Mittaustekniikan perusteet / luento 10 Anturit Antureita tällä

Mittaustekniikan perusteet / luento 10
Antureita
Anturit
• Anturi muuttaa mitattavan suureen helpommin
käsiteltävään, yleensä sähköiseen, muotoon.
• Anturitekniikka hyödyntää laajasti fysiikan eri ilmiöitä.
Antureista lisää:
S-108.3010 Mittauselektroniikka
Generoiva ilmiö
TERMINEN
Muunnin
Moduloiva ilmiö
SÄHKÖINEN
Anturi
Mittauslaitteen tai
mittausketjun
elementti, johon
mittaussuure vaikuttaa
välittömästi
SÄHKÖINEN
Esim. termosähköinen ilmiö
TERMINEN
Antureita tällä luennolla
• Lämpö
– Vastusanturi, termistori, termopari ja pyrometri.
• Valo
– Valodiodi ja valomonistinputki.
• Paine
– Bourdon-putki ja kalvoanturi.
• Voima, liike ja muodonmuutos
– Pietsoanturi, differentiaalimuuntaja ja venymäliuska.
• Virtaus
– Paine-eroanturi, magneettinen anturi ja turbiinianturi.
Esim. termoresistiivinen ilmiö
Muunnin
SÄHKÖINEN
Lämpö: termopari
• Termopari
– Toiminta perustuu Seebeck-ilmiöön
• Ilmiö: kahden eri johteen väliset liitokset aiheuttavat
termojännitteen, mikäli niitä pidetään eri lämpötiloissa.
• Ilmiön keksi saksalainen fyysikko Thomas Seebeck v. 1821.
• Yleiskäyttöisin lämpötila-anturi
– Termojännitteen
Kuva: P. Horowitz ja W. Hill,
suuruusluokka
The Art of Electronics
n. 1-100 µV / °C.
Lämpö: termopari
Termojännite V riippuu liitosten lämpötilaerosta TJ1-Tref ja Seebeckkertoimesta α : V = α (TJ1 − Tref ). Laajemmalla lämpötila-alueella α
riippuu lämpötilasta, eikä yhtälö ole lineaarinen → mallinnetaan
N:nen asteen polynomilla, jonka kertoimet Ci saadaan taulukosta.
Lämpö: termopari
• Johtimet samaa materiaalia
→ sama termojännite →
ei havaittavaa jännitettä
T1
A
A
V
TJ1 − Tref = C0 + C1V + C2V 2 + K + C NV N
T2
• Johtimet eri materiaalia
→ eri termojännite →
termojännitteiden ero
on mitattavissa
T1
B
A
V
T2
• Termojännitteiden ero riippuu materiaalivalinnoista
Kuvat:
Agilent
Lämpö: termopari
Lämpö: termopari
• Koko piirin ulostulojännite
riippuu kahden liitoksen
lämpötilaerosta
– Toinen liitoksista on pidettävä
vakiolämpötilassa
– Vaihtoehtoisesti on
suunniteltava elektroniikka,
joka ottaa referenssiliitoksen
lämpötilan huomioon (tähän
löytyy valmiita piirejä ja
kytkentöjä)
– Kompensointia voi tehdä
myös ohjelmallisesti
Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics
Lämpö: termopari
Peltier-ilmiö (termosähköinen ilmiö)
• Kahden eri johteen muodostamista liitoksista toinen lämpenee
ja toinen jäähtyy, kun niiden läpi johdetaan sähkövirta.
– Voimakas erityisesti puolijohteilla (p- ja n-tyyppi).
– Ilmiön keksi ranskalainen fyysikko Jean-Charles-Athanase Peltier
vuonna 1834.
– Peltier-elementtiä käytetään yleisesti lämpötilan säätöön.
