پروژه پایانی کارشناسی ناپیوسته برق-الکترونیک با موضوع بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی

اختصاصی از کوشا فایل پروژه پایانی کارشناسی ناپیوسته برق-الکترونیک با موضوع بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : word(قابل ویرایش)

تعداد صفحات:365

فهرست مطالب:
فصل ۱: کرنش و فشار ————————————۱
• کرنش مکانیکی——————————————-۲
• تداخل سنجی———————————————۹
• روشهای فیبر نوری————————————–۱۳
• گیجهای فشار——————————————–۱۴
• فشار گازی کم——————————————-۲۱
• گیجهای یونیزاسیون————————————–۲۳
• استفاده از ترانسدیوسر———————————–۲۶
فصل ۲: موقعیت ، جهت ، فاصله و حرکت———-۲۸
• موقعیت ————————————————۲۹
• جهت—————————————————۳۰
• اندازه گیری فاصله – مقیاس وسیع———————–۳۹
• فاصله پیموده شده—————————————۴۱
• سیستمهای شتاب سنج———————————-۵۰
• دوران————————————————۵۶
فصل ۳: سنسورهای دما و ترانسدیوسرهای حرارتی———۶۸
• گرما و دما——————————————-۶۹
• نوار بی متال—————————————–۷۰
• انبساط مایع و گاز ————————————۷۴
• ترموکوپلها——————————————-۷۶
• سنسورهای مقاومت فلزی—————————-۸۵
• ترمیستورها—————————————–۹۲
• تشخیص انرژی گرمایی تابشی———————–۹۹
• آشکارسازهای پایروالکتریک————————۱۰۰
• ترانسدیوسرهای حرارتی—————————-۱۰۳
• ترانسدیوسرهای حرارتی به الکتریکی—————۱۰۵
فصل ۴: جامدات ، مایعات و گازها————–۱۰۸
• جرم و حجم—————————————-۱۰۹
• سنسورهای الکترونیک—————————۱۱۰
• آشکارسازهای مجاورتی————————–۱۱۵
• سطح مایعات————————————-۱۳۰
• سنسورهای جریان مایع—————————۱۳۳
• زمان سنجی————————————–۱۳۷
• گازها——————————————–۱۴۱
• ویسکوزیته (گران روی)————————–۱۴۵
فصل ۵: فرآیندها————————–۱۷۴
• فرآیندهای صنعتی——————————–۱۷۵
• بررسی رفتارهای کلی فرآیندهای صنعتی——–۱۹۴
• روشهای عملی تعیین تابع تبدیل فرآیندها——-۲۰۶
فصل ۶: کنترل کننده ها——————–۲۲۰
• کنترل کننده ها———————————–۲۲۱
• کنترل کننده ها از نظر انرژی محرکه————-۲۲۱
• کنترل کننده ها از نظر قانون کنترل—————۲۲۲
• اصل کلی ایجاد عملیات در کنترل کننده ها——-۲۳۶
• کنترل کننده های الکتریکی———————۲۳۷
• کنترل کننده های بادی————————–۲۴۲
• کنترل کننده های هیدرولیکی——————–۲۶۱
• انتخاب کنترل کننده ها————————–۲۹۰
• تنظیم کنترل کننده ها—————————۲۹۴
• جبرانسازی در سیستمهای کنترل صنعتی——–۳۰۷
فصل ۷: عناصر نهایی و محرک ها———–۳۱۹
• شیرها—————————————–۳۲۱
• محرک ها————————————-۳۲۹
• تثبیت کننده شیر——————————-۳۴۳
• شیرهای مخصوص—————————-۳۴۸
• تقویت کننده ها———————————۳۵۳
• مراجع

چکیده:

 فصل اول

کرنش مکانیکی

عبارتهای تنش و کرنش غالباً در موقع استفاده با یکدیگر اشتباه می شوند و بنابراین لازم است در اینجا تعریف روشنی از این در کلمه بیان شود.

