Andurid (0)

3.ANDURID JA NENDE MÕÕTEPRINTSIIBID.
3.1.Andurite definitsioon ja liigitus. Anduritele esitatavad nõuded,
ideaalkarakteristikud.
Andur on automaatsüsteemi osa, mis muundab kontrollitava suuruse mõõtmiseks,
edastamiseks, säilitamiseks, registreerimiseks, võimendamiseks või juhitavasse
seadmesse suunamiseks sobivasse vormi (optiliseks, mehaaniliseks või elektriliseks
signaaliks). Andur koosneb tavaliselt tajurist (esmamuundurist) ja ühest või mitmest
vahemuundurist. Mõnel juhul moodustab anduri ainult tajur (nt. termopaar,
takistustermomeetri andur).
Joonisel 0.2.1 on toodud tüüpilise anduri plokkskeem.
Andurid liigitatakse füüsikalise tööpõhimõtte järgi:
1. elektrisuuruste muutusel põhinevad andurid : induktiivandurid, mahtuvusandurid,
takistusandurid;
2. optilised, kasutavad elektrimagnetilisi protsesse lainepikkustel üle 10¹² Hz.;
3. mehaanilised, kasutavad tahkete kehade liikumist;
4. hüdraulilised, kasutavad vedelike mehaanilisi omadusi;
5. pneumaatilised, kasutavad gaaside mehaanilisi omadusi;
6. kombineeritud nt. elektrimehaanilised, elektripneumaatilised, elektrihüdraulilised;
Liigitatakse kasutusala järgi:
1. asendi ja nihkeandurid;
2. rõhu ja jõuandurid;
3. nivooandurid;
4. kuluandurid;
5. temperatuuriandurid;
6. vibroandurid;
7. pöörlemissageduse andurid;
1/27 jklng3.sxw
Anduritele esitatavad nõuded:
1. kõrge loomutruudus, see tähendab, et anduri väljundvorm peab kajastama täpselt
mõõdetavat suurust, peab olema minimaalselt moonutatud;
2. anduri mõõtmed peavad olema sellised, et oleks võimalik paigaldada vajalikku kohta;
3. peab olema lineaarne sõltuvus mõõdetud suuruse ja väljundsignaali vahel, st. lineaarne
sõltuvus sisendsignaali Xs ja väljundsignaali Xv vahel (joonis 0.2.3.):
Xv = kXs; (3.1.1.)
4. kõrge selektiivsus;
5. tundlikkus;
6. ajaline stabiilsus;
7. head dünaamilised omadused; Δo – tundlikkuse lävi (minimaalne suurus, millele
andur reageerib; Xmax – suur skaala ulatus; D = Xmax/Δo – suur dünaamiline
diapasoon. (nt.10/01 = 100);
8. suur ülekoormatavus;
9. suunatoime puudumine; (joonis 0.2.4.)
2/27 jklng3.sxw
3.2.Erinevate andurite tööpõhimõte ja kasutusala.
Elektrilised andurid.
Automaatsüsteemides kasutatakse elektrilisi ja elektromehaanilisi andureid kõige
rohkem, kuna elektrienergiat on võimalik kergesti ja lihtsalt ja ilma moonutusteta üle
kanda pika vahemaa taha, on kergesti transformeeritav, võimendatav ja küllalt kõrge
kasuteguriga, on võimalik muundada teisteks energialiikideks.
Automaatsüsteemides suurem osa reguleeritavaid parameetreid on oma füüsikaliselt
olemuselt mitteelektrilised suurused (temperatuur, rõhk, nivoo, aine koostis, sisaldus ja
kontsentratsioon, jne.). Nende parameetrite reguleerimiseks elektrilistes
automaatreguleerimissüsteemides on vajalik need mitteelektrilised suurused muuta
ekvivalentseteks elektrilisteks signaalideks ja seda tehakse esmaste elektriliste
muunduritega st. anduritega.
Elektrilisi andureid, mis muudavad oma elektrilisi parameetreid (takistust, mahtuvust,
induktiivsust) vastavuses mõõdetavate mitteelektriliste suuruste muutusele nimetatakse
parameetrilisteks anduriteks.
Elektrilised andurid, mis muundavad mitteelektrilised suurused ekvivalentseks EMJ või
pinge väärtuseks nimetatakse generaatoranduriteks.
Kontaktandurid.
Kontaktelemente automaatsüsteemides kasutatakse elektriahelate sulgemiseks või
lahutamiseks. Nad on sageli lihtsateks anduriteks positsioonreguleerimise süsteemis.
Joonisel 0.2.5. on toodud kontaktelementide kasutamise näiteid.
Joonis 0.2.5a – kontaktelement koosneb profiilnukist, mis kinemaatiliselt ühendatud
mõõteriistaga, millele jookseb kontaktgrupi rull. Reguleeritava suuruse muutumisel liigub
mõõteriista osuti ja koos sellega ka profiilnukk. Kui parameeter saavutab seatud
piirväärtuse, kontaktid sulguvad, lülitub töösse mingi täiturseade, mis reguleeriva organi
kaudu mõjutab kontrollitavat parameetrit vajalikus suunas.
Joonis 0.2.5b – kontaktandur, mis sulgub, kui jõud P saavutab teatud väärtuse.
Reguleerimiskruviga 1 on võimalik reguleerida vedru 2 pingust ja seega reguleerida
kontaktide sulgumise momenti sõltuvalt jõust P.
Mõlemal vaadeldud kontaktanduri staatilised karakteristikud on joonisel 0.2.5c. Anduri
3/27 jklng3.sxw
sisendsignaaliks on siinjuures profiilnuki pöördenurk ja jõu P väärtus. Väljundsignaaliks
on kontaktgrupi asend – suletud – avatud. Selliseid kahepositsioonilisi elemente
nimetatakse sageli jah – ei, vale – õige või 0 – 1 elementideks. Joonisel 0.2.5c avatud
kontaktid staatilisel karakteristikul on 0, suletud 1. Kahepositsiooniline andur siirdub
ühest seisundist teise sisendsignaali väärtusel a.
Takistusandurid.
Takistusandur on mõõtemuundur, mis muundab nihke või pöördenurga muutuse
elektritakistuse muutuseks. Takistusandur koosneb püsitakistist ja sellel libisevast
kontaktist (liugurist), mille asendi muutumisel muutub tema ja püsitakisti otspunktide
vaheline takistus. Elektriahelasse võib olla takistusandur olla lülitatud reostaadina või
potentsiomeetrina. Joonisel 0.2.6 a ja b on reostaatskeemlülitus, c ja d potentsiomeeter
skeemlülitus. Lülitused a ja b on praktiliselt samased.
Takistuse muutus reostaatskeemis toob endaga kaasa voolutugevuse muutuse ahelas,
mida kasutatakse edasiseks ülekandeks ja võimenduseks süsteemis.
Potentsiomeeter skeemis kasutatakse pinge muutust.
Joonisel 0.2.6.h on kujutatud takistusanduri staatiline karakteristik, kus sisendiks on
liuguri liikumine l ja väljundiks tema takistuse väärtus r elektriahelas. Liuguri asendil
l = lmax takistus on võrdne resistori täieliku takistusega R.
r = kl (3.2.1.)
kus:
k = R/lmax – ülekandetegur
r = aR (3.2.2.)
kus:
a = l/lmax.
