Meettechniek Michael De Nil February 11, 2004
Contents 1 Inleiding 1.1 Eenheden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Soorten meetsignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Specificaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Overdrachtfuncties . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Tijdsconstante . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Gevoeligheid (sensitivity) . . . . . . . . . . . 1.3.5 Nauwkeurigheid (accuracy) . . . . . . . . . . 1.3.6 Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.7 Span . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.8 Lineariteit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.9 Repeatability ∼ repeteerbaarheid . . . . . . . 1.3.10 Rangeability ∼ turndown . . . . . . . . . . . 1.4 Transmitter - Transducer - Meetzender - Meetvoeler
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5
2 Overzicht meettoestellen 2.1 Drukmeting . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Barometer Torricelli . . . . 2.1.2 U-kolom . . . . . . . . . . . 2.1.3 Wijzerinstrumenten . . . . 2.1.4 Capacitief - keramische cel 2.1.5 Rotameter . . . . . . . . . . 2.2 Niveaumeting . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Vlotter . . . . . . . . . . . 2.2.2 Trilvork . . . . . . . . . . . 2.2.3 Capacitive level switch . . . 2.2.4 Geleidbaarheid . . . . . . . 2.2.5 Ultrasoon . . . . . . . . . . 2.2.6 Microgolven . . . . . . . . . 2.2.7 γ-straling . . . . . . . . . . 2.2.8 Peilglas . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 8
1
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
2.3
2.4
2.2.9 Mechanische peilstok . . . . . 2.2.10 Elektrische peilstok . . . . . . 2.2.11 Peilloodsysteem . . . . . . . . 2.2.12 Weegmethode . . . . . . . . . 2.2.13 Verdringer . . . . . . . . . . . Temperatuurmeting . . . . . . . . . 2.3.1 Metaalweerstandthermometer 2.3.2 Thermokoppel . . . . . . . . 2.3.3 Thermopile . . . . . . . . . . 2.3.4 Diode . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Thermistoren . . . . . . . . . Uitzettingsmeting . . . . . . . . . . . 2.4.1 Rekstrookje . . . . . . . . . .
2
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
8 8 8 8 8 8 8 10 11 11 11 11 11
1
Inleiding
1.1
Eenheden
Lading Weerstand Spanning Stroom Capaciteit Inductie Soortelijke weerstand Massa Lengte Tijd Snelheid Versnelling Kracht Energie Vermogen Dichtheid Druk
q R U I C L ρ m l t v a F E P ρ P
Temperatuur
T
1.2
C Ω V A F H Ω.mm2 m
kg m s
Coulomb Ohm Volt Amp`ere Fahrad Hening ρkoper = 0, 017 Ω.mm m
Kilogram Meter Seconde
m s m s2
N J W
Newton Joule Watt
kg m3
Pa
Pascal
K
Kelvin
g = 9, 81 sm2 F = m.a à F = kg.m s2 2 2 Ek = m.v & E = m.g.h à E = kg.m = N.m p 2 s2 P = Js kg ρwater (4o C, 1 bar) = 1000 m 3 N ewton 1 Pa = 1 m2 1 bar = 105 Pa kg m N P = ρ.g.h = m 3 . s2 .m = m2 o o 0 K = -273,15 C
Soorten meetsignalen
Een meetsignaal brengt informatie uit een sensor in the field over naar een laagspanningslokaal. 3 soorten meetsignalen: • pneumatisch (druk) (0,2 - 1 bar) Ã erg traag • elektrisch – spanning (0 - 10 V) Ã storingsgevoelig & afstandsafhankelijk – stroom (4 - 20 mA) • optisch (glasfiber)
1.3 1.3.1
Specificaties Overdrachtfuncties
Hoe input getranformeerd wordt in output, gegeven in:
3
2
• tabellen • xy-diagrammen • formules 1.3.2
Drift
Invloed van ongewenste grootheden à verandering overdrachtsfunctie door andere dan gemeten grootheden. (bv: beinvloeding door temp) 1.3.3
Tijdsconstante
Tijd die verstrijkt tot 63% van eindwaarde is bereikt 1.3.4
Gevoeligheid (sensitivity)
Verhouding tss uitgangsgrootheid en ingangsgrootheid à 1.3.5
∆output ∆input
Nauwkeurigheid (accuracy)
• Systematische fout à kan door correctie gecompenseerd worden (bv tempcorrectie bij niveaumeting) • Toevallige fout à kan enkel gecorrigeerd worden met statistiek 1.3.6
Range
Min. & max. meetwaarde waarvoor meettoestel geschikt is. (bv Ohm-meter -¿ 0 Ω - 100k Ω 1.3.7
Span
Verschil tussen min. & max. meetwaarde (bv thermometer met range 1000 1200 heeft span 200) 1.3.8
