ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΤΟΧΟΣ ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Συστήματα μέτρησης Συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόχου Συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 1

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΤΟΧΟΣ Εισαγωγή στην έννοια των αισθητήρων για τα συστήματα μέτρησης & ελέγχου και αναφορά στην ορολογία που χρησιμοποιείται, όπως και στα χαρακτηριστικά τους Οι αισθητήρες και τα συστήματα αισθητήρων μπορεί να είναι μηχανικά, ηλεκτρικά ή και τα δύο μαζί. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλούς τομείς, βιομηχανικούς, δημόσιους, στρατιωτικούς και οικιακούς. Εκτελούν εργασίες όπως είναι ο έλεγχος των διαστάσεων ενός αντικειμένου σε μια γραμμή παραγωγής, ο έλεγχος ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής, ο έλεγχος της στάθμης του νερού στο οικιακό πλυντήριο και η απεικόνιση της ταχύτητας ενός αυτοκινήτου. Επειδή η φύση και οι εφαρμογές των αισθητήρων καλύπτουν ένα ευρύ πεδίο, είναι σημαντικό να ορίσουμε τι είναι ένας αισθητήρας και να εισαγάγουμε την ακριβή σημασία της σχετικής ορολογίας Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 2

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΕΝΙΚΑ (i) Ένας αισθητήρας είναι μια συσκευή που ανιχνεύει ένα σήμα ή μια διέγερση και παράγει από αυτό μια μετρήσιμη έξοδο. Το Σχήμα 2.1 εικονίζει μερικά παραδείγματα αισθητήρων. Το θερμίστορ και ο ανιχνευτής μηχανικής τάσης παράγουν μια έξοδο, που είναι η αλλαγή κάποιας ηλεκτρικής αντίστασης.

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΕΝΙΚΑ (ii) Πολλοί αισθητήρες παράγουν ηλεκτρικές εξόδους που δεν σχετίζονται με τη φυσική ποσότητα που μετριέται μέσω της τιμής μίας αντίστασης, αλλά μέσω κάποιας τάσης, ρεύματος ή συχνότητας. Ένα ελατήριο παράγει μια αλλαγή στη θέση και έτσι μια βελόνα (ένας ενδείκτης) μπορεί να μετατοπίζεται κατά μήκος μίας κλίμακας, ανάλογα με το βάρος που έχει αναρτηθεί στο ελατήριο. Ο σωλήνας Venturi μετρά διαφορά δύο πιέσεων και έτσι προσδιορίζει τη ροή ενός υγρού. Οι έξοδοι των αισθητήρων έχουν πολλές και διαφορετικές μορφές. Οι έξοδοι θα πρέπει να είναι σε μορφή κατάλληλη για να παρουσιαστούν από το σύστημα

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σχήμα 2.1 Παραδείγματα αισθητήρων Δρ. Μ. Γούλα, Επ. Καθηγήτρια 5

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΕΝΙΚΑ (iii) Οι όροι αισθητήρας (sensor) και μετατροπέας (transducer) έχουν παρόμοια, αλλά ελαφρά διαφορετική σημασία και συχνά προκαλείται σύγχυση ανάμεσά τους. Ο μετατροπέας είναι οποιαδήποτε συσκευή που μετασχηματίζει μία μορφή ενέργειας σε μία άλλη. Επομένως ένας αισθητήρας είναι (συνήθως) ένας μετατροπέας, αλλά δεν είναι όλοι οι μετατροπείς οπωσδήποτε αισθητήρες. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 6

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΕΝΙΚΑ (iv) Για παράδειγμα, ένας οικιακός λαμπτήρας πυρακτώσεως είναι ένας μετατροπέας, επειδή μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια που δέχεται σε φωτεινή ενέργεια και θερμότητα. Ο σκοπός των λαμπτήρων πυρακτώσεως είναι κανονικά να φωτίζουν ένα χώρο, ένα δωμάτιο, και όχι να παρέχουν ένδειξη ότι υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα. Εντούτοις, εάν ένας τέτοιος λαμπτήρας χρησιμοποιηθεί σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα για να μας δείχνει πότε κάποιο τμήμα του κυκλώματος διαρρέεται από ρεύμα, τότε θα μπορούσε να ονομαστεί αισθητήρας Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 7

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (i) Υπάρχουν πολλές μορφές και ορισμοί των συστημάτων, αλλά για τους σκοπούς του μαθήματος θα θεωρήσουμε ένα βασικό σύστημα αισθητήρα ως κάτι που παράγει μία ποσοτική έξοδο από μία είσοδο διαφορετικής μορφής, με τη βοήθεια κάποιας διαδικασίας Το Σχήμα 2.2 εικονίζει ένα βασικό σύστημα με τη μορφή ενός διαγράμματος ροής. Όπως θα δείτε τα διαγράμματα ροής αποτελούν μια χρήσιμη τεχνική για την περιγραφή όσων συμβαίνουν στα συστήματα μέτρησης Μπορούμε συνήθως να κατατάξουμε τις εφαρμογές των αισθητήρων σε τρεις κατηγορίες συστημάτων. Αυτές είναι τα συστήματα μέτρησης, τα συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόγχου και τα συστήματα ελέγχου κλειστού βρόγχου Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 8

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (ii) Συστήματα μέτρησης Ένα σύστημα μέτρησης εμφανίζει ή καταγράφει μία ποσοτική έξοδο που αντιστοιχεί στη μεταβλητή που μετρά, η οποία αποτελεί την ποσότητα εισόδου. Τα συστήματα μέτρησης δεν αντιδρούν στην τιμή της ποσότητας εισόδου, παρά μόνο την εμφανίζουν με έναν τρόπο που είναι κατανοητός από τον χρήστη Το Σχήμα 2.3 εικονίζει το βασικό διάγραμμα ροής ενός συστήματος μέτρησης Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 9

