ابزار اندازه گیری و کنترل دانشگاه کردستان دانشکده کشاورزی گروه مهندسی بیوسیستم ابزار اندازه گیری و کنترل Instrumentation and Control فصل پنجم: حسگرهای بکار رفته در مبدل ها مدرس: دکتر کاوه ملازاده

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. 1

حسگرهای مورد استفاده در مبدل ها کريستال های پيزوالکتريک کریستال های پيزومقاومتی ترميستورها موارد دیگر پتانسيومترها ترانسفورمرهای تفاضلی کرنش سنج ها خازن ها 2

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. 3

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 زاویه ای پتانسیومتر خطی 4

مزایا و معایب پتانسیومترها 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. 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. 5

Linear Variable Differential Transformer 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 6

ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی (LVDT) 7

ترانسفورمر تفاضلی متغیر دوار (Rotary Variable Differential Transformer (RVDT)) 8

مزایای استفاده از ترانسفورمرهای تفاضلی متغیر خطی و دوار 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. 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. 9

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. 10

مقاومت مخصوص فلز استفاده شده در ساخت سیم کرنش سنج های مقاومتی (Resistance Strain Gauges) مقاومت مخصوص فلز استفاده شده در ساخت سیم طول سیم مقاومت سیم مساحت سطح مقطع سیم 11

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. 12

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 ورودی پل وتستون Vo Vs ولتاژ خروجی پل وتستون مقاومت کرنش سنج 13

ثابت دی الکتریک ماده بین صفحات (هوا=1) حسگرهای خازنی (Capacitive Sensors) h w l v A ثابت دی الکتریک ماده بین صفحات (هوا=1) ثابت تناسب (برای ابعاد اینچی برابر 0/225 و برای ابعاد میلیمتری برابر 0/00885 است.) مساحت صفحات خازن ظرفیت خازن (PF) فاصله بین صفحات خازن 14

اندازه گیری فاصله با حسگرهای خازنی تغییر فاصله بین صفحات (Δh) چون تغییرات خطی نیست، بنابراین محدودیت وجود دارد. تغییر سطح مشترک چون تغییرات خطی است، بنابراین محدودیت وجود ندارد. 15

کاربرد حسگرهای خازنی در صنعت غذا 16

اندازه گیری رطوبت با حسگرهای خازنی تغییر ضریب دی الکتریک خازن چون تغییرات خطی است، بنابراین محدودیت وجود ندارد. Grain moisture meter 17

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. 18

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. 19

محاسبه حساسیت به ولتاژ یک سنسور پیزوالکتریک بنابراين حساسيت به ولتاژ حسگر عبارت است از: حساسيت ولتاژ تابعی است از موقعیت حسگر (معمولا يک استوانه است) نسبت به محور کريستال پيزوالکتريک. 20

تقویت ولتاژ خروجی حسگر پیزوالکتریک از آنجایی که ولتاژ خروجی حسگرهای پیزوالکتریک ضعیف است، از یک تقویت کننده (آمپلی فایر) جهت افزایش ولتاژ استفاده می گردد. 21

مزایای استفاده از حسگرهای پیزوالکتریک 1. پاسخ بسامدی بالایی دارند. بنابراین برای استفاده در شرایط دینامیکی مناسب می باشند. 2. در درجه حرارت بالا (تا 550 درجه سانتی گراد) نیز خواص بسیار خوب و عالی ارائه می نمایند. 3. از آنجایی که این حسگرها خود تولید ولتاژ می نمایند، بنابراین جزو حسگرهای غیرفعال محسوب می شوند و برای تحریک به جریان الکتریکی خارجی نیاز ندارند. 22

حسگرهای پیزومقاومتی (Piezoresistive Sensors) حسگرهای پیزومقاومتی وقتی تحت فشار قرار مي گيرند، مقاومت الکتریکی آنها تغيير مي کند. توسعه مواد پيزومقاومتی نتيجه فرعی تحقيق روی نيمه هادي ها بود که بوسيله آزمايش های تلفن بل در اوايل سالهای 1950 انجام شد. سرانجام اين تحقيقات منجر به ساخت ترانزيستور شد. 23