کرنش نتیجه تنش است و به صورت تغییر نسبی ابعاد یک شی بیان می شود، بدین معنی که تغیر بعد تقسیم بر بعد اصلی می شود، به گونه ای که به عنوان مثال، از نظر طولی کرنش تغییرات طول تقسیم بر طول اصلی است. این کمیتی است که یک عدد خالص بوده و حاصل تقسیم یک طول بر طول دیگر است و بنابراین دیمانسیون فیزیکی ندارد.

کرنش به روشی مشابه تغییر کمیت تقسیم بر کمیت اصلی را می توان برای اندازه گیری های سطح و یا حجم تعریف کرد به عنوان مثال، کرنش سطح، عبارتست از تغییر سطح تقسیم بر سطح اصلی و کرنش حجم، تغییرات حجم تقسیم بر حجم اصلی است.

در مقابل، تنش، عبارتست از تقسیم مقدار نیرو بر مقدار سطح. همانگونه که درمورد یک سیم و یک میله در تنش کششس و یا فشای ، بهعنوان مثال، تنش کششی عبارت از نیروی وارده تقسیم بر سطحی که نیرو به آن وارد می شود که آن سطح،سطح مقطع سیم و یا میله است. درمورد موادی مانند مایعات و یا گازها، که می توانند در تمام جهات به طور یکنواخت فشرده شوند، تنش کلی نیرو بر واحد سطح است که همان فشار وارده است و کرنش تغییر حجم تقسیم بر حجم اصلی است. عمومی ترین ترانسدیوسرهای کرنش از نوع تنش مکانیکی کششی (Tensile mechanical stress) هستند. اندازه گیری کرنش، اجازه می دهد که مقدار تنش با دانستن مدول الاستیک (Elastic modulus) قابل محاسبه باشد. تعریف هر نوع از ضریب کشسانی کرنش/ تنش است (که دارای واحد تنش است،چون کرنش واحد فیزیکی ندارد) و کاربردی ترین مدول الاستیک ، مدول خطی یانگ ، مدول برشی (پیچش)و مدول بولک (فشار) است.

برای مقادیر کوچک کرنش مقدار کرنش متناسب با تنش است و مدول الاستیک کمیتی است که نسبت کرنش/ تنش را در ناحیه الاستیک، بیان می کند، (قسمتی از نمودار کرنش- تنش که خطی است) به عنوان مثال مدول یانگ نسبت کرنش کششی/ تنش کششی، به طور نمونه برای هر ماده به شکل سیم اندازه گیری می شود (شکل 1-1) روش اندازه گیری کلاسیک، هنوز هم در آزمایشگاه مدارس مورد استفاده قرار می گیرد و درآن از یک زوج سیم بلند استفاده می شود، که یکی از آنها به بار وصل شده و به سیم دیگر یک ورنیه مدرج نصب می شود.

آشکارسازی و تبدیل تنش کششی در برگیرنده اندازه گیری تغییرات خصی کوچک طول یک نمونه است. این به وسیله اثر تغییرات دما، که ایجاد انبساط و یا انقباض می‌کند کامل می شود. برای تغییرات حدود صفر تا 90 درجه سانتیگراد که دمای محیط اطراف ماست، انبساط و انقباض طول در همان حدود اندازه تغییراتی که توسط مقادیر زیادی فشار ایجاد می شود خواهد بود. بنابراین هر سیستمی برای آشکار سازی و اندازه گیری کرنش بایستی به نحوی طراحی شود که اثرات دما بتواند جبران سازی شود.

قوانینی که برای آشکار سازی کرنش خطی و یا سطحی استفاده می شود پیزورزیستیو و پیزو الکتریک نامیده می شوند.

معمول ترین روش اندازه گیری کرنش با استفاده از استرین گیجهای مقاومتی محقق می شود. یکاستریم گیج مقاومتی شامل یک ماده هادی به شکل یک سیم و یا نوار نازک است که به صورتی محکم به مادهای که کرنش     آن بایستی آشکار شود متصل شده است. این ماده ممکن است دیوار یک ساختمان، تیغه یک توربین، قسمتی از یک پل، هر چیزی باشد که درآن تنش اضافی بتواند اغتشاش تهدید کننده ای آشکار کند. محکم کردن ماده مقاومتی معمولاً توسط رزینهای اپوکسی (مانند آرالدیت) انجام میگیرد، چون این مواد بسیار محکم هستند و عایقهای الکتریکی نیز به شمار می روند. سپس نوار استرین گیج به عنوان ییک از بازوهای مدار پلی مقاومتی به مدار وصل می شود (شکل 1-2) این یک مثال در مورد قانون پیزورزیستیو است، چون برای آشکار سازی از تغییر مقاومتی که به دلیل تغییر شکل ساختمان کریستالی ماده حاصل شده است استفاده می شود.

