Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2011 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2011/2012 5.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2011 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2011/2012 5."— Transkript prezentace:

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2011/

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 – je založen na využití piezoelektrického jevu (P. a J. Curiové – 1880) – uvnitř některých krystalických dielektrických látek vzniká mechanické napětí působením mecha- nických deformací jejich krystalické struktury.

4 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ Princip funkce je založen na vzniku elektrického náboje na povrchu krystalu (přesněji, na elektrodách umístěných na povrchu) mechanickou deformací krystalu. Čidlo se při působení neelektrické veličiny chová jako generátor elektrického signálu. Vznikající náboj je přímo úměrný působící deformační síle. © VR - ZS 2011/2012

5 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ Výhodou je vysoká napěťová úroveň (potenciál) sejmutého náboje. Výhodnou vlastností je to, že krystal po tom, co na něj přestane deformační síla působit, se vrátí do původního stavu (tvaru) a náboj zmizí. Výhodou je, že má velmi příznivé dynamické vlastnos- ti, jeho odezva činí řádově několik mikrosekund. Nevýhodou je právě ta časová „netrvanlivost“. © VR - ZS 2011/2012

6 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ 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) a některé makromo-lekulární látky atd. V praxi se nejčastěji využívají vlastnosti SiO2 a BaTiO3. © VR - ZS 2011/2012

7 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ Velmi důležitou vlastností je Curieho teplota – teplotní bod nad kterým piezoelektrický jev mizí a krystal ztrácí svou piezoelektrickou vlastnost, ale po snížení teploty se zase obnoví – pro používané materiály je okolo 300 o C – i méně (200 o C), u křemene je to až 550 o C. Maximální horní mez měřicího rozsahu je u sníma- čů tohoto typu 100 MPa. © VR - ZS 2011/2012

8 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ © VR - ZS 2011/2012 Výroba - z krystalu, např. křemene, je vyříznuta des- tička s hranami rovnoběžnými s jednotlivými osami krystalu (elektrickou – x, a mechanickou – y a optickou – z), jak je ukázáno na obrázku. Působí-li síla kolmo na optickou osu, krystal se zelektri- zuje a na plochách kolmých na elektrickou osu se objeví elektrický náboj. Pokud je směr působení deformační síly jiný – krystal se nezelektrizuje.

9 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.

10 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla F x podél elektrické osy x, hovoří se o tzv. podélném piezoelektrickém jevu, při němž se záporné body krystalické mřížky posunou vzhledem ke kladným bodům, což vyvolá náboj na plochách s kovovými elektrodami. © VR - ZS 2011/2012

11 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ Velikost náboje Q je v tomto případě dána vztahem Q = K p * F x kde: K p je piezoelektrická konstanta (piezoel. modul) F x je působící síla © VR - ZS 2011/2012

12 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla F y ve směru mechanické osy y, objeví se náboje opět na plochách kolmých na elektrickou osu, avšak směr polarizačního vektoru je záporný a velikost nábo- je závisí na geometrických rozměrech krystalu. V tomto případě se hovoří o tzv. příčném piezoelektrickém jevu. © VR - ZS 2011/2012

13 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ Velikost náboje Q je v tomto případě dána vztahem Q = K p * F x * ( b / a ) kde: K p je piezoelektrická konstanta (piezoel. modul) F x je působící síla b, a jsou rozměry výbrusu © VR - ZS 2011/2012

14 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ 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. © VR - ZS 2011/2012

15 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY PIEZOELEKTRICKÉ 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. © VR - ZS 2011/2012

16 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

17 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.

18 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.

19 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).

20 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.

21 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

22 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

23 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

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

25 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

26 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY s HALLOVÝM jevem S B napájení výstupní napětí U H d J δ y z x proud I p © VR - ZS 2011/2012 Φ

27 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 %.

28 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.

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

30 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 - ……

31 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2011/2012 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 - měření přetlaku až do 75 MPa a podtlaku do −100 kPa - přímá schopnost měřit zrychlení – až do 106 m/s 2 - velký měřicí rozsah s velmi malou hodnotou minima

32 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ 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 - měření přetlaku až do 60 MPa a podtlaku do −100 kPa - 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. © VR - ZS 2011/2012

33 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ Nevýhody - lze měřit pouze čistý, suchý vzduch nebo jiné neagresivní plyny - voda, vodní páry a další složky působí na složitou sestavu čidla (hliníkové a jiné pokovení, zlaté vodiče apod.), která v těchto případech není odolná proti působení měřeného média - docela velké nároky na výrobní čistotu a pečlivost. © VR - ZS 2011/2012

34 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

35 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2011/2012 Křemíkový snímač relativního tlaku - na kapacitním principu – v kombinaci s oddě- lovací membránou, která nesmí ovlivnit vlastnosti čidla. Křemíková membrána o činné ploše asi 2 mm 2 - průměr oddělovací membrány je cca 10 mm. oddělovací membrána křemíková tenzometrická membrána silikonový olej referenční tlak tlak

36 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2011/2012 Čidlo tlaku s difundovanými polovodičovými tenzometry (piezorezistivní) schéma uspořádání membrána (její průměr je 0,8 až 6 mm), je vytvořena ve střední části substrátu odleptáním z opačné strany než strany nesoucí piezorezistory. tlak piezorezistivní prvky tah tlak

37 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY POLOVODIČOVÉ © VR - ZS 2011/2012 Čidlo tlaku s difundovanými polovodičovými tenzometry (piezorezistivní) skleněná nosná vrstva kontakt piezorezistivní prvky tlak referenční tlak křemíková membrána schéma uspořádání reálného provedení membrány (měřicí buňky)

38 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.

39 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.

40 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

41 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]

42 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

43 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.

44 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) © VR - ZS 2009/2010 Typprvek teplot. rozsah [ o C] termoel. napětí [mV/ o C] 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.

45 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.

46 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) © VR - ZS 2009/2010 stabilizované ss napájecí napětí U 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 R2R2 R4R4 R k = R ν R1R1 U M - výstupní napětí indi- kující změřenou hodnotu

47 T- MaR © VR - ZS 2010/2011 … a to by bylo k informacím o principech snímačů ( zřejmě ) vše

48 T- MaR © VR - ZS 2010/2011


Stáhnout ppt "Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2011 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2011/2012 5."

Podobné prezentace


Reklamy Google