ساختار حسگرهای پیزومقاومتی حسگرهای پيزومقاومتی از مواد نيمه هادی (معمولا سيليکون) همراه با بور به عنوان ناخالصی ناچيز برای ماده نوعP و همراه با آرسنيک به عنوان ناخالصی ناچيز برای ماده نوعN ساخته مي شوند. مقاومت ماده نیمه هادی حساسیت شارژ (تحرک پذیری) حامل های بار (وابسته به میزان کرنش و جهت اعمال نیرو نسبت به محور کریستال) بار الکترون (وابسته به نوع ناخالصی) تعداد حامل های بار (وابسته به مقدار تمرکز ناخالصی) 24

مزایای استفاده از حسگرهای پیزومقاومتی 1. پاسخ بسامدی بالایی دارند؛ بنابراین برای استفاده در شرایط دینامیکی مناسب می باشند. 2. به دلیل قابلیت تغییر شکل راحت، این حسگرها را می توان به صورت خیلی کوچک (میکرومینیاتوری) ساخت. 3. از آنجایی که مقاومت عنصر با اعمال فشار تغییر می کند، از این حسگرها برای ساخت فشار سنج ها یا شتاب سنج ها می توان استفاده نمود. 25

Application in dairy industry حسگرهای فتوالکتریک (Photoelectric Sensors) در جاهايی که امکان تماس با قطعه (هدف) وجود ندارد، مي توان با استفاده از حسگر فتوالکتريک تغييرات در شدت نور را به کميتی که مي خواهيم اندازه بگيريم ربط دهيم. در چنين کاربردهايی، فتوالکتريک آشکارساز است و سيستم کامل که شامل آشکارساز (Detector)، تقويت کننده و ترميم کننده سيگنال (Signal conditioner) و تجهيزات مربوط به قرائت است را اغلب راديومتر (Radiometer) می گويند. Detect fallen cans Detect unclear particles Application in dairy industry 26

انواع آشکارساز فتوالکتریک بر اساس سیگنال ورودی به آن 1. گرمایی (Thermal detector): این آشکارسازها از اثر گرمایی تشعشع نور استفاده می کنند؛ یعنی، از انتقال گرما و تغییر دمای به وجود آمده برای حس کردن دما (به کمک حسگرهای دما) استفاده می کنند. از آنجایی که پاسخ زمانی پایینی دارند، عمده کاربرد آن ها در جایی است که شدت نور زیاد و خروجی با گذشت زمان ثابت باشد، مثل شعاع نور لیزر. 2. فوتونی (Photon detector): این آشکارسازها از اثر روشنایی تشعشع نور استفاده می کنند و به علت داشتن حساسیت و سرعت پاسخ بیشتر، به عنوان حسگرهای همه منظوره (General purpose) کاربرد گسترده ای دارند. سه نوع متداول این نوع آشکارساز عبارت است از: لوله های منتشر کننده نور (فتو گسیلنده ها)، سلول های رسانای نوری و دیودهای نوری نیمه رسانا. 27

فتو گسیلنده ها (Photoemissions) فتوگسیلنده ها که به آشکارسازهای لوله خلاء (Vacuum-tube detectors) نیز معروفند، بر اساس انتشار نور عمل می کنند. این آشکارسازها، حاوی یک کاتد نوری (Photocathode) نیمه شفاف و یک آند نصب شده در خلاء است. وقتی برخورد تابشی (فوتون ها) روی ماده ی کاتد نوری تاثیر می کند، الکترون ها از سطح آن ساطع شده و به طرف آند جریان پیدا می کنند. 28

حساسیت یک آشکارساز فتو گسیلنده پاسخ پذیری آشکارساز (وات/ولت) میزان تابش (وات) مساحت سطح مقطع کاتد حساسیت S، در درجه اول به ماده ی منتشر کننده ی نور که روی سطح کاتد قرار داده شده است، بستگی دارد. معمول ترین ماده ی منتشر کننده ی نور SbCs (آنتیمونی-سزیم) است که در محدوده ی وسیع از فرابنفش تا نور مرئی از آن استفاده می شود. 29