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (iii) Συστήματα μέτρησης Ως παράδειγμα ενός απλού συστήματος μέτρησης, θεωρήστε ένα θερμόμετρο υδραργύρου, το οποίο χρησιμοποιείται στο ύπαιθρο για να εμφανίζει τη θερμοκρασία του αέρα σε έναν π.χ. κηπουρό Η είσοδος αυτού του συστήματος μέτρησης θερμοκρασίας είναι η θερμότητα που μεταφέρεται από τον αέρα στο θερμόμετρο και η ποσοτική έξοδος είναι η ένδειξη του θερμομέτρου, για παράδειγμα σε βαθμούς Κελσίου, επάνω στην κλίμακα του θερμομέτρου, την οποία μπορεί να διαβάζει ο κηπουρός. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 10

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (iv) Συστήματα μέτρησης Η διαδικασία της μέτρησης είναι η μετατροπή της θερμότητας από τον αέρα στην ένδειξη της θερμοκρασίας στην κλίμακα του θερμομέτρου. Αυτό είναι ένα απλό σύστημα μέτρησης επειδή το θερμόμετρο δεν ελέγχει με κανένα τρόπο την εξωτερική θερμοκρασία που μετρά. Η διαδικασία της μέτρησης μπορεί συνήθως να διακριθεί σε επιμέρους στάδια, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.4. Τα παράδειγμα του θερμομέτρου αποτελεί μία πολύ απλή διαδικασία μέτρησης. Σε αυτό οι λειτουργίες ανίχνευσης, ρύθμισης σήματος και εμφάνισης ενσω- ματώνονται όλες στο θερμόμετρο και εκ φύσεως αποτελούν αναπόσπαστο μέρος του οργάνου. Η ρύθμιση του σήματος στην ουσία είναι η μετατροπή της θερμότητας του αέρα στην κίνηση της στήλης υδραργύρου. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 11

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σχήμα 2.4 Λειτουργικά στοιχεία ενός συστήματος μέτρησης Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 12

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (v) Συστήματα μέτρησης Στο Σχήμα 2.4 ο αισθητήρας μετατρέπει τη φυσική ποσότητα που μετριέται σε ένα σήμα που μπορεί, μετά από τροποποίηση, να εμφανιστεί στο χρήστη σε κατανοητή μορφή. Η μονάδα ρύθμισης του σήματος τροποποιεί το σήμα που δημιουργεί ο αισθητήρας σε ένα σήμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τη μονάδα εμφάνισης ή καταγραφής. Εάν αυτό είναι π.χ. μια ηλεκτρική τάση, τότε αυτή θα πρέπει ίσως να ενισχυθεί και εάν αυτό είναι μια μηχανική κίνηση, τότε αυτή θα πρέπει ίσως να μετατραπεί σε μια μεγαλύτερη ή διαφορετική κίνηση. Μπορεί ακόμα να είναι μία σειρά παλμών φωτός, η οποία θα πρέπει να μετατραπεί σε μία σειρά ηλεκτρικών παλμών. Μετά την τροποποίηση, το σήμα εμφανίζεται στο χρήστη ή αποθηκεύεται για μεταγενέστερη χρήση από μία μονάδα καταγραφής. Υπάρχουν πολλά είδη μονάδων εμφάνισης και καταγραφής που δείχνουν την ποσότητα που μετριέται & αρκετές μέθοδοι που εμφανίζουν αυτή τη ποσότητα Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 13

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (vi) Συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόχου Τα συστήματα ελέγχου ανοικτού και κλειστού βρόγχου έχουν σκοπό τη διατήρηση μιας μεταβλητής σε κάποια προκαθορισμένη τιμή. Τα συστήματα ελέγχου περιλαμβάνουν συστήματα μέτρησης, αλλά σε αντίθεση με ένα σύστημα μέτρησης, η έξοδος ενός συστήματος ελέγχου ρυθμίζει κάποια παράμετρο, η τιμή της οποίας δεν εμφανίζεται οπωσδήποτε στο χρήστη. Το Σχήμα 2.5 εικονίζει το διάγραμμα ροής ενός συστήματος ελέγχου ανοικτού βρόγχου. Η βάση ενός τέτοιου συστήματος είναι ότι αυτό ελέγχεται από ένα σήμα που έχει προκαθορισμένη τιμή. Αυτή η προκαθορισμένη τιμή θεωρεί ότι ο απαιτούμενος έλεγχος μπορεί να πραγματοποιείται χωρίς να μετριέται η επίδραση της εξόδου του συστήματος στην παράμετρο που πρέπει να ελέγχεται. Η προκαθορισμένη τιμή δεν θα αλλάξει, ακόμα και αν άλλοι παράγοντες αλλάξουν, και επομένως καταστήσουν την έξοδο του συστήματος ανακριβή. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 14

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (vii) Συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόχου Θεωρήστε ένα σύστημα ανοικτού βρόγχου, το οποίο ανάβει και σβήνει τους λαμπτήρες του δημοτικού φωτισμού σε ένα δρόμο. Ο έλεγχος που απαιτείται είναι, όταν πέφτει το σκοτάδι να ανάβουν τα φώτα και όταν ξημερώνει να σβήνουν. Το σήμα ελέγχου μπορεί να προκαθοριστεί και οι λαμπτήρες να ανάβουν και να σβήνουν κάθε μέρα σε προκαθορισμένες ώρες, με τη βοήθεια ενός συστήματος χρονομέτρησης. Το σύστημα αυτό πιθανόν θα εργάζεται ικανοποιητικά για μερικές εβδομάδες. Εντούτοις, επειδή οι ώρες της ανατολής και δύσης αλλάζουν από εποχή σε εποχή, το προκαθορισμένο σήμα θα καταστεί σύντομα ανακριβές και τα φώτα να ανάβουν και σβήνουν είτε πολύ νωρίς είτε πολύ αργά. Το Σχήμα 2.6 εικονίζει αυτό το σύστημα ανοικτού βρόγχου με τη βοήθεια του διαγράμματος ροής που τα περιγράφει. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 15

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σχήμα 2.5 Σύστημα ελέγχου ανοικτού βρόγχου Σχήμα 2.6 Σύστημα δημοτικού φωτισμού βασισμένο σε χρονομέτρου Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 16

