Ipari méréstechnika. Készítette: Kiss László Ipari méréstechnika

Ipari méréstechnika Készítette: Kiss László

2010.02.16.

Ipari méréstechnika

1

Az ipari méréstechnika alapjai • •

Az ipari, méréstechnika tárgya, a műszaki folyamatokban végbemenő változások fizikai jellemzőinek érzékelése és mérése. A fizikai jellemzőket két fő csoportba osztjuk: – Villamos mennyiségek, tehát eredendően villamos jelek, (U; I; Pvill.). – Nem villamos mennyiségek, (hőmérséklet, nyomás, szint, áramlás, elmozdulás)

• •

•

A nem villamos mennyiségeket részben segédenergia nélkül, részben villamos segédenergia igénybevételével mérjük. A segédenergia nélküli mérés hátránya, hogy a mérési eredmény szállítása, tárolása, feldolgozhatósága körülményes. Ezért az ilyen módon történő mérés eredménye tájékoztató jellegű, pl. manométer. A villamos segédenergiával történő mérés során a nem villamos mérendő jeleket, mérő-átalakítókkal villamos jelváltozássá alakítjuk. Ezek a jelek jól szállíthatóak, tárolhatóak és feldolgozásuk lényegesen könnyebb, mint az előző jeleké.

2010.02.16.


2

Az ipari méréstechnika áttekintése Ipari méréstechnika Metrológia

Feszültség mérés

Hőmérséklet mérés

Feldolgozás

Mérési elvek

Árammérés

Nyomás mérés

Kiértékelés

Indukció mérés

Szint mérés

Telemechanika

Vill. fogy. mérés

Áramlás mérés

Mérési módszerek

Sűrűség mérés Analóg

Digitális

Elmozdulás mérés Fordulatszám mérés Rezgés mérés

Nedvesség mérés 2010.02.16.


3

Mérő-átalakítók •

•

•

A mérő-átalakítók feladata, hogy a nem villamos mennyiségeket érzékelve, azzal arányos jelet állítsanak elő, pl.: U; I; R, stb. A mérő-átalakítóknak a folyamat jellemzőkkel érintkező részét primer érzékelőknek nevezzük. Különleges szerkezeti és anyagjellemző igény, pl.: savas közeg mérése esetén. A mérő-átalakítók primer érzékelői két részre oszthatók: – Passzív átalakítók, működésük minden esetben segédenergiát igényel. – Aktív átalakítók, működésük nem mindig igényel segédenergiát.

Xbe

P, H, T, V, stb.

2010.02.16.

Primer érzékelő-átalakító

Blokkvázlata


Xki ΔU, ΔI, stb.

4

Mérő-átalakítók csoportosítása Mérő-átalakítók

Ellenállásos

Induktív

Kapacitív

2010.02.16.

Kristály alapú

Félvezető alapú


5

Nyílthurkú mérő-átalakítók blokkvázlata Analóg kijelzés

Primer átalakító Nem villamos bemenő jel

ΔX

Digitális kijelzés

Jelátalakító

123456

ΔR

A

ΔR

ΔI

= ~

D

a b

Stabilizált tápegység

230V; 50Hz

2010.02.16.


6

Zárthurkú mérő-átalakítók blokkvázlata

Primer átalakító Nem villamos bemenő jel

ΔX

Kompenzált jelátalakító

Különbség képző

ΔR

Mérőerősítő és integrátor

Xki

>

ΔR

ΔI

_

∫

ΔI Stabilizált tápegység

=

~

ΔXki Kompenzált jelátalakító

Linearizáló

230V; 50Hz

2010.02.16.


7

Korszerű ipari mérő-átalakító elvi felépítése Méréstartomány Hídfeszültség

Xbe

Finom

Durva

UK

5 kHz táp Mérőcella

UA

Bemeneti csatorna

Mérőerősítő és Hf. generátor

0

. . . 7

Mérőhíd típus

Finom

Durva

Kijelzési tartomány

Nullapont állítás

2010.02.16.


