Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb"— Transkript prezentace:

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb
CW01 - Teorie měření a regulace 5. ZS – 2009/2010 © Ing. Václav Rada, CSc.

2 Pokračování o dalších principech snímačů ………… T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR Pokračování o dalších principech snímačů ………… A © VR - ZS 2009/2010

3 PIEZOELEKTRICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Princip těchto čidel – základem je krystal – založen na využití piezoelektrického jevu (P. a J. Curiové – 1880) – spočívá v tom, že uvnitř některých krystalických dielektrických látek vzniká me-chanické napětí působením mechanických deformací jejich krystalické struktury. Princip funkce je založen na vzniku elektrického náboje na povr-chu krystalu (přesněji, na elektrodách umístěných na povrchu) mechanickou deformací krystalu. Vznikající náboj je přímo úměr-ný působící deformační síle. © VR - ZS 2009/2010

4 PIEZOELEKTRICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Výhodou je vysoká napěťová úroveň (potenciál) sejmutého nábo-je. Výhodnou vlastností je to, že krystal po tom, co na něj přesta-ne deformační síla působit, se vrátí do původního stavu (tvaru) a náboj zmizí. Nevýhodou je právě ta časová „netrvanlivost“. Krystal je uměle vytvořen (průmyslově vypěstován), obvykle z křemene (SiO2) nebo je vytvořen jako keramika z titaničitanu barnatého BaTiO3, titaničitanu olovnatého (PbTiO3) nebo ze zirkoničitanu olovnatého (PbZrO3), metaniobátu olova (PbNb2O6), vinanu draselnosodného (Seignettova sůl) © VR - ZS 2009/2010

5 PIEZOELEKTRICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Velmi důležitou vlastností je Curieho teplota – teplotní bod nad kterým piezoelektrický jev mizí a krystal ztrácí svou piezoelekt-rickou vlastnost, ale po snížení teploty se zase obnoví – pro pou-žívané materiály je okolo 300 oC. © VR - ZS 2009/2010

6 PIEZOELEKTRICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY z x y F Fx Fy
příčný piezoel. jev podélný piezoel. jev podélná – optická osa příčná – elektrická osa příčná – mechanická osa Deformační síla působící ve směru osy x – x kolmo na optickou osu z – z => krys-tal se zelektrizuje (vektor polarizace P má směr podél osy x – x) a tím vzniká elek-trický náboj – jeho velikost je přímo úměrná deformační síle. Pokud je směr působení deformační síly jiný – krystal se nezelektrizuje. © VR - ZS 2009/2010

7 PIEZOELEKTRICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Použití piezo-krystalu ve snímačích pohybu je velmi široké – jako snímače teploty, tlaku (zejména dynamického tlaku), tlako-vé síly (až do 8 * 104 MPa), krouticího momentu, výchylky (am-plitiudy), rychlosti, zrychlení a mechanického napětí. Předností jsou malé rozměry, konstrukční jednoduchost, i když mají vysoké nároky na čistotu při výrobě, protože isolační odpor piezo-materiálu je cca 1012 až 1015 Ω. Jsou celkem výborně nezávislé na změnách teploty, přitom jsou použitelné pro teploty okolí od -60 do 300 oC. © VR - ZS 2009/2010

8 PIEZOELEKTRICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Pro měřicí i regulační účely je velice výhodná jejich lineární charakteristika. Rovněž vysoká úroveň výstupního napětí je výborná. Stejně tak je vhodná poměrně vlastní vysoká frekvence – 3 až 500 kHz. U dynamických snímačů rychlosti a zrychlení konstruovaných z krystalů titaničitanu barnatého působí na krystal v podrezonan-ční oblasti síla od setrvačné hmoty. Deformace je vyvolána tla-kem, kombinací tlaku a tahu nebo ohybu. Piezoelektrické snímače zrychlení jsou vhodné pro rozsahy od 0,1 až do 106 m/sec2 a s frekvenčním rozsahem do desítek kHz. © VR - ZS 2009/2010

9 PIEZOELEKTRICKÉ Rp T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Piezoakcelorometr
v [ m/s ] xd a [m/s2] x [m] vh xh Rp vd f [ Hz ] Rf fn fd © VR - ZS 2009/2010

