1. No category

Mittaustekniikan perusteet / luento 5
Anturit
• Anturi muuttaa mitattavan suureen helpommin
käsiteltävään, yleensä sähköiseen, muotoon.
Antureita
• Anturitekniikka hyödyntää laajasti fysiikan eri ilmiöitä.
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, termoelementti 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: termoelementti
• 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: termoelementti
Termojännite V riippuu liitosten lämpötilaerosta TJ1-Tref ja SeebeckV
(TJ1 Tref ). Laajemmalla lämpötila-alueella
kertoimesta
riippuu lämpötilasta, eikä yhtälö ole lineaarinen
mallinnetaan
N:nen asteen polynomilla, jonka kertoimet Ci saadaan taulukosta.
TJ1 Tref
C0 C1V
C2V
2
C NV
Lämpö: termoelementti
• Johtimet samaa materiaalia
sama termojännite
ei havaittavaa jännitettä
T1
A
A
V
N
T2
• Johtimet eri materiaalia
eri termojännite
termojännitteiden ero
on mitattavissa
T1
B
A
V
T2
• Termojännitteiden ero riippuu materiaalivalinnoista
Kuvat:
Agilent
Lämpö: termoelementti
Lämpö: termoelementti
• 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: termoelementti
Peltier-ilmiö (termosähköinen ilmiö)
• Sama toiseen suuntaan: 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, myös
käyttöjännitteen generointiin
Kuva: P. Horowitz ja W. Hill,
The Art of Electronics
Lämpö: termoelementti
• Huomioi mittauksia tehtäessä
– Referenssipisteen lämpötila
– Termojännitteen epälineaarinen riippuvuus lämpötilasta
(kalibrointikäyrä)
– Lämpövastus mittauskohteeseen
Lämpö: vastusanturi
• Vastusanturit
– Perustuvat metallin resistanssin (melko lineaariseen)
lämpötilariippuvuuteen:
T
T
T
T3
RT R0 R0 T
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.
•
= lämpötilakerroin (0.00392 / /°C)
• = 1.49
• = 0 (T>0), = 0.11 (T<0)
– Pt-100 anturi: ominaisresistanssi 100 (@ 0 °C)
Lämpö: vastusanturi
Lämpö: vastusanturi
• Huomioi mittauksia tehtäessä
• Resistanssin mittaaminen
– Mittausvirran vaikutus (tyypillisesti 0.5 C/mW ilmassa)
– Anturin lämpövastus kohteeseen
– Lämpötilariippuvuden epälineaarisuus (kalibrointikäyrä)
– Vastusarvo tyypillisesti 10 - 1000
johdinresistanssit (lämpötilariipuvia) ja
liitosresistanssit merkittäviä
– Suora vastusmittaus on vaikeaa
nelijohdinmittaus tai siltamittaus
Kolmijohdinsilta
Nelijohdinmittaus
Kuva: Agilent
Lämpö: termistori
Lämpö: termistori
• Huomioi mittauksia tehtäessä
• Termistorit
– Perustuvat puolijohteen resistanssin riippuvuuteen
lämpötilasta
– Herkin lämpöanturi:
vastusarvon muutos tyypillisesti noin 4 % / °C
– Vaste on voimakkaasti epälineaarinen:
1
T
A B (ln R ) C (ln R ) 3
T = lämpötila Kelvineissä
R = termistorin resistanssi
A, B, C = anturivakioita
Mallinnus voidaan tehdä monella tavoin
Kuva: Agilent
– Termistorin ominaisuudet voivat muuttua pysyvästi,
jos sen lämpötila kasvaa liian korkeaksi (~200 °C)
– 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
Termoelementti:
Termistori:
+ laaja lämpötila-alue (< 1800 °C)
+ yksinkertainen, kestävä, edullinen
- epälineaarinen ja epästabiili
- epäherkkä matala jännite
- tarvitsee lämpöreferenssin
+ herkkä ja nopea
+ halpa
- rajoitettu lämpötila-alue (<200 °C)
- helposti särkyvä
- mittausvirran lämpövaikutus
usein merkittävä
- epästabiili, epälineaarinen
Vastusanturi:
+ tarkka, stabiili (T< 660 °C)
+ melko lineaarinen
- kallis, hidas
- mittausvirta lämmittää anturia
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.
