Datorbaserad mätteknik Sensorer och givare :36 Outline Termoelement NTC-motstånd Töjningsgivare Bryggkoppling av resistiva givare Våg Load Cell Mätomvandlare Piezoelektrisk kristall Differentiell transformator Position Halleffekt Fotodiod Fotocell :36
Outline Inledning Accelerationssensor Trycksensor Resisitiv lägesgivare Fyrpunktsmetoden Nivåmätning i tank med: Spole Differentiell transformator Kapacitans Relaxationsoscillatorn 3:36 Inledning Syftet med denna föreläsning är att ni skall få inblick i fysikalisk mätteknik och hur man kan mäta olika fysikaliska storheter. Några exempel på industriellt användbara systemkomponenter finns med för att knyta an till den verklighet ni kommer att möta ute på era kommande arbetsplatser. De storheter som behandlas är: Temperatur Dragkrafter Massa Acceleration Position Magnetfältstyrka Ljusintensitet Gastryck Vätskenivå Relativ luftfuktighet 4:36
Basic sensor physics Thermocouple emf T Y T X An electric conductor exposed to a temperature gradient ranging from T X to T Y will induce an emf, E(T X T Y ) approximately proportional to the temperature difference T Y T X. This emf is material dependent and is given by the thermocouple constant β AB which quantifies the material in relation to Platinum. Hence, the thermocouple constant for Platinum is zero. 5:36 Basic sensor physics Thermocouple emf Solder points T T Material A Material B Material C Material C V T0 KVL: E A( V = E V = E T T ) + EC ( T T0 ) V + EC ( T0 T ) + EB ( T T ) = 0 A ( T AB ( T T ) + E T ) β B ( T AB T ) = E ( T T ) A ( T T ) E B ( T T ) 6:36 3
Basic sensor physics Thermocouple emf Type T element Type Material pair β AB ( µv / K) Interval J Iron vs Copper-Nickel 5-00 900 K Nickel-Chromium vs Nickel-Aluminium 39-50 900 S Platinum0%-Rhodium vs Platinum 6.4-50 800 T Copper vs Copper-Nickel 4-00 400 7:36 Industriella komponenter för termoelement Ref. ROTH+CO. AG, Oberuzwil, Schweiz T Material A T Material B Sensorn på bilden är utrustad med termotråd där den varma lödningen T finns längst ute i spetsen. Termotrådens (två trådar med olika metallegeringar) ansluts på en kopplingsplint i anslutningsdosan T. 8:36 4
Industriella komponenter för termoelement Exempel på mätvärdesomvandlare för inkoppling av termoelement. Referens: Phoenix Contact AB, Huddinge Cold Junction Compensation (CJC): vanligtvis en termistor för att mäta den kalla anslutningens temperatur. 9:36 Basic sensor physics Thermocouple emf Material A T T Material B T 3 Material B T M Material C V KVL: E Material C A( T T ) + EB ( T T3 ) + EC ( T3 TM ) V + EC ( TM T3 ) + EB ( T3 T ) = 0 V = E A( T T ) + EB ( T T ) β AB ( T T ) 0:36 5
Basic sensor physics NTC-resistor A semiconductor can be doped to have a certain resistance. However this resistance is also strongly dependent on the α temperature. R R e T T = 0 This is a low cost sensor and can be integrated on chip. However it is far from being linear! :36 Basic sensor physics Strain gauge A resistance strain gauge measures a change in size of a solid object due to the object being strained along the sensing axis. A L R = ρ L A :36 6
Bryggkoppling av resistiva givare A resistive sensor is passive sensor and has a change of resistance on its output terminals that is ideally proportional to the change of the physical quantity. If the sensor coefficient k is small such that the resistance changes are small, a bridge is used to increase the sensitivity. Resistive sensor 3:36 Bryggkoppling av resistiva givare Resistive sensor A bridge in balance means R R R 4 = U b = U A U B = R3 0 Assume that the sensor R has a resistance value R at a physical zero reference point. Let the resistors R R 4 have the same value R. Then the bridge output voltage will be zero at the physical zero reference. A change dr of the sensor resistance will then give a change of the bridge voltage U U b = dr 4 R Often, sensors have a built-in-bridge such that the sensor has four terminals. 4:36 7
Bryggkoppling av resistiva givare Half bridge Full bridge The sensitivity can be increased by using half bridge or full bridge. This will also suppress the temperature dependency of the bridge output if compared with a quartz bridge. 5:36 Våg som bygger på töjningsgivare i brygga Ref: Vishay, Model 60 Denna s-formade modul har töjningsgivare kopplade i brygga och fäst på den mekaniska konstruktionen. Den kan användas för både drag- och kompressionslaster. Finns i utförande för maximal belastning mellan 500 till 5000 kg. Benämns vanligen med Load cell. 6:36 8
