, senzoriku orei usklađeni mjerni tok. U laboratorijskoj mjernoj tehnici se obično koriste laserski 14
senzori: s time irektno povezana mjerna metoa, pri kojoj čestice putem lasersek zrake oslikavaju na fotodeliji, sarže visokomjernu tačnost, poliježe u voi koju saržava meijum ili mjehuridima, koji se takođe etektuju kao nečistode. Inirektna mjerna metoa, koja na efekat začepljena sita(princip blokae), kroz nečistode i s time povezani porast razlike pritiska prljavštine, se kroz zrak ili vou, ne utiče. Mjerna tačnost je jako zavisna o veličini pojele čestica i ne može se po rediti sa irektnim bri+ojanajem čestica. U CCS 2, prikazanom na slici 3.11. , se upotrebljava automatski brojač čestica sa unaprije
uključenom prialgobom pritiska. Računar za procjenu je integrisan u mobinom mjernom uređaju. Manjinska jedinica pritiska omogudava irektni priključak mjernog sistema na hiraulička postrojenja do radnih pritisaka do 420 bar. Jedinica doziranja i dovoda ima zadataka, da osigura definirani tok mjerenja na senzoru.
Slika 3.11. Brojač čestica CCS 2
Cilinrično- klipni sistem se puni sa analizirajudim fluiom o 15ml, ko potrebe se izvoi više koraka ispiranja. Ko samog brojanja čestica, se senzor ovaja u onosu na smetajude ujele sistema. Pulsacije pritiska ili volumetrijske pulsacije u hiraulič kom sistemu nemaju uticaj na mjerni rezultat. Mogu se izvoiti jeinična mjerenja, kontinuirana mjerenja, ciklična mjerenja i botte lsampling mjerenja. Na slici 3.12. je prikazan blok dijag ram brojača čestica .
Slika 3.12. Blok ijagram brojača čestica.
15
Jeftina rješenja za stalno nagleanje hirauličkih i pomaznih sistema nue inline senzori. Oni su
pogoni za stalno ostajanje u postrojenju, ali u poređenju sa mobilnim preciznim mjernim uređajima imaju ograničeni rani raspon parametara. Inline brojači čestica se efektivnije upotrebljavaju u sporednom strujnom kolu. Inline mjerni sistem kao na slici 3.13. sastoji se od inline senzora za
primanje mjernih vrijenosti, kao i uređaja za snimanje i upravljanje, za prerau, mjernih vrijenosti, izlaza upravljačkog signala i nazora granične vrijenosti. Mjerni snimač PFS 01 sastoji se iz va elementa senzora, jenog laserskog senzora za optičku etekciju čestica, sa veličinom čestice koja je proporcionalna izlaznom naponskom signalu, kao i senzoru volumetrijskog protoka sa izlaznim naponskim signalom od 4- 20mA, koji rai po termičkom postupku.
Slika 3.13. Inline-mjerni sistem: prikazni i upravljački uređaj CCM 01 i Inline senzor PFS 01
Broj čestica se ovija u sporednom strujanju. Strujanje ulja kroz PFS 01, koje pomodu slijenog ventila jenog ijela volumetrijskog protoka preko laserskog senzora brojača čestica i senzora volumetrijskog protoka, provoi. Laserski senzor se prema ISO 11171 kalibrira sa testnom prašinom. On se može irektno upotrijebiti u vo ovima za volumetrijske protoke do 50l/min pri pritiscima od ≤50 bara.
Slika 3.14. Mjerni priključak
Procjena broja čestica i pojela na kase čistode, ovija se prema stanarima(ISO 4406). Izbor raznih čestica može se npr. izvršiti pomodu senzora metanih čestica. Na slici 3.15. prikazan je induktivni mjerni princip za senzor metalni čestica MPM 01, hvata metalne čestice > 200µm. Kao izlazni signal stvara se jeinični impuls neovisno o veličini etektovane metalne čestice. Uvođenje senzora u hiraulički tok je mogude za volumetrijske protoke o 50l/min. Brojanje i procjena impulsa, kao i
16
nazor granične vrijenosti se ovija u ogovarajudem pokaznom uređaju, tj. sa rugim ogovarajudim mjernim uređajima.
