Λύσεις Ερωτήσεων (σελ. 246-247) – ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις Ερωτήσεων
Ερωτήσεις κεφαλαίου 5 (Q19,20 εξαιρέθηκαν: καθαρές δραστηριότητες τάξης χωρίς ελέγξιμη απάντηση)
Λειτουργία διμεταλλικού στοιχείου
Ερώτηση: Περιγράψτε τη λειτουργία του διμεταλλικού στοιχείου.
Απάντηση:
- §5.4. «Το διμεταλλικό έλασμα ή στοιχείο είναι ένας αισθητήρας για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, βασιζόμενος στη διαστολή των μετάλλων... Όταν θερμανθεί το διμεταλλικό έλασμα, τότε το ένα μέταλλο διαστέλλεται περισσότερο από το άλλο, με αποτέλεσμα να λυγίσει.»
Σύνοψη: Το διμεταλλικό στοιχείο (ή έλασμα) είναι αισθητήρας θερμοκρασίας που βασίζεται στη διαφορετική θερμική διαστολή δύο μετάλλων. Αποτελείται από δύο διαφορετικά μέταλλα (συνήθως ορείχαλκος και χάλυβας, ή ορείχαλκος και χαλκός) με διαφορετικό συντελεστή διαστολής, συγκολλημένα σε όλο το μήκος της επιφάνειάς τους. Όταν το στοιχείο θερμανθεί, το ένα μέταλλο διαστέλλεται περισσότερο από το άλλο, με αποτέλεσμα ολόκληρο το έλασμα να λυγίσει προς τη μεριά του μετάλλου με τη μικρότερη διαστολή (π.χ. αν είναι χαλκός-ορείχαλκος, λυγίζει από τη μεριά του χαλκού, αφού ο ορείχαλκος διαστέλλεται περισσότερο). Όταν το έλασμα ψυχθεί, λυγίζει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή η μηχανική μετακίνηση (κάμψη) χρησιμοποιείται για να ανοίξει μια βαλβίδα ή να κλείσει μια ηλεκτρική επαφή, επιτρέποντας τη ροή υγρού ή τη διέλευση ρεύματος αντίστοιχα· με τη συστολή, η βαλβίδα κλείνει ή η επαφή ανοίγει. Το μέγεθος της μετακίνησης εξαρτάται από τα υλικά κατασκευής και τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Υπάρχουν διάφοροι τύποι, ανάλογα με το σχήμα: σπειροειδή, ελικοειδή ή κυματοειδή ελάσματα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Δύο μέταλλα διαφορετικής διαστολής συγκολλημένα· θέρμανση⇒άνιση διαστολή⇒λύγισμα⇒ανοιγοκλείνει επαφή/βαλβίδα
Αισθητήρας θερμοκρασίας για μέτρηση +200°C
Ερώτηση: Τι είδους αισθητήρας θερμοκρασίας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση θερμοκρασίας +200°C;
Απάντηση:
- §5.7, §5.8. Θερμοζεύγος Cu/Con: -100°C έως 400°C· Θερμοζεύγος Ni/Cr: -200°C έως +1200°C· Θερμίστορ P.T.C.: έως ≈240°C· R.T.D. πλατίνας: έως 500°C (Pt100 έως +300°C).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στους +200°C βρισκόμαστε ήδη έξω από την περιοχή των συνηθισμένων θερμοστατών χώρου χαμηλού κόστους, αλλά μέσα στην περιοχή αρκετών αισθητήρων επαφής υψηλής ακρίβειας. Καταλληλότερες επιλογές είναι: το θερμοζεύγος (θερμοστοιχείο) — π.χ. τύπου χαλκού-κονσταντάνης (Cu/Con), που καλύπτει από -100°C έως 400°C, ή τύπου νικελίου-χρωμίου (Ni/Cr) για ακόμη μεγαλύτερο εύρος (-200°C έως +1200°C) — και τα αισθητήρια R.T.D. από πλατίνα, που ακολουθούν γραμμική μεταβολή αντίστασης συνήθως έως τους 500°C και προσφέρουν μεγάλη ακρίβεια για βιομηχανικές εφαρμογές. Τα θερμίστορ P.T.C., αντίθετα, καλύπτουν μικρότερη περιοχή (τυπικά έως ≈240°C) και το διμεταλλικό έλασμα χρησιμοποιείται κυρίως σε χαμηλότερες θερμοκρασίες οικιακών συσκευών, οπότε δεν είναι οι πρώτες επιλογές για μια τόσο υψηλή θερμοκρασία.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Θερμοζεύγος (Ni/Cr έως +1200°C ή Cu/Con έως 400°C) ή R.T.D. πλατίνας (έως ≈500°C) — κατάλληλα για +200°C· P.T.C./διμεταλλικό έχουν μικρότερο εύρος
Ορισμός θερμοστάτη και κύρια μέρη του
Ερώτηση: Τι είναι ο θερμοστάτης και ποια είναι τα κύρια μέρη του;
Απάντηση:
- §5.3. «Οι θερμοστάτες είναι στοιχεία που μετρούν τη θερμοκρασία... Κάθε θερμοστάτης αποτελείται από: τη βάση ή το πλαίσιο..., το διακόπτη..., το δίσκο ή το πλήκτρο επιλογής..., και το αισθητήριο θερμοκρασίας.»