10 OPTICKÉ (vláknové) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Základním principem funkce optických vláken ve snímačích je narušení optických vlastností (fyzikálních a chemických) působe-ním měřené fyzikální veličiny. Materiálem pro optická vlákna je především sklo (SiO2) nebo arsenid (As2S2). Vlastností skla je nízký útlum výsledného kabelu, v závislosti na vlnové délce světelného paprsku. Vzhledem k vysoké ceně, se pro mnoho aplikací a použití (zej-ména v přenosové technice) používají vlákna z plastů – např. polymetakrylát, vysokotlaký polystyrén aj. © VR - ZS 2009/2010

11 OPTICKÉ (vláknové) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Protože pracují se světelným (případně laserovým) paprskem, je přenosová rychlost aktivního signálu v desítkách GHz – a tedy reakční časová konstanta celého přenosu je i menší než mikrose-kundy. Mají velice nízké energetické nároky. Nezaměnitelnou výhodou je vynikající elektromagnetická kompa-tibilita – jsou prakticky úplně imunní vůči elektromagnetickým rušivým vlivům. Jsou imunní i vůči radioaktivitě a jiným negativ-ním vlivům průmyslového prostředí. © VR - ZS 2009/2010

12 OPTICKÉ (vláknové) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Využitelné fyzikální vlastnosti optických vláknových snímačů: změna indexu lomu světla, zejména na rozhraní obalu či po-vrchové vrstvy průzračnost, nízký optický odpor světelnému paprsku průhlednost (měření teploty, rychlost proudění, znečištění ka-palin a plynů, detekce přerušení signálové cesty, detekce ionizu-jícího (radioaktivního) záření fyzikální vlastnosti konce vlákna – odrazivost, změna indexu lomu – ve styku s prostředím měřené veličiny (měření teploty, tlaku, akustických signálů, vibrace a zrychlení, síly a deformací) křehkost, stlačitelnost (měření deformačních sil, polohy, pH kapalin, pro chemickou analýzu, …) ohebnost, mikroohyby (spínače, měření síly, teploty a tlaků). © VR - ZS 2009/2010

13 OPTICKÉ (vláknové) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Rozdělení snímačů podle vlastností vlákna: - čidla jednovidová – vlákno, jehož jádro má průměr jednotek mikrometru (kolem 4 μm) – rozdíl indexu lomu světla ve vlákně a v obalu vlákna je velmi malý – světlo se v něm šíří lomovým odrazem na rozhraní optických prostředí – mají vysokou citlivost – při zpracování se většinou používá principu interference - čidla mnohovidová – vlákno má jádro s průměrem mezi 50 a 200 μm – rozdíl indexu lomu světla ve vlákně a obalu vlákna je velký – světlo se šíří ohybem - čidla speciální – jsou plochá, tenkovrstvá, trubková, apod. © VR - ZS 2009/2010

14 OPTICKÉ (vláknové) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
posuv znamenající zmáčknutí (stisk) vlákna – následkem je změna optických vlastností (útlum procházejícího světla) síla způsobující posun p1 x F p0 © VR - ZS 2009/2010

15 s HALLOVÝM jevem T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Princip snímačů je magnetoelektrický jev – příčné magnetické pole s indukcí B působí na polovodič, kterým prochází elektrický proud Ip. Pokud se Hallův článek pohybuje v nehomogenním magnetickém poli, pak se Hallovo napětí na výstupu mění v závislosti na okam-žité poloze a na změně této polohy. Je nazván podle objevitele – E. H. Hall – 1879. První aplikace sloužila k měření magnetické indukce. vhodný pro sledování pohybu anebo změn polohy v rozsahu 0 až ± 1 mm. Pro snímání lineárního i úhlového pohybu a změn polohy. © VR - ZS 2009/2010

16 s HALLOVÝM jevem T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY L B EE t VH EH w cc
© VR - ZS 2009/2010

17 MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR s HALLOVÝM jevem © VR - ZS 2009/2010

18 s HALLOVÝM jevem T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Materiál pro výrobu čipu čidla - Ge, Si, InAs, InSb, HgTe, HgSe a mnoho dalších. © VR - ZS 2009/2010

