Sborník výukových prací z automatizačních prvků a čidel pro předmět Odborný výcvik

Transkript

1 Registrační číslo projektu Název projektu CZ.1.07/1.1.16/ Automatizace názorně Produkt č.7 Sborník výukových prací z automatizačních prvků a čidel pro předmět Odborný výcvik Kolektiv autorů 2014

2 Obsah 1. Úvod Rozdělení snímaných veličin Rozdělení snímačů podle Vlastnosti a parametry Fyzikální jevy použité u čidel a snímačů na bázi křemíku Fyzikální jevy využívané v senzorice Fotorezistor v soumrakovém spínači Úvod Kusovník součástek Návrh desky plošných spojů Technologický postup zhotovení výrobku Kapacitní senzor Úvod Schéma Seznam součástek Varianta rozložení součástek Deska oboustranného plošného spoje (pro výše navržené rozložení součástek) Dotykový senzor Popis Schéma Seznam součástek Varianta rozložení součástek Deska oboustranného plošného spoje (pro výše navržené rozložení součástek) Termistor senzor regulátoru Úvod Schéma Seznam součástek Varianta rozložení součástek Deska jednostranného plošného spoje (pro výše navržené rozložení součástek) Popis mechanických a montážních prací Oživení Pyroelektrický snímač pohybu Popis Infračervené pohybové čidlo LX 14 v silnoproudém zapojení Str. 2

3 6.3 Zadání Schéma Praktické provedení na panelu DIAMETRAL Závěr Seznam použité literatury: Zpracoval kolektiv autorů SŠ TEGA Blansko Str. 3

4 1. Úvod Čidlo (senzor, detektor, receptor) je převodníkem jedné fyzikální veličiny na jinou fyzikální veličinu. Snímač (senzor + obvod pro zpracování signálu) je to člen pro sběr informací. V praxi existuje mnoho hledisek pro dělení senzorů do skupin a kategorií. Nejčastěji používané odpovídá skutečnosti, kdy senzor považujeme za prvek převádějící vstupní podnět-snímanou nebo měřenou veličinu na výstupní naměřenou veličinu a posílanou k dalšímu zpracování do automatizačního obvodu. 1.1 Rozdělení snímaných veličin Typ veličiny Elektrické Skupina veličin Napětí, proud, odpor, kapacita, indukčnost,... Magnetické Indukce, intenzita, magnetický tok, magnetický odpor,... Mechanické Délka, dráha, rychlost, zrychlení, hmotnost, síla, mechanické napětí, otáčky, výška hladiny,... Optické Zářivá energie, intenzita, jas,... Tepelné Teplo, teplota, tepelný tok, tepelný odpor, tepelná kapacita, Pneu hydraulické tlak, tlaková diference, prùtok,... Akustické hlučnost, akustický tlak, akustický odpor,... Nukleární intenzita záření,... Chemické koncentrace, ph,... Biologické Energetický obsah, teplota, mozková aktivita 1.2 Rozdělení snímačů podle principu funkce aktivní (generátorové) pasivní (parametrické) fyzikálních jevů fyzikálně chemické termoelektrické magnetoelektrické piezoelektrické radiační, vstupní veličiny elektrické, magnetické, mechanické, termické, optické, akustické, hydraulické, jaderné, chemické, biologické,.. styku s měřeným objektem bezdotykové (proximitní) dotykové ( kontakní nitrotělní (invazní tvaru výstupního signálu analogový (spojitý) digitální (číslicový, diskrétní) periodický (kmitočtový) Str. 4