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (vii) Συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόχου Στο σύστημα ανοικτού βρόγχου δεν υπάρχει είσοδος η οποία να ανιχνεύει τι συμβαίνει πραγματικά στη παράμετρο που επηρεάζει το σύστημα, δηλαδή οι λάμπες του δημοτικού φωτισμού δεν γνωρίζουν εάν επικρατεί φως ή σκότος. Στα συστήματα αυτά κάποιος εξωτερικός παρατηρητής πρέπει να παρατηρήσει πότε επικρατεί φως και πότε σκότος και να ρυθμίσει κατάλληλα το χρονο- μετρητή, ώστε αυτός να αναβοσβήνει τα φώτα ανάλογα Αυτές οι προκαθορισμένες χρονικές στιγμές θα πρέπει να μεταβάλλονται καθώς οι ώρες ανατολής και δύσης μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια του έτους. Επομένως απαιτείται συχνή επέμβαση από τον εξωτερικό παρατηρητή επειδή όσο αραιότερα γίνεται η επέμβαση τόσο χειρότερη απόδοση θα έχει το σύστημα. Επιπρόσθετα, το σύστημα δε θα λάβει υπόψη του οποιαδήποτε απρόβλεπτη ή απροσδόκητη συμπεριφορά. Για παράδειγμα κάποια απογεύματα μπορεί να είναι μελαγχολικά & συννεφιασμένα, και έτσι θα έπρεπε τότε τα φώτα να ανάβουν νωρίτερα Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 17

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (viii) Συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόχου Τα συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόγχου είναι γενικά απλά στη σχεδίαση και οικονομικά στην κατασκευή. Εντούτοις, μπορούν να είναι μη αποδοτικά και να απαιτούν τη συχνή παρέμβαση του χειριστή. Κάτω από διάφορες συνθήκες οι προκαθορισμένες τιμές αποδεικνύονται ανεπαρκείς επειδή η παράμετρος που ελέγχουν κατά κάποιο τρόπο αλλάζει, και τότε πρέπει να ρυθμίζονται εκ νέου. Η προκαθορισμένη τιμή απαιτεί υψηλό επίπεδο ικανότητας και κρίσης για να έχει κάθε φορά την ενδεδειγμένη τιμή Στις περιπτώσεις όπου οι συνέπειες από τον μη σωστό έλεγχο της παραμέτρου είναι σημαντικές, όπως η στάθμη ενός τοξικού υγρού σε μία δεξαμενή, τα συστήματα ανοικτού βρόγχου θα πρέπει να αποφεύγονται Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 18

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (ix) Συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου Σε ένα σύστημα ελέγχου κλειστού βρόγχου η κατάσταση της εξόδου επηρεάζει άμεσα την κατάσταση της εισόδου. Ένα τέτοιο σύστημα μετρά την τιμή της ελεγχόμενης παραμέτρου στην έξοδο του συστήματος και τη συγκρίνει με την επιθυμητή τιμή. Σε ένα σύστημα ελέγχου κλειστού βρόγχου η πραγματική τιμή της παραμέτρου που ελέγχεται συγκρίνεται με την επιθυμητή τιμή. Η διαφορά αυτών των τιμών ονομάζεται σφάλμα (error) Αναφερόμενοι στο Σχήμα 2.7 που εικονίζει το διάγραμμα ροής ενός συστήματος κλειστού βρόγχου, η επιθυμητή τιμή ονομάζεται σήμα αναφοράς ή σημείο έναρξης. Αυτή συγκρίνεται με το σήμα από τη συσκευή μέτρησης, που ονομάζεται σήμα ανάδρασης. Η διαφορά ανάμεσα στο σήμα ανάδρασης και το σήμα αναφοράς είναι γνωστή ως σήμα σφάλματος Το σήμα σφάλματος στη συνέχεια τροποποιείται έτσι ώστε να ρυθμίζεται η απόδοση του συστήματος. Για παράδειγμα, εάν το σήμα σφάλματος είναι ένα ηλεκτρικό σήμα, μπορεί να χρειάζεται ενίσχυση. Το τροποποιημένο σήμα σφάλματος ονομάζεται σήμα ελέγχου Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 19

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σχήμα 2.7 Σύστημα ελέγχου κλειστού βρόγχου Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 20

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (x) Συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου ΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ- Θεωρείστε μία δεξαμενή σε ένα χημικό εργοστάσιο που περιέχει ένα ισχυρά τοξικό υγρό, όπως εικονίζεται στο Σχήμα 2.8 Η δεξαμενή γεμίζεται με το υγρό με τη βοήθεια μιας αντλίας. Όταν το υγρό πρέπει να χρησιμοποιηθεί για περαιτέρω χημική επεξεργασία, τότε ένα άλλο σύστημα ανοίγει μια βαλβίδα εκκένωσης και λαμβάνει την ποσότητα υγρού που απαιτείται, ελαττώνοντας τη στάθμη του υγρού στη δεξαμενή. Δεν θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα σύστημα ανοικτού βρόχου, επειδή οι συνέπειες που θα προκύψουν εάν η τιμή που προκαθορίσουμε αποδειχθεί εσφαλμένη θα είναι σοβαρές. Η δεξαμενή μπορεί να υπερχειλίσει και το τοξικό υγρό να πλημμυρίσει τους γύρω χώρους ή να αδειάσει, οπότε να εμποδίσει τη συνέχεια της χημικής διαδικασίας. Για να λειτουργήσει το εργοστάσιο με αξιοπιστία θα πρέπει να είναι η δεξαμενή διαρκώς γεμάτη στο βέλτιστο επίπεδο. Άρα θα χρειάζεται ένας αισθητήρας στάθμης ώστε να ανιχνεύεται κάθε στιγμή η στάθμη του υγρού και να παράγεται μία ηλεκτρική έξοδος Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 21

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σχήμα 2.8 Έλεγχος της στάθμης του υγρού μιας δεξαμενής Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 22

