Meranie neelektrických veličín (NEV) (1)

Transcript

1 Meranie neeektrických veičín (NEV) (1) neeektrická veičina fyzikána veičina mimo eektrickej havná pozornosť mechanické veičiny, okrajovo chemické a tepené veičiny meranie NEV uvažujeme en meranie eektrickými metódami ide o nepriame metódy merania, výhody: - možnosť prenosu informácie (eektrický signá) na väčšie vzdiaenosti - možnosť sústredenia (zapamätania) informácie na jednom mieste - jednoduché zavedenie automatického riadenia - jednoduchá úprava signáov (suma, rozdie, integrácia, derivácia) - možnosť AČ prevodu a čísicového spracovania, prípadne archivácie 1

2 Meranie NEV (2) boková schéma meracieho reťazca na meranie NEV S y EO y 1 PC y 2 MP P poruchy - meraná veičina, S snímač, y eektrická veičina, EO eektrický (eektronický) obvod, y 1 signá, (S+EO) - (merací) prevodník často konštrukčne a funkčne jeden ceok, PC prenosová cesta vystavená rušivým vpyvom (zá izoácia, indukované napätia, zmena odporu s tepotou,...), MP merací prístroj - obvyke y 1 y 2 - ďaej sa budeme venovať havne snímačom S - ak bude funkčnosť prevodníka P vyžadovať špeciány EO, zmienime sa o ňom 2

3 Meranie NEV (3) snímače môžeme deiť podľa - typu meranej fyzikánej veičiny (tepota, pooha, tak,...) - podľa nutnosti (ne)použiť pomocný zdroj eektrickej energie (pasívne a aktívne snímače) - podľa princípu činnosti, teda výstupnej eektrickej veičiny (aktívne snímače), aebo podľa eektrického parametra, ktorý sa mení zmenou meracej fyzikánej veičiny (pasívne snímače) zvoíme si tretí spôsob deenia 3

4 Odporové snímače (1) využívajú zmenu eektrického odporu vyvoenú zmenou meranej veičiny rôzne fyzikáne princípy posuv kontaktu po odporovej dráhe, zmena koncentrácie eektroytu, zmena tepoty, deformácia odporového drôtu aebo poovodiča, fotoeektrický jav a pod. najčastejšie sa zapájajú do DC obvodov jednoduchšie meranie, ae prídavné chyby (termonapätia, eektroytický jav, statický náboj, ofset, zosiňovače a pod.) striedavá veičina tieto javy zväčša automaticky vyúči 4

5 Odporové snímače (2) meranie poohy iný názov potenciometrické snímače zákad drôtový aebo vrstvový rezistor s pohybivým kontaktom jeho poohu určuje meraná veičina U 0 P P - =λ. p U V v ( z ) p =.( 1 λ ) p v,naprázdno; =.p ; λ = ; = λ. p; U =.U 0 = λ. U 0 p. λ.p. v v v (konečná hodnota); = = + v λ.p + v p = + ( 1 λ ).p ; U =.U 0 = f ( λ ) - odmerať je jednoduchšie p 5

6 Odporové snímače (3) meranie poohy U U 0 v L Lma je pri λ 0,7 L = f( v ) 0,7 1 λ nevýhody závisosť na veľkosti napájacieho napätia (U 0 ), nízka spoľahivosť zavinená znečistením (opotrebovaním) odporovej dráhy závisosť od U 0 riešime zapojením potenciometra na pomerový magnetoeektrický prístroj použitie pavákové meranie hadiny kvapainy v nádobe (paivomer u automobiov) 6

7 Odporové snímače (4) - tenzometre meranie deformácie tuhých teies (ohyb, stočenie, sia, tak a pod.) zmenou dĺžky, prierezu a merného odporu odporového materiáu kovové tenzometre vodič z odporového materiáu usporiadaný do tvaru meandru a fiovaný na špeciánej podožke (rôzne technoógie výroby fóiové tenzometre eptanie odporovej dráhy) = ρ. /S; ρ merný odpor, dĺžka vodiča, S prierez vodiča pri deformácii dochádza k zmene odporu zmenou rozmerov (, S) ako aj zmenou ρ meranie tenzometer naepíme na objekt merania, ktorého deformáciu vyjadríme fyzikánou veičinou (ohyb, sia...); sedujeme, určíme zmenu + eistujú aj poovodičové tenzometre (Si), nevýhody tepotná závisosť, neinerarita 7