Tegelik staatiline karakteristik näeb välja nagu joonisel 0.2.6.i, ja seda põhjusel, et
4/27 jklng3.sxw
liuguri libisemisel ühelt traadikeermelt teisele, muutub takistus astmeliselt. Praktikas on
see astmelisus küllalt väikene ja karakteristik loetakse lineaarseks nagu joonisel 0.2.6.h.
Reostaatskeemi staatiline karakteristik on mittelineaarne (joonis 0.2.6.j), potentsiomeeter
skeemi staatiline karakteristik samuti üldjuhul mittelineaarne, kuid võttes
koormustakistuse tunduvalt suuremaks, kui takistusanduri kogutakistus R, võib lugeda
staatilise karakteristiku lineaarseks (joonis 0.2.6.k).
Kuna lineaarne staatiline karakteristik on andurite ( ja üldse automaatsüsteemide
elementide) puhul soovitav, siis takistusandurid reeglina lülitatakse potentsiomeeter
skeemis.
Selleks, et saada staatiline karakteristik nullpunktiga keskel lülitatakse ta vastavalt
skeemile joonisel 0.2.6d ja staatiline karakteristik sel juhul näeb välja nagu joonisel
0.2.6.l (Rk>>R).
Takistusandur valmistatakse suure eritakistusega metallist (või sulamist) traadist. Traat
isoleeritakse ja mähitakse isoleermaterjalist karkassile. Kohas, kus liigub liugur võetakse
isolatsioon maha. Traadi materjaliks võib olla konstantaan (40% Ni ja 1,5%Mn sisaldav
vasesulam), nikroom (65 – 80% Ni, 15 – 30% Cr, mõnel juhul lisanditena Si, Al ja teisi
elemente), fekraal (12 – 15% Cr, 3,5 – 5,5% Al, kuni 0,7% Mn, kuni 0,2% C, ülejäänud
Fe) või näiteks plaatina ja iriidiumi sulam.
Karkassi materjaliks võib olla getinaks (kihtplast, mis on saadud fenoolformaldeüüd-
vaiguga immutatud paberilehtede kuumpressimise teel), tekstoliit (sünteetilise sideainega
immutatud puuvillariidest kihtplast) , plastmass, keraamika jms.
Liugur (kontakthari) tehakse traadist või lehtvedrust. Materjalina kasutatakse plaatina,
hõbedat, plaatina ja iriidiumi või vase ja hõbeda sulamid jm.
Takistustensoandur.
Takistustensoandur on tensomeetri koostisosa, mis muundab tahke keha deformatsiooni
elektrisignaaliks. Takistustensoanduri töö rajaneb metalltraadi, kile või fooliumi takistuse
olenevusel deformatsioonist (pikenemisel takistus suureneb, lühenemisel väheneb).
See tähendab, et takistus R suureneb või väheneb mingi ΔR võrra. Staatiline karakteristik
takistustensoanduril on sõltuvus ΔR = f (Δl), kus Δl on tensoanduri deformatsioon. Kuna
takistustensoanduri deformatsioon on proportsionaalne mehaanilisele pingele P, mis on
detaili pinnal, kuhu tensoandur paigaldatud on, siis see määrab ka staatilise karakteristiku
ΔR = f(P):
Takistustensoandur algtakistus on väga suur – mitusada oomi. Suhteline tundlikkus
arvutatakse valemist η = ΔR/R/Δl/l. Konstantaani puhul on see 1,9 – 2,1.
Takistustensoandurite kasutamise puhul tuleb arvesse võtta, et nad mõõdavad pingeid
ainult baasalal l.
Ehituselt on takistustensoandur konstantaanist, nikli või molübdeenisulamist, legeeritud
nikroomist vms. materjalist traat või lintvõre (viimane võib olla ka pooljuhist), mis
liimitakse või kõrge temperatuuri puhul keevitatakse uuritava keha pinnale (joonis 0.2.7).
5/27 jklng3.sxw
Traadi läbimõõt on 0,02 – 0,05mm. Mõõt l nim. tensoanduri baasiks (l = 5 – 50mm).
Fooliumist takistustensoandurid valmistatakse õhukesest hõbeda ja kulla, vase ja nikli
sulamitest, konstantaanist jm..
Õhukesekilelised takistustensomandurid valmistatakse germaaniumi, telluuri, vismuti või
seatina sulfiidi pihustamisega vaakuumis elastsele alusele (vilgukivi või kvarts). Sellised
andurid on väga tundlikud (20 – 50) ja lubavad kasutada suurt voolutihedust (kuni 1000
A/mm²).
Takistustensoandurid lülitatakse tavaliselt elektrilisse mõõtesilda.
Takistustensoandurite eeliseks on väikesed mõõtmed ja mass, inertsi puudumine ja
staatilise karakteristiku lineaarsus.
Puudusteks on suhteliselt madal tundlikkus, kaasneva vajaliku aparatuuri keerukus ja
kõrge hind ja see, et need andurid on vaid ühekordseks kasutamiseks.
Induktiivandurid.
Induktiivandurid on nihke või pöördenurga mõõtemuundurid. Induktiivanduri talitus
põhineb induktiivsuse sõltuvusel süsteemi magnetilisest takistusest. Kasutatakse neid
harilikult koos elektrilise mõõtesillaga.
Induktiivanduri tööpõhimõte on joonisel 0.2.8. Muutuva õhupiluga δ induktiivanduril
on elektritehnilisest terasest (räniga legeeritud süsinikuvaene teras, mida kasutatakse
pehmemagnetmaterjalina elektrimasinate ja elektriaparatuuri magnetahelates) südamikule
keritud mähis 2. Magnetvoog südamikus sulgub läbi südamiku suhtes liikuva ankru 3.
Ankur on mehaaniliselt seotud detailiga mille liikumist või pöördenurka mõõdetakse.
Induktiivanduri väljundsignaaliks on voolutugevus mähises st. I = f(δ). Joonisel 0.2.8c
on induktiivanduri staatiline karakteristik, mis teatud õhuvahe δ muutumise diapasoonis
δmin k = 2Uδ/(ω ω² μoSM ) (3.2.3.)
kus:
U – toitepinge;
δ – õhupilu pikkus;
6/27 jklng3.sxw
ω – voolusagedus;
ω – mähise keerdude arv;
μo – õhu magnetiline läbitavus;
SM – magnetjuhtme ristlõige
Induktiivandurite kasutamisel võetakse
staatilise karakteristiku lineaarne osa
tööpiirkonnaks.
Joonisel 0.2.8a toodud induktiivanduri
tööpiirkond on 0.01 – 5 mm, Tunduvalt suurem
on staatilise karakteristiku lineaarne osa
induktiivanduritel, mille õhupilu pikkus on
muutuv nii nagu joonisel 0.2.8b – neid
andureid kasutatakse liikumistel 10 – 15mm.
Suurte liikumiste mõõtmiseks kasutatakse
liikuva südamikuga induktiivandureid (joonis
0.2.8d).
Kui südamik on viidud täielikult pooli sisse,
millele on keritud induktiivanduri mähis,siis
reaktiivtakistus on maksimaalne, kuid vool I,
mis läbib mähist on minimaalne. Südamiku väljaviimisel mähisest hakkab
reaktiivtakistus vähenema ja mähist läbiv vool suurenema. Kui südamik on täielikult
väljas, siis reaktiivtakistus on null, voolutugevus maksimaalne, määratud mähise
takistusega.