Σύνοψη: Ο θερμοστάτης είναι στοιχείο αυτοματισμού που μετρά τη θερμοκρασία και, ανάλογα με αυτήν, ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί ένα ηλεκτρικό κύκλωμα (π.χ. δίνει εντολή σε συμπιεστή ή καυστήρα). Κάθε θερμοστάτης αποτελείται από τέσσερα κύρια μέρη: τη βάση ή το πλαίσιο, πάνω στην οποία στηρίζονται όλα τα υπόλοιπα εξαρτήματα· το διακόπτη, που διαθέτει δύο επαφές· το δίσκο ή το πλήκτρο επιλογής, μέσω του οποίου ρυθμίζουμε την επιθυμητή θερμοκρασία (ρυθμίζοντας το άνω όριο start/cut-in και το κάτω όριο stop/cut-out)· και το αισθητήριο θερμοκρασίας, το οποίο ανιχνεύει τη θερμοκρασία και ενεργοποιεί το διακόπτη ώστε να κλείσει ή να ανοίξει τις επαφές του.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Θερμοστάτης = στοιχείο μέτρησης θερμοκρασίας· μέρη: βάση/πλαίσιο, διακόπτης (2 επαφές), δίσκος επιλογής (start/stop), αισθητήριο θερμοκρασίας
Σχέση μεταξύ μονάδων πίεσης
Ερώτηση: Ποια είναι η σχέση μεταξύ των μονάδων πίεσης;
Απάντηση:
- §5.17, Πίνακας 5.3. «psi → kPa: ×6,9 · mbar/cm Η2Ο → Pa: ×100 · mm Η2Ο → Pa: ×10,2 · bar → kPa: ×100 (ακριβής) · mbar → Pa: ×10 (ακριβής) · bar → psi: ×14,5.»
Σύνοψη: Η μονάδα πίεσης στο σύστημα SI είναι το Pascal (Pa), με 1 Pa = 1 N/m². Στην πράξη χρησιμοποιούνται και άλλες μονάδες, που συνδέονται μεταξύ τους με τους εξής (κατά προσέγγιση, εκτός όπου σημειώνεται ακριβής σχέση) συντελεστές μετατροπής: 1 psi ≈ 6,9 kPa· 1 mbar ή 1 cm Η₂Ο ≈ 100 Pa· 1 mm Η₂Ο ≈ 10,2 Pa· 1 bar = 100 kPa (ακριβής σχέση)· 1 mbar = 100 Pa (ακριβής σχέση)· 1 bar ≈ 14,5 psi. Επίσης, η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της γης είναι περίπου 1,013 bar = 101,3 kPa, και υπάρχουν παλαιότερες μονάδες όπως το mmHg (πίεση στήλης υδραργύρου ύψους 1 mm).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 1 psi≈6,9 kPa· 1 bar=100 kPa (ακριβές)· 1 bar≈14,5 psi· 1 mbar=100 Pa (ακριβές)· ατμ.πίεση≈1,013 bar=101,3 kPa
Αρχή λειτουργίας πρεσοστάτη
Ερώτηση: Περιγράψτε την αρχή λειτουργίας του πρεσοστάτη.