Kuva: P. Horowitz ja W. Hill,
The Art of Electronics
Lämpö: termopari
• Huomioi mittauksia tehtäessä
– Referenssipisteen lämpötila
– Termojännitteen epälineaarinen riippuvuus lämpötilasta
– Termoparin mittajohdot:
• Väsymismurtumat, epäpuhtaudet
• Termoparin huono liitos
• Galvaaniset jännitteet
– Lämpövastus ympäristöön
– Sähköiset häiriöt
Lämpö: vastusanturi
• Vastusanturit
– Perustuvat metallin resistanssin (melko lineaariseen)
lämpötilariippuvuuteen:
3
⎡
⎞⎛ T ⎞ ⎤
⎛ T
⎞⎛ T ⎞
⎛ T
β
RT = R0 + R0α ⎢T − δ ⎜
−
−
− 1 ⎟⎜
1
⎜
⎟⎟⎥
⎟⎜
⎟
⎜
⎝ 100 ⎠⎝ 100 ⎠⎦
⎝ 100 ⎠⎝ 100 ⎠
⎣
RT = resistanssin arvo lämpötilassa T [°C]
Mallinnus voidaan
R0 = resistanssin arvo lämpötilassa T = 0 °C
tehdä monella tavoin
– Stabiilein lämpötila-anturi
– Yleisimmin käytetty anturimateriaali on Platina.
• α = lämpötilakerroin (0.00392 Ω/Ω/°C)
• δ = 1.49
• β = 0 (T>0), β = 0.11 (T<0)
– Pt-100 anturi: ominaisresistanssi 100 Ω (@0 °C)
Lämpö: vastusanturi
Lämpö: vastusanturi
• Huomioi mittauksia tehtäessä
• Resistanssin mittaaminen
– Vastusarvo tyypillisesti 10 Ω - 1000 Ω
johdinresistanssit (lämpötilariipuvia) ja
liitosresistanssit merkittäviä
– Suora vastusmittaus on vaikeaa →
nelijohdinmittaus tai siltamittaus
–
–
–
–
Mittausvirran vaikutus (tyypillisesti 0.5 °C/mW ilmassa)
Mittuspiirin termojännitteet (Seebeck-ilmiö)
Anturin lämpövastus ympäristöön
Lämpötilariippuvuden epälineaarisuus
Kolmijohdinsilta
Nelijohdinmittaus
Kuva: Agilent
Lämpö: termistori
Lämpö: termistori
• Termistorit
• Huomioi mittauksia tehtäessä
– Perustuvat puolijohteen resistanssin riippuvuuteen
lämpötilasta
– Herkin lämpöanturi:
vastusarvon muutos tyypillisesti noin 4% / °C
– Vaste on voimakkaasti epälineaarinen:
1
= A + B(ln R ) + C (ln R ) 3
T
T = lämpötila Kelvineissä
R = termistorin resistanssi
A, B, C = anturivakioita
Mallinnus voidaan tehdä monella tavoin
Kuva: Agilent
– Termistorin ominatisuudet voivat muuttua pysyvästi,
jos sen läpötila kasvaa liian korkeaksi
– Lämpötila-alue rajoittuu pariin
sataan asteeseen
– Termistorit voidaan tehdä
erittäin pieniksi
• Nopeita, mutta
• Mittausvirran vaikutus suuri
– Termistorin lämpötilariippuvuus voi olla positiivinen tai
negatiivinen
• NTC (Negative Temperature Coefficient)
• PTC (Positive Temperature Coefficient)
Lämpöanturit: yhteenveto
Lämpöanturit: yhteenveto
Termopari:
Termistori:
+ laaja lämpötila-alue
+ yksinkertainen, kestävä
ja halpa
- epälineaarinen ja epästbiili
- epäherkkä → matala jännite
- tarvitsee lämpöreferenssin
+ herkkä ja nopea
+ yksinkertaisempi
mittausjärjestely kuin
vastusantureilla
- rajoitettu lämpötila-alue
- helposti särkyvä
- mittausvirran lämpövaikutus
usein merkittävä
- epästabiili ja epälineaarinen
Vastusanturi:
+ tarkin ja stabiilein
+ melko lineaarinen
- kallis
- hidas
- tarvitsee monimutkaisen
mittausjärjestelyn
Signaalitasot lämpötilamittauksissa ovat usein matalia.
Tämän vuoksi täytyy kiinnittää erityistä huomiota
mittaukseen vaikuttaviin häiriöihin.
Kuvat: Agilent
Kuva: Agilent
Lämpö: pyrometri
Lämpö: pyrometri
• Toiminta perustuu mustan kappaleen säteilylakiin
(Planckin laki).