Induktiivandurite peamiseks eeliseks on kontaktide puudumine, küllalt kõrge tundlikkus
ja ehituse lihtsus.
Puuduseks on liikuva ankruga anduri puhul elektromagnetiliste tõmbejõudude olemasolu,
mis on eriti suured väikese õhupilu korral.
Selle puuduse vältimiseks kasutatakse diferentsiaalseid induktiivandureid (iseseisvalt
А.С.Клюев ¨Автоматическое регулирование¨lk.41, 42, joonis1.21.).
Trafoandurid.
Trafoandurid on mõõtemuundurid, mis muundavad mingi mehaanilise suuruse (jõu, rõhu,
pöördenurga vms. muutuse vastastikkuse induktsiooni või sellele vastava vahelduvpinge
muutuseks. Selleks muudetakse trafoanduris võrdeliselt mõõdetava suuruse muutusega
kahe mähise vastastikkust asendit või liikuva südamiku asendit mähiste suhtes.
Mähiste vastastikkune induktiivsus muutub ahela magnetilise takistuse muutumisel või
mähiste nihkumisel üksteise suhtes.
Magnetilise takistuse muutuse puhul on trafoanduritel palju ühist induktiivanduritega,
vahe on ainult selles, et trafoanduritel on sekundaarmähis või sekundaarmähiste süsteem.
Joonisel 0.2.9 on raamikujulise sekundaarmähisega trafoandur.
Andur koosneb magnetjuhtmest – ergutusmähisega 1 (primaarmähis) raam 2 südamik 4
raamikujulise sekundaarmähisega 3. Primaarmähisesse 1 antakse vahelduvpinge U.
Sõltuvalt südamiku pöördenurgast φ raamikujulises sekundaarmähises 3
7/27 jklng3.sxw
transformeeritakse emj: e = f(φ). Kui sekundaarmähise raam paikneb magnetvoo
tasandis, on emj null.
Joonis 0.2.9.
Trafoandureid nimetatakse ka ferrodünaamilisteks anduriteks. Ferrodünaamilisi andureid
kasutatakse ka pöördenurga edastamiseks kaugjuhtimissüsteemides ja neid nimetataks
sünkroonseteks ferrodünaamilisteks sidesüsteemideks.
Selsüünid.
Selsüün (ingl. selsyn →self “ise” + sün- + kr. chronos “aeg”) on
induktsioonelektrimasin mehaaniliselt sidestamata võllide sünkroonseks või
sünfaasiliseks pööramiseks. Selsüüne kasutatakse automaatkontrolli- ja
-juhtimissüsteemides, järgivsüsteemides ning distantsmõõtesüsteemides.
Selsüünid võivad töötada indikaatori- või transformaatorirežiimis.
Täidetava ülesande järgi eristatakse andurselsüüne ja vastuvõtuselsüüne.
Selsüünil on ühefaasiline staatorimähis ja 120° all paiknev kolmefaasiline rootorimähis.
Joonisel 0.2.9Aa on toodud indikaatorrežiimis töötav selsüün.
8/27 jklng3.sxw
Vasakul pool on andurselsüün, paremal vastuvõtuselsüün. Staatori ühefaasilised
primaarmähised toidetakse ühest vooluallikast, kolmefaasilised mähised on omavahel
ühendatud. Andurselsüüni rootori pööramisel mingi nurga φ võrra kolmefaasilistes
ahelates indutseeritakse vool. Selle indutseeritud voolu ja staatori mähiste magnetvoo
koosmõjul tekib pöördemoment nurga võrdsustamiseks selsüünide vahel. Selle tagajärjel
vastuvõtuselsüüni rootor pöördub sama nurga võrra, kui andurselsüüni rootorgi.
Transformaatorrežiimis töötav selsüün on joonisel 0.2.9Ab. Selles režiimis antakse toide
ainult andurselsüüni staatori mähisele. Väljundsignaal (vahelduvvoolu pinge Uv)
saadakse vastuvõtuselsüüni staatori mähiselt.
Uv ≈ kcU sin (φ – π/2); (3.2.4)
kus:
kc – püsitegur, määratud selsüüni konstruktiivsete ja elektriliste parameetritega;
φ – lahknevusnurk;
U – toitepinge;
Lahknevusnurga diapasoon on maksimaalselt 30˚, seejuures lineaarsuse hälve on ±2%.
Selsüünid, mille mähised paiknevad rootoril nimetatakse kontaktselsüünideks, sest
kolmefaasilised mähised on omavahel ühendatud rootoril paiknevate kontaktrõngaste ja
harjadega. See asjaolu on kontaktselsüünide nõrgaks kohaks.
Valmistatakse ka kontaktivabasid selsüüne, kus kõik mähised on paigaldatud staatorisse.
Rootor on valmistatud ferromagnetilistest lehtedest nii, et tal on ühes kindlas suunas
magnetiline läbitavus kordi suurem, kui teistes suundades. Seetõttu magnetvoog staatori
primaarmähisest läbistab staatori kolmefaasilise sekundaarmähise nurga all, mis sõltub
rootori asendist ruumis. See põhjustab samasuguse efekti kui rootoril asetsevate
sekundaarmähiste puhul
Magnetoelastsed andurid.
Magnetoelastsete andurite tööprintsiip põhineb ferromagnetiliste materjalide omadusel
muuta magnetilist läbitavust μ sõltuvalt nende deformatsioonist või mehaanilistest
pingetest.
Magnetoelastsete andurite südamike materjalideks võib olla nikkel, nikli ja raua sulam
(63%Ni, 37% Fe), aga samuti transformaatoriteraste sordid. Nende andurite tundlikkuse
tegur võib olla 200 – 300, seega on nad väga suure tundlikkusega.
Magnetoelastsed andurid
jaotatakse drosselanduriteks
(joonis 0.2.10a) ja
transformaatoranduriteks
(joonis 0.2.10b).
Anduri mehaanilisel mõjutusel
jõuga P muutub südamiku
magnetiline läbitavus, mille
tulemusel muutub drosseli
mähise omainduktiivsus L
(joonis 0.2.10a) või
transformaatoranduri primaar-
9/27 jklng3.sxw
ja sekundaarmähiste vastastikkuse induktiivsuse tegur, mille tagajärjel muutub
sekundaarmähises indutseeritav emj.
Magnetoelastsete andurite eeliseks on kõrge tundlikkus ja suurte koormuste ja jõudude
mõõtmise võimalus (tuhanded tonnid).Puuduseks – jääkdeformatsioon ja magnetilise
läbitavuse sõltuvus temperatuurist.
Induktsioonandurid.
Induktsioonandurites kiirus muundatakse ekvivalentseks emj-ks.
e = -ω(dΦ/dt); (3.2.5)
ω– anduri mähise keerdude arv;
dΦ/dt - magnetvoo muutumise kiirus, proportsionaalne mähise liikumise kiirusele;
Joonisel 0.2.11 on toodud induktsioonandurite erinevad variandid. Joonis 0.2.11 a ja b –
vastavalt pooli 1 kulgliikumise kiirus või pöörlemiskiirus muudetakse elektrimotoorseks
jõuks. Joonisel 0.2.11c ferromagnetilise südamiku pöörlemisel muutub magnetahela
magnetiline takistus, järelikult ka magnetvoog, mis läbib liikumatut pooli 1. Tulemusena
poolis indutseeritakse EMJ, proportsionaalne pöörlemissagedusele.