Απάντηση:
- §5.18. «Η λειτουργία του πρεσοστάτη είναι η ακόλουθη: Το αισθητήριο πίεσης μετράει την απόλυτη ή τη διαφορική (σχετική) πίεση σε ένα υγρό ή αέριο και ανοίγει ή κλείνει τις επαφές ανάλογα με την ανώτερη ή κατώτερη τιμή που έχουμε προδιαγράψει στο ρυθμιστή πίεσης.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο πρεσοστάτης (ή πιεζοστάτης) αποτελείται από το αισθητήριο πίεσης, τις ηλεκτρικές επαφές, το ρυθμιστή πίεσης (που καθορίζει την ανώτερη και κατώτερη επιτρεπτή στάθμη πίεσης, μέσω ρυθμιστικών βιδών) και τη βάση στήριξης. Η αρχή λειτουργίας του είναι η εξής: το αισθητήριο πίεσης ανιχνεύει διαρκώς την απόλυτη ή τη διαφορική πίεση ενός υγρού ή αερίου· όταν η πίεση φτάσει στην ανώτερη ή στην κατώτερη τιμή που έχει ρυθμιστεί στο ρυθμιστή πίεσης, το αισθητήριο ανοίγει ή κλείνει τις ηλεκτρικές επαφές. Οι επαφές αυτές, με τη σειρά τους, ανοίγουν ή κλείνουν κάποιο κύκλωμα λειτουργίας (π.χ. διακόπτουν ή ξεκινούν τη λειτουργία ενός συμπιεστή ή ενός ανεμιστήρα), ώστε η πίεση να παραμένει μέσα στα επιθυμητά όρια.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Αισθητήριο ανιχνεύει πίεση⇒στα προρυθμισμένα άνω/κάτω όρια ανοιγοκλείνει επαφές⇒ελέγχει κύκλωμα (π.χ. συμπιεστή)
Είδη αισθητηρίων πίεσης
Ερώτηση: Πόσα είδη αισθητηρίων πίεσης γνωρίζετε;
Απάντηση:
- §5.19-5.22. Μεμβράνη/διάφραγμα (§5.19), μανόμετρο υδραργύρου (§5.20), σωλήνας Bourdon (§5.21), πιεζοκρύσταλλος (§5.22).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Από τη θεωρία του κεφαλαίου προκύπτουν τέσσερα βασικά είδη αισθητηρίων πίεσης: 1) η μεμβράνη (ή το διάφραγμα), όπου η πίεση μετατοπίζει μια επιφάνεια που, μέσω ελατηρίου και μοχλών, κινεί ένα δείκτη ή μια επαφή (F=A·p)· 2) το μανόμετρο υδραργύρου, σωλήνας σχήματος U που μετρά διαφορική πίεση από τη διαφορά στάθμης του υγρού στα δύο σκέλη (Δp=h·ρ·g)· 3) το μανόμετρο με σωλήνα Bourdon, εύκαμπτος κυκλικός σωλήνας που παραμορφώνεται ανάλογα με την πίεση και μετρά την απόλυτη πίεση μέσω συστήματος μοχλών-βελόνας· και 4) ο πιεζοκρύσταλλος, που εκμεταλλεύεται το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και παράγει τάση ανάλογη της πίεσης (U=C·p), κατάλληλος και για πολύ μικρές πιέσεις (έως 0,1 Pa).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 4 είδη: μεμβράνη/διάφραγμα, μανόμετρο υδραργύρου, σωλήνας Bourdon, πιεζοκρύσταλλος
Βάση λειτουργίας ηλεκτρονικών αισθητηρίων πίεσης
Ερώτηση: Πού βασίζονται τα ηλεκτρονικά αισθητήρια πίεσης;
Απάντηση:
- §5.22. «Ένας ακριβής τρόπος μέτρησης της πίεσης είναι αυτός που κάνει χρήση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, δηλαδή της ιδιότητας που έχουν μερικοί τύποι κρυστάλλων να παρουσιάζουν στα άκρα τους διαφορά δυναμικού όταν στην επιφάνειά τους εξασκηθεί πίεση.