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (x) Συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου Το Σχήμα 2.9 εικονίζει το διάγραμμα ροής ενός συστήματος ελέγχου κλειστού βρόχου που να ταιριάζει στην παραπάνω διαδικασία. Η έξοδος από τον αισθητήρα στάθμης υγρού, το σήμα ανάδρασης θα πρέπει να συγκριθεί με το σήμα που αντιπροσωπεύει την ιδανική στάθμη του υγρού. Έτσι παράγεται το σήμα σφάλματος. Το σήμα σφάλματος ενισχύεται από τον ελεγκτή και γίνεται σήμα ελέγχου. Το σήμα ελέγχου οδηγεί τον κινητήρα της αντλίας και έτσι καθορίζει το ρυθμό ροής του υγρού από την αντλία προς την δεξαμενή, που προκαλεί πλήρωσή της. Όταν το σήμα σφάλματος είναι μηδέν, τότε η στάθμη του υγρού πρέπει να εγγίσει την ιδανική στάθμη, οπότε το σήμα ελέγχου γίνεται επίσης μηδέν και η αντλία σταματά. Με αυτόν τον τρόπο η πληροφορία που περιέχεται στο ηλεκτρικό σήμα που σχετίζεται με τη στάθμη του υγρού, είτε αυτή είναι σταθερή είτε μεταβλητή, ελέγχει τη ροή που παρέχει η αντλία και διατηρεί τη στάθμη του υγρού σταθερή, ανεξάρτητα από τις πιθανόν μεταβλητές συνθήκες εκκένωσης. Τα συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου ρυθμίζονται από μόνα τους και επομένως είναι λιγότερο επιρρεπή σε σφάλματα από τα συστήματα ανοικτού βρόχου. Είναι γενικά πιο αποδοτικά, απαιτούν λιγότερη εξωτερική παρέμβαση από κάποιο χειριστή. Εντούτοις το κόστος εγκατάστασης μπορεί να είναι υψηλό και είναι εν γένει πολύπλοκο. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 23

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σχήμα 2.9 Διάγραμμα ροής ενός συστήματος ελέγχου κλειστού βρόγχου για τον έλεγχο της στάθμης του υγρού μίας δεξαμενής Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 24

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (i) Μερικοί από τους όρους που χρησιμοποιούνται στα συστήματα μέτρησης και ελέγχου με αισθητήρες μπορεί να σας φαίνονται απρόσιτοι. Κάποιοι από τους ορισμούς μπορεί να έχουν διαφορετικές σημασίες σε άλλα πεδία και για να χρησιμοποιήσετε αποδοτικά το παρόν βιβλίο θα πρέπει να κατανοήσετε τα βασικά στοιχεία της ορολογίας που υιοθετείται στους αισθητήρες. Οι περισσότεροι από τους όρους που χρησιμοποιούνται επεξηγούνται στο βιβλίο καθώς τους συναντούμε, όπως για παράδειγμα ο όρος σύστημα κλειστού βρόχου. Εντούτοις πρέπει να ορίσουμε στο σημείο αυτό μερικές έννοιες προτού συνεχίσουμε στα επόμενα κεφάλαια. Μερικά τμήματα του βιβλίου επίσης προαπαιτούν μερικές βασικές γνώσεις της θεωρίας των συνεχών και εναλ- λασσόμενων ρευμάτων. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 25

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (ii) Απόλυτες μετρήσεις Η απόλυτη μέτρηση χρησιμοποιεί κλίμακες μέτρησης που βασίζονται στις βασικές μονάδες ενός συστήματος. Σχετίζεται με την κατάσταση, στην οποία ένα σύστημα δεν περιέχει καμία από τις μεταβλητές που μετρούνται. Η έννοια αυτή ευρίσκεται σε αντίθεση με την έννοια των αυθαίρετων κλιμάκων στις οποίες οι τιμές αναφέρονται σε μία προκαθορισμένη αριθμητική τιμή Ρυθμισμένο σήμα Ένα ρυθμισμένο σήμα είναι η έξοδος ενός αισθητήρα, η οποία έχει υποστεί κατάλληλη τροποποίηση ώστε να μπορεί να γίνει κατανοητή από μία συσκευή απεικόνισης ή καταγραφής, μία συσκευή ελέγχου ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή Έλεγχος Αναφορικά με τα συστήματα μέτρησης έλεγχος είναι ο χειρισμός ή η λειτουργία ενός συστήματος ή μίας συσκευής Ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) Ηλεκτρεγερτική δύναμη ονομάζεται η πηγή ενέργειας που προκαλεί τη ροή ρεύματος σε μια ηλεκτρική συσκευή ή σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Αποτελεί το ρυθμό με τον οποίο λαμβάνεται η ενέργεια από αυτή τη συσκευή όταν ρέει ρεύμα (μετριέται σε volt) Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 26

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (iii) Ρευστό Εξ ορισμού ένα ρευστό είναι οποιαδήποτε ουσία μπορεί να ρέει. Ρευστά είναι συνήθως τα αέρια και τα υγρά, αλλά και κάποιες κατηγορίες στερεών υλικών, όπως είναι η άμμος ή η κόνις (σκόνη). Δεν έχουν συγκεκριμένο σχήμα και εμφανίζουν μικρή αντίσταση στη μηχανική τάση. Ροή Η έννοια της ροής αναφέρεται στην ισχύ ενός μαγνητικού πεδίου σε κάποια δεδομένη περιοχή του χώρου Ολοκληρωμένο κύκλωμα Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα είναι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που κατασκευάζεται επάνω σε ένα δισκίδιο κάποιου ημιαγωγού υλικού, το οποίο δε μπορεί να διαχωριστεί σε επιμέρους τμήματα Διασύνδεση Η σύνδεση δύο ηλεκτρονικών συσκευών με τη σχεδίαση ή προσαρμογή των εισόδων και εξόδων τους, ώστε να συνεργάζονται, ονομάζεται διασύνδεση (interfacing) Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 27

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (iv) Τοπική ένδειξη Όταν ένας αισθητήρας παρέχει ένδειξη κοντά στο σημείο μέτρησης τότε λέμε ότι λαμβάνουμε μία τοπική ένδειξη (local reading) της εξόδου του αισθητήρα Μετρούμενη ποσότητα Μετρούμενη ποσότητα (measurand) ονομάζεται η είσοδος του συστήματος μέτρησης, δηλαδή η ποσότητα ή παράμετρος που πρόκειται να μετρηθεί Ηλεκτρικός θόρυβος Ηλεκτρικός θόρυβος ονομάζεται η παρουσία ανεπιθύμητων ηλεκτρικών σημάτων. Αυτά μπορούν να αποκρύψουν ή να αλλοιώσουν το σήμα το οποίο μεταφέρει χρήσιμη πληροφορία, όπως είναι η έξοδος ενός αισθητήρα ή το σήμα σφάλματος Παράμετρος Παράμετρος ονομάζεται μία μεταβλητή ποσότητα με καθορισμένο σήμα Ακροδέκτης μέτρησης Ακροδέκτης μέτρησης (probe) ονομάζεται η συσκευή, η οποία ενώνει έναν αισθητήρα ή οθόνη εμφάνισης με τη μετρούμενη ποσότητα ή ένα ηλεκτρικό κύκλωμα Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 28