Slika 3.15. Inuktivino mjerenje metalnih čestica. a) Senzor bez čestica, b) Ulaz čestica, c)Izlaz čestica
Glavna upotrebna poručja takvih senzora su u ranom otkrivanju š tete velikih pogona i kod nadzora čistode komponenti na nečistodama gotovljeno kao metano struganje.
Slika 3.16. Senzor metalnih čestica, a) MPS 01, b) Mjerni signal
3.2.6.
Saržaj voe
Pore zagađenja čvrste materije je kontaminacija sa voom za hirauličke komponente i fluide jedan o glavnih nosedih razloga. Stoga je korisno zagađenje voom na dgledati inline. Na slici 3.17. je prestavljen ogovarajudi inline- vodo kontaminacijski sistem.
Slika 3.17. Inline- Mjerni sistem kontaminacije vode WSTM 01
17
U WSTM 01 je integriran prikupljač mjerne vrijenosti, koji se sastoji o senzora vlažnog elementa i
senzora temperature. Senzor vlažnosti rai na principu polimerne folije, koja fungira kao kapacitivni senzor. On mjeri relativnu vlažnost u fluiu, ali ne ap solutni vodeni nivo(slobodna i emulgirana voa), kako je mogude sa Karl- Fischer titracionom metoom. Senzor vlažnosti se sastoji iz više komponenti kao što se vii na slici ispo.
Slika 3.18. Senzor vlažnosti,a) shematska izgranja, b) izrađeni sensor
3.3.
Senzorika kod bagera
Otkrivanjem novih tehnologija te razvijanjem senzorike uveliko se olakšaje ra na bagerima. Konkretan primjer je anašnji mehatronički sistem upravljanja rukom bagera. Ugranjom senzora i ostalih komponenti čovjek puno lakše kontroliše rad ruke bagera. Upravljanje rukom bagera se vrši preko kontrolnih palica onosno žojstika. Upravljanje može biti mehaničko, hirauličko ili mehatroničko. U sva tri slučaja čovj ek upravlja rukom bagera, razlika je samo u signalima koji se koriste za upravljanje bagerom.
Slika 3.19. Palice za hirauličko upravljanje rukom bagera
U prvih bagera koji su se pojavili upravljanje je bilo čisto mehaničko, palica je bila spojena preko sistema poluga sa klipom razvodnika, te se pomicanjem palice regulirao protok na razvodniku a 18
samim time i klip, o nosno položaj ruke bagera. Takvi sistemi su imali puno palica za kotrolisanje
ruke bagera, i nije postojala mogudnost zaržavanja kašike bagera u zraku nakon puštanja palice.
Slika 3.20. Mehanički princip upravljanja
Slika 3.21. Šema hirauličkog sistema upravljanja bagerom
Na gornjoj slici je pred stavljena šema hirauličkog sistema upravljanja ba gerom. Sa oznakom "E" koja
je numerisana brojem jean, označen je pogonski agregat u najčešdem slučaju izel motor. Sa oznakom 2,3,4 su označene pumpe koje vrše snabijevanje sistema hirauličkom energijom. Pritisak sa pumpi 2 i 3 vodi se ci jevima označenim oznakom L1 i prolazi razvonik 5, razvonik 6 koji kontroliše cinlinar na katarki bagera,razvonik 7 koji također kontroliše položar ruke bagera. Džojstici su označeni brojevima 20,22 i 25. Sa šeme se jasno vii a cilinri 12 i 13 nede biti u pokretu ok ne ođe hiraulički signal sa kontrolnih palica na razvonike 6 i 7.