Andur joonisel 0.2.11a on ette nähtud mehaaniliste võngete (vibratsiooni) mõõtmiseks,
andurid b ja c on tahhogeneraatorid ja kasutatakse mitmesuguste mehhanismide
pöörlemissageduse ja kiiruse mõõtmiseks.
Tahhomeetertüüpi induktsioonandurid kujutavad endast väikesegabariidilisi
elektrimasinaid (generaatoreid). Tahhogeneraatorid võivad olla alalisvoolu või
vahelduvvoolugeneraatorid.
Tahhogeneraatorites väljundpinge Uv on proportsionaalne tema pöörlemise
nurkkiirusega.
U = kTΩ; (3.2.6)
kus:
kT on generaatori ülekandetegur;
10/27 jklng3.sxw
Ω tahhogeneraatori rootori pöörlemise nurkkiirus;
Induktsioonandurite eelisteks on konstruktsiooni lihtsus, töökindlus ja kõrge tundlikkus.
Puudusteks on näiduviga seoses magnetvälja muutusega aja jooksul ja sõltuvalt
temperatuurist, samuti piiratud mõõtediapasoon.
Induktsioonandurite hulka võib lugeda ka elektroonilise
impulssanduri (joonis 0.2.11A).
Induktsioon impulssandur koosneb jäigalt kinnitatud
induktiivpooliga püsimagnetiga südamikust 1 ja magnetterasest
võllile 3 kinnitatud pöörlevast ankrust 2. Võlli pöörlemisel
ankur (tihvt, hammasratta hammas) möödudes südamikust
tekitab pulseeriva magnetvoo, mis indutseerib poolis EMJ.
Pöörlemissagedusega EMJ impulsid on anduri väljundsignaaliks
ja suunatakse sagedusmuundurisse 4, mille väljundsignaaliks on
sama sagedusega neljanurksed impulsid.
Selliste pöörlemissageduse andurite eeliseks on kontaktivaba
side pöörlevate detailidega ja suur mõõtetäpsus, kusjuures mitmepooluseliste ankrute
kasutamine tõstab mõõtetäpsust.
Mahtuvusandurid.
Mahtuvusandur on mõõtemuundur, mis muundab mitteelektrilise suuruse (vedeliku
taseme, jõu, rõhu, niiskuse vms.) muutuse elektrimahtuvuse muutuseks.
Ehituselt kujutab mahtuvusandur endast tasaparalleelsete või silindriliste elektroodidega
kondensaatorit, mille plaatide vahekaugus, silindrite või ketaste katteulatus muutub
vastavalt mõõdetava suuruse muutumisele.
Kaheplaadilise lameda kondensaatori elektrimahtuvus on:
C = εoεS/δ; (3.2.7)
kus:
εo - elektriline konstant (F/m);
ε - plaatidevahelise keskkonna suhteline dielektriline läbitavus;
S – plaatide aktiivne pind (m²);
δ – plaatidevaheline kaugus (m);
Valemist 2.2.7. selgub, et mahtanduri võib ehitada kasutades järgmisi staatilisi
karakteristikuid:
C = f(δ); C = f(S); C = f(ε);
Joonisel 0.2.12. on toodud nende staatiliste karakteristikute realiseerimise variandid.
a)realiseerib karakteristiku C = f(δ) = f(x), see tähendab, et kasutatakse ära kondensaatori
ülemise plaadi liikumisel muutuv plaatidevaheline kaugus;
b)on põhimõtteliselt sama, on lülitatud diferentsiaalsesse skeemi, mis suurendab anduri
tundlikkust;
c)kasutatakse sõltuvust C = f(S) = f(x), kasutatakse mahtuvuse muutumist plaatide
11/27 jklng3.sxw
aktiivse pinna muutmisega;
d)realiseerib sõltuvuse C = f(ε), kasutatakse ära seda, et vedeliku nivoo muutumisel
mahutis muutub kondensaatori plaatidevahelise keskkonna dielektriline läbitavus.
e)mahtandur silindriliste plaatidega, sisemise silindri liikumisel muutub
proportsionaalselt aktiivne pind S, seega ka kondensaatori mahtuvus;
f)ketastega mahtuvuslik andur on ette nähtud pöördenurga mõõtmiseks või
fikseerimiseks. Selles anduris on staatorile paigaldatud liikumatu ketas (sektor)1 ja
rootori teljele kinnitatud liikuvad kettad 2. Rootori pöörlemisel liikuvad kettad pöörduvad
liikumatute suhtes ja seega muutub kondensaatori plaatide aktiivne pind S ja pöördnurga
muutusele vastab üheselt kondensaatori mahtuvuse muutus.
Kondensaatori plaadid võivad olla erineva teostusega: silindrid, kettad
Mahtanduritega elektriahelad toidetakse kõrgsagedusvooluga, et saada väljundis
suuremat võimsust, sest:
P = U²ωC; (3.2.8.).
Seejuures saavutatakse ka seda, et suhteliselt väheneb mõõteviga seoses voolulekkega
läbi isolatsiooni, väliste magnetväljade mõjul ja keskkonna temperatuuri mõjul.
Mahtandurite heaks omaduseks on nende konstruktsiooni lihtsus, kõrge tundlikkus ja
kiire reageerimine.
Puudusteks on väliste magnetväljade, parasiitmahtuvuste, välistemperatuuri ja niiskuse
mõjud mõõtetäpsusele.
12/27 jklng3.sxw
Joonisel 0.2.13 on toodud mahtandurite karakteristikud.
Termotakistusandurid.
Termotakistusandurite talitus põhineb metallide ja pooljuhtide võimel muuta sõltuvalt
temperatuurist oma elektritakistust.
Termotakistustermomeeter joonisel 0.2.14., kujutab endast traati, mis on mähitud
isolatsioonimaterjalist karkassile.
Sõltuvalt mõõdetava temperatuuri diapasoonist
valmistatakse traat plaatinast, vasest,
volframist või niklist. Selliste andurite staatiline
karakteristik on lineaarne ja temperatuuri kasvades
nende takistus suureneb.
Termotakistusandurite eeliseks on suur mõõtetäpsus ja
stabiilsus ning võimalus mõõtetulemust automaatselt
üles kirjutada või kauge maa taha edastada. Kõige
laiemalt on levinud plaatinaandurid.
Kasutatakse ka pooljuhtidel töötavaid
termotakistusandureid, mida nimetatakse ka
termistoriteks. Termistorandurites kasutatakse
mangaani, kroomi, koobalti või nikli oksiide. Need
pulbrikujulised pooljuhtmaterjalid pressitakse kokku
ja paagutatakse kõrgel temperatuuril. Pooljuht
termotakistusanduritel on tunduvalt suurem
elektritakistuse temperatuuritegur st. nendega on
võimalik mõõta temperatuure tunduvalt suuremas
diapasoonis kui traattermotakistusanduritega.
Termistorite puhul temperatuuri suurenedes nende takistus väheneb. Joonisel 0.2.15. on
toodud termotakistusandurite staatilised karakteristikud. Karakteristikutest nähtub, et
traatandurite puhul on karakteristikud lineaarsed. Termistorite karakteristikud on
mittelineaarsed ja nad on ka ebastabiilsemad, mis piirab nende kasutamist.
13/27 jklng3.sxw
Termoelektrilised andurid.
Termoelektrilisi andureid kasutatakse suhteliselt kõrgete temperatuuride mõõtmiseks.