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά αισθητήρια πίεσης βασίζονται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο: ορισμένοι τύποι κρυστάλλων (πιεζοκρύσταλλοι, συνήθως εξαγωνικού σχήματος) παρουσιάζουν στα άκρα τους διαφορά δυναμικού (τάση) όταν στην επιφάνειά τους ασκηθεί πίεση, σύμφωνα με τη σχέση U = C·p (όπου C σταθερά αναλογίας σε V/Pa). Έτσι έχουμε μετατροπή μηχανικής ενέργειας (πίεση) σε ηλεκτρική τάση. Επειδή η παραγόμενη τάση είναι πολύ μικρή (τάξη mV), απαιτούνται ενισχυτές για την επεξεργασία του σήματος. Με αυτή τη μέθοδο μπορούν να μετρηθούν πολύ μικρές πιέσεις (έως και 0,1 Pa), κάτι πρακτικά πολύ δύσκολο με καθαρά μηχανικά μέσα. Υπάρχουν και πρεσοστάτες με κρύσταλλο δύο αυλών, ικανοί να μετρήσουν διαφορική πίεση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο: κρύσταλλος παράγει τάση ανάλογη της πίεσης (U=C·p) — μηχανική→ηλεκτρική ενέργεια
Χρησιμότητα μανομέτρων
Ερώτηση: Σε τι χρησιμεύουν τα μανόμετρα;
Απάντηση:
- §5.17, §5.20-5.21. «Τα όργανα που μετρούν την πίεση λέγονται μανόμετρα ή πιεσόμετρα.» Μανόμετρο υδραργύρου (§5.20): διαφορική πίεση. Σωλήνας Bourdon (§5.21): απόλυτη πίεση.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα μανόμετρα (ή πιεσόμετρα) είναι τα όργανα που χρησιμεύουν στη μέτρηση της πίεσης ενός ρευστού (υγρού ή αερίου). Ανάλογα με τον τύπο τους, μετρούν είτε τη διαφορική πίεση ανάμεσα σε δύο σημεία (π.χ. το μανόμετρο υδραργύρου σχήματος U, με Δp=h·ρ·g, ή τα διαφράγματα ανάμεσα σε δύο ρευστά υπό διαφορετική πίεση) είτε την απόλυτη πίεση σε σχέση με το κενό (π.χ. το μανόμετρο με σωλήνα Bourdon). Χρησιμεύουν έτσι για τον έλεγχο και την παρακολούθηση της πίεσης σε εγκαταστάσεις (π.χ. ψυκτικά κυκλώματα, δίκτυα σωληνώσεων, δεξαμενές), επιτρέποντας είτε την οπτική ανάγνωση της πίεσης πάνω σε βαθμονομημένη κλίμακα είτε (σε συνδυασμό με κατάλληλο αισθητήριο) την παραγωγή ηλεκτρικού σήματος για χρήση σε αυτοματισμό.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Μετρούν πίεση ρευστού· διαφορική (μανόμετρο υδραργύρου, Δp=hρg) ή απόλυτη (σωλήνας Bourdon) — έλεγχος/παρακολούθηση εγκαταστάσεων
Μέθοδοι ελέγχου στάθμης υγρού
Ερώτηση: Αναφέρετε μεθόδους ελέγχου στάθμης υγρού.
Απάντηση:
- §5.27(α-ε). Διακόπτης πλωτήρα, διακόπτης με ηλεκτρόδια (χωρητική μέθοδος), διακόπτης με υπερήχους, έλεγχος σε δεξαμενή με ελεγκτή/βαλβίδες, και έλεγχος σε κλειστό δοχείο με Θ.Ε.Β. και θερμαινόμενο βολβό.
Σύνοψη: Το κεφάλαιο αναφέρει τις εξής μεθόδους ελέγχου στάθμης υγρού: 1) διακόπτης στάθμης τύπου πλωτήρα — πλαστικός πλωτήρας που επιπλέει στο υγρό και μέσω μοχλών (μηχανική μετάδοση σε δοχεία χωρίς πίεση, ή μαγνητική μετάδοση σε κλειστά δοχεία υπό πίεση) ανοιγοκλείνει βαλβίδες εισόδου/εξόδου· 2) διακόπτης με ηλεκτρόδια (χωρητική μέθοδος) — δύο ηλεκτρόδια εμβαπτισμένα στο υγρό σχηματίζουν πυκνωτή, και η μεταβολή της στάθμης μεταβάλλει τη χωρητικότητα (άρα και το ρεύμα)· 3) διακόπτης με υπερήχους — πομποδέκτης μετρά το χρόνο εκπομπής-λήψης ηχητικών παλμών πάνω από την επιφάνεια του υγρού, ανάλογο της στάθμης· και 4) ειδική Θ.Ε.Β. με θερμαινόμενο βολβό — χρησιμοποιείται ειδικά σε κλειστά δοχεία υπό πίεση, όπου ο βολβός θερμαίνεται ηλεκτρικά και ψύχεται όταν βυθιστεί στο υγρό.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Πλωτήρας (μηχανική/μαγνητική μετάδοση), ηλεκτρόδια (χωρητική μέθοδος), υπέρηχοι, Θ.Ε.Β. με θερμαινόμενο βολβό (κλειστό δοχείο υπό πίεση)