19
Slika 3.22. Uprošdena hiraulička šema otvaranja i zatv aranja kašike
Porastom funkcionalnosti poljoprivrenih mašina, omogudena upotrebom elektronskih sistema upravljanja, zahtjev je i korisnika i tren razvoja, što obično ovoi o povedanja složenosti sistema i može a oteža upravljanje takvim mašinama. Integracija senzora i elektronike u hirauličke komponente omoguduje unapređenje hirauličkih sistema upravljanja na mobilnim mašinama, koje sve više postaju mehatronički sistemi . Moerni ventili anas uključuju igita lnu energetsku i upravljačku elektroniku kao i senzore za pritisak, protok i ho razvonika. Integracija funkcija aje "inteligenciju" sistemu, što obezb jeđuje a se kompleksna proceura obavlja automatski i kontrolisano o samog sistema. U tom slučaju kor isnik samo postavlja jednostavne komande pomodu interfejsa.
Slika 3.23. Blok šema raa ruke bagera
20
Pojava nove generacije haptic (haptičkih) ulaznih uređaja otvorila je nove mogudnosti u oblasti upravljanja hirauličkim uređajima na poljoprivrenim mašinama. Haptic interfejsi su uređaji koji stimulišu os jedaj oira, kao što su senzorske sposobnosti ruku . Klasični metoi upravljanja hirauličkim uređajima ostvaruju se korištenjem ručno upravljanih proporcionalnih ventila. Uobičajeno je a ko mobilnih mašina izel -motor, preko mehaničke sprege, pogoni hirauličku pumpu, koja proizvoi pritisak. Direktna mehanička veza postoji između ruke operatora i razvonika ventila preko ručice i spojnih poluga. Klip razvonika mora a se pomjeri iz njegovog neutr alnog položaja a bi ozvolio protok fluiu po visokim pritiskom o cilinara i izazivao kretanje priključka. Svaka ručica može a upravlja s jenim ili va stepena sloboe priključka. Na prim jer, operator koji rai sa zanjim rovokopačem mora a kontroliše više ručica istovremeno u sklau s ostvarivanjem željenog kretanja kašike, što je v ještina koja se stiče s vremenom. Takođe, povratne informacije o silama koje jeluju na rani organ su ograničene, zbog toga što na ručice jeluju promjene pritiska u cilinrima, promjena brzine motora po opteredenjem i vibracije samog vozila. Značajno unapređenje upravljanja hirauličkim uređajima na mobilnim mašinama može a se postigne primjenom nove generacije haptičkih uređaja. Mehatronički sistem upravaljanja rukom bagera je zasnovan na pretvorbi mehaničkog signala koji proizvoi čovjek u elektr ični, te se ra sistema kontroliše električnim signalima.
Slika 3.24. Logički blok ijagram mehatroničkog sistema upravljanja rukom bagera
21
4.
Zaključak
Senzori se anas koriste pri raznim mjerenjima, pri upravljanju raznim mašinama pa tako i ko mobilnih mašina anašnjice. U ovom seminaskom rau su opisani mjerni uređaji i razni senzori koji se koriste u savremenim mobilnim mašinama, senzori u motoru automobila, senzori u hirauličkim sistemima te kako je olakšano upravljanje rukom bagera upotrebom novih tehnologija i senzorike.
22
5.
Literatura
1. http://auto-elektrika.bloger.hr/post/ senzori-na-motoru-ili-engine-managment-sensors /2653922.aspx (24.07.2012) 2. http://bs.wikipedia.org/wiki/Senzor (24.07.2012) 3. Sensors for Automotive Applications. (Sensors Applications Volume 4), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2003 4. Karažid B “Upravljanje hirauličkim sistemima pomodu haptičkog interfejsa”, 2006. 5. http://www.infoelektronika.net/ (01.08.2012) 6. http://autoelektrika.forumotion.com/t131-senzori (01.08.2012) 7. http://www.renaultforumserbia.com/index.php?topic=7521.0 (01.08.2012) 8. prof.r. Nermina Zaimovid-Uzunovid “Mjerna tehnika” , Zenica, 2006
23