8

Passzív mérő-átalakítók •

Ellenállás változáson alapuló átalakítók: – Csúszóérintkezős, pl.: potenciométer – Huzalos, pl.: nyúlásmérő bélyeg – Hőmérséklet érzékelő ellenállások, pl.: Pt 100

•

Kapacitás változáson alapuló átalakítók: – Síkkondenzátorokat alkalmazó átalakítók, pl.: folpack fólia vastagság mérése – Hengerkondenzátorokat alkalmazó átalakítók, pl.: tartályszintek mérése

•

Induktivitás változásán alapuló átalakítók: – Nyitott mágneskörű átalakítók, pl.: vasúti kerekek áthaladásának érzékelése – Zárt mágneskörű átalakítók, pl.: MMG villamos nyomástávadó – Magnetoelasztikus átalakítók, a magnetostrikció inverzeként működnek

•

Félvezető alapú átalakítók: – Termisztorok – Szilícium ellenállás hőmérők – Fényérzékelő ellenállások

2010.02.16.


9

Ellenállás alapú csúszóérintkezős átalakítók RO ΔX R

Ellenállás test X XO

R RO

2010.02.16.

X ; XO

R

X RO . XO


S

dR RO . dX XO 10

Csúszóérintkezős terhelt átalakító X=X0

1,0 R/Rt = 0

U1 X

=1 U2

Rt

1 R 1 RO

2010.02.16.

=4

U2 U1

X=0

U2 U1

0,5

X XO

X 1 XO

X XO

0

0

0,5

1

X/XO Ipari méréstechnika

11

Nyúlásmérő bélyegek (tenzoellenállások) • •

Nyújtó, vagy nyomóerő hatására megváltoztatják ellenállásukat. Alkalmas rugalmas deformáció és rezgés mérésére is. Kialakítását tekintve van: – Halszálka mintázatú – Huzalos (aktív és kompenzáló bélyegekkel) – Rozettás kivitelű (körkörös elrendezés)

•

A nyúlásmérő bélyegek legfontosabb jellemzői: – Névleges terhelés: az az erő, amellyel a működési tartományon belül terhelhető – Alsó mérési határ: az a minimális erő, amelytől kezdve a nyúlásmérő bélyeg megfelel a követelményeknek – Cellatényező (érzékenység): a névleges és a nulla terhelésnél mért kimeneti feszültségek különbségének, valamint a nyúlásmérő bélyeg tápfeszültségének hányadosa mV/V-ban mérve.

2010.02.16.


12

Huzalos nyúlásmérő bélyeg Műanyag hordozó fólia

Ф = 5-50µm

Aktív bélyeg

A nyúlásmérő bélyeget az un.: gauge faktorral (g) jellemezzük. Ez tk.: az átalakítási tényező, amely megmutatja, hogy hányszorosára változik meg a bélyeg ellenállása egységnyi erőhatás következtében. g ≈ 2-2,7 Linearitási eltérésük: 0,1%-1,0% között Élettartamuk: 106…107 behatás Rnévl: 120, 350, 600, 1000 Ω

Kompenzáló bélyeg

Mérhető legkisebb nyúlás: 0,1∙µ∙ε Hőmérséklet tartomány: -20 OC - +150OC-ig

2010.02.16.


13

A huzalos nyúlásmérő bélyeg fizikája • •

ε: nyúlási együttható, amely a relatív hosszváltozást fejezi ki. µ: Poison tényező, µ ≈ 0,3. Az F erő hatására a relatív ellenállás változás nagyobb mint a relatív hosszváltozás, F F D D-dD tehát: L

dL ; és L

2010.02.16.

dD D

L+dL

dD ; ill. : D


dR R dL : L

dL L dD D dL L 14

A huzalos nyúlásmérő bélyeg fizikája L A

R

g

2010.02.16.

L

4 L D2

D2 4

ln R

ln

dR R

d

dL L

dR R dL L

d

dD 1 2 D ; dL L

dL L

ln L 2 ln D ln 2

dD D

:

4

dL L d g

1 2

µ


15

Bélyeg elhelyezése a mérőhasábra F Acél mérőhasáb

A hőmérséklet kompenzációs bélyeget mindig merőlegesen kell elhelyezni az aktív bélyegre.

F

2010.02.16.


16

Az erőmérő cella felépítése F

2010.02.16.


17

A félvezetős nyúlásmérő bélyeg Si érzékelő lap

Kivezetés

Rugalmas kapcsolat

Műanyag hordozó lemez

2010.02.16.