19 s HALLOVÝM jevem J S T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY δ x z B y
výstupní napětí UH proud Ip d napájení © VR - ZS 2009/2010

20 POLOVODIČOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Základem polovodičových snímačů je mikroelektronický prvek – čip, provedením velmi blízký tranzistoru. Mimo křemík se používají další polovodičové materiály, včetně některých tzv. keramických. Současný trend používání tohoto principu v čidlech a snímačů na této bázi je strmě rostoucí a podíl na celkovém trhu snímačů již překročil 50 %. © VR - ZS 2009/2010

21 POLOVODIČOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Jsou vyrobeny z klasického polovodičového materiálu, z křemíku nebo z germania. Jsou to v podstatě diody a tranzistory s jedním aktivním „p-n“ nebo „n-p“ přechodem. Využívají teplotní závislosti změny „závěrného“ napětí UAK nebo UBE na p-n nebo n-p přechodu. Dosahují citlivosti pro Si 2,25 mV/oK. Odporová závislost použitého přechodu má pro Si citlivost 0,7 % Rpřechodu/1 oK. © VR - ZS 2009/2010

22 POLOVODIČOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY H ØD zpětný kontakt
Si3N4 SiO2 -50 -25 +25 +50 +100 2 4 ºC © VR - ZS 2009/2010

23 POLOVODIČOVÉ Výhody T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
- přesnost parametrů v sériové výrobě - pružnost základního materiálu – mnohdy vyšší než u oceli - vysoká pevnost a stabilita materiálu - tvrdost rázuvzdornost a odolnost vůči vibracím a chvění - piezorezistivita - reprodukovatelnost jevů - velice nízká hmotnost - vysoká korozní odolnost i vůči velmi agresivním materiálům a plynům - nulová hystereze - …… © VR - ZS 2009/2010

24 POLOVODIČOVÉ Výhody T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
- vysoká linearita – dosahovaná i díky vestavěné kompenzaci - vysoký vlastní mezní kmitočet – více než stovky MHz – proto jsou čidla velice rychlá a vhodná do dynamických procesů - přímá schopnost měřit tlaky – až do 35 MPa - přímá schopnost měřit zrychlení – až do 106 m/s2 - téměř neomezená životnost prvku – je omezena životností a spo-lehlivostí ostatních částí čidla nebo snímače – běžně dosažitel-ná změna parametrů lepší než ± 0,1 % za 10 let - vysoká výrobní reprodukovatelnost charakteristik - vysoká reprodukovatelnost výsledků - většinou nízká cena. © VR - ZS 2009/2010

25 čidlo a křemíková vrstva s aktivními prvky na čipu
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR POLOVODIČOVÉ Mezi nejznámější patří křemíkový snímač tlaku pracující na kapa-citním principu – a – snímač zrychlení (akcelerometr) a tenzo-metrické snímače (měřicí rozsah až do 500 g s odolností do 2500 g). kryt kovová elektroda vzduchová mezera izolace křemíková membrána čidlo a křemíková vrstva s aktivními prvky na čipu křemíkový substrát vstup měřeného tlaku © VR - ZS 2009/2010

26 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky)
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Principem je vznikající termo-napětí na styku dvou prvků (ob-vykle kovů, ale i polovodičů s různým obsahem přísad) elektricky spojených – mechanicky svařených, u polovodičů leptaných a dotovaných. Pro vyšší a vysoké teploty postačuje (v nouzi) pouhé zkroucení a stisknutí – tzv. termo-elektrického (termo-)článku. Ut = (α1 – α2) * (υM – υS) + (β1 – β2) * (υM – υS) kde: α , β … teplotní materiálové konstanty υM … teplota na měřicím konci υS … teplota srovnávacího (tzv. studeného) konce. © VR - ZS 2009/2010

27 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky)
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Pro měření teploty termoelektrickým snímačem se využívá roz-dílu potenciálů v obvodu složeném z měřicího termočlánku a srovnávacího termočlánku (tzv. studený konec). Pro správnou funkci snímače (přesněji řečeno měření teploty) je potřeba mít dvě rozdílné teploty. Obvyklé praktické zapojení používá jako studený konec kompen-zační krabici nebo je studený termočlánek ponořen do chladicího média (např. vody s ledem) – tzv. Dewarova nádobka. Jsou vhodné pro rozsah teplot od -250 až do 3000 ºC. Při teplotě absolutní 0 oK termoelektrický jev zaniká. © VR - ZS 2009/2010