می توان با استفاده از یک استرین گیچ در ثل مقاومتی به طوری که تحت کرنش قرار نگرفته باشد به گونه ای مقایسه ای اثر تغییرات دما را به حداقل رسانید. این اقدام نه تنها به خاطر اینکه ابعاد ماده مورد بررسی در نتیجه تغییرات دما تغیر خواهد کرد بلکه به این دلیل است که خود مقاومت عنصر استرین گیچ نیز تغییر خواهد کرد. با استفاده از دو استرین گیچ یکسان، که یکی از آنها تحت کرنش نباشد، در مدارپل، این تغییرات در مقابل یکدیگر می توانند متعادل شوند و باعث شود تنها تغییرات مربوط به کرنش آشکار شوند. حساسیت این نوع سنجه، که غالباً سنجه پیزورزیستیو نامیده شده، تحت عنوان فاکتور گیج اندازه گیری می شود. این مفهوم به عنوان نسبت تغییرات مقاومت به تغییرات کرنش معرفی می شود و به طور معمول برای سنجه از نوع سیم فلزی در حدود 2 و برای نوع نیمه هادی آن حدود 100 است.

 شکل 1-2 استفاده از استرین گیج- (a) شکل فیزیکی یک استرین گیج (b) یک مدار پل اندازه گیری برای استفاده استرین گیج. با استفاده از یک سنجه فعال (تحت کرنش) و یک سنجه غیر فعال (بدون قرار گرفتن تحت کرنش) در یک بازوی پل، چنانچه هر دو گیج به طور یکسان تحت تاثیر دما قرار گیرند، اثرات دما جبران سازی می شود. دو سنجه معمولاً به صورت پهلو به پهلو قرار می گیرند اما تنها یک سنجه به طور محکم به سطح تحت کرنش وصل می شود.

 همان گونه که اعداد فاکتور در بالا نشان می دهند تغییر مقاومت یک گیج که با استفاده از المنتهای سیم مرسوم ساخته می شوند (که عمدتاً از جنس سین نیکرن نازک هستند) خیلی کوچک است.

به دلیل اینکه مقاومت یک سیم متناسب به طول آن است، تغییرات نسبی مقاومت با تغییرات نسبی طول خواهد بود، بهطوری که تغییرات کمتر از 1/0% قابل آشکارسازی است. چون مقاومت در مقایسه با مقاومت اتصالات در مدار خیلی کوچک باشد و این امر در موقع اندازه گرفتن مقدار کرنشهای کوچک، اندازه گیری را غیر مطمئن سازد. استفاده از نوار نیمه هادی به جای سیم فلزی اندازه گیری را بسیار آسانتر می کند، چون مقاومت چنین نواری به مقدار قابل توجهی بزرگتر خواهد بود و به دنبال آن، تغییرات مقاومت نیز به میزان قابل توجهی می تواند بزرگتر باشد و باستثنای کاربردهایی که درآنها دمای المنت بالا است (به عنوان مثال، تیغه های توربین گازی)، استرین گیج از نوع نیمه هادی ترجیح داده می شود.بستن و ثابت کردن آن همانند نوع فلزی است و ماده نیمه هادی توسط یک لایه غیر فعال محافظ از آلودگی فضای اطراف به وسیله اکسیداسیون روی است و ماده نیمه هادی توسط یک لایه غیر فعال محافظ از آلودگی فضای اطراف به وسیله اکسیداسیون روی سطح محافظت می شود این نکته بسیا ربا اهمیت است، چون اگر اتمسفر اطراف المنت گیج، لایه اکسید را از بین ببرد. آنگاه قرائتهای گیج تحت تاثیر عوامل شیمیایی قرار خواهند گرفت، درست همانگونه که تحت تاثیر کرنش قرار می گیرند و در نتیجه اندازه گیریها قابل اعتماد نخواهند بود.