18

A félvezetős nyúlásmérő bélyeg jellemzői

• • • • • • • •

Érzékeny a hőmérséklet változásra, Névleges ellenállása 120Ω, g ≈ 100-120, Linearitása terhelésfüggő, de kb.: 1%, Élettartama 106 behatás, Üzemelési hőmérséklet tartomány: -55 OC – tól + 125 OC-ig, A tápfeszültség megválasztásánál vigyázni kell, hogy az áram ne melegítse, Jó mechanikai tulajdonságú és kis hőmérsékleti együtthatójú bélyeg megválasztására kell törekedni.

2010.02.16.


19

A nyúlásmérő bélyegek karakterisztikái Félvezető alapú nem lineáris

dR/R

Ellenállás huzalos lineáris

dL/L

Félvezető alapú nem lineáris

2010.02.16.


20

A nyúlásmérő bélyegek jellegzetes hibái • • • •

•

Kúszás, vagyis, hogy a bélyeg milyen mértékben fut együtt a mérőtesttel, (mérőhasábbal) Ismétlési hiba, az ugyanazon „F” erőhatásra adott válasz jel, tehát azellenállás változás azonossága Irányváltási hiba, a dinamikus méréseknél fellépő hiba Linearitási hiba, ami huzalos átalakítók esetén nem jelentkezik, csak extrém erőhatásoknál. Félvezető alapúak esetén a linearitástól való eltérést többtagú hatványsorral küszöböljük ki. A gyártó ezt a hatványsort mellékeli az átalakítóhoz Hőmérséklet függés, ezt a gyártó zárt matematikai összefüggéssel közli, hogy a ΔT hőmérséklet változás milyen mérési hibát okoz. Ez rendszeres hiba, tehát kiküszöbölhető.

2010.02.16.


21

Hőmérséklet érzékelő ellenállások • • • •

A fémek ellenállása a hőmérsékletváltozás hatására, tág hőmérséklet határok között lineárisan változik. A fémes anyagokból készített hőmérséklet érzékelők az ellenállás hőmérők. Előnyük, hogy linearitásuk miatt nincs szükség szálkorrekcióra. Hátrányuk: – Hogy pontszerű mérésre nem alkalmasak – Radioaktív környezetben nem alkalmazható, mert a radioaktív sugárzás jelentősen megváltoztatja a fémek ellenállását

• • •

Az α hőmérsékleti tényező megmutatja, hogy 1OC változás mekkora ellenállás változást idéz elő az egységnyi keresztmetszetű anyagban. Ha a hőmérséklet (+) irányba változik (0OC feletti tartomány), akkor a fémek ellenállása a hőmérséklettel négyzetes összefüggésben változik. Ha a hőmérséklet (–) irányba változik (0OC alatti tartomány), akkor a fémek ellenállása a hőmérséklettel negyedik hatvány szerinti összefüggésben van.

2010.02.16.


22

Ellenállás hőmérők alapösszefüggései 1 R100 R0 ; RT R0 100 RT

f T 2 , ha

R0 1

T

T. f T 4 , ha

0; és RT

T

0.

Pt 100 ra : 0 és 630,5 OC 0 OC alatt

Rt

A

3,98 10

3

B

5,9 10

7

C

4,3 10

12

2010.02.16.

Rt

R0 1 A T

R0 1 A T

B T2

B T2


C T 100 T 3

23

Ellenállás hőmérők karakterisztikái R [Ω]

Pt, -138 és +630 OC, ill. -260 és +1400 OC között Fe Ni, max. 180 OC-ig Cu

CuO 0 OC

2010.02.16.

T [OC]


24

Ellenállás hőmérők vázlatos felépítése

Az ellenállás huzalt hordozó test

Ellenállás huzal

Kivezetés

Fém vagy üveg burkolat

A Pt alapellenállásai: 50Ω vagy100Ω

2010.02.16.


25

Félvezető alapú hőmérséklet érzékelők • • •

• •

Azokat a fémoxidokat, amelyek alkalmasak a hőmérséklet változás kimutatására, termisztoroknak nevezzük. A termisztorok növekvő hőmérsékletnél csökkenő ellenállást mutatnak, ezek a negatív hőfoktényezőjű anyagok (NTK). Azok a termisztorok, amelyeknek az ellenállása növekvő hőmérséklet esetén növekedést mutat, a pozitív hőfoktényezőjű anyagok közé tartoznak, (PTK). Anyaguk polikristályos báriumtitanát. A termisztorok hátránya: a karakterisztikájuk nem lineáris A termisztor működését az alábbi összefüggés írja le: B

RT

RT 0 e B T2

2010.02.16.

