6Senzory v budovách

Pre akýkoľvek rozhodovací proces je nutné poznať informácie o stave systému, jeho okolí a vonkajších podmienkach (vplyvoch). Tieto informácie človeku poskytujú ľudské zmysly. V technickej praxi sa o to starajú snímače fyzikálnych veličín, ktoré sú nazývané prevodníky alebo senzory. Tieto súčiastky zmerajú určitú fyzikálnu alebo technickú veličinu a prevedú ju na signál. Fyzický nositeľ informácie ju prenáša na väčšie vzdialenosti. Táto informácia je potom spracovaná v meracích a riadiacich systémoch, ktoré ju vyhodnotia a iným signálom uvedú do činnosti aktuátor. Nositeľom signálu môže byť pevná látka (strojová súčiastka), plyn, kvapalina ale najčastejšie elektrický signál. Ten je možné najlepšie spracovávať a prenášať na veľké vzdialenosti.

Senzor je v podstate merací prístroj, ktorý meranú veličinu zmení na logickú jednotku a nulu alebo na odpovedajúcu elektrickú veličinu.

  1. Optická závora. V tomto prípade sa jedná o zdroj svetla a fotodiódu. Optická závora vyhodnotí, či sa v priestore svetelného lúča vyskytuje nejaké teleso alebo nie.
  2. Tenzometrická váha. Základom tenzometrickej váhy je tenzometer. Je to veľmi tenký elektrický odporový drôt, ktorý je pripevnený k súčasti meniacej polohu. Zmenou polohy dôjde k zmene rozmeru odporového drôtu a zmení sa elektrický odpor. Čím bude väčšie zaťaženie, tým bude väčšia zmena elektrického odporu.

Pretože sa jedná o merací prístroj, hovoríme o citlivosti a rozsahu meraných veličín. Senzor musí byť navrhnutý tak, aby neovplyvnil meranú veličinu. Postupne sa senzory zmenšovali a dosahovali vyššiu citlivosť. Technologický pokrok umožňuje výrobu senzorov v mikroskopickom merítku ako mikrosenzory pomocou MEMS (MicroElectroMechanical Systems) technológie. Vo väčšine prípadov mikrosenzory dosiahnu výrazne vyššiu rýchlosť a citlivosť v porovnaní s makroskopickými prístupmi. V poslednom čase sa objavujú senzory vyrobené NEMS (NanoElectroMechanical Systems) technológiou.

V stavebných objektoch sú používané senzory, ktoré zaisťujú vstupné informácie pre kombinačný logický obvod alebo stavový automat. Jedná sa o:

  • rôzne typy čítačiek, ktoré zaisťujú oprávnený prístup (čip, karta, snímač odtlačku prstu, ruky, oka a pod.)
  • optické závory, ktoré prerušia chod stroja ak sa dostane nejaký objekt do pracovného priestoru stroja.
  • elektromagnetické kontakty dverí alebo okien, ktoré zisťujú ich stav, popr. vyhlasujú alarm ak sú neoprávnene otvorené alebo otvorené mimo vyhradenú dobu. Tieto senzory sú súčasťou elektronického zabezpečovacieho systému.
  • zábleskové a dymové analyzátory, ktoré sú súčasťou elektronickej požiarnej signalizácie.
  • elektromagnetické bezpečnostné rámy, ktoré sú súčasťou ochrany pred zlodejmi alebo zamedzujú vstupu ozbrojeným ľudom do vyhradených priestorov.
  • pohybové senzory, ktoré sú najčastejšie používané na automatické spínanie osvetlenia alebo na stráženie priestorov.

V stavebných objektoch sú tiež používané senzory, ktoré zistenú fyzikálnu veličinu prevádzajú na elektrický signál. Tento signál je vstupom do regulátora. Využíva sa:

Závislosť elektrického odporu na teplote

Každá látka mení svoj elektrický odpor v závislosti na teplote. Tento princíp je využitý na meranie teploty odporovým teplomerom. Odporový teplomer je pasívny člen elektrického obvodu a musí byť pripojený na zdroj elektrického napätia.

Odporový teplomer je v podstate drôtený alebo vrstvený rezistor. Na výrobu sa používa nikel (Ni) alebo platina (Pt). Označenie odporového teplomera sa skladá z chemickej značky a číslice, napr. Pt100. To znamená, že sa jedná o platinový teplomer, ktoré má pri 0°C elektrický odpor 100 Ω.