استرین گیجهای پیزوالکتریک در مواردی که اندازه گیری در مدت زمان کوتاه انجام می شود و یا اینکه مقادیر آنها سریعاً تغییر می کنند مفید هستند. یک ماده پیزوالکتریک، ماده ای است که وقتی کریستال آن تحت کرنش قرار می گیرد، یونهای آن به صورت غیر متقارن حرکت می کنند، به گونه ای که بین دو صفحه کریستال EMF  تولید می شود (شکل 1-3) اگر کریستال به مقدار خیلی زیاد تحت کرنش قرار گیرد، می تواند EMF بسیار زیادی، حتی در حدود چند kV ایجاد کند.

 شکل 1-3 قوانین کریستال پیزوالکتریک . شکل کریستال مکعبی نیست، ولی برای ساده تر کردن مفهوم، جهت اثرات روی یک مکعب نشان داده شده اند. بیشترین اثر الکتریکی روی وجوهی از مکعب به دست می آیند که جهت آنها عمود بر وجوهی است که نیرو اعمال می شود. محور رسوم محور نوری نامیده می شود به دلیل اینکه نوری که در این جهت به کریستال تابانیده می شود بیشتر از جهات دیگر تحت تاثیر پلاریزاسیون قرار می گیرد.

 به طوریکه گیج بتواند حس کند، اماآمپدانس خروجی خیلی زیاد و معمولآً خازنی اصست. شکل 1-4 مدار معادل الکرتیکی و شکل 1-5 پاسخ فرکانسی یک کریستال کوارتز اطارف فرکانسهای رزونانس اصلی را نشان می دهد. خروجی یک استریم گیج پیزوالکتریک DC نیست، لذا این نوع گیچ برای آشکار سازی تغییرات آهسته مفید استفاده نمی باشد و کاربرد اصلی آن برای آشکار سازی شتاب است.

دو شکل عمده انواع عناصر استرین گیج، عبارتند از پس ماند و لغزش. پس ماند روی نمودار بدین صورت بیان می شود که نمودار تعییر مقاومت نسبت به تغییرات طول در مسیر کاهش تنش دقیقاً همنان مسیر مربوط به افزایش تنش را طی نمی کند. (شکب 1-6) این اثر بایستی کوچ و از مرتبه 025/0 قرائت ماکزیمم باشد.

 شکل 1-4 مدار معادل یک کریستال که شامل یک مدار رزونانس با اندوکتانس خیلی بالا، ظرفیت خازنی پایین و مقاومت تقریبآً صرفنظر کردمی است.

شکل 1-5 مشخصه الکتریکی کریستال کوارتز

 شکل 1-6 اثر پس ماند روی یک استرن گیج که مقدار زیادی در آن مبالغه شده است. نمودار در جهت افزایش کرنش خطی است، اما زمانی که کرنش کاهش می یابد همان مسیر را نمی‌پیماید. نتیجه فوق در گیج دارای مقاومت دائماً متغیر زمانی که کرنش حدی می شود اتفاق می افتد.

 کشش بیش از حد یک استرین گیج باعث افزایش زیاد در پس ماند می شود واگر خیلی زیاد باشد، باعث می شود که گیج یک تغییر دائمی طول را نشان دهد وفیر قابل استفاده شود مگر اینکه مجدداً کالیبره شود. مسئله دیگر، لغزش استرین گیج است، مه در نتیجه تغییر تدریجی طول المنت گیج اتفاق می افتد که ارتباطی با کرنش ماده ای که مورد اندازه گیری است ندارد. لغزش نیز بایستی خیلی کوچک و از مرتبه 025/0% قرائت معمولی باشد. پس ماند و لغزش هر دو اقرات غیرخطی هستند که به هیچ وجه حذف شدنی نیستند اما با انتخاب دقیق ماده مناسب استرین گیج می توان مقادیر آنها را کاهش داد. هر دو مقدار پس ماند و لغزش در اثر افزایش دمای کار گیج افزایش می یابند.
لودسلها

لودسلها در سیستمهای توزین الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند. یک لودسل عبارت است از یک ترانسدیوسر نیرو که نیرو یا وزن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. اساساً، لودسل از یک مجموعه استرین گیج تشکیل شده است، که معمولآً چهار عدد هستند و به صورت مدار پل و ستون وصل شده اند. خروجی مدار پل ولتاژی است که مقدار آن متناسب با نیروی وارده به لودسل است. خروجی ولتاژ مورد نظر یا به طور مستقیم پردازش می شود و یا اینکه ابتدا دیجیتایز شده سپس آماده پردازش می شود.