Termoelektrilises anduris on tajuriks termopaar (joonis 0.2.16.), mis kujutab endast kaht
erinevast metallist või sulamist isoleeritud ja otsapidi kokkujoodetud elektrijuhti. Seda
jootekohta, mis paigutatakse mõõdetava temperatuuri tsooni nim. kuumjooteks.
Elektrijuhtide vabade otste (nim. külmjooteks) ühendatakse millivoltmeeter (indicator).
Kuumjoote ja külmjoote vahelise temperatuuride erinevusel tekib emj, mida mõõdetakse
millivoltmeetriga ja mis on anduri väljundsignaaliks. Väljundsignaali väärtus sõltub
temperatuuri vahest joodete vahel ja jooteid ühendava elektrijuhi materjalist. Selleks, et
saada ühest ja õiget temperatuuri peab olema külmjoote temperatuur kogu aeg ühesugune
või lülitatakse süsteemi spetsiaalne kompensatsiooniseade (tavaliselt resistor).
Sõltuvalt mõõdetava temperatuuri diapasoonist kasutatakse termopaarides:
vask – konstantaan, kromell – konstantaan, raud – konstantaan, kromell – alumell
(alumiiniumi,mangaani ja räni sisaldav niklisulam) jm.
Termoelektriliste andurite staatiline karakteristik on lineaarne.
Termoelektrilist efekti nimetatakse ka Seebecki efektiks (saksa füüsiku Thomas
J.Seebecki 1770 – 1831) järgi.
14/27 jklng3.sxw
Termoelektrilised andurid on kõrge tundlikkusega, on võimalik mõõta temperatuure laias
diapasoonis, on võimalik anda väljundsignaali kauge maa taha.
Puuduseks võib lugeda termopaaride korrosiooni või oksüdeerumist, samuti termopaari
poolt toodetud signaali väikest võimsust, mis eeldab võimendi rakendamist
automaatsüsteemides kasutamisel.
Fototakisti.
Fototakisti on andur, millega mõõdetakse kiirgust. Fototakisti on kahe elektroodiga
pooljuhtelement (joonis 0.2.17.), mille elektrijuhtivus sõltub langeva kiirguse
intensiivsusest ja spektrist.
Pliisulfiidist fototakisti reageerib kõige tundlikumalt infrapunasele kiirgusele,
vismutsulfiidist kiirgusele, mille lainepikkus asub infrapunase ja nähtava spektriala piiril,
kaadiumsulfiidist nähtavale valgusele.
Fototakistitel on suur tundlikkus, nende omadused sõltuvad suuresti temperatuurist, neil
on mittelineaarne valguskarakteristik ja kõrge müratase.
Kasutatakse leegi kontrollimiseks ja temperatuuri mõõtmiseks.
Fotoemissioonandur ehk fotorakk.
Fotoemissioonanduri tööprintsiip põhineb ventiilfotoefektil ehk fotoefektil tõkkekihis –
kahe pooljuhi või pooljuhi ja metalli kokkupuutepinna valgustamisel tekib
elektrimotoorne jõud (fotoelektrimotoorne jõud).
Tüüpilise fotorakk on kujutatud joonisel 0.2.18.
Läbi õhukese läbipaistva kile langeb valgus pooljuht+metall kihile ja genereerib seal
väljundina emj, mis on logaritmiline funktsioon langeva valguse intensiivsusest.
Seadmel on kõrge tundlikkus, hea sageduskarakteristika ja kuna on pinge logaritmiline
sõltuvus valgusest, siis saab seda väga lihtsalt ja laialdaselt kasutada.
15/27 jklng3.sxw
Piesoelektrilised andurid.
Piesoelektrilised andurid töötavad piesoefekti põhimõttel – piesoelektrikute (näit. kvartsi,
Seignette soola kristallide) vastastahkudel, kui kristalle mehaaniliselt deformeeritakse
(surutakse kokku, venitatakse välja), tekib vastasmärgiline elektrilaeng. (vastupidiselt
toimub ka nende kristallide deformeerumine välise magnetvälja toimel). Kuna
genereeritava elektrilaengu suurus on proportsionaalne rakendatud deformeerivale jõule,
annab see võimaluse anduri kasutamiseks rõhu, koormuse ja kiirenduse mõõtmiseks.
Piesoelektrilised materjalid on head isolaatorid ja seetõttu võib neid vaadelda kui
paralleelsete plaatidega kondensaatoreid (joonis 0.2.19.). Iga mõõteriist, mis on lülitatud
läbi kondensaator C nagu joonisel näha, laadib selle tühjaks, seega anduri püsiseisund on
halb. See asjaolu nõuab väga suure näivtakistusega võimendit nn. laenguvõimendit, mis
teeb piesoelektrilised andurid väga kalliks.
Halli andur.
Halli andur ehk Halli generaator on Halli efektil põhinev pooljuhtseadis, mis muundab
16/27 jklng3.sxw
voolutugevuse pingeks (Halli EMJ-ks). Halli andurit
kasutatakse modulaatorina, magnetvälja tugevuse
mõõturina jne.
Joonis 0.2.20. Pooljuhti toidetakse const. vooluga I,
väljund on välise magnetvälja mõjul tekkiv
proportsionaalne Halli pinge UH.
EB = RB ∙ j; (2.2.9)
kus B on magnetiline induktsioon;
j – voolutihedus
R – Halli konstant, mis sõltub voolukandjate
konstantidest ja liikuvusest ning juhtivuse tüübist;
Mehaanilised andurid.
Mehaaniline andur on automaatsüsteemi element, mis muundab kontrollitava suuruse
(rõhu, temperatuuri, nivoo, pöörlemissageduse, kiiruse) tahke keha, vedeliku või gaasi
mehaaniliseks liikumiseks või jõuks.
Mehaanilised andurid rõhu ja rõhulangu mõõtmiseks.
Laevajõuseadmetes on vajadus mõõta rõhku väga suure diapasoonis. Mehaanilisteks
rõhuandurite tajuriteks on elastsed elemendid, mis tasakaalustatakse vedruga. Väikeste
rõhkude mõõtmiseks kasutatakse lamedaid elastseid ja jäiku membraane (joonis 0.2.21).
Elastsed membraanid valmistatakse armeeritud kummist või plastmassist, jäigad
roostevabast terasest või berüllpronksist. Jäikade membraanide puuduseks on nende
vähene läbipaindeulatus ja seega ka mõõtediapasoon. Diapasooni suurendamiseks
tehakse membraanid gofreeritutena
Mõõdetud rõhk muundatakse membraantajuriga jõuks:
F = pFa ; (3.2.10)
kus:
Fa – membraani aktiivne pind;
17/27 jklng3.sxw
Selleks, et suurendada membraani poolt tekitatavad jõudu, kasutatakse jäika tsentrit
(joonis 0.2.21c):
Fa = π/12 (D² + Dd + d²) (3.2.11)
kus:
D – membraani liikuva pinna maksimaalne läbimõõt;
d – jäiga tsentri läbimõõt ( ei tohi olla suurem, kui 0,8D);
Staatiliste karakteristikute hindamiseks vaatleme joonisel 0.2.22. toodud
membraananduri abil.
Xv = aXs, (3.2.12)
kus:
Xv - membraananduri väljundsignaal;
a – ülekandetegur, sõltub membraani konstruktsioonist ja ülekandemehhanismist;
Xs – sisendsignaal Δp;
Graafiliselt on anduri väljundsignaali ja sisendsignaali sõltuvus püsireziimis kujutatud
joonisel 0.2.22b. Karakteristikute asend sõltub tasakaalustava vedru eelpingest Zo ja
ülekandetegurist a.