8 Odporové snímače (5) - tenzometre ceková reatívna zmena odporu tenzometra / bude (totány diferenciá) = + = + + = S. ; S S S. S... ρ ρ ρ ρ ρ 1 - reatívna deformácia ε (zmena dĺžky) ε ρ ρ δ. K. S S = + = = 1 K je konštanta ak používame tenzometer v obasti použitých deformácií, pri maých zmenách rozmerov ( 1%) K citivosť tenzometra, K poovodič <75;180> ; (konštantám K=2,1; manganín K = 0,47; patina K = 6,0; nike K = -12,1) ideána charakteristika δ = K.ε je ineárna 8

9 Odporové snímače (6) tenzometre na vyhodnotenie zmeny odporu tenzometra používame rozvážený Wheatstoneov mostík kovové tenzometre výstupné napätia (v diagonáe) sú maé rušenie termoeektrickými napätiami napájanie mostíka striedavým prúdom zmena deformácie (kvôi inearite) en 1 %, teda aj zmena odporu maá zmena odporu vpyvom zmeny tepoty môže byť zrovnateľná treba to kompenzovať ďaším rovnakým tenzometrom v susednej vetve mostíka (mechanicky nenamáhaným) U 1 V ε 3 U v = U ε 2 4 9

10 Odporové snímače (7) tenzometre výhodné je upraviť tenzometre tak, aby sa jeden pri mechanickom namáhaní predžova a druhý skracova - ide o diferenčné usporiadanie - zdvojnásobíme citivosť - znížime neinearitu z hľadiska citivosti je najvýhodnejší tzv. úpný mostík (vo všetkých vetvách rovnaké tenzometre) - citivosť je 4 väčšia ako s jedným tenzometrom U T 1 + (ε>0) V T 3 - (ε<0) T 2 F T 3 T 2 - (ε<0) T 4 + (ε>0) T 1 T 4 U v = U =.U = K. ε.u 10

11 Odporové snímače (8) odporové tepomery snímače, ktoré menia odpor zo zmenou tepoty dve skupiny kovové a poovodičové (s negatívnym tepotným koeficientom NTC) odporové tepomery kovové závisosť odporu od tepoty je do cca 100 C pribižne ineárna t = 0 [1+α t (t - t 0 )]; 0 - odpor pri zákadnej tepote t 0, t odpor pri meranej tepote t a α t tepotný súčiniteľ odporu väčší rozsah tepôt kvadratická aproimácia t = 0 [1+α t (t-t 0 )+β t (t-t 0 ) 2 ] kovy podiehajúce oidácii (Cu, Fe) nie sú vhodné ušachtié kovy (Pt, Ni, Au, Ag) sa môžu tiež poškodiť (chemikáie, difúzia cudzích átok) vkadajú sa do puzdra poovodičové (termistory) väčšia citivosť, nižšia časová stabiita, menší tepotný rozsah (ma 120 C), veľká neinearita t = 0 e -B(1/t -1/t) B - materiáová konštanta (kadná) termistory meranie tepoty v chadiči automobia pomerovým magnetoeektrickým prístrojom 11

12 Odporové snímače (9) odporové tepomery ak rozsah merania termistorov je en niekoľko C, možno závisosť t = f(t) aproimovať priamkou t = 0 [1+α t (t-t 0 )]; α t < 0 α t poov. = (5 až 50). α t kov 4 t / 0 3 NTC 2 1 Pt

13 Odporové snímače (10) odporové tepomery v prai kovové patinové aebo nikové tepomery Pt 100( 0 = 100Ω), Pt 1000( 0 = 1000Ω) Pt rozsahy od 200 C do 850 C, Ni rozsahy od 60 C do 150 C (tepotné rozsahy sú rozdeené zhruba po 100 C a na každý rozsah iný tepomer) zapojenie kovových tepomerov nevyrovnané Wheatstoneove mostíky. Nedá sa použiť mostík so 4 snímačmi neeistujú dvojice materiáov s rovnakými tepotnými súčiniteľmi, ae opačnými znamienkami špecifikom mostíka je, že snímač (tepomer) je v prostredí s meranou tepotou t a ostatné prvky mostíka sú v prostredí s t 0 treba dhšie vodiče na pripojenie tepomera nezanedbateľný odpor vodičov ďaší probém termonapätia v spojoch dvoch vodičov 13

14 Odporové snímače (10) odporové tepomery kompenzácia probémov 3-vodičovým zapojením t t 0 V U 0 t I I. 0 napájanie odporového tepomera zdrojom I, ohmova metóda umožní to 4-svorkové zapojenie, pre t = 0 môžeme kompenzovať úbytok napätia na t pomocným zdrojom U p U P t I. t U v ~t 14

