En givare kan beskrivas enligt blockschemat i Fig. 1 (Fig. 1.1 i PL), med de viktigaste komponenterna:

Transkript

1 Med givare (eng. sensor) avser man ett mätinstrument som omvandlar en fysikalisk storhet till en elektrisk storhet. Informationen kan då enkelt överföras, behandlas, digitaliseras (lagras), etc. En givare kan beskrivas enligt blockschemat i Fig. 1 (Fig. 1.1 i PL), med de viktigaste komponenterna: Avkännaren påverkas direkt av den fysikaliska storheten (tex ett membran deformeras i proportion till det tryck som mäts) Givarelement omvandlar avkännarens storhet till en elektrisk storhet (tex deformationen avläses med en töjningsgivare och man får en resistansförändring) Inre signalbehandling (elektronisk utrustning i direkt anslutning, tex förstärkare för att få en användbar utsignal. Börjar även vara vanligt med avancerad signalbehandling (filtrering,sampling, digital linjärisering, självkalibrering, etc.) i givare) Figur 1: Blockschema för en givare. Från PL. En transmitter är en givare (med inre signalbehandling) vars utsignal är standardiserad tex 4-20 ma eller 0-5 V. Man gör skillnad mellan passiva givare (som kräver tillförsel av energi (matning spänning/ström), tex då en fysiklisk storhet omvandlas till resistans- /kapacitansförändring) och aktiva givare (som stjäl nödvändig energi från mätobjektet,

2 tex termoelement omvandlar temperatur(skillnad) direkt till spänning). I Tabell 1.1 ges exempel på aktiva givare och i Tabell 1.2 på passiva givare, bägge tabellerna från PL. I Tabell 1.3 ges exempel på passiva givare som bygger på ett mekansikt ingrepp i en elektrisk krets (från PL).

3

4 Ofta är givares utsignaler (de elektriska storheterna) små förändringar i resistans/kapacitans/induktans (passiva) eller spänning/ström. För att få användbara storheter krävs därför ofta elektriska hjälpmedel. Vanliga är: Bryggkopplingar (Se Fig 2, baserat på Fig. 4.6 i PL) som (via spänningsmatning) omvandlar resistans/kapacitans/induktans förändringar till en spänning proportionell mot mätningen. Man bör koppla in givare på lämpligt sätt i brygga och balansera bryggan enligt behov (se detaljer i PL eller LB) Figur 2: Bryggkopplingar och motsvarande utspänningar. Från PL. Olika förstärkare (olika kopplingar med operationsförstärkare (ofta förstärka en spänning), instrumentförstärkare (förstärka spänningsskillnad)). Se Fig. 3 (Figurerna 3.1, 3.2 och 3.3 från PL). Vid överföring av signaler finns olika risker för störningar (spänning mera känsligt än ström vid överföring, se Fig. 3, figurerna 3.4 och 3.5 i PL). Man kan på olika sätt (tex speciella kablar) skydda överföringen. Detaljer i PL och LB.

5 Figur 3: Exempel på förstärkare (fig ) och överföring av spänning (fig 3.4) och överföring av ström (fig 3.5). Från PL.

6 Ett elektriskt mätsystem kan beskrivas enligt blockschemat i Fig 4. (Fig. 1.1 i LB, figuren innehåller digital omvandling men de tre sista blocken kunde tex ersättas med ingången till en analog regulator och utgör då en del av ett reglertekniskt system.) Figur 4: Blockschema för ett elektriskt mätsystem. Från LB: Exempel på vanliga storheter och givare Mätning av temperatur: Termoelement, aktiva givare, spänning proportionell mot temperaturskillnad. Kräver med andra ord en referenstemperatur. o Olika standardmaterial, egenskaper från tabell Motståndstermometer, resistiviteten ökar ofta med ökande temperatur o Pt100 vanlig, men även andra (standardiserade) Termistorer, halvledarmaterial med starkt (både positivt (PTC-motstånd) och negativt (NTC-motstånd)) temperaturberoende resistivitet o Billigt alternativ o Ofta olinjärt, linjäriseringsmetoder krävs, spänningsdelare (analogt) eller digitala metoder Halvledarkretsar, diod, diodkopplad transistor