1 1 T T0

; B

a termisztorra

jellemző

állandó

1 ; K Ipari méréstechnika

26

Az NTK termisztor karakterisztikája 10 K, 1000Ω

Dinamikus jelleggörbe

U [V]

78 K, 500Ω Statikus jelleggörbe

Munkaegyenes

135 K, 200Ω

160 K, 100Ω 200K, 75Ω R Munkapontba húzott érintő I [mA] 0

2010.02.16.

2

4

6

8

10

12


27

A PTK termisztor karakterisztikája Lineáris tartomány, itt alkalmazható pl.: túlterhelés védelemre log R

R2 Villamos gépekben történő alkalmazás estén a térerősség növekedésével a karakterisztika változik, nevezetesen a meredekség csökken.

R1

T1

2010.02.16.

T2


Tmax

28

A termisztorok kiviteli formái

Kivezetés

Csatlakozó felület Gyöngy típus

Érzékelő Burkolat Tárcsa típus

2010.02.16.


29

Fényérzékelő ellenállás • • • •

Az anyaga polikristályos félvezető. Jelleggörbéje tág határok között lineáris. Hőmérsékleti tartománya -20 OC-tól +70OC-ig. Az érzékelő alapellenállása a fémes hozzávezető kontaktus méretével állítható be, tehát az átalakító alapellenállása nem a lapka átmérőjétől és vastagságától, hanem hozzávezető kontaktus méretétől függ. Fény

Fémes csatlakozás Fényérzékeny réteg

Kerámia test

2010.02.16.


30

A fényérzékelő ellenállás karakterisztikái

R, Ω

Srel, %

106

100

105

80

104

60

103

40

102

20

101

CdS ZnS Se

Si

E, lx 10-1

10o

2010.02.16.

101

102

103

104

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1


Ge

1,5 λ, µm

31

Számonkérés következik

2010.02.16.


32

Számonkérés 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Rajzolja le az ipari méréstechnika kapcsolatrendszerét! Csoportosítsa a mérő-átalakítókat! Rajzolja le a nyílthurkú mérő-átalakító blokkvázlatát! Mutassa be a nyúlásmérő bélyeg fizikai működését! Mit nevezünk ellenállás hőmérőnek? Rajzolja le az ellenállás hőmérő vázlatos felépítését! Mutassa be a félvezető alapú hőmérséklet érzékelőket! Rajzolja le a korszerű ipari mérő-átalakító elvi felépítését! Ismertesse a fényérzékelő ellenállás felépítését és működését. Rajzolja le a PTK termisztor kiviteli formáit és a karakterisztikáját.

2010.02.16.


33

Következnek az induktív átalakítók.

2010.02.16.


34

Induktív jelátalakítók • • • • • •

Az induktív jelátalakítók lehetnek aktívak, vagy passzívak. Ha a kimeneti jele induktivitás változás, akkor passzív. Ha a kimeneti jele indukált feszültség, akkor aktív. Közös jellemzőjük, hogy mindegyik tartalmaz vasmagot és tekercset. Kiviteli formájuk különböző, de mindig illeszkedik a felhasználáshoz. Blokkvázlata: Bemeneti jele: elmozdulás (Δx), vagy szögelfordulás (Δφ).

2010.02.16.

Induktív jelátalakító


Kimeneti jele: induktivitás változás (ΔL)

35

Induktív jelátalakítók osztályozása 1.

2. 3.

4.

Induktív jelátalakítók azok, amelyeknek a működése az érzékelő elmozdulásának eredményeként bekövetkező induktivitás változáson alapul. Differenciáltranszformátoros jelátalakítók azok, amelyeknél két a tekercsrendszer között létrejövő fluxusváltozás képezi a működés alapját. Elektrodinamikus jelátalakítók azok, amelyek működése egy váltakozó mágneses térben elhelyezett lengő tekercsben keletkezett indukált feszültség létrejöttén alapul, ha a tekercset nyugalmi helyzetéből kimozdítjuk. Állandómágneses induktív jelátalakítók azok, amelyek működése egy állandó mágneses térben mozgó tekercsben indukált feszültség létrejöttén alapul.

2010.02.16.


36

Egytekercses nyitott mágneskörű átalakító L Δx

Mozgató rudazat

Vasmag

N menetszámú tekercs

Ha a vasmag elmozdul, akkor a tekercs induktivitása változik. Legnagyobb az induktivitás akkor, ha a vasmag teljesen fedésben van a tekerccsel.