Kui Zo = 0, siis staatiline karakteristika läbib koordinaatide nullpunkti, eelpingestatuse
suurenemisel nihkub karakteristik paralleelselt iseendaga asendisse 2. Seejuures selleks,
et saavutada Xvmax on vaja mõlemal juhul ühesugune rõhu muutus.
Karakteristiku kalle sõltub ülekandetegurist ja selle vähenemisel läheb karakteristik
asendisse 3.
Vaadeldud staatilised karakteristikud on õiged ideaalsete membraanandurite puhul, kus
ülekandetegur on const ja kõikides lülides puudub hõõrdumine. Tegur a muutudes
mingites piirides sõltuvalt sellest, millises asendis membraan parasjagu on, toob endaga
18/27 jklng3.sxw
kaasa staatilise karakteristiku kõverdumise, mida nimetatakse mitteoluliseks
kõverdumiseks. Membraanandurite ekspluateerimisel reguleeritakse piirajatega
membraani töödiapasoon selliselt, et ta töötaks karakteristikul, mis oleks minimaalse
kõverusega.
Lõtkude ja hõõrdumise olemasolu anduris toob endaga kaasa karakteristiku tunduva
kõverdumise, mille tagajärjel staatiline karakteristik muutub punktide väljaks
moodustades ebatundlikkuse tsooni (joonis 0.2.22c).
Sülfoonandurid.
Sülfoonandur on gofreeritud elastne metalltoru, mille üks suletud ots moodustab aktiivse
pinna.
Mõõtekeskkonna rõhk P mõjub osale jõuga F:
F = FaP (3.2.13)
kus:
Fa – aktiivne pind ≈ π/4 ( (D + d)/2)²;
Sülfoonandurites rakendatav jõud tasakaalustatakse sülfooni enda elastsusega (väikeste
rõhkude puhul) või lisavedruga, nagu joonisel 0.2.23a ja b. näidatud.
Sülfooni jäikus sõltub tema geomeetrilistest mõõtmetest, materjalist gofrite arvust ja
kihilisusest. Suurte rõhkude mõõtmisel on vaja teha sülfooni seinad paksud, mis
omakorda suurendab sülfooni jäikust. Jäikuse vähendamiseks tehakse sülfoonid
mitmekihilised.
Anduri väljundsignaaliks Xv on varda liikumine.
Sülfoonandureid kasutatakse rõhkude mõõtmisel laias diapasoonis (0,01 – 100) Pa.
Sülfoonid valmistatakse tombakist või pooltombakist (tombak on helekollane või
kullavärvuseline vase ja tsingi sulam) väikeste ja keskmiste rõhkude puhul,
berülliumpronksist ja roostevabast terasest suurte rõhkude puhul.
Staatilised karakteristikud sülfoonandurite puhul on sarnased membraanandurite
omadele.
19/27 jklng3.sxw
Manomeetriline ehk Bourdoni toru.
Bourdoni toru on kõverdatud elastne metalltoru ellipsilise või nelinurkse läbimõõduga
(joonis 0.2.23c). Jäigalt kinnitatud otsa tuuakse mõõdetav rõhk P, milline mõjub toru
erinevat sisemist pinda omavale sisemusele ja püüab toru sirgeks painutada. Mõjuv jõud
tasakaalustatakse manomeetrilise toru enda jäikusega. Väljundsignaal Xv on toru vaba
otsa liikumine, mis on proportsionaalne mõjuva rõhu muutusele ΔP.
Bourdoni toru eeliseks on tema suur mehaaniline tugevus, konstruktsiooni lihtsus ja suur
mõõdetava rõhu diapasoon lineaarse karakteristiku juures.
Lineaarse karakteristiku piires mõõtediapasoon sõltub toru konstruktsioonist, materjali
mehaanilistest omadustest ja elastsuspiirist. Piirväärtuste ületamine kutsub esile
manomeetrilise toru jääkdeformatsiooni.
Bourdoni torudel (nagu metallmembraanidelgi) on töötsoonis vedru omadused ja seetõttu
pole neil ka praktiliselt jääkdeformatsiooni, st puudub hüsterees (välismõjule alluva keha
reaktsiooni olenevust sellest, kas keha on juba varem samasuguse mõju all olnud või on
mõju esmakordne). Bourdoni torud valmistatakse valgevasest või pronksist , suuremate
rõhkude mõõtmiseks terasest.
Spiraaltoruvedrud.
Spiraaltoruvedrud (joonis 0.2.23d) on elastne ellipsikujulise ristlõikega metalltoru, mis
on keeratud spiraalikujuliseks. Liikumatu, jäigalt kinnitatud toru otsale antakse
mõõdetava keskkonna rõhk. Spiraaltoru tööpõhimõte on Bourdoni toru tööpõhimõttega
sarnane. Väljundsignaaliks Xv on toru vaba otsa pöördumisnurk. Spiraaltoruvedrusid
kasutatakse juhul, kui on vaja saada väikeste rõhumuutuste korral anduri väljundlüli suur
liikumine.
Rõhulanguandurid.
Rõhulangu mõõtmist kasutatakse sageli vedeliku või gaaside kulu määramiseks, samuti
torujuhtme takistuse määramiseks.
Väikeste rõhulangude (10 – 1600Pa) määramiseks kasutatakse membraanandureid
(joonis 0.2.24a) ja suurema diapasooni mõõtmiseks sülfoonandureid (joonis 0.2.24b)
Esimese puhul mõõdetavad rõhud P1 ja P2 antakse membraani ühele ja teisele poolele,
jäigal tsentril tekib proportsionaalselt rõhkude vahele suunaga väiksema rõhu poole jõud
F. Varras, mis väljub andurist tihendatakse topendiga või sülfooniga. Sülfooni
kasutamise korral tuleb arvestada sellega, et vardapoolse membraani aktiivne pind
väheneb tihendussüslfooni aktiivse pinna võrra. Sülfoon rõhulangu andur koosneb kahest
võrdväärse aktiivpinnaga sülfoonist, mis muundavad mõõdetavad rõhud
vastassuundadesse suunatud jõududeks. Tekkiv rõhulangule Δ(P1 – P2)
proportsionaalne jõudude vahe tasakaalustatakse vedruga ja sülfooni enda jäikusega.
Kahe sülooniga rõhulangu andur on väga tundlik, sest puudub hõõrdumine väljuva varda
tihenduses (seda pole vaja!).
20/27 jklng3.sxw
Nivooandurid.
Peamisteks mehaanilisteks nivooanduriteks on ujukandurid, membraanandurid ja
termohüdraulilised andurid.
Ujukandur on kõige lihtsam konstruktsioonilt ja tööpõhimõttelt. (joonis 0.2.25a).
Nivoomuutus mahutis muudab ujuki asendit, mille väljundsignaaliks on varda 1
liikumine.