سلول های رسانای نور (Photoconductive Cells) سلول های رسانای نور از مواد نیمه هادی مانند سولفید کادمیم (CdS) یا سلنید کادمیم (CdSe)، که پاسخ رسانایی نوری فراوانی دارند، ساخته می شوند. در اثر تابش نور به این سلول ها، مقاومت مواد نیمه هادی صفحه تغییر می کند (به صورت غیرخطی کم می شود). 30

نصب سلول رسانای نور در مدار مقاومت سلول رسانای نور مقاومت بار 31

دیودهای نوری نیمه رسانا (Semiconductor photodiodes) دیودهای نوری نیمه رسانا از سیلیکون (نیم رسانا) و ناخالصی نوع P و N ساخته شده است. بسته به مدار خارجی که دیود در آن قرار می گیرد، ممکن است از آن به عنوان یک وسیله فتوولتائیک (منبع ولتاژ) یا یک رسانای نوری (تغییر مقاومت) استفاده گردد. یادآوری: نیم رسانا یا نیمه هادی، عنصر یا ماده ای است که در حالت عادی عایق باشد، ولی با افزودن مقداری ناخالصی قابلیت هدایت الکتریکی پیدا می نماید. نیم رساناها به دو دسته نوع P یا Positive یا گیرنده الکترون آزاد (که در آن تعداد حفره ها بیشتر است) و نوع N یا Negative یا دارنده الکترون آزاد (که در آن تعداد الکترون ها بیشتر است) تقسیم بندی می شود. 32

استفاده از دیودهای نوری نیمه رسانا جهت ایجاد سلول های خورشیدی 33

استفاده از دیودهای نوری نیمه رسانا جهت اندازه گیری شدت نور در این حالت اتصال P/N در یک مدار بایاس معکوس اعمالی خارجی قرار می گیرد. با تابش نور به سطح حسگر، جریانی جاری خواهد شد که به صورت خطی با شدت نور برخورد شده تغییر می نماید. 34

آشکارسازهای دما مقاومتی (Resistance Temperature Detectors (RTDs)) تغيير مقاومت الکتریکی فلزات در اثر دما زمينه ای را برای خانواده ای از حسگرها، که به آشکارسازهای دما مقاومتی معروفند، فراهم می آورد. این حسگرها به طور ساده از يک هادی ساخته شده که يا به صورت کويل سيم پيچ يا به صورت يک فيلم يا شبکه ی ورقه ای است. 35

تغییر در مقاومت در اثر تغییر دما از T0 به T رابطه بین مقاومت الکتریکی یک آشکارساز دما مقاومتی با تغییر دما ΔR/R0=γ1(T-T0)+γ2(T-T0)2+…+γn(T-T0)n تغییر در مقاومت در اثر تغییر دما از T0 به T مقاومت مرجع در دمای T0 ضریب دمایی مقاومت دمای مرجع فلز پلاتين به طور گسترده ای در ساخت حسگرهای RTD استفاده مي شود زيرا: 1. پايدارترين فلز در بين تمام فلزات است. 2. کمترين حساسيت را به کثيفی دارد. 3. قادر به کار کردن در محدوده دمايی 4 درجه کلوين تا 1064 درجه سانتي گراد است. 36

حساسیت و پاسخ زمانی یک آشکارساز دما مقاومتی حساسيت (S) حسگرهای دمای مقاومتی که با استفاده از پلاتين ساخته مي شود نسبتا بالا است. مثلا برای يک RTD با يک مقاومت 100 اهم در صفر درجه سانتي گراد برابر است با: S=0.390 Ω/ºC به دلیل غیرخطی بودن رابطه بین تغییرات مقاومت الکتریکی آشکارساز با دما (معادله قبل)، حساسیت با تغییر دما تغییر می کند. در دماهای 100، 200، 300، 400 و 500 درجه سانتی گراد، حساسیت به ترتیب به مقادیر 0/378، 0/367، 0/355، 0/344 و 0/332 اهم بر درجه سانتی گراد کاهش می یابد. پاسخ زمانی یک RTD، تقریبا به طور کامل به جزئیات ساخت آن بستگی دارد. برای سیم پیچ های بزرگی که روی میله های سرامیکی سنگین مونتاژ شده اند و در لوله های فولادی غلاف شده اند، پاسخ زمانی ممکن است چندین ثانیه و یا بیشتر باشد. این درحالی است که برای آشکارسازهایی که به صورت فیلم یا ورق نازک نصب شده روی لایه ی پلی آمید هستند، پاسخ زمانی می تواند به کمتر از 0/1 ثانیه برسد. 37