2010.02.16.


37

Az egytekercses nyitott mágneskörű átalakító jelleggörbéje L

-X

+X 0

Az impedancia változása az elmozdulás függvényében

2010.02.16.


38

Kéttekercses nyitott mágneskörű átalakító L1

L2

Δx

Mozgató rudazat Vasmag

N menetszámú tekercsek

2010.02.16.


39

A kéttekercses nyitott mágneskörű átalakító jelleggörbéje L

L2(x)

L1(x)

Le(x)

-x

2010.02.16.

+x


40

Egytekercses zárt mágneskörü induktív jelátalakítók A járom lehetséges mozgásirányai

Alap légrés

Járom

Vastest

i

Rt U

2010.02.16.

i

U Z

Rb


U Rt

j L

41

Az egytekercses zárt mágneskörű átalakító jellemzői •

Előnyei: – Egyszerű felépítés, – Üzembiztos működés,

•

Hátrányai: – A tekercs árama a feszültség és a frekvencia változás függvénye, – Karakterisztikája nem lineáris, ill. csak kis szakaszokban, – A vasmag járomban számottevő erők keletkeznek, amelyek befolyásolják a mérendő munkadarab helyzetét,

•

Alkalmazása: – Szerszámgépek által megmunkált munkadarabok helyzetérzékelésére, – Általában csekély elmozdulások érzékelésére.

2010.02.16.


42

Kéttekercses differenciál átalakító (lapos) Ut R

R

n2 mV

x

n1 Z1

2010.02.16.


Z2

43

Kéttekercses differenciál átalakító (hengeres) Hengeres lemez fedél

n1 I1

Hengeres alakú vastest

Φ01

Φy1

A

B

I2

VM

Φ1=Φ01+Φy1;

Φ2=Φ02+Φy2

G1=G01+Gy1;

G2=G02+Gy2

Ferromágneses tárcsa

Φy2

G = mágneses vezetőképesség

Φ02 n2

2010.02.16.

x

L1

n12 G1 ;


L2

n22 G2

44

A kéttekercses induktív jelátalakító jelleggörbéje Z1

Z1(x)

-x

+x

ΔZ=Z1(x)-Z2(x)

Z2(x)

Z2

2010.02.16.


45

A kéttekercses átalakító jellemzői • • • • • • •

•

Közös járom (mozgó rész) és két külön tekercs, amelyek két mágneses kört alkotnak. Kivitele lehet lapos (lemezelt vasmag), vagy hengeres, tömör vasmagos. Működése a járom ill. vasmag alaphelyzethez viszonyított elmozdulásából adódó induktivitás változáson alapul. A „G” mágneses vezetőképesség a felhasznált vasanyagok és a légrés függvényei. Karakterisztikája lineárisabb, mint az egytekercses típusé. A járomra (vasmagra) ható erő kisebb mint egytekercses esetben. A rendszer kimeneti feszültsége (39. dia) kevésbé függ a tápfeszültség és a frekvencia ingadozástól, mint az egytekercses esetben. Alkalmazása: helyzet, ill. elmozdulás érzékelésére.

2010.02.16.


46

A differenciáltranszformátoros jelátalakító Ip

n1

n2 1-es transzformátor

Φm1/2

x

Ui1

Φy G1

Gy

G1

G2

Gy

G2

Φy

Φm2/2

ΔU=Ui1-Ui2

Ui2 2-es transzformátor

Ip

n1

n2 Φy= fő fluxus Φm= munka fluxus

2010.02.16.


47

A differenciáltranszformátoros jelátalakító • • •

•

• •

A két transzformátor villamos és geometriai szempontból teljesen azonos. A Φy mindkét mágneses körben (a járom helyzetétől függetlenül) egyforma. Ha a járom elmozdul, akkor a rendszer mágneses vezetőképessége „G” változik. Ennek hatására Ui1 és Ui2 is változni fog, ami ΔU változását vonja maga után. Ha a járom a semleges helyzet egyik oldaláról a másikra mozdul el, akkor ΔU fázishelyzete 180O-t változik, tehát nemcsak az elmozdulás mértékét, hanem annak irányát is tudjuk érzékelni. A rendszer mágneses vezetőképességeinek változása a x elmozdulás függvénye és egyben azzal arányos is. Kivitelétől (a gyártás precizitásától) függően, akár 1μm-es elmozdulás érzékelésére is alkalmas.