• Käytetään (yleensä) korkeiden lämpötilojen
mittaukseen, koska kappaleen säteilyteho on
verrannollinen lämpötilan neljänteen
potenssiin (Stefan-Boltzmannin laki).
• Etu: mittauslaite ei kosketa kohdetta.
Lähde
Optiikka
Ilmaisin
• Planckin laki
2000 K
– Määrittelee mustan kappaleen säteilyn(teho / pintaala / aallonpituus).
F( λ ) =
1
1800 K
hc 2
1600 K
λ5 e hc / λkT − 1
1200 K
h = Plankin vakio, k = Boltzmannin
0
vakio ja c = Valon nopeus
• Stefan-Boltzmannin laki
1
2
3
4
Aallonpituus, µm
– Määrittää kokonaissäteilytehon pinta-alaa kohti.
Havaintolinssi
Kuva: MIKES
F = εσT 4
ε = Emissiviteetti
σ = Stefan-Boltzmannin vakio
5
6
Valo
• Yhä useampia suureita mitataan nykyisin optisesti:
– Esim. pituutta, nopeutta, kemiallista koostumusta…
• Anturityypit:
– Termiset anturit
• Mittaavat sähkömagneetisen säteilyn tehoa.
• Suhteellisen hitaita ja signaali pieni.
• Etuna vähäinen riippuvuus aallonpituudelle.
• Esim. pyrosähköinen detektori ja bolometri.
– Kvanttianturit
• Nopeita, voivat toima gigahertsien taajuuksilla.
• Aallonpituusriippuvia ( E = hf = hc/λ )
• Esim. valodiodi (=fotodiodi), valovastus (hidas) ja
valomonistinputket
Valo: valodiodi
• Yleisin valoanturi.
• Fotonit synnyttävät PNrajapinnalla elektroniaukkopareja, jotka havaitaan sähkövirtana.
E
Ec
hf
Ev
Valo: valodiodi
• Tyypillisiä kykentöjä
Kuvat: Hamamatsu
Eg
Valo: valomonistin
• Fotoni irroittaa tyhjöputken katodilta elektronin.
• Kiihdytysjännitteen ohjaama elektroni osuu
dynodeille ja monistuu.
• Anodille saadaan moninkertaisen vahvistuksen
ansiosta virtapulssi, joka on helposti mitattavissa.
• Hyvin pienille valotehoille
• Pulssien laskenta
(=fotonilaskenta) tai
• Rajoituksia:
– Herkkyys ~ 0.5 A/W
• Aallonpituusriippuva
– Vuotovirta (shunttivastus)
– Kapasitanssi
– Kohina
Kytkentäkuvat: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics. Vastekäyrä ja sijaiskytkentä: Hamamatsu
• Virran mittaus
• Kvanttihyötysuhde ~20%
Kuva: P. Horowitz
ja W. Hill, The Art
of Electronics
• Vaurioituu, jos altistetaan
jännitteisenä normaalille
valaistukselle
Valo: valomonistin
Paine: Bourdon-putki ja kalvoanturit
• Perinteisesti: Bourdon-putki
ja kalvoanturi
Perinteinen valomonistinputki
Bourdon- Putken poikkileikkaus
putkia
C-tyyppi
Channel photomultiplier
Kuva: PerkinElmer
Kuvat: Hamamatsu
Spiraali
Kalvoantureita
Kierretty putki
• Kalvoanturi
– Painearvo voidaan lukea
sähköisesti kalvojen välisen
kapasitanssin kautta
– Voidaan valmistaa mikromekaanisesti
Aneroidi
Kalvo
Kalvo lepoasennossa
Kalvo kuormitettuna
Kondensaattorilevy
Paine: kalvoanturit ja mikrofonit
• Kapasitiivisesti: paineanturit, mikrofonit, paikkaanturit…
– Esim. kapasit. mikrofonin impedanssi ~ 400 MΩ @ 20 Hz
Esimerkki: mikrofonivahvistin
Paine: tyhjiöanturit
• Bayard/Alpert-ionisaatioanturi
– Painealue: 0.1 Pa - 1×10-9 Pa
(1 ×10-6 bar - 1×10-14 bar)
– Paine verrannollinen elektronipommituksen tuottamaan ionivirtaan (ion collector)
• Lämpöhäviöanturit
Kuva: P. Horowitz ja W. Hill,
The Art of Electronics
– Lämmitin-termopari
yhdistelmä
– Perustuu kaasun
aiheuttamaan jäähtymiseen
– Painealue:
~ normaalipaine - 0.1 Pa
Kuva: P. Horowitz
ja W. Hill, The Art
of Electronics
Voima ja liike: pietsoanturi
• Pietsosähköisissä kiteissä mekaaninen puristus
synnyttää napojen välille jännitteen:
• Muodostuu kolmesta kelasta
sekä sydänkappaleesta.