15 Kapacitné snímače (1) zmena kapacity snímača vyvoaná zmenou meranej veičiny (obvyke ineárny posuv, uho,...) kapacitný snímač ideány kondenzátor (pri zanedbaní vodivosti izoácie a strát v dieektriku) tvar snímača doskový kondenzátor C = ε r. ε 0. S/d súosový vacový kondenzátor C = ε r. ε 0.2.π. / n(d 1 /D 2 ) dĺžka vacov; D 1, D 2 priemery vonkajšieho a vnútorného vaca) zmena kapacity sa dosahuje zmenou: aktívnej pochy eektród, vzdiaenosti eektród, pochy dvoch dieektrík s rôznou ε r, hrúbky dvoch dieektrík s rôznou ε r ε r1 ε r2 ε r1 ε r2 diferenčný snímač 15

16 Kapacitné snímače (2) diferenčný snímač znižuje rušivé vpyvy (tepota okoia), zepšuje inearitu použitie: zmeny poohy (maé), meranie taku (zmena vzdiaenosti pružnej vodivej membrány od pevných eektród), výška hadiny (paivomer v ietadách), hrúbka nevodivých fóií (ε r 1) zapojenie: napájanie zdrojom harmonického napätia (U = konšt., f = konšt.), meraný signá efektívna hodnota prúdu Pre diferenciáne snímače použiť striedavé mostíky 16

17 Indukčnostné snímače (1) princíp zmena vastnej (vzájomnej) indukčnosti cievky (cievok) zmenou poohy feromagnetického jadra, aebo časti magnetického obvodu zmena indukčnosti (L) zmena impedancie cievky Z = + j ω L; ωl/ = 1 10; ceková zmena Z menou L je maá nižšia citivosť a aj presnosť snímačov napájanie snímačov zo zdroja AC prúdu, konštantná ampitúda a frekvencia vhodné sú pre nepriaznivé prostredia (sú bez pohybivých kontaktov) nízka presnosť merania 17

18 Indukčnostné snímače (2) jednoduché zapojenie Fe L ak je jadro ceé v cievke L je ma.; posun jadra vľavo aebo vpravo L kesá neinearita charakteristiky snímača L = f(x) 18

19 Indukčnostné snímače (3) - diferenčné zapojenie dve cievky v sérii a spoočná pohybivá časť (jadro) pri pohybe jadra indukčnosť jednej cievky kesá a druhej rastie Fe L 1 L L 2 L 1 L transformátorové zapojenie pridá sa tretie vinutie, na ktoré sa pripojí napájací zdroj gavanické oddeenie napájacieho zdroja od meracieho obvodu okrem zmeny L 1 a L 2 sa využíva zmena väzby medzi primárnym a sekundárnym vinutí zmena indukovaných napätí ako funkcia zmeny poohy jadra 19

20 Indukčné snímače (1) indukčnostné snímače pasívne (zmena L) indukčné snímače aktívne (generátorické) Faradayov zákon indukované napätie sa rovná časovej zmene (derivácii) magnetického toku viazaného vodičom v aktívnych snímačoch sa využíva vzájomný pohyb vodiča a stacionárneho magnetického poľa permanentného magnetu (PM) PM sa nepohybuje, ae v jeho magnetickom poi sa pohybuje vodič spojený s meraným objektom z princípu je zrejmé, že indukčné snímače sa nedajú použiť na meranie statických veičín - používajú sa na snímanie kmitavého, aebo rotačného pohybu 20

21 Indukčné snímače (2) meranie rýchosti pri ineárnom pohybe - vo vzduchovej medzere PM s indukciou B sa pohybuje pásový vodič s rýchosťou v - u i sa sníma trecími kontaktami - apikujeme indukčný zákon na 1 prúdnicu o dĺžke komú na B, ae aj na v u i = B.. v v = u i /(B. ) S J u i v snímač ineárneho kmitavého pohybu (vibrácií) - cievka C spojená s kmitajúcim objektom - meria sa u i indukované v C pri pohybe v magnetickom poi C J S J 21

22 Indukčné snímače (3) meranie otáčok 2 modifikácie - na rotujúcu časť sa umiestni PM a zmenou magnetického poľa pri pribížení a vzdiaení PM od cievky sa indukuje napäťový impuz turbínkové prietokomery - rotujúca časť je z magneticky mäkkého materiáu a cievka je navinutá na PM. Zmena toku je vyvoaná zmenou magnetického odporu magnetického obvodu 22