5 1.3 Vlastnosti a parametry Statická charakteristika popisuje chování v ustáleném stavu. Dynamická charakteristika popisuje chování při rychlých změnách měřené veličiny. Linearita je odchylka skutečné charakteristiky od ideální (přímkové). Přesnost vlastnost charakterizující přesnost konverze snímaného signálu. 1.4 Fyzikální jevy použité u čidel a snímačů na bázi křemíku Neelektrický signál Fyzikální jev Realizace mechanický Piezoelektrický jev piezorezistor,... tepelný SEEBECKÙV jev termorezistor, termoelektrický článek zářivý fotoefekt fotorezistor, fotodioda,... magnetický Hallův jev, Gaussův jev magnetorezistor, magnetotranzistor chemický Galvanoelektrický jev ISFET k měření koncentrace 1.5 Fyzikální jevy využívané v senzorice Termoelektrické jevy teplotní závislost odporu polovodiče teplotní závislost PN přechodu v propustném směru teplotní závislost odporu tenkých vrstev pyroelektrický jev termoelektrický jev bolometrický jev Piezoelektrické jevy piezoodporový jev piezoelektrický jev akustickoelektrický jev Magnetoelektrické jevy Hallův jev magnetoodporový jev magnetodiodový jev magnetotranzistorový jev nábojový doménový jev Str. 5

6 Radiační jevy neionizující elektromagnetické záření fotovodivost fotonapěťový jev laterární fotojev obrazové snímání s prvky CCD ( s přenosem el. náboje) Fyzikálně chemické jevy adsorpce vyvolané generací elektrochemického potenciálu sorpce vyvolaná změnou výstupní práce sorpce vyvolaná změnou vlastností dielektrik Mechanické jevy mechanická deformace (tenzometry) vibrační rezonance (akcelerometry) V současné době se již využívají snímače 3. generace, vyvinuté na aktuální technologické úrovni mikroelektroniky. 2. Fotorezistor v soumrakovém spínači 2.1 Úvod Spínač pracuje na principu Schmittova klopného obvodu. Jako světelné čidlo je použit fotorezistor, který je součástí napěťového děliče v bázi tranzistoru T1. Zde je rovněž zařazen integrační člen R2, C1, který zpožďuje o několik sekund překlopení obvodu při náhlé změně osvětlení. Tranzistory T1 a T2 tvoří klopný obvod, který je ovládán změnou napětí na bázi T1. Po setmění se zvětší odpor fotorezistoru LDR, T1 se uzavře a T2 otevře. Zvětšováním úbytku napětí na rezistoru R4, který je společný pro oba tranzistory, se celý proces lavinovitě urychlí, takže zavření T1 je skokové. Skokem se zmenší i napětí na kolektoru T2. Tento pokles otevře T3 a relé v jeho kolektoru sepne. Po rozednění se zmenší odpor LDR, na bázi T1 se zvětší napětí. T1 se otevře, T2 a T3 se zavřou, relé odpadne a odpojí spotřebič od napájecího napětí. Paralelně k cívce relé je zapojena dioda, která omezuje napěťové špičky na T3, které vznikají při zapínání a vypínání indukční zátěže. Člen R6, D1 stabilizuje napětí pro Schmidtův klopný obvod asi na 8V, aby se v případě změny napájecího napětí neposouval okamžik překlopení obvodu. Napájecí napětí obvodu může být v rozsahu asi 11 až 15V. Odběr proudu se pohybuje nejvýše okolo 50 ma. Obr. 2.1 Schéma zapojení soumrakového spínače Str. 6

7 2.2 Kusovník součástek Označení Hodnota Součástka Pouzdro Knihovna C1 470mikroF CPOL-EUE5-6 E5-6 rcl D1 1N4007 1N4007 DO41-10 diode D2 BZX85 BZX85 DO41Z10 diode K1 12V15A RAS1215 RT-N/O12A3.5 relay LDR1 VT93NN2 0207/10 rcl P1 1M R-TRIMM3339P RTRIM3339P rcl R1 3k3 R-EU_0207/ /10 rcl R2 12k R-EU_0207/ /10 rcl R3 2k2 R-EU_0207/ /10 rcl R4 150 R-EU_0207/ /10 rcl R5 3k3 R-EU_0207/ /10 rcl R6 680 R-EU_0207/ /10 rcl R7 1k8 R-EU_0207/ /10 rcl R8 330 R-EU_0207/ /10 rcl T1 BC546B BC546B TO92-EBC transistor-npn T2 BC546B BC546B TO92-EBC transistor-npn T3 BC327 BC327 TO92-EBC transistor-pnp 2.3 Návrh desky plošných spojů Obr. 2.2 DPS pohled ze strany součástek Str. 7