2010.02.16.


48

A differenciáltranszformátoros jelátalakító m1

2 i p n1 G1

m2

2 i p n1 G2

y

U i1 U i2 U

2010.02.16.

2 i p n1 G y 2 2

i p n1 n2 x G1

Gy

i p n1 n2 x G2

Gy

U i1 U i 2

2

i p n1 n2 x G1


G2

49

Magnetoelasztikus átalakítók •

• •

•

A magnetoelasztikus hatás lényege, hogy a ferromágneses anyagok mágneses jellemzői mechanikai igénybevétel hatására megváltoznak. Ennek oka, hogy erő hatására az elemi mágnesek (domének) az eredeti irányukból elfordulnak, és így az anyag mágneses permeabilitása (μr) megváltozik. Ha a ferromágneses anyagon lévő tekercset állandó árammal gerjesztjük, akkor a ferromágneses anyagban állandó „H” térerősség alakul ki. Ha „F” erővel hatunk a vasmagra, akkor a „B” mágneses indukció változni fog. A változás oka „μr” változása, hiszen B=μo•μr•H. A mechanikai feszültség hatására bekövetkező relatív permeabilitás változás:

r r r

2010.02.16.

k

k = anyagállandó σ = mechanikai feszültség μr = az eredeti permeabilitás


50

Magnetoelasztikus átalakító (pressduktor) Vasmag F

Ug

Uki

Ug

Terheletlen állapot, φ=90O, Uki=0V

2010.02.16.

Uki

Terhelt állapot, φ≠90O, Uki>0V


51

A pressduktor jellemzői és karakterisztikája

• •

• •

•

Nagy érzékenység, Alkalmas nagy erők mérésére, akár 10 MN (1000T), Nagy üzembiztonság, Jó hőmérséklettűrés, 40OC – +80OC-ig, Jó linearitás

Uki, mV 250 200

150 100 50 0 0

2010.02.16.

10


20

30

40 50

F, kN

52

Induktivitás változáson alapuló magnetoelasztikus átalakító F

Lemezelt vasmag

ΔL

2010.02.16.


53

Következnek a kapacitív átalakítók

2010.02.16.


54

Kapacitív jelátalakítók • • •

A kapacitív átalakítók a mérendő mennyiséget kapacitás-változássá képezik le, amit a továbbiakban az átalakító mérőköre dolgoz fel. Érzékelésre legtöbb esetben a sík és hengerkondenzátorok, valamint az ezekből képzett soros, illetve párhuzamos elrendezéseik alkalmasak. Blokkvázlata:

Bemeneti mennyiségek:

Δx, Δl, ΔA, Δd

2010.02.16.

Kimeneti mennyiség:

Δx ΔC


ΔC

55

A síkkondenzátor mint jelátalakító A

d

C

0

r

A d

εr Ezzel az átalakítóval a két érzékelő között lévő anyag vastagságát, vagy a két érzékelő távolságát lehet meghatározni. Ha a két érzékelő távolságát határozzuk meg, akkor a dielektrikum levegő, és ekkor elmozdulás mérést végzünk.

2010.02.16.


56

A síkkondenzátor mint jelátalakító

Álló fegyverzet +x

-x Mozgó fegyverzet d1 d2

Mozgató rudazat

2010.02.16.


57

A síkkondenzátor mint jelátalakító d A-A1

ε0 A1 Dielektrikum (εr)

Ce

C1 C2

A

0

d

1

A1 A

r

1

+x -x

2010.02.16.


58

A henger kondenzátor mint jelátalakító D d

Ce Átvezető szigetelő C1

Mérőelektróda

L

Levegő

Folyadék

l

C2

C3

Tartály

Ce

C1

Ce

C1

C2

0,614 K l log

R≈∞

2010.02.16.

C3


L l D d

0,614 K a l D log d 59

A delta cell Átvezető szigetelő

Kivezetések

Hegesztett kötések

Nyomásközvetítő

Szigetelő membrán

P1

P2

Merev szigetelés

Szilikon olaj

Kondenzátor lemez

Érzékelő membrán

2010.02.16.


60

A delta cell tulajdonságai • • • •

Síkmembránnal egybeépített mérő-átalakító, Differenciál nyomás mérésére alkalmas, Az érzékelő membrán és a kondenzátor lemezek differenciál kondenzátort alkotnak, A kapacitásváltozás 100-200 pF között lehetséges,

C • • •

0,0886

0

r

N 1 d

A

N : a fegyverzetek száma d : a fegyverzetek távolsága A : a fegyverzetek felülete

2010.02.16.


