Sensorteknik Ex-tenta 1

Transkript

1 Elektrisk mätteknik LTH Sensorteknik Ex-tenta 1 Tillåtna hjälpmedel: Kalkylator och/eller tabell. Anvisningar: De 16 första frågorna bör besvaras relativt kortfattat, t.ex. genom en enkel ritning och en kort förklaring, som dock måste vara precis och inte alltför allmänt hållen. Rätt svar på en fråga ger 1 poäng. Delar av poäng ges om svaret inte är helt rätt. De två sista uppgifterna bör däremot besvaras ganska grundligt. Varje uppgift kan ge upp till 5 poäng. OBS! Glöm inte att skriva namn på varje sida (även på frågeformuläret). L Y C K A T I L L!

2 1. Beskriv en kraftgivare som är baserad på töjningsmätning. Hur skall givaren utformas för att få minimal temperaturkänslighet? 2. Ge exempel på en volymflödesmätare och förklara hur den fungerar. 3. Rita upp en differentialtransformator och förklara hur den fungerar. Hur kan man modifiera den så att den kan användas för mätning av större förflyttningar? 4. Vid mätningar på piezoelektriska givare användes ofta en s.k. laddningsförstärkare. Rita upp ett schema över en sådan och förklara vilka problem den eliminerar jämfört med en enkel spänningsförstärkare. 5. Hur ser ett Bourdon-rör ut och vad användes det till? 6. Förklara hur en värmeledningsvakuummeter fungerar. 7. Visa med hjälp av en skiss hur en kraftbalansaccelerometer kan vara konstruerad och förklara hur den fungerar. Vad är fördelen med denna accelerometer jämfört med andra? 8. Beskriv två olika metoder för mätning av nivån i en vätsketank (obs! mätning, inte bara nivåvakt). 9. Berätta vad en torduktor mäter och förklara hur den fungerar.

3 10. Beskriv principen för två akustiska flödesmätare som inte orsakar någon tryckförlust vid mätningen. 11. Förklara med hjälp av en schematisk bild hur en gaskromatograf fungerar. 12. Förklara med hjälp av en figur och en enkel beskrivning hur en elektromagnetisk flödesmätare fungerar. 13. Beskriv den psykrometriska metoden för mätning av fuktighet. 14. Beskriv en metod för mätning av viskositet. 15. Förklara principen för temperaturmätning med en pyrometer. Hur gör man för att eliminera inverkan av mätobjektets emissionsfaktor? 16. En vanlig typ av dosimeter för mätning av radioaktiv strålningsdos är den s.k. termoluminescensdosimetern. Beskriv kortfattat hur den fungerar och hur den användes.

4 Uppgift 1. Namn... Optiska signaler används alltmer, dels för kommunikation, dels för olika typer av givare för mätning av icke-elektriska parametrar. En av fördelarna är okänslighet för elektriska störningar vilket gör det möjligt att mäta i svåra miljöer. a. I industriella processer är nivåmätning en viktig mätvariable. Förklara hur en fiberoptisk nivåvakt kan vara konstruerad. b. En klassisk analysmetod för sockerhaltsmätning är baserad på optisk teknik. Beskriv principen. c. Beskriv principen för en optisk fuktighetsmätare. d. Med en PSD, Positionskänslig fotodetektor, kan ett läge bestämmas med en upplösning på ca 1µm. Förklara med hjälp av en figur hur den fungerar. Ange även ungefärlig responstid. e. En Geodimeter används för avståndsmätning i bl.a. lantmäterisammanhang. Förklara hur den fungerar och hur man med denna utrustning kan mäta flera tusen meter med cm-noggrannhet. Uppgift 2: Du har fått till uppgift att för hälsoundersökningar konstruera ett mätsystem, med vars hjälp konditionsundersökningar skall utföras. Undersökningen tillgår så att den undersökte placeras på en motionscykel och vissa fysiologiska parametrar registreras, samtidigt som fysikaliska parametrar som kan hänföras till cykeln mätes. Föreslå givare och mätsystem för mätning av: a. Pulsfrekvens b. Andning c. Syrgashalt i inandnings, resp. utandningsluft d. Kroppstemperatur e. Hastighet hos cykeln f. Utvecklad effekt

5 Institutionen för elektrisk mätteknik LTH Namn... Sensorteknik Extenta 2 Tillåtna hjälpmedel: Kalkylator och/eller tabell. Anvisningar: De 16 första frågorna bör besvaras relativt kortfattat, t.ex. genom en enkel ritning och en kort förklaring, som dock måste vara precis och inte alltför allmänt hållen. Rätt svar på en fråga ger 1 poäng. Delar av poäng ges om svaret inte är helt rätt. De två sista uppgifterna bör däremot besvaras ganska grundligt. Varje uppgift kan ge upp till 5 poäng. För godkänt krävs totalt cirka 13 poäng. OBS! Glöm inte att skriva namn på varje sida (även på frågeformuläret). LYCKA TILL!