 1-2- تداخل سنجی

روش دیگری برای اندازه گیری کرنش که دارای امتیازات قابل توجهی نیز هست و حساسیت مناسبی هم دارد روش تداخل سنجی است. اگرچه وصول این روش کاملاً قدیمی است، اما استفاده علمی از آن تا زمانی که لیزرهای مناسب و تجهیزات وابسته به آن، به همراه شیوه های الکترونیک کاربردی قرائت اندازه گیری رایج نشده بود به عهده تعویق افتاد.

قبل از آنکه بخواهیم استرین گیج از نوع تداخل سنج لیزری را تشریح کنیم، لازم است اصول تداخل موج و مشکلات آن وقتی موجهای تداخلی از نوع نور هستند را بدانیم.

پدیده تداخل در همه انواع امواج روی می دهد (شکل 1-7) وقتی دو بار با یکدیگر تلاقی می گنند و با یکدیگر همفاز هستند (پیکهای هم علامت یکدیگر را تقویت می کنندن)، نتیجه این تداخل، موجی با دامنه بزرگتر است که یک موجب تقویت شده است. این نوع تداخل، تداخل فزاینده دامنه نامیده می شود. اگر چنانچه دو موجب با فازهای مخالف هم با یکدیگر تداخل کنند، مجموع دو موج یا دارای دامنه صفر خواهد بود یا اینکه دامنه آن کوچه خواهد بود و تداخل آن کاهنده دامنه نامیده می شود. تغییر تداخل فزاینده دامنه به کاهنده دامنه زمانی اتفاق می افتد که تعییر فاز یکی از دو موج نسبت به موج دیگر در مدت نیم سیکل صورت پذیرد. اگر امواج از دو منبع منشتر شوند، آنگاه حرکت یک منبع با فاصله ای باندازه نصف طول موج برای تغییرنوع تداخل از نوع فزاینده دامنه به نوه کاهنده دامنه و بالعکس کافی خواهد بود. اگر امواجی که استفاده می شوند دارای طول موج کوتاه باشند آنگاه فاصله نصف طول موج خیلی کوتاه خواهد بود واین روش اندازه گیری خیلی حساس و دقیقی برای اندازه گیری فاصله خواهد بود.

طول موج نور قرمز حدود nm 700 یا m 7-10 و یا mm 4-10 خواهد بود. به طوری که با شیفت دادن موج به اندازه نیمی از این فاصله بین دو منبع نور قرمز می توان انتظار داشت که تداخل از حالت کاملاً فزاینده دامنه به حالت کاملاً کاهنده دامنه تبدیل شود، در عمل می توان تغییرات خیلی کوچکتر از این مقدار را نیز آشکار کرد. اگر مشکل همدوس بودن امواج نوری وجود نمی داشت این روش بایستی خیلی زودتر از آنچه باید مورد استفاده قرار گرفت. تداخل تنها وقتی ممکن است که امواجی که با یکدیگر تداخل می کنند در دوره زمانی نسبتاً زیادی پیوسته باشند.

هرچند مولدهای نور معمولی امواج را به صورت پیوسته منتشر نمی کنند. در منبع نوری مانند یک لامپ رشته ای و یا لامپ فلورسنت، هر اتمی که یک پالس تشعشع نوری را منتشر می کند، طی مرحله فوق انرژی از دست می دهد و سپس انتشار نوری را منتشر می کند، طی مرحله فوق انرژی از دست می دهد و سپس انتشار انرژی تازمانی که مجدداً به تک تک اتمها است و به صورت یک کمیت موج پیوسته نیست این موضوع باعث می شود به دست آوردن هر اثر تداخلی بین دو منبع نور معمولی جداگانه غیر ممکن باشد و تنها راهی که تداخل نوری با استفاده از چنین منابع نوری به طور معمولی قابل نمایش است این است که نوری که از روزنه عبور داده شده با یک اختلاف مسیر خیلی کوچک، با انعکاس یافته خودش تداخل یابد.