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (iv) Ένδειξη από απόσταση Όταν η ένδειξη ενός αισθητήρα μπορεί να αναγνωσθεί από απόσταση, δηλαδή όταν το σημείο ανάγνωσης είναι μακριά από το σημείο μέτρησης, τότε λέμε ότι η ένδειξη που παρέχεται είναι από απόσταση (remote reading) Ημιαγωγός Οι ημιαγωγοί είναι υλικά τα οποία από την πλευρά των ηλεκτρικών ιδιοτήτων ευρίσκονται ανάμεσα στα μέταλλα και τους μονωτές. Τα σύγχρονα ολοκληρωμένα κυκλώματα & υπολογιστές στηρίζονται σε συσκευές που έχουν ως βάση ημιαγωγούς Μονάδες Διεθνούς Συστήματος Οι μονάδες Διεθνούς Συστήματος είναι οι θεμελιώδεις μονάδες μετρήσεων, που χρησιμοποιούνται παγκόσμια μετά από διεθνή συμφωνία για να διασφαλίζεται η επιστημονική και τεχνική συμβατότητα Προδιαγραφές Οι προδιαγραφές (specifications) μίας συσκευής είναι η τεχνική περιγραφή των χαρακτηριστικών, της κατασκευής και της απόδοσής της, καθώς και κάθε άλλης σχετικής πληροφορίας Μεταβλητή Στο πεδίο των αισθητήρων & των συστημάτων μέτρησης ως μεταβλητή (variable) μπορεί να θεωρηθεί οτιδήποτε, συνήθως μια φυσική ή μια μετρούμενη ποσότητα που μπορεί να λάβει διαφορετικές τιμές 29

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (i) Η επιλογή κάποιου αισθητήρα για ένα σύστημα μέτρησης ή ελέγχου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως είναι το κόστος, η διαθεσιμότητα και οι περιβαλλοντικοί παράγοντες. Όταν επιλέγουμε έναν αισθητήρα είναι σημαντικό να προσαρμόζονται τα χαρακτηριστικά του στην ποιότητα της εξόδου που απαιτούμε να λαμβάνουμε. Υπάρχουν, για παράδειγμα, πολλά είδη αισθητήρων που μπορούν να μετρούν τη θερμοκρασία, αλλά δεν είναι όλα κατάλληλα για να δείχνουν τη θερμοκρασία του αέρα. Μερικά είδη δεν θα μπορούν να μετρήσουν το εύρος των θερμοκρασιών του αέρα, άλλα θα ήταν πολύ ακριβά και άλλα απαιτούν επιπρόσθετη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα χαρακτηριστικά που ακολουθούν μπορούν να εφαρμόζονται στο όλο σύστημα μέτρησης & σε όλα τα επιμέρους τμήματα ενός συστήματος μέτρησης περιλαμβάνοντας τον αισθητήρα, τη μονάδα ρύθμισης του σήματος και τη συσκευή εμφάνισης ή καταγραφής. Υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι για να τα εκφράζουμε, αλλά συνήθως αναφέρονται ως ποσοστό ή ως μέγιστη ή ελάχιστη τιμή, ανάλογα με τη μορφή τους συστήματος, τη μετρούμενη ποσότητα & την επιθυμία του κατασκευαστή Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 30

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (ii) Ακρίβεια Η ακρίβεια (accuracy) μίας συσκευής ή ενός συστήματος είναι ο βαθμός στον οποίο η τιμή την οποία δημιουργεί μπορεί να είναι εσφαλμένη, ή αλλιώς το μέγιστο σφάλμα που μπορεί να παράγει. Στην περίπτωση του αισθητήρα είναι η εγγύτητα της τιμής εξόδου προς τη μετρούμενη τιμή. Η ακρίβεια σχετίζεται με το μέγιστο σφάλμα που μπορεί να εμφανίσει ο αισθητήρας κατά την μέτρηση. Η ακρίβεια εκφράζεται (α) Ως προς τις μονάδες της μετρούμενης ποσότητας Για παράδειγμα για ένα θερμόμετρο με ακρίβεια + 0.5 οC σημαίνει ότι αν η μέτρηση είναι 20 οC τότε η πραγματική τιμή της θερμοκρασίας είναι μεταξύ 19.5 και 20.5 οC (β) Ως εκατοστιαίο (%) σφάλμα ως προς την τιμή της μέτρησης Για παράδειγμα, για ένα θερμόμετρο με ακρίβεια +5% σημαίνει ότι αν η μέτρηση είναι 20 οC τότε η πραγματική τιμή της θερμοκρασίας είναι μεταξύ 19 οC και 21 οC (γ) Ως εκατοστιαίο (%) σφάλμα ως προς το εύρος πλήρους κλίμακας Για παράδειγμα, για ένα θερμόμετρο με εύρος πλήρους κλίμακας 0-50 οC και ακρίβεια + 5% σημαίνει ότι αν η μέτρηση είναι 20 οC, τότε η πραγματική τιμή της θερμοκρασίας είναι μεταξύ 17.5 οC και 22.5 οC Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 31

