Mätning av icke-elektriska storheter

Mätning av icke-elektriska storheter Kap 15.1 mm Ex 2.15 Wheatstonebrygga s. 66-67 Resistiv vinkelgivare s. 68-70 Trådtöjningsgivare s. 945-946 Variabel reluktans s. 560-561 Diodtermometer

Mätning av icke-elektriska storheter Omvandling av en fysikalisk storhet tex Temperatur Position Kraft Hastighet Varvtal till en elektrisk storhet Spänning Ström

Mätsystem

Givare och vakt Givare (en. sensor) Analog eller digital signal som motsvarar fysikalisk storhet Tachogenerator (analog) Pulsräknare (digital) Vakt Ger bara information om större eller mindre än något visst värde Ex gränslägesbrytare, nivåvakt

Känslighet

Temperaturmätning Termoelement Relativ temperaturmätning Bygger på den s.k. Seebeck-effekten (u. 1821) Två ihoplödade metaller/legeringar i vilka en elektrisk spänning uppkommer pga olika temperaturer vid lödställena Mätområde 200 ºC - 2000 ºC Liten tidskonstant, kort svarstid

V out = Temperaturmätning Termoelement T T ( S S )( ) A B Tip där S A och S B är Seebeck-koefficienterna för metallerna A och B. Egentligen är detta en approximation eftersom Seebeck-koefficienterna är temperaturberoende Ref

Temperaturmätning Termoelement Detta blir samma sak som två lödställe vid referenstemperatur

Temperaturmätning Termoelement Standardtyper av termoelement Typ Par Seebeck-koeff. (μv/k) E Chromel-Konstantan 60 J Järn-Konstantan 51 T Koppar-Konstantan 40 K Chromel-Alumel 40 N Nicrosil-Nisil 38 S Pt (10% Rh)-Pt 11 B Pt(30% Rh)-Pt(6% Rh) 8 R Pt(13 % Rh)-Pt 12

Temperaturmätning Termoelement http://www.thermometricscorp.com/thertypk.html

Temperaturmätning Termoelement Skyddskapslade termoelement Isolerad mätpunkt Den säkraste konstruktionen som är att föredra i de allra flesta fall. Man kan t ex utan hinder använda givaren för differensmätningar, slipper problemet med jordströmmar och vinner mekanisk hållfasthet. Jordad mätpunkt Trådarna svetsas fast i förslutningen. Ger något kortare svarstid. Mantel, isolering och termoelementtrådar har olika värmeutvidgning. Snabba och stora temperaturförändringar kan leda till att trådarna lossnar från spetsen. Exponerad mätpunkt Mätpunkten ligger utanför manteln och röret tätas med t ex glasmassa. Styrkan är kortast möjliga svarstid. Men på samma gång tar man bort flera av det slutna manteltermoelementets fördelar som hög temperatur-tålighet. Exponerad mätpunkt rekommenderas endast när kort svarstid ligger absolut högst på kravlistan.

Temperaturmätning Resistiva givare Mätområde: 260 ºC - +1200 ºC Större noggrannhet än hos termoelement Baseras på resistivitetens temperaturboeroende - Ökande resistivitet med ökad temperatur (PTC) Vanligast använda metallerna: Platina, nickel, koppar

Temperaturmätning Resistiva givare Resistivitetens temperaturberoende hos nickel och platina, nästan linjärt

Temperaturmätning Resistiva givare Linjär approximation av temperaturberoende: R t R r ( 1+ α ( t t )) r R r = resistans vid temperatur t α r = temperaturkoefficient vid temperatur t R r och α r måste vara angivna vid samma temperatur r

Vanligaste typen av motståndstermometer: Pt-100 (Platina, 100 Ω vid 0ºC) Okapslad Kapslad Temperaturmätning Resistiva givare

Temperaturmätning Resistiva givare Problem vid mätning med Pt-100 Temperaturberoende ledningsresistanser => Kompensering med flera ledare Fyrtrådskoppling (med konstant strömkälla)

Temperaturmätning Resistiva givare OP-förstärkare som konstant strömkälla Strömmen I 2 genom givaren R t blir konstant

Temperaturmätning Termistor (halvledartermometer) PTC (Positive Temperature Coefficient) NTC (Negative Temperature Coefficient)

Temperaturgivare Strålningspyrometer

Givare för position Digital avkänning Ex. Inkrementell givare med två förskjutna kanaler

Givare för position Digital avkänning Inkrementell vinkelgivare Ex. volymkontroll

Givare för position Digital avkänning Ex. Absolut vinkelgivare: Gray-kodskiva

Givare för position Digital avkänning Avläsning av 4-bitars kodskiva

Givare för position Analog avkänning Resistiv vinkelgivare (potentiometer)

Givare för position Belastning av resistiv vinkelgivare Spänningsdelning ger upphov till fel i mätningen

Givare för position Analog avkänning Induktiv givare: LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

Givare för position Analog avkänning Resolver: Högfrekvent exciteringssignal i rotorn Två statorlindningar 90 förskjutna Inducerad spänning i statorlindningarna är beroende på rotorns position

Givare för position Halleffekten: Tvärspänning över en ledande platta utsatt för magnetfält Kraft på laddning q med hastighet v : n = Antalet laddningsbärare per volymsenhet

Givare för position Linjär hallgivare

Givare för position Hallgivare med switchutgång

Givare för position Fotodiod Vid belysning sänks diodkurvan - Backström uppstår som är linjär m.a.p. belysningen

Givare för position Reflexdetektor http://www.vishay.com/docs/83751/cny70.pdf

Givare för position Läsgaffel

Givare för position Fotoresistor (LDR, Ligth Dependent Resistor) http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_4.html