Hehkuva kappale emittoi säteilyä Planckin lain
mukaisesti.
• Primäärimenetelmä korkeissa lämpötiloissa, mutta
saadaan toimimaan huoneenlämpötilassa tai
pakkasellakin
• Etu:mittauslaite ei kosketa kohdetta.
Lähde
Optiikka
• Planckin laki määrittelee
mustan kappaleen radianssin L
lämpötilan T ja aallonpituuden
funktiona):
2
L( ,T )
2hc
5
Havaintolinssi
ehc/
kT
Kuva: MIKES
T4
1600 K
1
h = Plankin vakio, k = Boltzmannin
vakio ja c = Valon nopeus
E (T )
1800 K
1
• Stefan-Boltzmannin laki
määrittää kokonaisirradianssin
E lämpötilan funktiona:
Ilmaisin
2000 K
1200 K
0
1
2
3
4
Aallonpituus,
= Emissiviteetti
= Stefan-Boltzmannin vakio
5
m
6
Valo
• Useita suureita voidaan mitata optisesti, mm. 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/ )
• 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: valomonistinputki
• 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
• Vaurioituu, jos altistetaan
jännitteisenä normaalille
valaistukselle
Kuva: P. Horowitz
ja W. Hill, The Art
of Electronics
Valo: valomonistinputki
Paine: Bourdon-putki ja kalvoanturit
• Perinteisesti: Bourdon-putki
Bourdon- Putken poikkileikkaus
putkia
C-tyyppi
Spiraali
Kierretty putki
• Kalvoanturi
– Painearvo voidaan lukea
sähköisesti kalvojen välisen
kapasitanssin kautta
– Voidaan valmistaa mikromekaanisesti
Kuva: Hamamatsu
Voima ja liike: pietsoanturi
• Pietsosähköisissä kiteissä mekaaninen puristus
synnyttää napojen välille jännitteen:
elektrodit
+
-
– Käänteinen ilmiö: jännite
synnyttää voiman /
muodonmuutoksen.
– Materiaalit: PZT = lead-zirconate-titanate
PMN = lead-magnesium-niobate
– Käytetään esim: kiihtyvyysanturit, tärinäanturit
Paikka ja liike: Induktiivinen
differentiaalimuuntaja
• Muodostuu kolmesta kelasta
sekä sydänkappaleesta.
voima
Kuva: Piezosystem Jena
Kalvo lepoasennossa
Kalvo kuormitettuna
Kondensaattorilevy
– 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.
Liike
Vaste
Heräte
Muodonmuutos: venymäliuska
Muodonmuutos: venymäliuska
• Perustuu:
• Käytetään:
– Metallin resistanssin muutokseen muodon muuttuessa.
– Puolijohteen resistiivisyyden muutokseen jännityksen
muuttuessa.
– Venymien ja puristumien mittauksiin.
– Voiman mittaukseen.
– Paineen mittaukseen.
• Liuska liimataan kappaleeseen, jonka
muodon muuttuessa liuska venyy tai
Yläpuolen
Alapuolen
puristuu.
venymäliuskat
venymäliuskat
350
350
10 V
V
350
+
G=100
-
350
V
Zin
• Lämpötilan vaikutus kompensoidaan siltakytkemällä
Virtaus: paine-eroanturi
lähestymisosa
p v1
1
p v
• Venturiputki
2
Virtaus: magneettinen anturi
• Perustuu Hall-ilmiöön:
poisto-osa
2
E
Bernoullin laki
1 2
1 2
p1
v1 p2
v2
2
2
• Mittauslaippa
E=jännite, v=nopeus,
B=mg-kenttä, d=elektrodien väli
ja k=korjauskerroin
paine-eron
mittausyksikkö
p=paine, =tiheys
ja v=nopeus
p
v2
v1
1
p
2
1
kvBd
2
• Mitattavan nesteen johtavuuden täytyy olla riittävä.
• Putken täytyy olla valmistettu johtamattomasta
aineesta.
E
2
d
V
E
1
Magneettikela
Virtaus: turbiinianturi
• Turbiinianturit soveltuvat vain kaasujen tai puhtaiden
nesteiden virtauksen mittaukseen.
V
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
Kuva: P. Horowitz
ja W. Hill, The Art
of Electronics