Membraananduri (joonis 0.2.25b) tajuriks on membraan 5, mis jaotab anduri korpuse
kaheks osaks. Jäiga tsentriga membraani külge on kinnitatud lisaraskus 6. Membraani
alumine pool on läbi drosselklapi ühendatud kondensatsiooni mahutiga 2, milles
kondensaadi tase on const tänu ülevoolutorule. Membraani alumisele poolele mõjub
veesammas ho. Membraani ülemine pool on ühendatud katla trumli 1 vee osaga ja
mõjub veesamba h1. Rõhulangust h = ho – h1 tekitatud jõud, mis mõjub membraanile
tasakaalustatakse raskuse 6 ja häälestusvedru 3 mõjuvate jõudude summaga.
hρgfa = FM + a1czo (2.2.14.)
kus:
ρ – vee tihedus;
g – vabalangemise kiirendus;
fa – membraani aktiivne pind;
FM – raskuse massi poolt tekitatud jõud;
a1 – ülekandetegur;
zo – seadevedru 3 eelpingestatus;
Raskus riputatakse jäiga tsentri külge selleks, et vähendada anduri staatilist ebaühtlust ja
laeva kreeni mõju. Veenivoo tase reguleeritakse vedruga 3.
21/27 jklng3.sxw
Joonis 0.2.25.
Vee tasapinna muutus toob endaga kaasa membraanile mõjuvate jõudude tasakaalu
rikkumise, selle läbipainde ja hoova 4, mis on seotud reguleeriva organiga,
proportsionaalse liikumise. Nivoo membraananduri eeliseks on hea tundlikkus ja
soojusinertsi puudumine. Tema tööd ei mõjuta rõhk katlas, kuna see mõjub membraanile
mõlemalt poolt. Laeva lengerdamise mõju andurile saab vähendada drosselklapi 7
paigaldamisega.
Termohüdraulilised nivooandurid.
Termohüdraulilised andurid (joonis 0.2.25c) koosneb terastorust 8, mis kinnitatud
ribidega katte 9 sisse. Sisemise toru ülemine ots on seotud katla trumli 1 aurupoolega
alumine veepoolega, seetõttu on nii trumlis kui ka torus vee nivoo kogu aeg ühesugune.
Toru 8 ja katte 9 vaheline kondensaadiga täidetud ruum on toru 10 kaudu ühendatud rõhu
signalisatsiooniseadme või täiturseadmega, mis juhib katla toiteklappi. Andur
paigaldatakse selliselt, et ta oleks katla trumli horisontaaltasapinna suhtes 30 kraadise
nurga all, ja tema keskkoht vastaks normaalsele nivoole katlas.
Nivoo muutumisel katlas muutub torus 8 veega ja auruga uhutavate pindade suhe.
Termodünaamikast on teada, et sama temperatuuri juures on auru soojusjuhtivus suurem
kui veel, mistõttu toru ja katte vahelisse antav soojushulk on erinevatel tasapindadel
erinev. Vee tasapinna muutus kutsub seega esile kondensaadi aurustumise (tasapinna
alanemisel) või kondenseerumise soojuse eemaldamisega läbi kattele kinnitatud ribide
(tasapinna tõusmisel). See asjaolu tingib rõhu proportsionaalse tõusu või alanemise torus
8 sõltuvalt vee nivoost katlas.
Selliseid andureid kasutatakse väikese koormusega katelde puhul kuna siin on
soojusinerts suur ja andur reageerib aeglaselt. Peale selle väljundsignaal sõltub suurel
määral ümbritseva keskkonna temperatuurist.
Pneumaatilised nivooandurid.
22/27 jklng3.sxw
Pneumaatilisi nivooandureid kasutatakse kütuse ja ballastitankide vedeliku tasapinna
kontrollmõõteriistades (vt. Joonis 2.2.19b.) ja on üks kõige töökindlamaid andureid
selleks otstarbeks.
a) b)
Joonisel 2.2.19a on mahtuvuslik nivooandur, nivoo muutus põhjustab süsteemi
mahtuvuse muutuse, mis fikseeritakse elektrilise mõõtesillaga (vt. joonis 0.4.5, loeng 4).
Mehaanilised temperatuuriandurid.
Mehaanilised temperatuuriandurid kasutavad vedelike või tahkete kehade
soojuspaisumist või siis gaaside või vedelikuaurude rõhu muutust kinnistes süsteemides.
Selliste andurite väljundsignaaliks on temperatuuri muutumisele proportsionaalne
liikumine või jõud
Vedeliktermomeetrid töötavad kesta ja kesta sees oleva vedeliku soojuspaisumiste
erinevusel.
Klaastermomeeter koosneb balloonist ja selle külge joodetud läbipaistvast ja
temperatuurile gradueeritud kapillaartorust. Balloon täidetakse vedelikuga, mille
soojuspaisumine on 15 – 30 korda suurem, kui kestal, seetõttu temperatuuri tõus
põhjustab vedeliku ruumala suurenemise balloonis ja väljatõrjumise kapillaartorusse.
Klaastermomeetri kest ja kapillaartoru valmistatakse klaasist või kvartsist. Vedelikkudest
kasutatkse piiritust, metüülbenseeni, pentaani (küllastunud süsivesinik CH3(CH2)3CH3 –
põlev, nõrga lõhnaga kergesti liikuv värvuseta vedelik) või voolavaid metalle nagu
elavhõbe ja gallium.
Temperatuuri vedelikandur.
Vedelikandur koosneb metallist termopadrunist 1 (joonis 0.2.26a.) sülfoonkambrist 3,
mis omavahel ühendatud painduva kapillaartoruga 2. Termopadrun ja sülfoonkamber on
23/27 jklng3.sxw
hermeetilised ja täidetud sõltuvalt mõõdetava temperatuuri diapasoonist glütseriini,
dimetüülbenseeni või elavhõbedaga. Termopadrun paigaldatakse mõõdetavasse
keskkonda, temperatuuri muutusel täitevedeliku maht vastavalt suureneb või väheneb,
mis mõjutab sülfooni liikumist. Temperatuuri vähenemisel (täitevvedeliku mahu
vähenemisel) liigub sülfoon vedru 4 mõjul. Anduri väljundsignaaliks on varda 5
proportsionaalne liikumine sõltuvalt temperatuuri muutusest. Seega on anduri staatiline
karakteristik lineaarne.
Nende andurite eeliseks on see, et neid saab paigaldada mõõteriistast või täiturseadmest
küllalt kaugele, ja ümberpaigutuse jõud on küllalt suur, puuduseks see, et neid mõjutab
väliskeskkonna temperatuur
Tahke täidisega andurid (0.2.26b) on põhimõtteliselt samasuguse tööpõhimõttega kui
vedelikandurgi. See on jäigalt kinnitatud hermeetiline sülfoon, mis täidetud amorfse
kehaga (tavaliselt vahaga, mis segatud soojusinertsi vähendamiseks vasepuruga).
Sülfooni uhtuva keskkonna temperatuuri muutuse mõjul täiteaine maht suureneb või
väheneb ja kutsub esile sülfooni otsa liikumise, mis ongi anduri väljundsignaaliks.
Dilatomeetriline andur (joonis 0.2.26c) koosneb torust 10, mille alumine ots on joodetud
torus vabalt liikuva varda 11 külge. Vedru 7 surub hoova 8 vastu varda 11 otsa. Toru 10
asetatakse mõõdetava keskkonna sisse.