ترمیستورها (Thermistors) ترمیستورها همانند RTDها با تغییر در مقاومت الکتریکی ناشی از تغییر دما، قادر به اندازه گیری دما هستند؛ با این تفاوت که عنصر حس کننده در ترمیستورها، به جای اينکه فلز باشد، از جنس مواد نيمه هادی است. مواد نيمه هادی که شامل اکسيدهای مس، کبالت، منگنز، نيکل و تيتانيم هستند، در مقابل تغيير دما، تغيير مقاومت زيادی از خود نشان مي دهند. 38

مقاومت ویژه ماده مورد نظر رابطه بین مقاومت الکتریکی یک ترمیستور با تغییر دما ln ρ=A0+A1/θ+A2/θ2+…+An/θn مقاومت ویژه ماده مورد نظر ثابت های ماده مورد نظر دمای مطلق در صورتیکه تغییر درجه حرارت زیاد نباشد، معادله فوق را فقط با دو جمله اولش تقریب می زنند: ln ρ=A0+A1/θ مشتق گیری از معادله فوق نشان می دهد که شیب منحنی مقاومت ویژه منفی است. به عبارت دیگر، با افزایش دما، مقاومت ویژه کاهش می یابد. به همین علت است که به ترمیستورها، NTC (Negative temperature coefficient) نیز می گویند. 39

مقایسه مشخصه ی مقاومت-دمای ترمیستورها و RTDها Thermistor NTC (Negative temperature coefficient) RTD PTC (Positive temperature coefficient) 40

مزایا و معایب ترمیستورها 1. مي توانند کوچک باشند (قطر 0/005 اینچ) و لذا در اندازه گيري های نقطه ای کاربرد دارند. 2. پاسخ آن ها نسبت به تغییرات دمایی سریع است. 3. خروجی آنها بيش از 10 برابر خروجی RTD است. 4. به دلیل سفت و محکم بودن، مي توان از آن ها در جاهايی که شوک و ارتعاش وجود دارد، استفاده کرد. معایب 1. رابطه بين خروجی حسگر و دما غیرخطی است. 2. محدوده دمایی عملکردی حسگر محدود است. 41

ترموکوپل ها (Thermocouples) ترموکوپل يک حسگر دمايی است که از دو ماده غير مشابه رسانا یا نیم رسانا تشکيل شده که در تماس الکتريکی و حرارتی همديگر هستند. هنگامی که دما در ناحيه تماس اين دو ماده تغيير مي کند، مقداری پتانسيل توليد مي شود. اين پديده ترموالکتريکی به اثر سيبک (Seebeck effect) معروف است. 42

حساسیت ترکیب مواد A و B (µv/ºC) نحوه اندازه گیری دما در ترموکوپل vo=SA/B (T1-T2) حساسیت ترکیب مواد A و B (µv/ºC) دمای مورد اندازه گیری دمای مرجع 43

مزایا و معایب ترموکوپل ها 1. مي توان آن را کوچک ساخت (با قطر سیم 0/0005 اینچ). لذا در اندازه گيري های نقطه ای کاربرد دارند. 2. پاسخ زمانی در نوع مینیاتوری این حسگرها بالا است. 3. در محدوده دمایی وسیعی می توان از این حسگرها استفاده نمود (180- تا 1800 درجه سانتی گراد). معایب 1. خروجی حسگر غیرخطی است و نیاز به مدار خطی ساز دارد. 2. مشکل نگهداری و کنترل دمای مرجع وجود دارد. 3. سطح سیگنال خروجی پایین است و نیاز به آمپلی فایر جهت تقویت سیگنال دارد. 44