Μέτρηση ροής υγρού
Ερώτηση: Πώς μπορούμε να μετρήσουμε τη ροή ενός υγρού;
Απάντηση:
- §5.24-5.26. Αρχή Bernoulli/σωλήνας Venturi (Q=C·A₂·√(2Δp/ρ)), διακόπτης ροής με πτερύγια, διακόπτης ροής με υπερήχους (φαινόμενο Doppler).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ροή ενός υγρού μπορεί να μετρηθεί με διάφορους τρόπους: 1) έμμεσα, μέσω της αρχής του Bernoulli και του σωλήνα Venturi — μετράται η διαφορική πίεση ανάμεσα σε δύο σημεία διαφορετικής διατομής του σωλήνα, και από αυτήν υπολογίζεται η παροχή μέσω της σχέσης Q = C·A₂·√(2·Δp/ρ)· 2) με διακόπτη ροής (flow switch) με πτερύγια, που ανιχνεύει αν υπάρχει ροή (κατάλληλος για ρευστά χαμηλού ιξώδους, ακόμη και σε ταχύτητες κάτω από 0,3 m/s)· και 3) με διακόπτη ροής υπερήχων, που εκμεταλλεύεται το φαινόμενο Doppler: εκπέμπει ηχητικά σήματα (≈640 kHz) που ανακλώνται στα μικροσωματίδια του υγρού, και η μεταβολή της συχνότητας του ανακλώμενου ήχου δείχνει την ταχύτητα ροής (με το μειονέκτημα ότι δεν λειτουργεί αν το υγρό είναι πολύ καθαρό, χωρίς μικροσωματίδια).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Bernoulli/σωλήνας Venturi (Q=CA₂√(2Δp/ρ)), διακόπτης ροής με πτερύγια, ή διακόπτης ροής υπερήχων (Doppler)
Μέτρηση υγρασίας θαλάμου
Ερώτηση: Πώς μπορούμε να μετρήσουμε την υγρασία ενός θαλάμου;
Απάντηση:
- §5.28(α-γ). Υγροστάτες με υγροσκοπικές ίνες, με ηλεκτρική αντίσταση (άνθρακας/πολυμερή), ή με κρύσταλλο χαλαζία.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η σχετική υγρασία ενός θαλάμου (ή χώρου) μετριέται με όργανα που ονομάζονται υγροστάτες, οι οποίοι μπορεί να χρησιμοποιούν τρεις βασικούς τύπους αισθητηρίων: 1) υγροσκοπικές ίνες (ανθρώπινη τρίχα, μαλλί, νάιλον κ.ά.) — επιμηκύνονται όταν απορροφούν υγρασία και συστέλλονται όταν την αποβάλλουν· στην πλήρη εμποτισμό η υγρασία θεωρείται φ=100% (σημείο αναφοράς για καλιμπράρισμα)· 2) αισθητήριο με ηλεκτρική αντίσταση — υλικά όπως ο άνθρακας ή πολυμερή ελαστικά μειώνουν την αντίστασή τους (αυξάνουν την αγωγιμότητα) όταν απορροφούν υγρασία, δίνοντας έξοδο 0-20 mA ή 0-10 V, συχνά με ενσωματωμένο αισθητήρα θερμοκρασίας για αντιστάθμιση· και 3) αισθητήριο με κρύσταλλο χαλαζία, περιβαλλόμενο από υγροσκοπικό υλικό — η απορρόφηση υγρασίας αλλάζει τη μάζα του κρυστάλλου και άρα τη συχνότητα ταλάντωσής του, μεταβολή που μετατρέπεται σε τάση/ρεύμα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Υγροστάτες: υγροσκοπικές ίνες (επιμήκυνση), ηλεκτρική αντίσταση (άνθρακας/πολυμερή), ή κρύσταλλος χαλαζία (μεταβολή συχνότητας)
Περιγραφή διακόπτη ροής (flow switch)
Ερώτηση: Περιγράψτε το διακόπτη ροής (flow switch).
Απάντηση:
- §5.25. «Ο διακόπτης ροής έχει ένα στέλεχος, στο άκρο του οποίου υπάρχουν πτερύγια με μεταβαλλόμενη κλίση... Μπορούν να ελέγξουν αν υπάρχει ροή στα περισσότερα ρευστά χαμηλού ιξώδους ακόμη σε μικρές ταχύτητες (< 0,3 m/sec).»