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (iii) Βαθμονόμηση Η έννοια της βαθμονόμησης (calibration) μιας συσκευής αναφέρεται στις μονάδες στις οποίες βαθμολογείται η κλίμακα εμφάνισης ή καταγραφής ενός οργάνου. Βαθμονόμηση είναι η διαδικασία καθορισμού της συνάρτησης μεταφοράς ενός αισθητήρα ή γενικότερα ενός συστήματος μέτρησης. Η γνώση της συνάρτησης μεταφοράς του αισθητήρα είναι απαραίτητη κατά τη διαδικασία των μετρήσεων έτσι ώστε μετρώντας την τιμή του ηλεκτρικού σήματος εξόδου που παράγει ο αισθητήρας να υπολογίζεται, μέσω της συνάρτησης μεταφοράς, η αντίστοιχη τιμή του μετρούμενου μεγέθους. Κατά τη διαδικασία βαθμονόμησης εφαρμόζονται γνωστές τιμές του μετρούμενου φυσικού μεγέθους στον αισθητήρα και μετρώνται οι αντίστοιχες τιμές του ηλεκτρικού σήματος εξόδου. Η ακρίβεια με την οποία έχει καθοριστεί η συνάρτηση μεταφοράς του αισθητήρα επηρεάζει σημαντικά την ακρίβεια των μετρήσεων που λαμβάνονται κατά τη χρήση του αισθητήρα σε ένα σύστημα μέτρησης. Για παράδειγμα, ένα είδος αισθητήρα που μετρά την ταχύτητα ενός οχήματος παράγει μια ηλεκτρική έξοδο. Το μέγεθος της τάσης είναι ανάλογο της ταχύτητας του οχήματος. Ο δείκτης του ταχυμέτρου κινείται ανάλογα με την τάση που εφαρμόζεται σε αυτόν, αλλά η θέση του χαρακτηρίζεται από κάποια τιμή ταχύτητας και όχι κάποια τιμή τάσης. Άρα λέμε ότι το ταχύμετρο βαθμολογείται ως προς την ταχύτητα. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 32

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (iv) Νεκρή ζώνη Όταν οι προδιαγραφές αναφέρονται σε νεκρή ζώνη (dead-zone, dead-band) αυτή δηλώνει το μέγιστο ποσό αλλαγής της μετρούμενης ποσότητας που δεν προκαλεί αλλαγή στην έξοδο ή αλλιώς το εύρος τιμών εισόδου που δεν προκαλεί εμφάνιση κάποιας εξόδου. Δεν είναι απαραίτητο να υπάρχει νεκρή ζώνη καθ’ όλο το εύρος ενός οργάνου και συχνά οι υπολογίσιμες νεκρές ζώνες εμφανίζονται κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Ένα κοινό παράδειγμα είναι νεκρής ζώνης υπάρχει στο διακόπτη ρύθμισης της έντασης ενός οικιακού φωτιστικού σώματος. Συχνά, όταν ο διακόπτης μεταφέρεται στην τιμή μηδέν και στη συνέχεια στραφεί για να ξεκινήσει ο φωτισμός, δεν υπάρχει άμεση απόκριση, δηλαδή η λάμπα δεν φωτίζει αμέσως Στην περίπτωση αυτή η νεκρή ζώνη εκτείνεται από το σημείο μηδέν έως το σημείο όπου η λάμπα φωτίζει για πρώτη φορά Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 33

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (v) Διαστάσεις Οι διαστάσεις ενός συστήματος μέτρησης είναι το μέτρο του φυσικού του μεγέθους & αναγράφονται σχεδόν πάντοτε στις προδιαγραφές αισθητήρα ή Ολίσθηση Ολίσθηση (drift) ονομάζεται η φυσική τάση μιας συσκευής ή συστήματος να μεταβάλλει τα χαρακτηριστικά του με το χρόνο λόγω περιβαλλοντικών μεταβολών. Εμφανίζεται τότε μεταβολή στην έξοδο που παρέχει το σύστημα, ενώ η είσοδος παραμένει αμετάβλητη και έτσι επηρεάζεται η ακρίβεια. Η ολίσθηση λαμβάνει χώρα σε διάφορες χρονικές κλίμακες και για διάφορους λόγους. Ένα από τα πιο συνηθισμένα αλλά και σημαντικά αίτια ολίσθησης είναι η αλλαγή της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. Για το λόγο αυτό στις προδιαγραφές των αισθητήρων αναφέρεται η επίδραση της θερμοκρασίας στα διάφορα χαρακτηριστικά της συσκευής. Σε μια παλαιότερη συσκευή μπορεί να εμφανιστεί επιπρόσθετη ολίσθηση λόγω γήρανσης των υλικών κατασκευής, όπως είναι η οξείδωση κάποιων μεταλλικών μερών της. Ολίσθηση μπορεί επίσης να προκληθεί από μηχανική διάβρωση ή ιδιοθέρμανση κάποιων τμημάτων της συσκευής Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 34

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (vi) Σφάλμα Το σφάλμα ισούται με τη διαφορά ανάμεσα στη μετρούμενη & την πραγματική τιμή μιας ποσότητας. Για παράδειγμα, ένας χάρακας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του πλάτους της σελίδας ενός βιβλίου και αυτό βρίσκεται ίσο, π.χ. με 210.5 mm. Εντούτοις, το πραγματικό μέγεθος της σελίδας είναι 209.9 mm και επομένως η μέτρηση έχει σφάλμα ίσο με 210.5mm-209.9mm=0.6mm. Τα σφάλματα μπορούν συχνά να εκφράζονται επί τοις εκατό, οπότε τότε αντιπροσωπεύουν την ακρίβεια του συστήματος Υστέρηση Η υστέρηση προκαλεί διαφορές στην έξοδο που δίνει ένας αισθητήρας, όταν η κατεύθυνση μεταβολής της εισόδου αντιστραφεί. Με τον τρόπο αυτό παράγεται σφάλμα και επηρεάζεται η ακρίβεια της συσκευής. Στο Σχήμα 2.11 παρουσιάζει την επίδραση της υστέρησης με τη βοήθεια μιας γραφικής παράστασης. Η είσοδος του αισθητήρα, δηλαδή η μετρούμενη ποσότητα, αυξάνει με σταθερό βήμα. Όταν φτάσει τη μέγιστη δυνατή τιμή, μειώνεται με το ίδιο σταθερό βήμα έως ότου λάβει ξανά την τιμή μηδέν. Η γραφική παράσταση δείχνει τη διαφορά που υπάρχει στην έξοδο του αισθητήρα όταν η μετρούμενη ποσότητα αυξάνει ή μειώνεται. Αυτό το γεγονός ονομάζεται υστέρηση του συστήματος, ενώ η κλειστή διαδρομή της χαρακτηριστικής ονομάζεται βρόγχος υστέρησης και το εμβαδόν του αποτελεί χαρακτηριστικό του αισθητήρα Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 35