Toru materjal valitakse suure soojusjuhtivusega ja tunduvalt suurema joonpaisumisega
kui seda on vardal. Toru valmistatakse vasest, valgevasest või terasest, varras invarist
(koobalti, raua ja kroomi sulam), mille joonpaisumistegur on 5 korda väiksem kui vasel
ja 2 korda väiksem kui terasel. Toru uhtuva keskkonna temperatuuri muutus ∆θ kutsub
esile varda ülemise otsa liikumise Δl:
∆l = (a1 – a2)lo∆θ (3.2.15)
kus:
a1 ja a2 – vastavalt toru ja varda materjalide joonpaisumistegurid;
lo – dilatomeetri aktiivne pikkus;
24/27 jklng3.sxw
Varda 11 liikumine kutsub esile hoova 8 pöördumise ümber toe O ja tema vaba otsa B
proportsionaalse liikumise, mis on anduri väljundsignaaliks. Dilatomeetrilistel anduritel
lineaarne staatiline karakteristik, on suur umberpaigutusjõud, kuid väljundsignaali väärtus
on väikene, soojusinerts tunduv. Puuduseks on ka suhteliselt ebatäpne mõõtmistulemus.
Bimetallandurid (joonis 0.2.26d) on samasuguse tööpõhimõttega. Tajuriks on lame või
spiraalne vedru 12, mis on tehtud kahest kokkujoodetavas erinevast metallist.
Temperatuuri muutusel erinevate materjalide pikkus muutub erinevalt, kutsudes esile
lameda vedru kõverdumise või spiraali keerdumise. Üks vedru ots on kinnitatud jäigalt,
vaba otsa liikumine on anduri väljundsignaaliks.
Puuduseks on mõõtmise suur ebatäpsus.
Termomanomeetrilised andurid on konstruktsioonilt sarnased vedelikanduritega.
Vedeliku asemel on süsteemis gaas (gaastermoandur) või mingi aur – vedelik (aur –
vedelikandur).
Aur – vedelikandurites süsteem täidetakse 2/3 ulatuses vedelikuga, mille
keemistemperatuur on alla mõõdetava, ülejäänud mahu täidab selle vedeliku aur.
Sõltuvalt mõõdetava temperatuuri diapasoonist kasutatakse :kloormetüüli, klooretüüli,
etüüleetrit, atsetooni, või benseeni. Rõhk antakse mõõteriistani või täiturseadmeni
kapillaartoru kaudu. Rõhukandjaks kapillaartorus on piiritus või glütseriini ja vee segu
(seda tehakse selleks, et vähendada keskkonna temperatuuri mõju mida kapillaartoru
läbib.
Seega väliskeskkonna temperatuur ei mõjuta aur – vedelik andurite tööd, küll on aga
nende staatiline karakteristik mittelineaarne.
Gaasandur täidetakse täielikult surve all lämmastikuga või heeliumiga ja tal on lineaarne
staatiline karakteristik.
Andur on tundlik väliskeskkonna muutustele.
Vedelikandurite, tahkete täiteainetega ja gaasandurite üldiseks puuduseks on nende suur
soojusinerts ja suured nõuded süsteemi hermeetilisusele, kui süsteem lekib on
mõõtetulemused valed. Remontida (eriti laevatingimustes) on võimatu.
Mehaanilised pöörlemissageduse andurid.
Kasutatakse mehaanilisi ja hüdraulilisi pöörlemissageduse andureid.
Mehaanilised pöörlemissageduse andurid on kõige levinumad. Tööpõhimõte rajaneb
Watti regulaatoril, kus pöörlemissagedus muundatakse tsentrifugaaljõuks ja võrreldakse
seda seadevedru pingusega. Tsentrifugaalanduris on tajuriks telgedel ketta 5 tugedel O
vabalt pöörlevad vihid 1 (joonis 0.2.27a). Ketas 5 pannakse pöörlema mootori või mõne
mehhanismi võllilt läbi mehaanilise ülekande. Pöörlemissagedus n on proportsionaalne
nurkkiirusele ω ja muundatakse vihtidega tsentrifugaalseks jõuks Fts, mis rakendatakse
võrdleval elemendil (muhvil) 3 väärtusega Fts´ ja võrdsustatakse silindrilise seadevedru
2 jõuga Fv.
25/27 jklng3.sxw
Anduri staatiline karakteristik on mittelineaarne (joonis 0.2.27b kõver II). Staatilise
karakteristiku kõverus seletub muhvi umberpaigutuse suuruse Δz sõltuvusest ruudus
pöörlemissageduse muutusest Δn, samuti vihtide pöörlemisraadiuse muutusest Δr
sõltuvalt pöörlemissageduse muutumisest. Staatilist karakteristikut saab lineaarsele I tuua
lähemale kui asendada silindriline (püsiva jäikusega) seadevedru 2 koonilise (muutuva
jäikusega) vedruga 6. Kasutatakse ka moodust, et vedrusid on erineva jäikusega pakett.
Väljundsignaaliks on selle anduri puhul muhvi 3 lineaarne liikumine.
Hüdraulilises anduris on tajuriks mootori või mehhanismi võllilt käitav
hammasrataspump (joonis 0.2.27c) või tsentrifugaalpump (impeller) ( joonis 0.2.27d).
Võlli pöörlemissageduse muutumisega muutub õli rõhk pumba väljundis, kusjuures õli
rõhk on üheselt määratud pöörlemissagedusega. See rõhk antakse anduri sisendisse, mille
väljundsignaaliks on mingi väljundlüli nihkumine.
Hüdrauliliste andurite eeliseks on väikene inertsus vedeliku vähese kokkusurutavuse tõttu
ja konstruktsiooni lihtsus. Puuduseks on mittelineaarne ja ebastabiilne staatiline
karakteristik, mille põhjustab õli viskoossuse muutus mehhanismi töö käigus.
Mehaanilised kuluandurid.
26/27 jklng3.sxw
Rõhulanguga kulumõõtjates on tajuriks diafragma või Venturi toru (vastav. joonis
0.2.28a ja b).
Teatavasti, kui vedelik läbib torus kitsama koha
suureneb seal kiirus ja tekib rõhulangus.
Seejuures, mida suurem on rõhulangus, seda
suurem on kulu.
W = Kf√ Δp (3.2.16)
kus:
K – proportsionaalsustegur, sõltub mõõdetava
keskkonna tihedusest ja drosseli
kulukarakteristikutest;
f – drosseli ava pind;
Δp = p1 – p2;
Rotameeter (joonis 0.2.28c) on rõhulanguandur,
koosneb koonilisest klaasist torust, millele
joonistatud skaala. Klaastoru sees on ujuk.
Püsirežiimis ujuki kaal tasakaalustatakse
mõõdetava keskkonna voolu jõul, mis mõjub
tema pinnale suurusega Δp = p1 – p2 ja ujuk püsib torus teatud kõrgusel h. Erinevate
püsivate kuluväärtuste juures rõhkude vahe Δp jääb samaks, pilu pind f ujuki ja toru
seina vahel ning ujuki kõrgus h muutuvad vastavalt kulu muutusele. Mõõdetava
keskkonna kulu on proportsionaalne pinna f väärtusele ja üheselt iseloomustatakse ujuki
kõrgusega torus h.
Joonisel 0.2.28 d, e ja f on tiivik- ja rootoranduritega kulumõõtjad, neid vaatleme
kontrollmõõteriistade loengus.
Kirjandus:
J.A.Haslam, G.R.Summers, D.Williams “Engineering instrumentation and control” London,
Arnold.1997.
А.С.Клюев ¨Автоматическое регулирование¨ М.: ¨Высшаяшкола ”. 1986.
В.С.Онасенко ¨Судовая автоматика¨ М.:¨Транспорт¨ 1988.
Tehnikaleksikon T.: “Valgus” 1981.
27/27 jklng3.sxw