61


2010.02.16.


62

Számonkérés 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Mutassa be általánosan az induktív jelátalakítókat. Ismertesse a kéttekercses nyitott mágneskörű átalakítót. Ismertesse az egytekercses nyitott mágneskörű átalakítókat. Részletesen mutassa be a differenciál transzformátoros átalakítót. Ismertesse a pressduktor felépítését, és működését. Mutassa be a síkkondenzátort, mint jelátalakítót. Ismertesse a hengerkondenzátort, mint jelátalakítót. Mutassa be a delta-cell felépítését és működését.

2010.02.16.


63

Következnek az aktív jelátalakítók

2010.02.16.


64

Aktív jelátalakítók • • •

•

Az aktív jelátalakítók a mérendő fizikai mennyiség átalakítása során közvetlenül mérhető villamos jelet (áramot, vagy feszültséget) szolgáltatnak. Ezek az átalakítók a működésükhöz szükséges segédenergiát a mérendő fizikai mennyiségből nyerik, így annak értékét befolyásolják. Törekedni kell arra, hogy az ilyen jellegű átalakítók használatakor az átalakító energiaigénye több nagyság rendel alatta maradjon a mérendő fizikai mennyiség energiatartalmának. Tehát annak értékét csak jelentéktelen mértékben befolyásolja. Blokkvázlata:

Bemeneti mennyiségek: Δx, T, B, F, n-1

2010.02.16.

Aktív jelátalakító


Kimeneti mennyiségek: ΔU, ΔI

65

Indukciós jelátalakítók • • • • •

Az indukciós jelátalakítók működési elve a mozgási indukción alapszik, tehát a fluxus időbeni változása idézi elő. Ennek megvalósítása a legkülönfélébb műszaki megoldásokat eredményezte. Az indukciós átalakítók kimeneti jelét feldolgozva meghatározható a sebesség és a gyorsulás is. Az indukciós átalakítók bemeneti jele lehet: elmozdulás (Δx), szögelfordulás (Δφ), és fordulatszám (n-1). A működés alapegyenlete:

Ui

2010.02.16.


N

t

66

Merülő tekercses átalakító Mozgató rudazat Δx

Kivezetések

Csévetest

Tekercselés

Lágy vasmag

Permanens mágnes

ui

2010.02.16.

N B l v

dx N B l dt


67

Tachométer dinamó Kommutátor

Csapágy Álló rész, burkolat É

n Uki

Tekercselt forgórész

D

Átvezető szigetelő

ui 2010.02.16.

Szénkefe

Forgórész tengely

N B l v sin Ipari méréstechnika

t 68

Tachométer generátor Csapágy

Átvezető szigetelő Álló rész, burkolat

n

Forgórész, permanens mágnes Uki

Állórész lemezelt vastest, tekercseléssel ellátva

ui 2010.02.16.

N B l v sin Ipari méréstechnika

Forgórész tengely

t 69

Örvényáramú tachométer Mutató Mutató tengelye Spirálrúgó rögzítés

Spirálrúgó Alu tárcsa

Mágnes tartó

Mechanikailag hajtott tengely

2010.02.16.


70

Indukciós áramlásmérő Érzékelő elektródák

Fém cső

Csőbélés

Ui

2010.02.16.

A mágneses teret létrehozó tekercs


71

Termo-elektromos jelátalakítók • • •

• • •

A termo-elektromos átalakító (hőelem) a hőmérsékletet közvetlenül egyen feszültséggé alakítja. Jellemzője a kis belső ellenállás (néhányszor 10Ω), ezért feszültség generátorként kezelhető. Felépítése: két különböző anyagi minőségű fémet az egyik végén atomi méretekben egyesítünk, ez lesz az érzékelő melegpontja, míg a két fém másik végein mérhető a termo feszültség, ha az egyesített pontot melegítjük. A hőelemekkel mérhető maximális hőmérséklet > 3000OC. A hőelem érzékelő részét mindig korrózió álló burkolattal látják el. Leggyakoribb hőelem fém párok: – – – – – –

Vas-konstantán (5mV/100K), Réz-konstantán (4mV/100K), Vas-nikkel (3,5mV/100K), Réz-nikkel (2,3mV/100K), Vas-platina (1,4….1,9 mV/100K), Platina-rhodium platina (0,6…0,7 mV/100K).