با وجود نور لیزر همه مشکلات فوق رفع می شود. لیزر شعاعی از نور عرضه می کند که درآن همه اتمهای تشکیل دهنده نور به طور همزمان در حال نوسان هستند. این نوع شعاع نوری همدوس نامیده می شود. توسط شعاع نور همدوس می توان بآسانی اثرات تداخلی را نشان داد و امتیاز دیگر این است که از یک لیزر بآسانی می توان شعاعهای موازی دقیق را به دست آورد. توسط تداخل سنج همانگونه که در شکل 1-8 نشان داده شده می توان این دو خصوصیت را نشان داد.

نور حاصل از یک لیزر کوچک به یک مجموعه صفحات شیشه ای نیمه منعکس کننده تابانده می شود و مقداری از این نور به پرده منعکس می شود. بقیه نور به منعکس کننده برخورد می کند، به طوری که شعاع منعکس شده به صفحات شیشه ای بر می گردد و ضمناً روی پرده منعکس می شود. کنون تداخل پترنی بین نوری که از شعاع نوری خارجی شونده منعکس شده ونوری که از شعاع نوری بازگشتی ایجاد شده شکل می گیرد . اگر منعکس کننده دور بهاندازه یک چهارم طول موج نور حرکت کند، مسیر شعاع نور رفت و برگشت از منعکس کننده به اندازه نصف طول موج تغییر خواهد کرد وتداخل بین دو نوع فزاینده دامنه و کاهنده دامنه تغییر خواهد کرد. به دلیل اینکه این یک شعاع نوری است که باعث می شود روشنایی روی پرده بین حالت روشن و تاریک تغییر کند توسط یک فتوسل می تواند این تغییر را اندازه گیری کرد و با اتصال فتوسل به یک شمارنده دیجیتال از طریق یک تقویت کننده ، تعداد ربع طول موجهای حرکت منعکس کننده دور را می توان به صورت الکترونیکی اندازه گیری کرد.

 شکل 1-8 قوانین تداخل سنجی موج. در قسمت (a) تنظیم لیزر و صفحات شیشه ای نشان داده شده است . صفحات شیشه ای مقداری زا نور را از خود عبور می دهند ومقداری از آن را منعکس می کنند. به گونه ای که هم کنعکس کننده وهم پرده مقداری نور از شعاع لیزر را دریافت می نمایند. علاوه بر آن، نور برگشتیی از منعکس کننده هم به پرده برخورد می کند و باعث ایجاد شکل تداخلی می شود همانگونه که در قسمت (b) نمایش داده شده است. با حرکت دادن منعکس کننده به اندازه نصف طول موج، شکل به اندازه فاصله بین باندها روی پرده حرکت خواهد کرد.

 تداخل سنج اغلب برای بسیاری از اهداف به اندازه گافی حساس است. به عنوان مثال، اثر تعییرات دماها بآسانی جبران سازی نمی‌شود. اگر چه می‌تواند با استفاده از مسیرهای نوری که دو شعاع تداخل کننده مسیرهای مساوی طی کرده اند، یکی هم خط با تنش و دیگری در مسیر قائم انجام شود. یک امتیاز این روش این است که هیچ اتصال فیزییکی بین نقاطی که فاصله آن اندازه گیری شده اند؛ یعنی هیچ سیم و یا نوار نیمه هادی برای اتصال نقاط وجود ندارد؛ بدنه اصلی تداخل سنج در یک مکان است و منعکس کننده در جای دیگر قرار دارد. فاصله بین قسمت اصلی وسیله و منعکس کننده ثابت نیست، تنها محدودیت این است که فاصله نبایستی از فاصله همدوسی لیزر تجاوز کند. این فاصله متوسطی است که طی آن فاصله، نور همدوس باقی می ماند و معمولآً برای یک منبع لیزری لااقل چند متر است.