23 Termoeektrické snímače (1) termoeektrický jav (r Seebeck nem. fyzik) v uzavretom obvode zoženom z dvoch vodičov z rôznych kovov bude pretekať eektrický prúd, ak spoje týchto vodičov budú na rôznych tepotách tepota spoja ϑ (meraná veičina), tepota voľných koncov ϑ 0 (tam meriame napätie U t ) U t = a + b. (ϑ - ϑ 0 ) + c. (ϑ - ϑ 0 ) 2 pre širší rozsah tepôt a, b, c empiricky určené konštanty, pre každú dvojicu materiáov iné A U t ϑ U t,ϑ 0 B ϑ 0 ϑ v prai sa využíva ineárna časť (začiatok) charakteristiky U t =k.(ϑ -ϑ 0 ) 23

24 Termoeektrické snímače (2) termoeektrické napätia často používaných termočánkov Materiá Ut [mv/100 C] ozsah tepôt [ C] Fe konstantan Cu konstantan NiCr (10% Cr) Ni Pth (10 % h) Pt 5,37 4,25 4,04 0,64 (konstantan : 54 % Cu + 45 % Ni + 1 % Mn) -200 až až až až 1300 pri meraní musia byť drôty termočánkov dostatočne dhé na pripojenie do meracieho reťazca (pri nadpájaní vzniká ďaší termočánok) vytvoriť dobrý prestup tepa v mieste pracovného spoja, tepená izoácia mimo pracovného bodu, udržať ϑ 0 konšt (termostat) ϑ ϑ 0 MP U t 24

25 Termoeektrické snímače (3) probémy s koísaním ϑ 0 rieši kompenzačné zapojenie (tzv. aktívna kompenzácia) kompenzačná krabica (KK) - snímač tepoty okoia je Cu (pri zmene tepoty rozvažuje Wheastoneov mostík) - Wh. mostík je vyvážený pri ϑ 0 = 20 C ( Cu = ; U D = 0) Cu - pri ϑ 0 20 C, U D 0 U P U D U v U D sa odčíta (pričíta) k U t U v ~ ϑ (odchýke ϑ od 20 C bez ohľadu na 0 U tepotu okoia t KK ϑ miesto Cu sa používajú aj rôzne poovodičové snímače tepoty okoia 25

26 Piezoeektrické snímače (1) piezoeektrický jav eektrická poarizácia (vznik náboja) na povrchu kryštaického aebo poykryštaického dieektrika pri mechanickom namáhaní využitie v snímačoch na meranie siy, taku aebo kmitania mechanické napätie môže pôsobiť komo na eektródy (F ), rovnobežne s ich rovinou (F y ), aebo šmykom náboj na eektródach Q = d 11. F aebo Q y = d 11. F y (b/a), d 11 piezoeektrický koeficient náhradný obvod snímača Q zvodový odpor, C Q kapacita snímača, i prúd generovaný snímačom i = dq/dt = k. df/dt, k citivosť senzora v C/N i C Q Q u Q 26

27 Piezoeektrické snímače (2) pre praktické účey je výhodnejšie merať napätie u Q prechodová charakteristika snímača odozva výstupného napätia na jednotkový skok siy F u Q ( t ) = Q C Q. e t Q. C Q u Q t t zo vzťahu vypýva, že napäťovú odozvu dostaneme en ak sa sia počas merania mení (teda nie v ustáenom stave) pri pripojení snímača do obvodu treba uvažovať aj zvod a kapacitu pripojovacieho koaiáneho kába a vstupnú impedanciu meracieho obvodu na výstupe snímača ( i, C i ) 27

28 Ostatné typy snímačov (1) osvetenie optoeektronické snímače - inkrementáne snímače, meranie poohy v tačiarňach, zapisovačoch, u 1 FE1 FE2 pohybivá časť pevná cona automatické obrábacie zdroje Nedostatok po zapnutí systém treba vynuovať, pri výpadku napájacieho napätia sa stratí informácia o danej poohe - kódové senzory poohy, počet fotocitivých prvkov odpovedá počtu bitov snímača, teda aj rozišovacej schopnosti. (obr. Grayov kód a binárny kód) u 2 28

29 Ostatné typy snímačov (2) snímače s nábojovo viazanou štruktúrou, (CCD charge couped device) - zákadný fotocitivý eement je kondenzátor (technoógia MOS) poarizovaný pomocným napätím u p - v kondenzátore sa hromadia náboje vznikajúce pri dopade fotónov - tieto náboje sa presúvajú na výstup pomocou tzv. prvkov s prenosom náboja (CTD charge transport device) prvky sú reaizované ako sústava kondenzátorov aserové interferometre a utrazvukové diakomery (bezdotykové snímače ionizačné komory, Geiger Müerove detektory, poovodičové snímače žiarenia obasť merania ionizujúceho žiarenia 29