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
© Copyright 2024