7 Strålningstermometrar/Pyrometrar o Strålning: endast fri sikt förutsätts (ingen beröring) o Viktiga faktorer som påverkar: Mätytans emissons- respektive reflexionsförmåga Strålning från andra värmekällor Atmosfärens absorptionsförmåga Pyrometerns inriktning Mätning av längdstorheter: Mätning av förflyttningssträckor: o Digitala metoder: Inkrementala metoder (kontakt, induktiv fotoelektrisk) Absoluta givare (kodskiva: Grey-koden) o Vrid- eller skutmotstånd o Induktiva o Elgoner och resolvrar, överför en axels vridningsvinkel o Kapacitiva givare Töjningsmätning, töjningsgivare klistras på mätobjektet o Trådtöjningsgivare, tvärkänslighet o Folietöjningsgivare, försumbar tvärkänslighet med lämplig etsningsteknik vid konstruktionen o Krypning: klister och bas kan ge efter vid långtidsbelastningar o Temperaturberoende, genom resistansen temperaturberoende men också töjningar pga av olika längdutvidgningskoefficienter hos mätobjekt och givare, sk skenbar töjning. Materialanpassade töjningsgivare. o Små resistansförändringar, bryggmetoder klart dominerande, ofta med 2 (eller 4) givare ändamålsenligt kopplade i brygga. Magnetfältkänsliga givare o Hallgivare, Hallspänningen proportionell mot produkten av magnetfältets styrka och strömmen genom Hallelementet o Magnetoresistiva givare, resistansen ökar med ökande fältstyrka: med två megnetoresistiva givare monterade på en permanentmagnet kan kan man, t.ex., känna av vridningsvinkeln på ett kugghjul och då även mäta rotationshastighet. Optiska givare för längdstorheter + Beröringsfrihet + Okänsligt för elektriska störningar + Snabba - Känslig för smuts, damm, dimma,... o Fotodioden (valigaste elektro-optiska elementet) släpper igenom en backström som är proportionell mot ljusstyrkan, med en differentiell fotodiod kan man bestämma position och hastighet för en ljusstråle som sveper förbi. Mycket linjärt element med hög noggrannhet.

8 o Fotoresistiva givare, resitansen beror på belysningsstyrkan, långsamma (tidskonstant på flera sekunder men används dock som, t.ex, flamdetektorer i oljebrännare) o Interferometriska mätmetoder, mycket noggranna och börjar (med utvecklingen av optiska komponeter, billigare alternativ) utnyttjas mer och mer i givare. Ultraljud (mäter tiden för reflektion, används tex för mätning av djup, tanknivå, etc. Ofta piezoelektriska komponenter (se mätning av tryck)) Mätning av kraft, tryck & vridmoment Kraftgivare mäter både dragkrafter och tryckkrafter (ej att förväxla med storheten tryck!) Tryckgivare mäter gas- och vätsketryck (kraft/ytenhet) Momentgivare mäter vridmoment (hos, t.ex., roterande axlar som överför effekt) Vanligt (för alla dessa typer av givare med elektrisk utstorhet) är att dimensionen på föremål som utsätts för en kraft (eller vridmoment) ändras och att denna dimensionsändring mäts med givare för längdstorheter (som töjningsgivare). Oftast används då flera töjningsgivare som kopplas i brygga på ändamålsenligt sätt enligt tidigare behandling Kraftgivare (med töjnings-/förskjutningsgivare) finns som o Balkgivare (<10 4 N) o Ringgivare (>10 N, <10 4 N) o Stavgivare (>10 3 N, <10 8 N) o Dessa kan även utnyttjas för elektrisk vägning (och för transportband med hastighetsmätning även för att mäta materialströmmar) Pressduktorn är en direkt kraftgivare som vunnit rätt stor spridning i tyngre industri (valsverk) och är baserad på den magnetoelastiska effekten (mekanisk spänning kan förändra magnetiseringen i ett ferromagnetiskt elastiskt material) Tryckgivare (med töjnings-/förskjutningsgivare) utnyttjar ofta o Bourdonrör (elestiskt rör, öppet och fast i ena ändan, slutet och rörligt i den andra) o Aneroid (bälg med elastiska metallplattor) o Membran Piezoelektriska kraft- och tryckmätare (utnyttjar att vissa kristaller som då dessa deformeras (elastiskt) av en belastande kraft ger upphov till en spänning över kristallen) är mycket vanliga (noggranna, linjära och föga temperaturberoende). Piezoelektriska kristaller har en, i givarsammanhang, speciell dynamik (högpassegenskaper med en undre gränsfrekvens) som beror på att den piezoelektriska kristallen urladdas trots att den inte är (elektriskt sett) belastad. Av denna orsak är piezoelektriska givare inte lämpliga för att mäta krafter (tryck) som är konstanta under en längre tid (frekvenser lägre än ca 10-3 till 10-6 Hz) Vridmoment mäts också ofta på liknande sätt, t.ex., med töjningsgivare (4 stycken klistrade i lämplig vinkel (positiv och negativ töjning) och ändamålsenligt kopplade i

