ANDURID

SISSEJUHATUS

Tööstusautomaatika areng on seotud erinevate tehnoloogiliste protsesside ja masinate automaatjuhtimissüsteemide arenemisega. Andureid kasutatakse juhitavatelt objektidelt seisundiinfo saamiseks. Seega nad on juhtsüsteemide elemendid, mis muundavad juhitavaid suurusi (temperatuur, rõhk, niiskus, vooluhulk jne) mugavalt mõõdetavaks, talletatavaks ja töödeldavaks signaaliks.

Raamatu "Andurid tööstusautomaatikas" põhieesmärgiks on pakkuda alusteadmisi väikeste ja keskmiste ettevõtete töötajatele automaatikasüsteemides rakendatavate andurite alal. Raamat on jaotatud kümneks peatükiks.

Esimene peatükk käsitleb andurite klassifikatsiooni ja anduritele esitatavaid nõudeid. Tutvustatakse nende põhilisi tööpõhimõtteid. Peatükis 2 käsitletakse termoelektrilisi ja termoresistiivseid temperatuuriandureid. Esitletakse termistore, termodioode ja integraalseid termoandureid. Peatükk 3 kirjeldab jõu ja mehaanilise pinge andureid. Esitletakse tensoandureid, piesoelektrilisi ja magnetoelastseid andureid. Peatükk 4 käsitleb rõhuandureid. Esitletakse erinevaid rõhuandurite tüüpe: vastastikuse induktiivsusega, mahtuvuslikke, piesoelektrilisi, tenso- ja optilisi rõhuandureid. Asendi-, nihke, kiiruse ja kiirenduse andureid vaadeldakse peatükis 5. Kirjeldatakse kontakt-, potentsiomeeter-, induktiiv-, vastastikuse induktiivsusega, mahtuvuslikke, optilisi, püsimagnetilisi ja piesoelektrilisi andureid. Näidatakseandurite ehitust. Peatükk 6 on pühendatud vooluhulga anduritele. Kirjeldatakse turbiiniga andureid ja mõõtepõhimõtete alusel rõhulangu-, ultraheli-, magnet-induktiivseid, kalorimeetrilisi ja keerisandureid. Peatükk 7 esitleb niiskusandureid. On toodud niiskuse määratlused ja niiskusandurite klassifikatsioon. Vastavalt klassifikatsioonile kirjeldatakse erinevaid andurite tüüpe. Peatükis 8 esitletakse andureid objektide kindlakstegemiseks. Vaadeldakse kontaktandureid, lähedusandureid ja optilisi andureid. Peatükk 9 kirjeldab gaasiandureid. Vaadeldud ja klassifitseeritud on gaasiandurite erinevaid tüüpe ning eritähelepanu on pööratud metalloksiid-anduritele. Peatükk 10 tegeleb andurite liidestega. Esitletud on põhilisi traadiga ja traadita andmeside liideseid. Igas peatükis on esitatud kontrollküsimused õpilaste edasijõudmise taseme kontrolliks.

Raamatut saab kasutada väikeste ja keskmiste ettevõtete töötajate kvalifikatsiooni tõstmise ja ümberkvalifitseerimise õppeprogrammide allikana. Teadmiste omandamiseks peavad õpilastel olema põhilised teadmised matemaatikas ja füüsikas. Raamatut saavad kasutada üliõpilased ja spetsialistid andurite tööstussüsteemides rakendamisega seotud alade väljaõppel.

ANDURITE KLASSIFIKATSIOON

Andurid

Andmetöötlustehnoloogia ning info- ja arvutitehnika kiire areng määravad andurite intensiivse arendamise. Kaasaegsed mõõte- ja juhtimissüsteemid põhinevad arvutitehnikal. Kuna nende süsteemide võimalused kasvavad, siis infot esmaselt vastuvõtvate andurite roll tõuseb oluliselt. Andurid muutuvad oluliseks teguriks automaatikas ja robootikas ning nad koguvad suurt tähtsust süsteemide struktuurielementidena.

Andurid on üldiselt seadmed, mis muundavad füüsilised või keemilised suurused mugavalt kasutatavateks elektrisignaalideks. Rahvusvahelise Elektrotehnika Komitee (IEC) poolt antud anduri definitsioon: andur on mõõteahela esmane osa, mis muundab sisendmuutuja mõõdetavaks signaaliks.

Andurid on andurisüsteemide osaks ja nad on esimesed elemendid, mille ülesandeks on esitada mõõdetavat infot. Andurisüsteemi üldine plokkskeem on joonisel 1.1.

Joonis 1.1 andursüsteemi tööpõhimõte [60]

Andurisse sisenev signaal on tavaliselt väikese amplituudiga ja segatud interfereerunud signaalide ja müraga. Täiendavalt võib osutuda vajalikuks signaali lineariseerimine. Järgnevaks töötlemiseks optimaalsete omadustega signaali formeerimine teostatakse normaliseerimisahelaga, mis võib koosneda võimendist, filtrist ja teistest analoogahelatest. Mõnel juhul need ahelad on andurelemendi vahetus läheduses. Seejärel formeeritud analoogsignaal muundatakse digitaalseks ja edastatakse mikrokontrollerile.

Andurisüsteemi omadused on suurel määral määratud anduriga. See muundab energia ühest liigist teise. Andureid on kahte põhitüüpi: aktiivsed ja passiivsed. Aktiivandur muundab ühte liiki energia teiseks ilma välise energiaallikata või ergutuseta (Joonis 1.2.,a).

a

b

Joonis 1.2 Andurite tüübid

Passiivandur ei saa energiat vahetult muundada, kuid ta juhib ergutusenergiat, mis tuleb teisest allikast (Joonis 1.2.,b).