Mätvärdesomvandlare för load cell Ref: Schenck Process, DISOBOX A/D Converter Unit Enheten till vänster innehåller förstärkare, ADomvandlare, mikroprocessor och kommunikation med fältbuss, RS485 och MODBUS. Den fungerar som en sändare av mätvärden från ett flertal analoga ingångar. En av ingångarna är anpassade för mätning av en load cell. Denna ingång kan konfigureras för fyra eller sex trådar. 7:36 Basic sensor physics Piezo crystal Q x = k F Q V x = C x x x dq i = dt x df = k dt But since the crystal also has a resistance, x U x x ( ) t / R x t = V e C x 8:36 9
Basic sensor physics Differential transformer LVDT Variable Linear Differential Transformer. A transformer has a variable position of the kernel. The output voltages from the two secondary windings are added with 80 degrees phase shift. The total output is linear to the object s position having zero at the transformer s centre position. A phase detector determines right or left position. 9:36 Basic sensor physics Hall effect R H is the Hall coefficient d V H = R H I B d = RH I d B = k B 0:36 0
Industriell Hall-effektsgivare Ref. Honeywell GT Series Exempel på givare för detektering av kuggarna på ett drev i exempelvis en växellåda. Givaren bygger på en kombination av permanentmagnet och Hall-effektsensor. När en kugge passerar givaren fås en elektrisk puls på utgången. :36 Basic sensor physics Photo diode E :36
Industriell fotocell med fotodiode Ref. Autonics BA Series Modul med sändare och mottagare av infrarött ljus. Mottagaren har en fotodiod. Ofta används modulerat ljus, dvs ljus vars intensitet svänger med någon khz. Detta för att kunna skilja sändarens ljus från bakgrundsljus. 3:36 More complex sensors - Acceleration Used in cars to measure collision forces 4:36
More complex sensors - Acceleration The spring preloads the mass with a force such that acceleration can be measured in both directions. 5:36 Industriell accelerationssensor Ref. Kelag, KAS90 Accelerationskrafter som verkar på massan förändrar två kapacitanser på grund av den tryckförändring som blir mot kondensatorn av metallfilm. Sensorn innehåller även elektronik för omvandling av kapacitans till spänning. 6:36 3
More complex sensors - Pressure The sensor chamber has the reference pressure P. Four strain gauges are assembled on the spring and connected in a bridge. The bridge output is then proportional to the measured pressure P. 7:36 Industriell trycksensor Denna trycksensor bygger på ett piezoelektriskt element I kombination med inbyggd förstärkare, ADomvandling, mikroprocessor och kommunikation via PROFIBUS och RS485. Ref. VIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, Tyskland 8:36 4
Resistiv lägesgivare En pistong med variabel position får mekaniskt påverka punkten för kontaktering med en resistans. Enheten utgör en linjär potentiometer där positionen översätts till resistans. Ref. Contelec, Biel/Bienne, Schweiz 9:36 Sensing techniques Four point method A more forward method to sense the resistance change of a sensor is by driving a constant current through the resistor and measure the voltage drop using four wires. What is the difference and advantage compared to Two point method? 30:36 5
More complex sensors Level A simple inductance can be measured in a bridge or a differential transformer could be used. 3:36 Sensing techniques - Bridge Inductive sensor In this configuration a bridge is used to sense the inductance of an inductive sensor. U b U b = U A U 4 U dl L B = jω( L + dl) U jω( L + dl) + jωl U 3:36 6
More complex sensors - Level For a simple parallel plate capacitor with area A and distance d between plates: C = ε A d C tot = C 0 = ε 0 + C bh d V + = b d ( ε h ε x + ε x) b d ( ε ε ) x V 0 0 0 V The capacitance will be proportional to the level and also to the volume. 33:36 Industriell capacitiv nivågivare En tank av elektriskt ledande material används som en av kondensatorns elektroder. Ref. NIVOCAP from Nivelco Process Control Co, Budapest Fördel En tank av isolerande material behöver en extra elektrod. I detta fall i form av en rörhylsa. Inga rörliga delar! 34:36 7
Capacitive humidity sensor Ref. P4 från Innovative Sensor Technology, Schweiz. Fukt i luften absorberas i ett dielektrikum och får påverka kapacitansen mellan två elektroder. Vatten har en hög relativ dielektricitetskonstant. 35:36 Sensing techniques Relaxation oscillator 3 7 - VS+ + VS- 4 +5 Volt Rm LM74 R 6 Resistive sensor Rs Frequency output The bridge can also be used to sense the inductance of an inductive sensor. f osc = R m C ln m ( Q) Cm R -5 Volt D Q = R + R R D Or capacitive sensor 36:36 8