9 brygga). Alternativt kan torsionsvinkeln mätas med hjälp av tandhjul (hålplatta) och på induktiv, kapacitiv eller fotoelektrisk väg Torduktorn utnyttjar magnetoelastiska effekten och kan användas för momentmätning i grova axlar (propelleraxlar på fartyg) Vibrationsmätning Mätning av acceleration och svängningsväg (ibland även hastighet) hos en svängande kropp kallas ofta vibrationsmätning med tanke på syftet med mätningarna Seismiska givare är dominerande och bör monteras så fast som möjligt på den kropp vars rörelser undersöks (ett mekaniskt system med massa, dämpning och fjäderkonstant). Givaren har då en egen frekvens (resonansfrekvens) som beror på utformningen o Den mest spridda givaren är den piezoelektriska och accelerationskännande med en resonansfrekvens på ca Hz (den undre gränsfrekvensen enligt tidigare behandling för piezoelektriska givare) Mätning av hastighet & varvtal Vanligast på basen av lägesmätningar (läges/vinkel förändring och tid) enligt tidigare metoder (magnetfältkänsliga, optiska, etc.) Takometergenerator kan utnyttjas för att mäta varvtal mellan 100 och 3000 varv/minut (högre varvtal kan växlas ner) Mätning av gas och vätskeflöde Givare med mekaniskt mellanled o Propellermätare/turbinhjulsmätare (egentligen hastighetskännande, men kombinerat med känd rörarea erhålls flödet) o Svävkroppsmätare o Tryckdifferensmätning (strypbricka, venturirör, äldst, kanske vanligast, ganska onnoggrann) o Varmtrådsanemometern (luftmängd i förbränningsmotorer, det strömmande mediet får kyla en upphettad tråd, temperaturskillnaden mellan tråd och strömmande mediet omvänt proportionell mot massflödet) Induktiv flödesmätare (elektriskt ledande vätskor, t.ex., vanligt vatten), fördelen att inget hinder behövs och kan därför utnyttjas för vätskor med hög densitet (slam) Mätning av densitet Arkimedes princip: Exempel på densitetsmätning med differantialtransformator

10 Mätning av salthalt Densitetsmätning, temperaturberoende Konduktivitet, temperaturbeorende. Tex har havsvatten med en salthalt på 35 g/kg en konduktivitet på 4.8 S/m vid 20 o C och avjoniserat vatten 5.5 µs/m. Mätning av ph Konduktivtet, temperaturberoende Lackmuspapper (manuellt) Mätning av fukthalt Två termometrar, en torr, en våt, fläkt runt den våta termometern för maximal avdunstning, temperaturskillnaden utgör ett mått på (relativ) luftfuktighet. Fukthalt påverkar längden på vissa material och den mekaniska förändringen detekteras (töjning/resistans) Mätning av viskositet Kraftigt temperaturberoende Vätska rinna genom ett rör, eller en kropp i vätskan, tiden anger viskositeten Rör med reglerat flöde, tryckfall proportionellt mot viskositet Roterande metoder, en roterande skiva överför ett moment till en annan skiva, momentet proportionellt mot viskositeten. Mätning av sammansättning: IR-analys, ett ämne ett karakteristiskt absorptionsspektrum Värmeledningsmätning, CO2 leder sämre än CO, N2. CO halt kan mätas genom värme som frigörs vid kemisk reaktion (fortsatt förbränning). O2-halt kan mätas genom att utnyttja syrgasens magnetiska egenskaper: en mätkammare med magnet och en referenskammare utan magnet => Större strömning O2 i mätkammaren vilket har en kylningseffekt, temperaturskillnaden mellan mät- och referenskammare indikerar O2-halt. Gaskromatografi, ett prov tas förångas och bärs (med N2) genom en kolonn med absorptionsmedel som bromsar olika ämnen olika mycket. De absorberade medlen förbränns i en flamjonisationsdetektor => joner når en elektrod => olika strömmar vid olika tider, ämnen identifieras på basen av tiderna Kammare med glödtråd och fotocell/fotodiod. Glödningsintensiteten proportionell mot halten CH eller CO.