Anduri funktsioonide teostamiseks kasutatakse erinevaid füüsikalisi efekte ja tööpõhimõtteid. Andur võib olla mõõdetava suurusega kontaktis või olla kontaktivaba. Tööpõhimõtete ja efektide mitmekesisus laieneb pidevalt ja parandatakse neid kasutavaid protsesse.

Anduritele on püstitatud kindlad nõudmised. Mõned neist on üldised, mis puudutavad kõiki andurite tüüpe ja mõned erinõudmised puudutavad teatud kindlat tüüpi andureid. Erinevatel tööpõhimõttest ja anduri ehitusest sõltuvatel viisidel tagatavad peamised nõudmised on:

kõrge tundlikkus;
lineaarsus;
suur täpsus;
hüstereesi puudumine:
korratavus;
kiire reaktsioon;
selektiivsus;
vahetatavus;
lai mõõtevahemik;
lai talitlustemperatuuri vahemik;
stabiilsus häiringutele (mürakindlus);
lihtne korrigeerimine (lihtne kalibreerimine);
suur töökindlus;
pikk eluiga;
vananemiskindlus;
vastupanu keskkonnamõjudele (temperatuur, vibratsioon, vesi, tolm jne);
ohutus (andurid ei tohi tekitada mingit kahju);
odavus;
väikesed mõõtmed, väike kaal ja tugevus.

Klassifitseerimise põhimõtted

Andureid võib klassifitseerida muunduspõhimõtte - (füüsikalised või keemilised nähtused, mille alusel nad talitlevad), eesmärgi, väljundsignaalide tüübi, materjalide ja tootmisprotsessi alusel. Andurite klassifikatsioon nende muunduspõhimõtete alusel on näidatud joonisel 1.3. Need on jaotatud füüsikalisteks ja keemilisteks.

Füüsikalised andurid on need, milles füüsikalise nähtuse nagu piesoelektrilised, magnetostriktiivsed, ioniseerivad, termoelektrilised, fotoelektrilised, magnetelektrilised jne mõõdetava suuruse muutused muundatakse elektrisignaalideks.

Joonis 1.3 Andurite klassifikatsioon

Keemilised andurid on need, milles mõõdetava suuruse muutused muundatakse elektrisignaalideks keemilise imendumise, elektrokeemilise reaktsiooni jne tulemusena.

On andureid, mida ei saa üheselt liigitada ei füüsikalisteks ega keemilisteks.

Mõnede andurite tööpõhimõtted ja võimalikud rakendused on näidatud tabelis 1.1.

Tabel 1.1

Anduri tüüp	Tööpõhimõte	Mõõdetav mitte-elektriline suurus
Tensoandur Termistor (NTC, PTC) Pooljuhtandur	Muutused takistuses	Jõud, mass, rõhk, kiirendus, paisumine, tase, temperatuur, niiskus, gaas
Mahtuvusandur	Muutused mahtuvuses	Jõud, mass, rõhk, kiirendus, tase, niiskus
Induktiivandur	Muutused induktiivsuses	Jõud, mass, rõhk, kiirendus, pöörete arv, pöördemoment, magnetväli
Halli andur	Halli efekt	Nurk, pöörete arv, jõud, magnetväli
Piesoelektriline andur Ultraheliandur	Piesoelektriline efekt	Rõhk, jõud, kiirendus, vahemaa
Piesoelektriline andur	Piesoelektriline efekt	Suits, tuli, soojuse jaotus
Optoelektroonilised andurid	Optoelektroonilised efektid	Kiirgus, nurk, pöörete arv, nihe, moment

Vastavalt eesmärgile jaotatakse andurid:

rõhu- ja jõuanduriteks;
tasemeanduriteks;
kiirusanduriteks;
kiirendusanduriteks;
vibratsioonianduriteks;
magnetvälja anduriteks;
vaakumanduriteks;
nihkeanduriteks;
tarbimise anduriteks;
temperatuurianduriteks;
radioaktiivse kiirguse anduriteks;
niiskusanduriteks:
gaasianduriteks;
bioanduriteks jne.

Sõltuvalt väljundsignaali tüübist jaotatakse andurid:

analoogandurid - muundavad mõõdetavad mitte-elektrilised suurused analoog-elektrisignaalideks;
digitaalandurid - muundavad mõõdetavad mitte-elektrilised muutujad digitaalseteks väljundsignaalideks (vahetu või kaudne muundamine);
pseudodigitaalsed andurid - muundavad mõõdetavad muutujad sageduseks või ajaintervalliks (vahetu või kaudne muundamine);
lülitusandurid - reageerivad mõõdetava suuruse läviväärtuse (piirväärtuse) ületamisele ja lülitavad väljundsignaali madalale või kõrgele tasemele.

Kõik materjalid- reageerivad iseloomulikult välismõjudele. Välismõjudele kõige tundlikumaid materjale, s. t. neil on funktsionaalsed omadused, kasutatakse andurite tundlike elementidena.

Kasutatavate materjalide aluselgrupeeritakse andurid:

sõltuvalt kasutatavast materjalist:

metall;
keraamika;
polümeer;
komposiitmaterjalid.

sõltuvalt materjali füüsikalistest omadustest:

elektrijuhid;
pooljuhid;
dielektrikud;
magnetmaterjalid.

sõltuvalt materjali kristallistruktuurist:

kristall;
polükristall;
amorfne.

Sõltuvalt tootmisprotsessist jaotatakse andurid:

integraalsed andurid;
kelmeandurid;
paksukelmeandurid;
keraamilised andurid.