Givare för position Fotoresistor i skymningsreläkoppling http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_4.html

Givare för position Induktiv närhetsgivare http://machinedesign.com/sensors/proximity-sensors-compared-inductive-capacitive-photoelectric-andultrasonic

Givare för position Kapacitiv närhetsgivare http://machinedesign.com/sensors/proximity-sensors-compared-inductive-capacitive-photoelectric-andultrasonic

Givare för position Kapacitiv givare för touchscreen

Givare för kraft och moment Trådtöjningsgivare

Mäta små resistansvariationer Wheatstonebrygga + + = = 1 3 3 2 4 4 1 2 R R R R R R E U U U 0 4 3 2 1 = = = = U R R R R Balanserad brygga:

Mäta små resistansvariationer Wheatstonebrygga Antag: R R 1 2 = R = R 0 3 + Δ R = R 4 = R 0 U { Δ R << R } 0 E Δ R 4R 0

Trådtöjningsgivare på balk 1/4-brygga 1 givare Mäter kraft och moment Temperaturkänslig

Trådtöjningsgivare på balk 1/2-brygga 1 2 givare i samma ben Mäter kraft och moment Ej temperaturkänslig

Trådtöjningsgivare på balk 1/2-brygga 2 2 givare i samma ben Mäter moment men inte kraft Ej temperaturkänslig

Trådtöjningsgivare på balk 2/4-brygga 2 givare diagonalt Mäter kraft men inte moment Temperaturkänslig

Trådtöjningsgivare på balk Fullbrygga 4 givare Mäter moment men inte kraft Ej temperaturkänslig

Givare för kraft Kraftgivare med trådtöjningsgivare - Balklastcell Ringlastcell http://haehne.de/en/products/ring-force-sensors

Belastning av Wheatstonebryggan Bryggans tomgångspänning (U th ) motsvarar de olika bryggvarianternas utspänning U.

Belastning av Wheatstonebryggan

Givare för kraft Piezoelektriska kraftgivare Ämnen: Kvarts, turmalin, bariumtitanat Laddning uppkommer när materialet utsätts för en kraft http://www.hbm.com/en/menu/tips-tricks/force-measurement/strain-gauges-or-piezoelectric-sensors-a-comparison/ http://machinedesign.com/sensors/sensor-sense-piezoelectric-force-sensors

Givare för tryck Tryckgivare - Trådtöjningsgivarbaserad http://www.instrumentationtoolbox.com/2011/02/electrical-pressure-sensors-used-in.html#axzz2sk6uzzdf

Givare för tryck Tryckgivare - Piezoresistiva http://www.pressuresensorsuppliers.com/piezoresistive-pressure-sensor.html

Givare för hastighet och varvtal Tachometergenerator för likspänning - Vanlig likströmsmaskin - Stator med permanentmagneter - Inducerade emk:n i rotorn proportionell mot varvtalet (obelastad) http://www.electrical-engineering-assignment.com/tachometer-generators

Givare för hastighet och varvtal Tachometergenerator för växelspänning - Rotor med permanentmagneter - Stator med 2 48 poler - Emk:n proportionellt mot varvtalet (obelastad)

Givare för hastighet och varvtal Läsgaffel (2-detektors) med hålskiva Två givare ger även rotationsriktning http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/feb/using-infrared-technology-for-sensing

Givare för hastighet och varvtal Laser-tachometer - Reflex placerad på rotorn

Givare för hastighet och varvtal Stroboskop - Utnyttjar vikningseffekten med blinkande lampa

Givare för hastighet och varvtal Induktiv pulsgivare -Spänning induceras när reluktansen ändras -- Frekvensen proportionell mot varvtalet -- Låg frekvens ==> liten amplitud (nackdel)

Givare för hastighet och varvtal Hallgivare -Amplituden oberoende av frekvensen - (jfr induktiva pulsgivare)

Givare för moment Momentgivare - Momentmätning baserad trådtöjningsgivare Momentgivare med trådlös kommunikation http://www.appmeas.co.uk/torque-transducers-and-torque-sensors.html

Givare för moment Momentgivare - Momentmätning baserad på IR-laser Speciella läsgafflar http://www.km.kongsberg.com/ks/web/nokbg0240.nsf/allweb/ecc998ce82fe3801c125758300448e97?opendocument

Givare för acceleration Piezoelektrisk accelerometer 3-axlig accelerometer -- Används tex i telefoner http://uk.farnell.com/stmicroelectronics/lis3dh/accelerometer-mems-3axis-16lga/dp/1872923

Givare för flöde Turbinhjulsmätare

Givare för flöde Varmtrådsanemometer - Mäter flödet via trådens temperatursänkning http://www.ambientweather. com/exex407123nist.html http://link.springer.com.ludwig.lub.lu.se/book/10.1007/978-1-4419-6466-3/page/1 (s. 420)

Offsetfel Utsignalen är skild från noll även om instorheten är noll. Balansjustering i en givarbrygga Offsetjustering på en OP Summatorkoppling Kalibrera och efterbehandla

Känslighetsändring Ändra förstärkningsfaktorn i förstärkaren Ändra matningsspänningen till en brygga Koppla till en extra förstärkare Kalibrera för att kunna använda avläst värde

Linearitetsfel Avvikelse från ideala linjen Kopplingar för linearisering (kan minska känsligheten) Använder en kalibreringskurva och korrigerar enligt denna

Drift av mätsignalen Konstant insignal ger inte konstant utsignal. Uppstår genom t ex temperatur- och fuktändringar samt åldring. Kan begränsas genom regelbunden kalibrering. Motverkas genom byte mot mindre temperaturkänsliga komponenter. Skapa konstanta omgivningsparameter för att minimera driften.

Relativa felet