6 1. Mätsystem utsetts för störningar som kan ge upphov till felaktiga mätresultat. Ange tre olika störkällor som kan uppträda i samband med mätning av icke elektriska storheter. 2. Beskriv minst tre tekniker att konstruera en kapacitiv lägesgivare. Diskutera lineariteten för de olika teknikerna. 3. Förklara skillnaden mellan en piezoresistiv och en piezoelektrisk givare. Beskriv den elektriska mätutrustningen som normalt används tillsammans med piezoelektriska givare. 4. Rita upp en differentialtransformator och förklara hur den fungerar. 5. Beskriv en optisk mätmetod för mätning av korta avstånd. 6. Ge exempel på någon utformning av en tryckgivare som är konstruerad med mikromekanisk teknik. 7. Ange de tre fysikaliska egenskaper hos gaser som kommer till användning vid konstruktion av givare för vakuummätning. 8. Vridmoment kan mätas med flera olika tekniker, bl.a. en optisk. Beskriv grundidén bakom denna. 9. Beskriv uppbygganden av en accelerometer och förklara hur den fungerar. 10. Beskriv en metod för mätnig av hastighet med hjälp av ultraljud Ett exempel på en modern flödesmätare är Coriolismätaren. Förklara hur den fungerar.

7 12. I givarsammanhang kommer många fysikaliska fenomen till användning. Vad menas med a ) pyroelektricitet b) piezoelektricitet c) piezoresistivitet? Vilka storheter kan man mäta med givare baserade på de olika fenomenen? Vilka begränsningar finns? 13. Beskriv hur en motståndstermometer fungerar. Ange för- och nackdelar jämfört med termoelement. 14. Beskriv en totalstrålningspyrometer. Vilken egenskap hos mätobjektet måste man känna till om man skall använda instrumentet som temperaturmätare? Finns det någon metod som eliminerar detta problemet? 15. Rita upp en jonisationskammare och förklara vad den mäter och hur den fungerar. 16. Beskriv en fuktighetsmätare som är baserad på daggpunkts-bestämning.

8 Uppgift 1 : En av de vanligaste typerna av givare är töjningsgivaren. Grundtanken bakom en sådan givare är det faktum att en ledare som töjes blir längre och tunnare och därmed ökar dess resistans. Givaren kommer sedan till användning för mätning av många andra fysikaliska storheter, som lätt kan omvandlas till töjning. 1. Beräkna resistansändringen i en tunn tråd med längden l, tvärsnittet A och resistiviteten ρ när tråden förlänges med kvantiteten l. Förlängningen sker utan volymförändring och resistiviteten betraktas som konstant. 2. Moderna töjningsgivare är ofta utförda som folier, där man har möjlighet att med fotografisk teknik tillverka mera godtyckliga geometrier än när givarna tillverkades av trådmaterial. Bl.a. kan man då tillverka givare där foliebredden är större hos ledare i den ena riktningen än i den vinkelräta riktningen. Vad är skälet till detta? Ofta tillverkas foliegivare av ett halvledande material i stället för av metall. Vilka egenskaper hos halvledaren kan vara attraktiva och vilka nackdelar kan detta medföra? 3.Resistansändringen för en töjningsgivare som är utsatt för en rimlig töjning är ganska liten, varför stora krav ställs på mätutrustningen. Vilken teknik användes i allmänhet för resistansmätningen? Om givaren är förbunden med mätutrustningen med långa tilledningstrådar - hur minskar man inverkan av resistansändringar hos dessa? 4. Resistansen hos en töjningsgivare påverkas inte bara av töjningen utan dessutom av temperaturen hos mätobjektet. Om man önskar mäta bara den töjning hos ett mätobjekt som beror på en belastning av mätobjektet och inte den töjning som beror på den termiska utvidgningen av mätobjektet - hur skall man förfara?

9 Uppgift 2. Namn... Du har fått i uppdrag att ta fram en automatisk väderstation för avsides belägna platser och det är Din uppgift att föreslå såväl givare som elektronik. Då det är väsentligt att informationen kan fjärröverföras bör informationen vara tillgänglig i digital form. Konventionella väderdata är av intresse. Den avsides belägna väderstationen kommer att befinner sig nära en flygtrafikled, varför även sikt är av intresse. Föreslå mätstorheter, noggrannhetskrav, givare och elektronik för de olika storheterna. Motivera valen.