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σχήμα 2.11 Γραφική παράσταση του φαινομένου της υστέρησης Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 36

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (vii) Καθυστέρηση Καθυστέρηση (lag) ονομάζεται η καθυστέρηση της αλλαγής της τιμής εξόδου ενός αισθητήρα ως προς την αλλαγή της εισόδου του. Μετριέται σε δευτερόλεπτα (ή συνηθέστερα σε κλάσματα του δευτερολέπτου). Σε μερικές εφαρμογές όπως είναι ο έλεγχος, η καθυστέρηση μπορεί να επηρεάζει αποφασιστικά την απόδοση Γραμμικότητα Η γραμμικότητα (linearity) αποτελεί το βαθμό, στον οποίο η γραφική παράσταση της εξόδου ως προς την είσοδο του αισθητήρα προσεγγίζει μία ευθεία γραμμή. Ένας αισθητήρας χαρακτηρίζεται ως γραμμικός, όταν η συνάρτηση μεταφοράς του είναι της μορφής Vo= a Χi + b (γραμμική εξίσωση), όπου Χi είναι το φυσικό μέγεθος που μετριέται και a, b σταθερές. Η γραμμικότητα είναι επιθυμητό χαρακτηριστικό για κάθε αισθητήρα, καθώς επιτρέπει τον ακριβή και χωρίς σημαντική υπολογιστική πολυπλοκότητα υπολογισμό της τιμής του μετρούμενου μεγέθους, από τις αντίστοιχες τιμές του ηλεκτρικού σήματος εξόδου του αισθητήρα, μέσω της επίλυσης της εξίσωσης. Ένας αισθητήρας μπορεί να είναι γραμμικός σε μία περιοχή τιμών εισόδου, όπως εικονίζεται στο Σχήμα 2.12. Επίσης η γραμμικότητα μπορεί να εκφράζεται ως προς τα μέγιστο βαθμό απόκλισης από την ευθεία γραμμή, σε όλο το εύρος τιμών εισόδου και τότε αναφέρεται ως ποσότητα επί του εύρους λειτουργίας Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 37

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σχήμα 2.12 Γραμμικότητα Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 38

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (viii) Χρόνος λειτουργίας Ο ωφέλιμος χρόνος λειτουργίας (operating life) ενός αισθητήρα αποτελεί ένδειξη του χρόνου, κατά τον οποίο αυτός αναμένεται να λειτουργεί στα πλαίσια των προδιαγραφών του. Εκφράζεται σε μονάδες χρόνου ή με τον αριθμό των λειτουργιών ή κύκλων λειτουργίας που μπορεί να διεκπαιρεώσει με επιτυχία Επαναληψιμότητα Η επαναληψιμότητα μίας συσκευής είναι ο βαθμός στον οποίο αυτή παράγει το ίδιο αποτέλεσμα όταν, σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, τροφοδοτείται με ακριβώς την ίδια είσοδο. Στα αγγλικά αποδίδεται με τη λέξη precision η οποία συχνά συγχέεται με την καθημερινή έννοια της ακρίβειας (accuracy)Εντούτοις, στην ορολογία των συστημάτων μέτρησης, ένας αισθητήρας μπορεί να έχει υψηλή επαναληψιμότητα και να δίνει παρόμοια έξοδο όταν μετρά πολλές φορές μια συγκεκριμένη είσοδο, αλλά εάν υπάρχει σημαντικό σφάλμα στην έξοδο, τότε η έξοδος δεν είναι ακριβής. Εύρος Το εύρος λειτουργίας (operating range) μίας συσκευής ισούται με τα όρια, στα οποία μπορεί η συσκευή να λειτουργεί αξιόπιστα. Το εύρος λειτουργίας ενός αισθητήρα εκφράζεται συνήθως με την ελάχιστη και μέγιστη τιμή που είναι ικανός να μετρά. Είναι σημαντικό ο αισθητήρας να εμπίπτει στο εύρος λειτουργίας που καθορίζεται, ώστε όχι μόνο να εκτελεί σωστές μετρήσεις, αλλά και για να μην καταστραφούν ή αλλοιωθούν κάποια ευαίσθητα τμήματά του. 39

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (ix) Ονομαστική τιμή Η ονομαστική τιμή (rating) μιας συσκευής αποτελεί το σύνολο των βέλτιστων συνθηκών, ηλεκτρικών, μηχανικών, κ.α. υπό τις οποίες αυτή θα λειτουργεί με επιτυχία και ασφάλεια. Συνήθως δίνεται μια περιγραφή των ονομαστικών τιμών, όπως είναι η μέγιστη τιμή θερμοκρασίας και η μέση τιμή φόρτισης. Αξιοπιστία Η αξιοπιστία (reliability) μιας συσκευής είναι συγγενής έννοια με το χρόνο λειτουργίας της, και συχνά μπορεί να αναφέρεται αντί για αυτόν, ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες. Η αξιοπιστία είναι η ικανότητα της συσκευής να λειτουργεί κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες για μια δεδομένη χρονική περίοδο ή ένα δεδομένο αριθμό κύκλων λειτουργίας παραμένοντας πάντοτε στα πλαίσια των προδιαγραφών. Απόκριση Η απόκριση (response) μίας συσκευής ισούται με το χρόνο που απαιτείται για να λάβει την τελική τιμή εξόδου της για μια δεδομένη είσοδο. Μπορεί να εκφραστεί σε δευτερόλεπτα ή κλάσματα του δευτερολέπτου, ή κάποιες φορές ως ποσοστό επί της τελικής τιμής εξόδου. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 40