28 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky)
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) vodič – 1. mater. vodič – 2. mater. kabel izolace kovový plášť (obal) izolační výplň – MgO svarek (perlička) vodičů obou mater. čelní vzduchotěsná a teplotě vzdorná ucpávka – dotykový bod vzduchotěsná ucpávka © VR - ZS 2009/2010

29 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky)
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) výstupní napětí termočlánku [mV] kabel izolace měřicí bod čidla vodič – 1. mater. stínění spojovací vedení – zkroucené – mater. = Cu vodič – 2. mater. prodlužovací vedení termočlánek se spojovací perličkou uzemnění © VR - ZS 2009/2010

30 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky)
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Používané dvojice materiálů (vlastnosti jsou popsané v normách): měď / konstantan (Cu-ko) – konstantan je slitina 45 % Ni spolu s 55 % Cu – na výstupu má asi 50 μV na 1 ºC – od -100 až do +250 ºC (max 400 ºC) – podmínkou dobrých vlastností je vysoká čistota tzv. elektrolytické mědi (přes 99,99%) železo / konstantan (Fe – ko) – na výstupu má nejvíc, asi 60 μV na 1 ºC – vhodný pro rozsah -200 až do +600 ºC – má velkou stabilitu © VR - ZS 2009/2010

31 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky)
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) niklchrom / nikl (NiCr-Ni) – na výstupu má asi 40 μV na 1 ºC – vhodný pro rozsah -200 až do +900 ºC platinrhodium / platina (PtRh – Pt) – na výstupu má pouhých asi 10 μV na 1 ºC – vhodný pro rozsah -200 až do ºC (teplota tání zlata) s přesně kvadratickou statickou charakteristikou (max. má na 1300 ºC ) – konstrukčně lze upravit tak, aby byl použitelný až do teploty malinko přes 1600 ºC (musí se zabránit teplotnímu prášení (roz-padu) platiny i druhé slitiny. Pro dosažený vyššího výstupního napětí lze čidla spojovat do tzv. termočlánkových baterií. © VR - ZS 2009/2010

32 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky)
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Typ prvek teplot. rozsah [oC] termoel. napětí [mV/oC] J Fe-ko až 750 (1000) až 42,825 K ch-a (-200) až 1150 (1350) -5,97 až 50,633 S PtRh10-Pt (-20) až 1400 (1600) 0 až 17,973 T Cu-ko až 350 (400) -5,60 až 17,816 T Cu-Ni až ,25 až 10,16 B PtRh30-Pt (0) až až 12,426 E ch – k (-200) až 600 (1000) -8,824 až 68,783 N NiCrSi-NiSi (-270) až ,434 až 47,502 ko … konstantan (spec. odporová slitina na bázi Ni a Cu) ch … chromel a … alumel k … kapet.baterií. © VR - ZS 2009/2010

33 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky)
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Princip zapojení se stu-deným koncem – lze měřit i přímo připojením přístroje k jedinému (měrnému) čidlu. studený (srovnávací) konec měrný (měřicí) „teplý“ konec - čidlo μV nebo mV – měřicí přístroj s vnitřním odporem > 10 kΩ © VR - ZS 2009/2010

34 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky)
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Kompenzované můstkové zapojení v „kompenzační krabici“ UM - výstupní napětí indi-kující změřenou hodnotu R2 R1 termočlánek měřidlo – [mV] R4 Ut – napětí termočlánku Odpor Rk slouží k „ručně“ dostavitelné kompenzaci můstku a spojovacího vedení Rk = Rν stabilizované ss napájecí napětí U © VR - ZS 2009/2010

35 k informacím o principech snímačů
T- MaR … a to by bylo k informacím o principech snímačů (skoro) vše ...... © VR - ZS 2009/2010

36 T- MaR © VR - ZS 2009/2010

37 Témata T- MaR © VR - ZS 2009/2010


Stáhnout ppt "Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb"

Podobné prezentace


Reklamy Google