Σύνοψη: Ο διακόπτης ροής (flow switch) είναι μια συσκευή που ανιχνεύει αν υπάρχει ή όχι ροή ρευστού μέσα σε έναν αγωγό. Έχει ένα στέλεχος στο άκρο του οποίου βρίσκονται πτερύγια με μεταβαλλόμενη κλίση: η ροή του ρευστού ασκεί δύναμη πάνω στα πτερύγια, η οποία μετατρέπεται σε μηχανική κίνηση που ενεργοποιεί έναν μικροδιακόπτη. Διαθέτει ειδική συνδεσμολογία τοποθέτησης, ώστε ο αισθητήρας να μπορεί να εισαχθεί ή να αφαιρεθεί από τον αγωγό χωρίς να διακοπεί ή να μεταβληθεί η ροή του ρευστού, ακόμη κι αν αυτό βρίσκεται υπό πίεση. Μπορεί να ελέγξει αν υπάρχει ροή στα περισσότερα ρευστά χαμηλού ιξώδους, ακόμη και σε πολύ μικρές ταχύτητες (κάτω από 0,3 m/sec). Υπάρχουν τύποι flow switch τόσο για υγρά όσο και για αέρια. Εναλλακτικά υπάρχει και ο διακόπτης ροής με υπερήχους, που βασίζεται στο φαινόμενο Doppler.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Στέλεχος με πτερύγια μεταβλητής κλίσης ⇒ κίνηση ⇒ μικροδιακόπτης· ελέγχει ροή ρευστών χαμηλού ιξώδους, ακόμη <0,3 m/s, χωρίς διακοπή ροής
Συστήματα ελέγχου κίνησης και σερβοκινητήρες
Ερώτηση: Τι γνωρίζετε για τα συστήματα ελέγχου κίνησης και τους σερβοκινητήρες;
Απάντηση:
- §5.30. «Οι σερβοκινητήρες γενικά χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές συστημάτων αυτομάτου ελέγχου και τηλεχειρισμού κυρίως για τον καθορισμό μιας θέσης ή κάποιας ταχύτητας.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι σερβοκινητήρες χρησιμοποιούνται σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου και τηλεχειρισμού, κυρίως για τον καθορισμό μιας θέσης ή μιας ταχύτητας. Ένας καλός σερβοκινητήρας πρέπει να περιστρέφεται σταθερά σε μεγάλη περιοχή ταχυτήτων, να αναπτύσσει υψηλή ροπή (ώστε να αλλάζει γρήγορα ταχύτητα) και να έχει υψηλή ταχύτητα απόκρισης στις εντολές. Υπάρχουν σερβοκινητήρες συνεχούς ρεύματος (DC) και εναλλασσόμενου ρεύματος (AC), μονοφασικοί ή τριφασικοί· ο AC σερβοκινητήρας έχει ένα σταθερό τύλιγμα διέγερσης (σταθερή τάση) και ένα τύλιγμα ελέγχου (μεταβλητή τάση), ενώ στη μονοφασική τροφοδοσία χρειάζεται πυκνωτής σε σειρά για ροπή εκκίνησης· ο δρομέας έχει μικρή διάμετρο για χαμηλή αδράνεια. Στα συστήματα ελέγχου κίνησης, ο χειριστής (ή το σύστημα) δίνει εντολή θέσης, η μονάδα ελέγχου λαμβάνει και σήμα ανάδρασης από την πραγματική θέση, και το σφάλμα θέσης (διαφορά επιθυμητής-πραγματικής θέσης) οδηγεί τον σερβοκινητήρα σε κλειστό κύκλωμα ελέγχου (με ταχογεννήτρια, μετατροπέα, κωδικοποιητή). Χρησιμοποιούνται π.χ. για τον έλεγχο τάμπερ αεραγωγών ή βανών.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σερβοκινητήρες (DC/AC) για θέση-ταχύτητα σε κλειστό βρόχο ανάδρασης· σφάλμα θέσης οδηγεί τον κινητήρα (π.χ. τάμπερ, βάνες)
Τι είναι οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες
Ερώτηση: Τι είναι οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες;
Απάντηση:
- §5.29. «Οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική. Αποτελούνται από ένα πηνίο με τον οπλισμό του, από το έμβολο της βαλβίδας, το ελατήριο και το κυρίως σώμα της.»
