Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

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

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2009 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2009/2010 5."— Transkript prezentace:

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

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

3 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ © VR - ZS 2009/2010 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.

4 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ © VR - ZS 2009/2010 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 (SiO 2 ) nebo je vytvořen jako keramika z titaničitanu barnatého BaTiO 3, titaničitanu olovnatého (PbTiO 3 ) nebo ze zirkoničitanu olovnatého (PbZrO 3 ), metaniobátu olova (PbNb 2 O 6 ), vinanu draselnosodného (Seignettova sůl)

5 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ © VR - ZS 2009/2010 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 o C.

6 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ © VR - ZS 2009/2010 z x y F x y FxFx FyFy FxFx FyFy 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.

7 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Použití piezo-krystalu ve snímačích pohybu je velmi široké – jako snímače teploty, tlaku (zejména dynamického tlaku), tlako- vé síly (až do 8 * 10 4 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 až Ω. Jsou celkem výborně nezávislé na změnách teploty, přitom jsou použitelné pro teploty okolí od -60 do 300 o C.

8 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ © VR - ZS 2009/2010 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/sec 2 a s frekvenčním rozsahem do desítek kHz.

9 a [m/s 2 ] f [ Hz ] v [ m/s ] 0 x [m] RfRf fnfn fdfd RpRp xdxd xhxh vdvd vhvh T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Piezoakcelorometr

10 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY OPTICKÉ (vláknové) © VR - ZS 2009/2010 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 (SiO 2 ) nebo arsenid (As 2 S 2 ). 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.

11 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY OPTICKÉ (vláknové) © VR - ZS 2009/2010 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.

12 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY OPTICKÉ (vláknové) © VR - ZS 2009/2010 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).

13 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY OPTICKÉ (vláknové) © VR - ZS 2009/2010 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.

14 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY OPTICKÉ (vláknové) © VR - ZS 2009/2010 p0p0 posuv znamenající zmáčknutí (stisk) vlákna – následkem je změna optických vlastností (útlum procházejícího světla) p1p1 x F síla způsobující posun

15 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Princip snímačů je magnetoelektrický jev – příčné magnetické pole s indukcí B působí na polovodič, kterým prochází elektrický proud I p. 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 – 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. s HALLOVÝM jevem

16 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 s HALLOVÝM jevem V VHVH EHEH E B I cc S S w I t L

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

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

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

20 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2009/2010 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 %.

21 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2009/2010 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 U AK nebo U BE na p-n nebo n-p přechodu. Dosahují citlivosti pro Si 2,25 mV/ o K. Odporová závislost použitého přechodu má pro Si citlivost 0,7 % R přechodu /1 o K.

22 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2009/2010 N+ H ØDØDzpětný kontakt Si 3 N 4 SiO kΩkΩ ºCºC

23 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2009/2010 Výhody - 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 - ……

24 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2009/2010 Výhody - 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/s 2 - 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.

25 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2009/2010 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

26 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) © VR - ZS 2009/2010 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. U t = (α 1 – α 2 ) * (υ M – υ S ) + (β 1 – β 2 ) * (υ M – υ S ) kde:α, β … teplotní materiálové konstanty υ M … teplota na měřicím konci υ S … teplota srovnávacího (tzv. studeného) konce.

27 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) © VR - ZS 2009/2010 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 o K termoelektrický jev zaniká.

28 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) © VR - ZS 2009/2010 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

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

30 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) © VR - ZS 2009/2010 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

31 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) © VR - ZS 2009/ 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.

32 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) © VR - ZS 2009/2010 Typprvek teplot. rozsah [ o C] termoel. napětí [mV/oC] JFe-ko -200 až 750 (1000) až 42,825 Kch-a -50 (-200) až 1150 (1350)-5,97 až 50,633 SPtRh10-Pt 0 (-20) až 1400 (1600) 0 až 17,973 TCu-ko -200 až 350 (400)-5,60 až 17,816 TCu-Ni -200 až 100-4,25 až 10,16 BPtRh30-Pt 500 (0) až až 12,426 Ech – k -50 (-200) až 600 (1000)-8,824až 68,783 NNiCrSi-NiSi 0 (-270) až ,434 až 47,502 ko … konstantan (spec. odporová slitina na bázi Ni a Cu) ch … chromel a … alumel k … kapet.baterií.

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

34 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) © VR - ZS 2009/2010 stabilizované ss napájecí napětí U R2R2 R4R4 R k = R ν R1R1 Odpor R k slouží k „ručně“ dostavitelné kompenzaci můstku a spojovacího vedení Kompenzované můstkové zapojení v „kompenzační krabici“ termočlánek měřidlo – [mV] U t – napětí termočlánku U M - výstupní napětí indi- kující změřenou hodnotu

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

36 T- MaR © VR - ZS 2009/2010

37 T- MaR © VR - ZS 2009/2010 Témata


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

Podobné prezentace


Reklamy Google