Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

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 – 2011/2012 © 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 MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR PIEZOELEKTRICKÉ 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. © VR - ZS 2009/2010

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

7 MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR 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 oC – i méně (200 oC), u křemene je to až 550 oC. Maximální horní mez měřicího rozsahu je u sníma- čů tohoto typu 100 MPa. © VR - ZS 2011/2012

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

9 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. © VR - ZS 2009/2010

10 MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR PIEZOELEKTRICKÉ Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla Fx 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 Q = Kp * Fx PIEZOELEKTRICKÉ
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR PIEZOELEKTRICKÉ Velikost náboje Q je v tomto případě dána vztahem Q = Kp * Fx kde: Kp je piezoelektrická konstanta (piezoel. modul) Fx je působící síla © VR - ZS 2011/2012

12 MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR PIEZOELEKTRICKÉ Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla Fy 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 Q = Kp * Fx * ( b / a ) PIEZOELEKTRICKÉ
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR PIEZOELEKTRICKÉ Velikost náboje Q je v tomto případě dána vztahem Q = Kp * Fx * ( b / a ) kde: Kp je piezoelektrická konstanta (piezoel. modul) Fx je působící síla b, a jsou rozměry výbrusu © VR - ZS 2011/2012

14 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 2011/2012

15 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 2011/2012

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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

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

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

25 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

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

27 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

28 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

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

30 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

31 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 měření přetlaku až do 75 MPa a podtlaku do −100 kPa - přímá schopnost měřit zrychlení – až do 106 m/s2 - velký měřicí rozsah s velmi malou hodnotou minima © VR - ZS 2011/2012

32 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 měření přetlaku až do 60 MPa a podtlaku do −100 kPa - 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 2011/2012

33 POLOVODIČOVÉ Nevýhody T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
- 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 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

35 MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR POLOVODIČOVÉ Křemíkový snímač relativního tlaku - na kapacitním principu – v kombinaci s oddě-lovací membránou, která nesmí ovlivnit vlastnosti čidla. oddělovací membrána křemíková tenzometrická silikonový olej referenční tlak tlak Křemíková membrána o činné ploše asi mm2 - průměr oddělovací membrány je cca 10 mm. © VR - ZS 2011/2012

36 MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR POLOVODIČOVÉ Čidlo tlaku s difundovanými polovodičovými tenzometry (piezorezistivní) tlak piezorezistivní prvky tah 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. © VR - ZS 2011/2012

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

38 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

39 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

40 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

41 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

42 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

43 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

44 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

45 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

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

47 k informacím o principech snímačů
T- MaR … a to by bylo k informacím o principech snímačů (zřejmě) vše 35.... © VR - ZS 2010/2011

48 T- MaR © VR - ZS 2010/2011