8 2.4 Technologický postup zhotovení výrobku Seznámení se součástkovou základnou - proveďte fyzickou kontrolu součástek. - vyhledejte potřebné informace v katalogu - hodnoty součástek změřte, vypracujte tabulku naměřených hodnot - porovnejte s katalogovými údaji - vypracujte náčrtky pouzder Popis mechanických a montážních prací Vyrobte DPS ve smyslu technologického předpisu pro výrobu DPS - DPS upravte na daný rozměr a vyvrtejte upevňovací otvory - podle zadané technologie vyvrtejte otvory pro vývodovou montáž - laminát očistěte od mechanických otřepů - zvolte technologii kreslení spojů a proveďte kresbu návrhu DPS - proveďte leptání DPS - laminát očistěte a zkontrolujte jednotlivé spoje (celistvost propojovacích cest) - zkontrolujte součástky, změřte jejich hodnoty - DPS osaďte - vhodnou technologií součástky zapájejte - výrobek očistěte od zbytků tavidla - proveďte kontrolu vyrobené DPS Oživení Použité měřící přístroje a přípravky : Metex, osciloskop, zdroj - na svorky PAD1, PAD2 připojte napájecí napětí - změřte proud odporovým děličem P1, R1 a LDR1 - proud v děliči nastavíme tak, aby při neosvětleném čidle LDR1 spínač T3 rozepnul Re K1 - čidlo osvětlete a změřte proud děličem P1,R1 a LDR1. Relé K1 bude sepnuté - případné závady odstraňte Str. 8

9 3. Kapacitní senzor 3.1 Úvod Schéma zapojení kapacitního senzoru je na obr Základem obvodu je tří tranzistorový zesilovač velkou impedancí s T1 až T3. Na vstup zesilovače je přivedeno střídavé napětí, které se indukuje do vodivé desky (snímače) o ploše asi pohlednice, přilepené např. na sklo. Tento signál je zesílen a při dostatečné úrovni sepne relé RE1. Jeho kontakty zajišťují galvanické oddělení obvodu od spínaného spotřebiče. Pro správnou funkci obvodu je ale zapotřebí propojit zem obvodu s fází síťového napětí malým kondenzátorem (asi 470pF, dimenzovaným na síťové napětí). Kapacitní senzor může být zhotoven na dvoustranné desce s plošnými spoji o rozměrech 28 x 46mm. Rozložení součástek na desce s plošnými spoji je na obr. xx, obrazec desky spojů ze strany součástek (TOP) je na obr. xx. a ze strany spojů (BOTTOM) je na obr. xx. Senzor na skle připojíme k obvodu stíněným kablíkem. Pouze si musíme dát pozor při instalaci, neboť k obvodu je připojeno i síťové napětí (byť přes miniaturní kondenzátor). 3.2 Schéma Obr. 3.1 Schéma zapojení kapacitního senzoru 3.3 Seznam součástek Rezistory Kondenzátory Polovodiče Ostatní R1 R3 R2 R4 1MΩ 1MΩ 47kΩ 47kΩ C1 C2 10µF/25V 470pF D1 T1 T2 T3 D2 D3 1N4007 BC548 BC548 BC639 1N4007 1N4007 K1 K2 K3 K4 Re1 PSH02-VERT PSH02-VERT ARK210/2 PIN4-13MM RELE-EMZPA92 Str. 9

10 3.4 Varianta rozložení součástek Obr. 3.2 DPS pohled ze strany součástek 3.5 Deska oboustranného plošného spoje (pro výše navržené rozložení součástek) Obr.3.3 DPS pohled ze strany součástek Obr. 3.4 DPS pohled ze strany spojů Poznámka : Technologický postup zhotovení výrobku a popis mechanických a montážních prací viz. Fotorezistor v soumrakovém spínači. Str. 10