Σύνοψη: Οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες (ON-OFF) είναι διατάξεις που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική κίνηση. Αποτελούνται από ένα πηνίο με τον οπλισμό του, το έμβολο της βαλβίδας, το ελατήριο και το κυρίως σώμα της. Συνδέονται σε σειρά στο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός θερμοστάτη ή πρεσοστάτη· όταν κλείσουν οι επαφές του θερμοστάτη/πρεσοστάτη, το πηνίο της βαλβίδας διαρρέεται από ρεύμα και δημιουργεί μαγνητικό πεδίο που μετακινεί το έμβολο, αλλάζοντας τη θέση της βαλβίδας (αν ήταν κλειστή ανοίγει, αν ήταν ανοιχτή κλείνει). Διακρίνονται σε κανονικά κλειστές (Normally Closed – NC), που είναι αρχικά κλειστές και ανοίγουν όταν ενεργοποιηθούν, και κανονικά ανοικτές (Normally Open – NO), που είναι αρχικά ανοικτές και κλείνουν όταν ενεργοποιηθούν. Ανάλογα με την εφαρμογή, συνδέονται στη γραμμή ψυκτικού υγρού, αναρρόφησης ή κατάθλιψης· υπάρχουν και βαλβίδες που οδηγούνται με σερβοκινητήρα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Μετατρέπουν ηλεκτρική→μηχανική ενέργεια (πηνίο, έμβολο, ελατήριο, σώμα)· τύποι NC (ανοίγει όταν ενεργοποιηθεί) και NO (κλείνει όταν ενεργοποιηθεί)
Μέτρηση στάθμης σε κλειστό δοχείο υπό πίεση — 2 τρόποι
Ερώτηση: Πώς θα μετρήσετε τη στάθμη σε ένα κλειστό δοχείο που βρίσκεται υπό πίεση; Να επινοήσετε τουλάχιστον 2 τρόπους, βάσει της σχετικής θεωρίας που διδαχτήκατε.
Απάντηση:
- §5.27(α,ε). «Τα μαγνητικά συστήματα... είναι απαραίτητα για τη μέτρηση σε κλειστά δοχεία στα οποία το υγρό βρίσκεται υπό πίεση.» και «Έλεγχος στάθμης σε κλειστό δοχείο με τη χρήση Θ.Ε.Β.... ο βολβός της βαλβίδας έχει μία μικρή ηλεκτρική αντίσταση που τη θερμαίνει.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σε κλειστό δοχείο υπό πίεση δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε απλές μηχανικές διατάξεις που επικοινωνούν με το εξωτερικό περιβάλλον (π.χ. πλωτήρα με μηχανικούς μοχλούς που περνούν έξω από το δοχείο), γιατί θα χαλούσαν τη στεγανότητα. Δύο τρόποι που ανταποκρίνονται σε αυτόν τον περιορισμό είναι: 1) Διακόπτης πλωτήρα με μαγνητική μετάδοση: ο πλωτήρας κινείται ελεύθερα μέσα στο κλειστό δοχείο ακολουθώντας τη στάθμη του υγρού, αλλά η πληροφορία για τη θέση του μεταδίδεται προς τα έξω μαγνητικά (μέσω κατάλληλων μαγνητών), χωρίς να χρειάζεται μηχανική σύνδεση που θα διαπερνούσε το τοίχωμα του δοχείου, άρα διατηρείται η στεγανότητα υπό πίεση. 2) Ειδική Θ.Ε.Β. με θερμαινόμενο βολβό: ο βολβός της βαλβίδας διαθέτει μια μικρή ηλεκτρική αντίσταση (τάξης 25 W) που τον θερμαίνει συνεχώς· όταν ο βολβός δεν είναι βυθισμένος στο υγρό, παραμένει θερμός και προκαλεί το άνοιγμα της Θ.Ε.Β., ενώ όταν βρεθεί εμβαπτισμένος στο υγρό, η μικρή θερμότητα αποβάλλεται στο ρευστό, ο βολβός ψύχεται και η Θ.Ε.Β. κλείνει — έτσι η κατάσταση (ανοικτή/κλειστή) της βαλβίδας δείχνει έμμεσα αν η στάθμη έχει φτάσει στο ύψος του βολβού, χωρίς καμία μηχανική διάτρηση του δοχείου. (Θα γινόταν δεκτή και απάντηση με ηλεκτρόδια/χωρητική μέθοδο ή με υπερήχους, εφόσον τα ηλεκτρόδια/ο πομποδέκτης τοποθετούνται στεγανά μέσα στο δοχείο.)
Κριτήρια αξιολόγησης:
-
- Πλωτήρας με μαγνητική (όχι μηχανική) μετάδοση θέσης· 2) Θ.Ε.Β. με θερμαινόμενο βολβό (~25W) — θερμός εκτός υγρού/ψύχεται εμβαπτισμένος
Μετατροπείς vs αισθητήρια
Ερώτηση: Διατάξεις που μετατρέπουν τη μορφή ενέργειας σε άλλη ονομάζονται (επιλέξτε τη σωστή απάντηση): Α. αισθητήρια (sensors), Β. μετατροπείς (transducers).