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (x) Ευστάθεια Η ευστάθεια (stability) αποτελεί το μέτρο της μεταβολής της εξόδου μιας συσκευής όταν η είσοδος και οι συνθήκες παραμένουν σταθερές, κατά τη διάρκεια μιας μεγάλης χρονικής περιόδου Στατικό σφάλμα Το στατικό σφάλμα (static error) είναι ένα σταθερό σφάλμα που υπεισέρχεται καθ’ όλο το εύρος τιμών εισόδου μιας συσκευής. Εάν αυτό το σφάλμα είναι γνωστό, τότε μπορεί να αντισταθμιστεί χωρίς να υπάρξει υποβάθμιση της ακρίβειας του συστήματος. Ανοχή Η ανοχή (tolerance) μιας συσκευής είναι το μέγιστο ποσό σφάλματος που μπορεί να υπάρξει κατά τη διάρκεια λειτουργίας της. Ανάλογα με τη φύση της συσκευής μπορεί συχνά να αναφέρεται η ανοχή αντί της ακρίβειας στις προδιαγραφές Ιχνηλασιμότητα (traceability) είναι η ιδιότητα του αποτελέσματος μιας μέτρησης να μπορεί να συσχετιστεί με ένα πρότυπο μέτρησης ή με μια ποσότητα αναφοράς μέσω μιας προκαθορισμένης σειράς διαδοχικών βαθμονο- μήσεων που όλες έχουν δηλωμένη αβεβαιότητα. Η ιχνηλασιμότητα είναι ιδιό- τητα του αποτελέσματος μιας συγκεκριμένης μέτρησης, δεν είναι ούτε ιδιότητα του οργάνου, ούτε μιας βαθμονόμησης, ούτε ενός εργαστηρίου μετρολογίας 41

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ (xi) Διακριτική ικανότητα Η διακριτική ικανότητα (resolution) με την οποία μια συσκευή ή ένας αισθητήρας ανιχνεύει ή εμφανίζει μία τιμή, αναφέρεται στην μικρότερη είσοδο ή αλλαγή εισόδου που μπορεί αυτός να ανιχνεύσει. Εκφράζεται συνήθως ως προς το μικρότερο διάστημα που μπορεί να ανιχνευθεί ή μετρηθεί. Όσο μεγαλύτερη είναι η διακριτική ικανότητα ενός ενδείκτη, τόσο μικρότερο είναι το βήμα που μπορεί ο αισθητήρας να μετρήσει. Ευαισθησία Η ευαισθησία (sensitivity) εκφράζει τη σχέση ανάμεσα στην αλλαγή της εξόδου και την αντίστοιχη αλλαγή της εισόδου, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Η ευαισθησία ενός αισθητήρα είναι ίση με τη διαφορά των τιμών εξόδου προς τη διαφορά των αντίστοιχων τιμών της εισόδου, δηλαδή της μετρούμενης ποσότητας. Άρα είναι Ευαισθησία = (μέγιστη τιμή εξόδου - ελάχιστη τιμή εξόδου) (μέγιστη τιμή εισόδου - ελάχιστη τιμή εισόδου) Οι μονάδες στις οποίες μετριέται η ευαισθησία ορίζεται από την παραπάνω εξίσωση και επομένως διαφέρουν, ανάλογα με τη φύση του αισθητήρα και τη μετρούμενη ποσότητα. Για παράδειγμα υπάρχουν αισθητήρες που μετρούν μικρές αποστάσεις όπου κινείται κάποιο αντικείμενο και παρέχουν τάση. Στην περίπτωση αυτή η ευαισθησία θα εκφράζεται σε volt ανά mm Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 42

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ Ένας καλός αισθητήρας πρέπει να ακολουθεί τους επόμενους κανόνες Να είναι ευαίσθητος στο μετρούμενο μέγεθος Να μην είναι ευαίσθητος σε κανένα άλλο μέγεθος ή φαινόμενο Να μην επηρεάζει το υπό μέτρηση μέγεθος Σε έναν ιδανικό αισθητήρα το σήμα εξόδου είναι ακριβώς γραμμικά ανάλογο με την τιμή του μετρούμενου μεγέθους. Η επιλογή ενός αισθητήρα εξαρτάται από πολλούς παράγοντες οι κυριότεροι των οποίων είναι το κόστος οι περιβαλλοντικοί παράγοντες τα χαρακτηριστικά λειτουργίας οι απαιτήσεις της εφαρμογής Ένας αισθητήρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε απευθείας για τη μέτρηση του συγκεκριμένου μεγέθους στο οποίο αντιδρά, είτε σε συνθετότερες διατάξεις για τη μέτρηση άλλου μεγέθους Για παράδειγμα ένας πιεζοαντιστάτης μετρά απευθείας μετατόπιση. Όταν όμως προσαρμοστεί σε ελαστικό στοιχείο μπορεί να μετρήσει μηχανικές δυνάμεις Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 43

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 44

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ-ΟΡΟΛΟΓΙΑ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ (i) Θεωρήστε το δυναμό ενός ποδηλάτου, το οποίο μετατρέπει κάποια από την κινητική ενέργεια περιστροφής σε ηλεκτρική ενέργεια. Αποτελεί αισθητήρα; Θεωρήστε τα σύστημα ελέγχου του δημοτικού φωτισμού που αναφέρθηκε στο κεφάλαιο. Πως μπορεί να βελτιωθεί το σύστημα, παραμένοντας ανοικτού βρόχου; Ποια πιθανά προβλήματα μπορείτε να προβλέψετε ότι θα υπάρξουν, εάν χρησιμοποιηθεί ένα σύστημα κλειστού βρόχου; Ποιες θεωρείτε ότι είναι οι σημαντικότερες διαφορές ανάμεσα στο εύρος και την ονομαστική τιμή ενός αισθητήρα; Υπό ποιες συνθήκες μπορεί να αναφέρεται το ένα αντί για το άλλο, και αντίστροφα, υπό ποιες συνθήκες μπορούν να αναφέρονται είτε το ένα είτε το άλλο; Nα καταγράψετε τα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να περιλαμβάνονται στις προδιαγραφές (α) ενός θερμομέτρου, που θα χρησιμοποιείται από έναν κηπουρό, (β) μιας ζυγαριάς κουζίνας και (γ) του ταχυμέτρου ενός ποδηλάτου. Όπου είναι αναγκαίο, σημειώστε ποιες μονάδες (ή ποσοστό) θα είναι πιο κατάλληλο για την έκφραση κάθε χαρακτηριστικού. Δρ. Μ. Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 45