11 4. Dotykový senzor 4.1 Popis Ve výrobním procesu i v běžném životě potřebujeme zaznamenávat průchod součásti, ignalizovat přístup do nějakého prostoru nebo dotyk exponátu apod. Pokud se jedná o díl z kovu (je tudíž vodivý) nebo je vstupní prostor opatřen kovovou dotykovou ploškou, můžeme použít následující jednoduché zapojení. Schéma zapojení dotykového senzoru je na obr. xx. V obvodu jsou použity CMOS IO a rezistory s relativně vysokými hodnotami pro dosažení co nejnižší spotřeby obvodu. Klopný obvod IC1A MOS 4013 je zapojen jako generátor impulzů s délkou přibližně 50µs s opakovacím kmitočtem 20Hz. Výstup Q (vývod 1) je přiveden na gate tranzistoru T1, který vybíjí kondenzátor C1. Současně je výstup z IC1A přiveden na dvojici RC členů, první tvořenou R4/C3 a druhou s P1, R5/C4. Ke kondenzátoru C4 je paralelně připojena přes kondenzátor C5 kovová plocha, jejíž dotyk má být signalizován. Ta tvoří po dotyku další kapacitu, která se přičítá ke kondenzátoru C4. Obvod pracuje tak, že v klidovém stavu je trimr P1 nastaven tak, aby signál na vstupu DATA (vývod 9) IC1B předcházel hodinový impulz na vstupu 11. Pokud se dotykem zvýší kapacita, paralelně připojená k C4, signál na vstupu data se opozdí za hodinami a překlopí se výstup Q IC1B. Tím se otevře tranzistor T2, který sepne napájení připojeného piezoměniče. Ten je spolu s napájením a dotykovým kontaktem vyveden na připojovací konektor K1. Vzhledem k použitým součástkám by se spotřeba měla pohybovat okolo 10µA. Samozřejmě při aktivaci piezoměniče je spotřeba výrazně vyšší. 4.2 Schéma Obr. 4.1 Schéma zapojení dotykového senzoru 4.3 Seznam součástek Rezistory Kondenzátory Polovodiče R1 R2 R3 R4 R5 R6 P1 4,7MΩ 12kΩ 2,2MΩ 470kΩ 330kΩ 10kΩ PT6-H/250kΩ C1 C2 C3 C4 C5 C6 4,7nF 22nF 15pF 12pF 470pF 47µF/10V IC1 T1 T2 Ostatní K1 CD4013 BS170 BS170 PHDR-5 Str. 11

12 4.4 Varianta rozložení součástek Obr. 4.2 DPS - pohled ze strany součástek 4.5 Deska oboustranného plošného spoje (pro výše navržené rozložení součástek) Obr. 4.3 DPS pohled ze strany součástek Obr. 4.4 DPS pohled ze strany spojů Poznámka : Technologický postup zhotovení výrobku a popis mechanických a montážních prací viz. jako u Fotorezistor v soumrakovém spínači. Str. 12