Απάντηση:
- §5.1. «Ο μετατροπέας είναι η συσκευή που μετατρέπει την κάθε είδους ενέργεια (πληροφορία ή σήμα) σε άλλη μορφή.»
Σύνοψη: Η σωστή απάντηση είναι η Β. μετατροπείς (transducers). Σύμφωνα με τη θεωρία, ο μετατροπέας είναι η συσκευή που μετατρέπει κάθε είδους ενέργεια (πληροφορία ή σήμα) σε άλλη μορφή, ώστε η πληροφορία να γίνεται εύκολα κατανοητή. Τα αισθητήρια (sensors) είναι μια ειδική κατηγορία μετατροπέων — αυτοί που μετατρέπουν συγκεκριμένα σήματα (θερμοκρασία, πίεση, φως κ.λπ.) σε ηλεκτρικά σήματα — άρα ο γενικότερος όρος για τη μετατροπή μορφής ενέργειας είναι ο «μετατροπέας», όχι το «αισθητήριο».
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Β (μετατροπείς/transducers — ο γενικός όρος για μετατροπή ενέργειας· τα αισθητήρια είναι ειδική υποκατηγορία τους)
Τι μεταβάλλεται σε αισθητήριο RTD
Ερώτηση: Σε ένα αισθητήριο RTD μεταβάλλεται (επιλέξτε τη σωστή απάντηση): Α. η αντίσταση, Β. η χωρητικότητα, Γ. η επαγωγή.
Απάντηση:
- §5.8(γ). R.T.D. = Resistance Temperature Dependent (Αντιστάσεις εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία). «Υπάρχουν κάποια υλικά των οποίων η αντίσταση μεταβάλλεται γραμμικά με τη θερμοκρασία, όπως η πλατίνα, και ονομάζονται R.T.D.»
Σύνοψη: Η σωστή απάντηση είναι η Α. η αντίσταση. Το ίδιο το ακρωνύμιο R.T.D. σημαίνει «Resistance Temperature Dependent» (αντίσταση εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία): πρόκειται για υλικά (χαρακτηριστικό παράδειγμα η πλατίνα, όπως στον τύπο Pt100) των οποίων η ηλεκτρική αντίσταση μεταβάλλεται (αυξάνεται) γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας. Δεν πρόκειται ούτε για μεταβολή χωρητικότητας (που χρησιμοποιείται π.χ. στη χωρητική μέθοδο μέτρησης στάθμης) ούτε για μεταβολή επαγωγής.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Α (η αντίσταση — R.T.D.=Resistance Temperature Dependent, γραμμική μεταβολή αντίστασης, π.χ. πλατίνα/Pt100)
Χρήση θερμοστατών
Ερώτηση: Οι θερμοστάτες χρησιμοποιούνται (επιλέξτε τη σωστή απάντηση): Α. για τον έλεγχο on/off θερμοκρασίας, Β. για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, Γ. για τη μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό.
Απάντηση:
- §5.3. Ο θερμοστάτης ανιχνεύει τη θερμοκρασία και «ενεργοποιεί το διακόπτη που κλείνει ή ανοίγει τις επαφές του» στα προρυθμισμένα όρια start (cut in) / stop (cut out) — δηλαδή έλεγχος on/off, όχι απλή μέτρηση.
Σύνοψη: Η σωστή απάντηση είναι η Α. για τον έλεγχο on/off θερμοκρασίας. Ο θερμοστάτης δεν είναι απλώς ένα όργανο μέτρησης (όπως ένα θερμόμετρο)· διαθέτει διακόπτη με επαφές που κλείνουν ή ανοίγουν ένα κύκλωμα ανάλογα με το αν η θερμοκρασία βρίσκεται πάνω από το άνω όριο (start/cut-in, οπότε ενεργοποιείται π.χ. ο συμπιεστής) ή κάτω από το κάτω όριο (stop/cut-out, οπότε το εξάρτημα σταματά). Δηλαδή ο θερμοστάτης χρησιμοποιεί τη μέτρηση της θερμοκρασίας για να δώσει μια εντολή ελέγχου τύπου on/off σε κάποιο εξάρτημα, κάτι διαφορετικό από την απλή ένδειξη μιας τιμής (μέτρηση) ή τη μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό σήμα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Α (έλεγχος on/off θερμοκρασίας — ο θερμοστάτης δίνει εντολή εκκίνησης/παύσης στα όρια start/stop, όχι απλή μέτρηση)