2010.02.16.


72

Termo-elektromos jelátalakítók •

A működés fizikai alapjai: ha T1=T2, akkor UAB=-UBA és a körben nem folyik áram. Ha T1≠T2, akkor I>0, mert a keletkezett termofeszültség áramot hajt a körben. A hőelemek által szolgáltatott feszültség arányos a T2 és T1 hőmérsékletek különbségével.

Melegpont, T1

I

„A” fém

-UBA

Hidegpont, T2

UAB „B” fém

2010.02.16.


73

A hőelemek alkalmazási problémái •

A hidegpontban járulékos termofeszültség keletkezik a réz vezetékkel való csatlakozás esetén. Ez csökkenti a melegpont által szolgáltatott feszültséget. Kiküszöbölése kompenzációs vezetékkel történik.

Járulékos termo feszültség

T4 T3

Cu

T2 mV

2010.02.16.

T5

Itt már nem keletkezik járulékos termo feszültség

T1

T4 T3

Kompenzációs vezeték

Termosztát a műszer szobában


T2

Cu mV

T1

74

Referencia hőelemes mérés •

Lényege, hogy kompenzációs vezeték nélkül is lehet pontos mérést végezni, ha az aktív hőelemmel azonos hőelemet kapcsolunk szembe, amelyet referenciahőmérsékletű térben (termosztátban) helyezünk el.

Melegpont TM

Hidegpont TH

UM

Tref

2010.02.16.

UM


k

mV

TM

Tref

75

Piezoelektromos mérő átalakítók •

• •

A piezoelektromos átalakító működése azon alapul, hogy ha a kvarckristályt a mechanikai tengelyén erőhatásnak tesszük ki, akkor a villamos tengelyén töltéskülönbség jelenik meg, ami arányos a ráható erővel. A töltéskülönbség elektronikus úton feldolgozható. A kristályban ébredő töltés:

Q • •

k

k = piezoelektromos állandó σ = a kristályban ébredő nyomófeszültség

2010.02.16.


76

A piezoelektromos átalakító felépítése F Primer nyomás felfogó elem

Fém burkolat

Nyomásközlő Kristály Töltéselvezető

+++++ ------------+++++

mA

Alátámasztás

2010.02.16.


77

Hall-elemes átalakító • •

A Hall-elemes átalakítók galvanomágneses elven működnek. A galvanomágneses jelenséget a mágneses térben mozgó elektronokra ható Lorentz erő idézi elő.

F

qe v

H

• • • •

qe = az elektron töltése v = az elektron sebessége μ = mágneses permeabilitás H = mágneses térerősség

•

Azok az anyagok alkalmasak erre a feladatra, amelyekben nagy a töltéshordozók mozgékonysága, pl.: InSb (indium-antimon)

2010.02.16.


78

Hall-elemes átalakító H

I d

Érzékelő lapka Ez

A

v

B

Ey Ex E

c

I

UH

b

2010.02.16.


79

Hall-elemes átalakító • • •

Az elektronok az Ex térrel ellentétes irányban a v vektor irányába mozognak. Ezekre az elektronokra hat a H mágneses térerősség. A Lorentz erő hatására az A ponton elektron hiány a B ponton elektron többlet lép fel.

UH

A qn n

I

H d

RH

I

H d

• • • •

A = a Hall elem felülete RH = Hall együttható qn = az elektronok töltése n = az elektronkoncentráció

• •

Alkalmazása: elmozdulás mérésre, indukció mérésre, árammérésre. Elmozdulás és árammérés esetén a H térerősséget permanens mágnes biztosítja.

2010.02.16.


80


2010.02.16.


81

Számonkérés az aktív átalakítókból 1.

Mutassa be általánosságban az aktív átalakítókat.

2.

Részletesen ismertesse a tachométer dinamót.

3.

Ismertesse az indukciós áramlásmérő felépítését és működését.

4.

Mutassa be a hőelemes átalakítót, és az alkalmazási problémáit.

5.

Ismertesse a piezoelektromos átalakítót.

6.

Mutassa be a Hall-elemes átalakítót.

2010.02.16.


82

VÉGE

2010.02.16.


83

Ipari méréstechnika. Készítette: Kiss László Ipari méréstechnika

Recommend Documents