voima
+
elektrodit
-
– Käänteinen ilmiö: jännite
synnyttää voiman /
muodonmuutoksen.
– Materiaalit: PZT = lead-zirconate-titanate
PMN = lead-magnesium-niobate
– Käytetään esim: kiihtyvyysanturit, tärinäanturit
Kuva: Piezosystem Jena
Muodonmuutos: venymäliuska
• Perustuu:
350 Ω
V
Liike
– Nolla-asemassa herätejännite
(vaihtovirta) ei synnytä
(vastakkaissuuntaisten) toisiokäämien sarjaankytkentään
jännitettä.
– Epäsymmetrinen sydämen
asema synnyttää sarjaankytkentään jännitteen, jonka
vaihe riippuu liikkeen
suunnasta ja amplitudi
poikkeutuksen suuruudesta.
350 Ω
350 Ω
+
G=100
-
V
Zin ≈ ∞
• Lämpötilan vaikutus kompensoidaan siltakytkemällä
Vaste
Heräte
Muodonmuutos: venymäliuska
• Käytetään:
– Metallin resistanssin muutokseen muodon muuttuessa.
– Puolijohteen resistiivisyyden muutokseen jännityksen
muuttuessa.
La
b
• Liuska liimataan kappaleeseen, jonka
kä orat
yte or
muodon muuttuessa liuska venyy tai
tty iotö
Yläpuolen
Alapuolen
puristuu.
liu iss
venymäliuskat
venymäliuskat
sk ä
350 Ω
a
10 V
Paikka ja liike: Induktiivinen
differentiaalimuuntaja
– Venymien ja puristumien mittauksiin.
– Voiman mittaukseen.
– Paineen mittaukseen.
va
lm Vu
ist on
ett na
uv 1
en 954
ym
äli
us
ka
Virtaus: paine-eroanturi
lähestymisosa
p v1
1
p v
• Venturiputki
2
Virtaus: magneettinen anturi
• Perustuu Hall-ilmiöön:
poisto-osa
2
E = kvBd
Bernoullin laki
1
1
p1 + ρv12 = p2 + ρv 22
2
2
paine-eron
mittausyksikkö
p=paine, ρ=tiheys
ja v=nopeus
• Mittauslaippa
E=jännite, v=nopeus,
B=mg-kenttä, d=elektrodien väli
ja k=korjauskerroin
p
v2
v1
1
p
2
1
2
Virtaus: turbiinianturi
• Turbiinianturit soveltuvat vain kaasujen tai puhtaiden
nesteiden virtauksen mittaukseen.
V
E
2
d
V
• Mitattavan nesteen johtavuuden täytyy olla riittävä.
• Putken täytyy olla valmistettu johtamattomasta
aineesta.
E
Magneettikela
Anturit
• Pelkän anturitekniikan hallitseminen ei riitä hyvien
mittausten saavuttamiseen.
• Lisäksi tulee ymmärtää:
– Mittaustilanne ja siihen vaikuttavat tekijät.
– Anturin lähielektroniikka.
• Muita virtausmittareita:
–
–
–
–
–
Äänen kulkuaikamittaukset
Doppler-mittaukset (optinen tai akustinen)
Anemometrit (terminen menetelmä)
Esteen synnyttämän pyörteen taajuusmittaus
Korrelaattorimittaus
1
Kuva: P. Horowitz
ja W. Hill, The Art
of Electronics