Zmena elektrického odporu týchto kovov je priamo úmerná teplote. Pri platine odpovedá zmena teploty o 3°C zmene veľkosti odporu o 1 Ω. Pre nikel je zmena dvojnásobná, t. j. zmena teploty o 3°C odpovedá zmene veľkosti odporu o 2 Ω. Platinové teplomery sa používajú na meranie teplôt od -220°C do 900°C, rozsah pre niklové teplomery je menší a to od -60°C do 180°C.

Termoelektrický jav

Termoelektrický jav využíva termoelektrické napätie, ktoré vzniká premenou tepla v mieste spojenia dvoch kovov. Tento spoj dvoch rôznych kovov sa nazýva termočlánok a jedná sa o aktívny snímač (sám je zdrojom elektrického napätia).

Termočlánok je konštruovaný ako spojenie dvoch kovov, buď železo (Fe) - konštantán (zliatina medi a niklu v pomere obvykle 55 % medi a 45 % niklu) na meranie teplôt od -220°C do 750°C alebo platina (Pt) – rhodium (Rh) na meranie teplôt od 0°C do 1 600°C. Z dôvodu veľkého rozsahu a možnosti merať vysoké teploty nachádzajú termočlánky veľké uplatnenie pri meraní teploty v spaľovacích kotloch elektrárni. Pretože vzniknuté napätie je veľmi malé, rádovo niekoľko μV/K, pridáva sa zosilňovací člen.

Aby nedošlo k vzniku ďalšieho termočlánku, pripojuje sa termočlánok vyrovnávacími vodičmi z rovnakého materiálu a kompenzačného odporu na vedení.

image
Obr. 6.1: Schéma zapojenia termočlánkového teplomera

Na meranie sa používa porovnávacia jednotka. Jedná sa o druhý termočlánok zapojený obrátene a umiestnený v priestore s referenčnou teplotou, napr. 20°C. Potom je meraný rozdiel teploty medzi referenčnou teplotou a teplotou meraného miesta. Ďalej je pripojený zosilňovač a prevodník napätia na prúd, viď obrázok č. 6.1.

Závislosť elektrického odporu polovodičových prvkov

Jedná sa opäť o meranie elektrického odporu v závislosti na teplote, ale v tomto prípade sú použité polovodivé materiály. Rozsah použitia je od -50°C do 180°C. Tieto snímače sú nazývané termistory a používajú sa dva typy. NTC (Negative Temperature Coefficient) a PTC (Positive Temperature Coefficient). Termistory typu NTC, ktoré sú vyrobené z dotovaného polovodiča, majú záporný trend charakteristiky. To znamená, že s rastúcou teplotou ich elektrický odpor klesá. Termistory typu PTC, ktoré sú vyrobené z čistého kremíka, majú naopak kladný trend charakteristiky. To znamená, že s rastúcou teplotou ich elektrický odpor rastie.

Výhodou termistorov je rýchlejšia reakcia na zmenu a vyššia citlivosť (asi 20 krát) ako pri odporových teplomeroch.

Nevýhody:

  • malý rozsah teplôt na použitie
  • skutočnosť, že nemajú lineárnu charakteristiku
  • kalibračná krivka sa mení s časom

Veľký vplyv na merané výsledky má umiestnenie teplomera. Veľmi záleží na tom, o aké teleso alebo médium sa pri meraní teploty jedná. Predovšetkým nesmie byť meranie ovplyvňované vonkajšími vplyvmi, ktorých je veľa a je nutné si ich uvedomiť. Ide napr. o ochladzovanie teplomera alebo naopak ovplyvňovanie slnečným žiarením, nevhodné umiestnenie atď.

Princípy merania tlaku

Prístroje na meranie tlaku sa nazývajú manometre. Zisťovanie veľkosti tlaku je možné nepriamou alebo náhradnou metódou, tlak je prevedený na silu. Táto sila spôsobí posun meracej kvapaliny alebo deformáciu pružného člena. U pružného člena môže byť zmeraná zmena jeho elektrických alebo optických vlastností alebo je zmeraný jeho relatívny posun. Veľkosť tlaku potom odpovedá zmene polohy alebo deformácii pružného člena.

V súčasnej dobe je najčastejšie uskutočňuje meranie tlaku pomocou deformácie membrány, ktorá je vybavená tenzometrom.