13 5. Termistor senzor regulátoru 5.1 Úvod Termistor je součástka, která mění svůj odpor vlivem změny okolní teploty. Při zvyšování okolní teploty se odpor termistoru zmenšuje a naopak (platí pro termistor použitý v níže uvedeném zapojení). Tohoto jevu se využívá k regulaci teploty přičemž čidlo-termistor je součástí můstku. Zařízení je napájeno přímo ze sítě 230V přes kondenzátor C3, který zde slouží jako předřadný odpor. Za tímto kondenzátorem následuje diodový usměrňovač z diod D5 až D8. Zenerova dioda D4 stabilizuje napětí 24V pro napájení cívky relé RE1 a signalizační diodu LED D3. Přes omezovací rezistor R7 je napájená další Zenerova dioda D1, která stabilizuje napájecí napětí pro regulační můstek a komparátor IO1. Regulační můstek je sestaven z R1, R2, R3, potenciometru P1 a termistoru TM1. Pes snímací rezistory R4, R5 je zapojen komparátor IO1, který vyhodnocuje stav napětí na můstku. Pokud je můstek rozvážený, tak výstup komparátoru je v kladné saturaci, relé je sepnuto a topné těleso je připojeno k síti 230V. Až teplota dosáhne nastavené hodnoty, napětí na můstku se vyrovná a komparátor přejde do záporné saturace a relé odpojí topné těleso. Rezistorem R6 ve zpětné vazbě se nastavuje hystereze komparátoru. Odpor tohoto rezistoru se může pohybovat od 100kΩ do 10MΩ. Čím větší bude odpor, tím bude reakce na změnu teploty rychlejší a regulátor citlivější. Na výstup komparátoru je přes dělič R8, R9 zapojen tranzistor T1, který spíná cívku relé. Dioda D2 zapojená paralelně k cívce chrání tranzistor proti indukčním špičkám, které vznikají na cívce relé. Dioda LED D3 indikuje sepnutí relé. Požadovanou teplotu nastavujeme potenciometrem P Schéma Obr.5.1 Schéma zapojení termistoru v regulačním obvodu Str. 13

14 5.3 Seznam součástek Rezistory Kondenzátory Polovodiče R10 12kΩ R11 22kΩ/N TM1 22kΩ, termistor R1, 4, 5 10kΩ R 2, 3 8,2kΩ R6 4,7MΩ R7 3,3kΩ R8 4,7kΩ R9 1,8kΩ C1 C2 C3 Ostatní RE1 S1 22µF/50V 100µF/25V 220nF/630V S-DC24 svorka trojitá D1 12V/0,5W D2,5,6,7,8 1N4007 D3 LED, 2mA D4 24V/1,3W IO1 741 T1 BC Varianta rozložení součástek Obr. 5.2 DPS - pohled ze strany součástek Str. 14

15 5.5 Deska jednostranného plošného spoje (pro výše navržené rozložení součástek) Obr. 5.3 DPS - pohled ze strany spojů Str. 15

16 5.6 Popis mechanických a montážních prací Desku s plošnými spoji osaďte součástkami podle popisu. Při osazování dávejte pozor na polaritu a pozici osazovaných součástek. Termistor je umístěn mimo desku a je propojen obyčejnou dvoulinkou, např. 2x 0,15mm. Délku propojovací dvoulinky zvolte podle vlastní potřeby. Termistor zalepte z bezpečnostního důvodu do epoxidové pryskyřice, která zajistí kvalitní elektrickou izolaci i v kapalinách. Z bezpečnostních důvodů je také vhodné regulátor vestavět do plastové krabičky, protože celé zařízení je galvanicky spojeno se sítí a hrozí zde nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Hřídel potenciometru také opatřete plastovým ovládacím knoflíkem. 5.7 Oživení Před prvním připojením k síti udělejte ještě nezbytnou kontrolu zapojení, aby se vyloučila chyba zapojení. K oživení obvodu lze jako topné těleso použít obyčejnou žárovku. Termistor umístěte do blízkosti této žárovky a regulátor připojte k síti. Otočením potenciometru najděte okamžik, kdy se žárovka rozsvítí. Za určitý okamžik žárovka zhasne a to znamená, že byla dosažena nastavená teplota. Žárovka se opět rozsvítí, až teplota poklesne pod nastavenou úroveň. Tento cyklus se neustále opakuje a tak se udržuje nastavená teplota. Při nastavování požadované teploty použijte kontrolní teploměr, na němž budete vidět nastavenou teplotu. Při praktickém používání regulátoru je potřeba najít nejvhodnější prostor pro umístění termistoru v ohřívaném prostoru 6. Pyroelektrický snímač pohybu 6.1 Popis Senzor funguje na principu pyroelektrického jevu, kdy se při změnách teploty pyroelektrické materiály deformují. Změna teploty vyvolá deformaci, kdy piezoelektrický jev je příčinou indukce elektrického náboje na povrchu materiálu. Na povrch pyroelektrického materiálu je optickou soustavou promítán obraz okolí. Pokud v okolí nastane tepelná změna, např. projde člověk, je materiál změnou teploty v části povrchu deformován a je možné detekovat indukovaný náboj na jeho povrchu. Využití senzoru PIR pro detekci pohybu se stalo velice populárním v zabezpečovací technice a v aplikacích pro úsporu energie. Přestože je možné využívat i jiné typy senzorů (termistory, termočlánky), jsou senzory založené na pyroelektrickém jevu v těchto odvětvích využívány téměř výhradně pro svou jednoduchost, nízkou cenu, vysokou spolehlivost a velký dynamický rozsah možných měřených tepelných změn. Pro projekci okolí na pyroelektrický materiál se využívá plastové Fresnelovy čočky. Kromě funkce optické soustavy, kdy dokáží rozšířit zorné pole senzoru, lze tyto čočky libovolně tvarovat. Tyto rovněž chrání senzor před vlivy okolí, jako jsou vlhkost a prach. Při využití více senzorů je možné např. u stropních detektorů mít zorné pole plných 360. Zorné pole bývá často Fresnelovými čočkami děleno i v horizontálních úrovních, aby bylo možné lépe rozlišit pohyb osob od zvířat apod. Str. 16

17 6.2 Infračervené pohybové čidlo LX 14 v silnoproudém zapojení Technické parametry: Napájení: 230V-AC, 50Hz I max: 5A Zátěž: žárovka halogen trafo zářivka nekompenzovaná Detekční dosah: 2 12m Detekční úhel: 120 Doba sepnutí: 5s 10min, nastavitelná Instalační výška: 1,5 3m Citlivost: Lux, nastavitelná Nastavovací prvky: SENS dosah TIME doba sepnutrí LUX regulace citlivosti 6.3 Zadání - Prostuduj schéma zapojení - Proveď montáž komponentů na cvičném panelu - Při využití technické dokumentace proveď montáž a zapojení ovládacího obvodu - Na výstup čidla zapoj žárovkové svítidlo. - Za přítomnosti učitele odborného výcviku proveď praktické odzkoušení celého zapojení - Po odzkoušení otestuj všechny funkce a proveď nastavení tak, aby čidlo reagovalo na pohyb ve vzdálenosti 3m a doba sepnutí byla 2min 6.4 Schéma Obr. 6.1 Přehledné schéma Obr. 6.2 Schéma zapojení Str. 17

18 6.5 Praktické provedení na panelu DIAMETRAL Obr. 6.3 Realizace zapojení 7. Závěr Produkt Sborník výukových prací z automatizačních prvků a čidel pro předmět Odborný výcvik je zaměřen na vymezení pojmu a rozdělení senzorů s konkrétními aplikacemi snímačů používaných v automatizační technice. Sborník umožňuje nejen pochopit funkci vlastního snímače, ale i jeho využití v elektrotechnickém obvodu, který si žák může v rámci předmětu odborný výcvik vyrobit. Obsahuje konkrétní zapojení s technickou dokumentací, technologickým postupem nebo doporučeními. Tento metodický materiál je určen pro studijní obory elektrotechnické na úrovni 4letých i 3letých oborů. 8. Seznam použité literatury: [1] Konstrukce, kapacitní snímač [online]. [cit ]. Dostupné z: [2] Regulátor s termistorem [online]. [cit ]. Dostupné z: [3] Čidla a převodníky, V.Lysenko [online]. [cit ]. Dostupné z: [4] Štěpán Berka a kol.- Elektrotechnická schémata a zapojení BEN technická literatura, Praha 2010 [5] Z archívu autorů Str. 18

19 Zpracoval kolektiv autorů SŠ TEGA Blansko Miroslav Opletal František Kitner Str. 19