Lineariteit
Mate waarin overdracht input -¿ output een rechte benadert. 1.3.9
Repeatability ∼ repeteerbaarheid
Mate waarin meetresultaat gelijk is aan gelijke meetomstandigheden 1.3.10
Rangeability ∼ turndown
Verhouding tussen maximum en minimum meetwaarde die gegarandeerd worden (uitgedrukt in breuk max min
4
1.4
Transmitter - Transducer - Meetzender - Meetvoeler
Transmitter luistert naar input-signaal en stuurt een output-signaal in proportie tss 4 & 20mA. Druk van 3 bar à druktransmitter 0 - 10 bar à stroom van 4+3. 20−4 10 = 4, 8mA
2
Overzicht meettoestellen
2.1 2.1.1
Drukmeting Barometer Torricelli
Vat met vloeistof opengesteld aan luchtdruk met daarin buisje met P=0. Luchtdruk stijgt à meer vloeistof kruipt in buisje. Men moet wel rekening houden met volgende factoren: • Temperatuur – Warmte à uitzetten van vloeistof – Verdamping in buisje à dampdruk • Zwaartekracht (hoogte & plaats op aarde • Cohesie & adhesie 2.1.2
U-kolom
Buis in U-vorm gebogen & aan een kant opengesteld aan atmosfeer & aan andere kant in de hogere / lagere druk Nadelen: • Klein bereik (stevigheid buis & vloeistofpijl) • Kan niet gebruikt worden bij vloeistoffen (mag niet vermengen) • Groot onderhoud • Enkel bij drukken die traag veranderen • Enkel voor directe aflezing Schuine U-kolom à nauwkeurigere aflezing mogelijk.
5
2.1.3
Wijzerinstrumenten
Druk op elastisch deel à vervorming door mechanische spanning. Type Bourdonbuis Membraan Balg 2.1.4
Stof gas, damp en vloeistoffen gas, damp en vloeistoffen gas
Meetbereik 0,6 à 1000 bar 60 mbar à 25 bar 6 mbar à 0,6 bar
Capacitief - keramische cel
2 plaatjes met verschillende spanning à condensator. De plaatjes zullen door het drukverschil bijeen worden geduwd à grootte condensator in functie van drukverschil. 2.1.5
Rotameter
Debietmeter à geeft aan hoeveel lucht er per tijdseenheid wordt doorgelaten.
2.2 2.2.1
Niveaumeting Vlotter
Drijvend deel wordt beweegbaar rond vaste metalen staaf geplaatst, die op zijn beurt in vloeistof wordt geplaatst. 2.2.2
Trilvork
2 metalen elk aan een kristal: • Op kristal 1 wordt spanning gezet à metaal 1 trilt. • Metaal 2 zal op een bepaalde frequentie meetrillen (afhankelijk van de tussenstof van de metalen). Hierdoor zal ook kristal 2 trillen à komt spanning over. ,→ bij vloeistof of vaste stof zal de spanning over kristal 2 kleiner zijn dan bij lucht. Opm: vaste stoffen kunnen enkel gemeten wanneer de stof tussen het vork kan à enkel bij poeder enzo. . . 2.2.3
Capacitive level switch
In het midden van een metalen vat wordt een staaf gestoken à vat zal zich gedragen als een condensator met een capaciteit afhankelijk van de tussenstof. Voorwaarde: ² > ²lucht à ²r > 1
6
2.2.4
Geleidbaarheid
AC-signaal wordt door vloeistof gestuurd à geleidbaarheid afhankelijk van de hoogte van de vloeistof. 2.2.5
Ultrasoon
Sensor zendt ultrasoon geluid uit & meet de tijd tussen verzenden en ontvangen van dat geluid (vloeistof zal geluid weerkaatsen). Specificaties: • Bereik: 0,5 à 60m • Pmax à 4 bar • Tmax à 100o C Opm: • Snelheid geluid temperatuursafhankelijk (0,16% / K) • Blocking distance à minimumafstand sensor - max-niveau • Blind time à tijd tss uitzenden en inleesklaar 2.2.6
Microgolven
Werkt op zelfde manier als ultrasoon, enkel heeft deze meetmethode geen last van temp, druk, enz door de hogere frequentie van de stralingen. Ultrasoon geluid 340 m/s gasmedium Pmax = 4 bar Tmax = 100o C 2.2.7
Microgolven (radar) elektromagnetische golven 300000 km/s medium met dichtheid > vacuum Pmax = 64 bar Tmax = 250o C
γ-straling
Zender & ontvanger worden tegenover elkaar opgesteld aan een vat. Wanneer er een vloeistof op die hoogte in het vat komt, zal de ontvanger minder straling waarnemen. Deze meting kan tegen zowat alles. Opm: deze meetmethode wordt enkel gebruikt als het niet anders kan. (zeer hoge kost)
7
2.2.8
Peilglas
Glazen buisje dat langs zijkant van vat gemonteerd wordt. • geen druk à buisje open vanboven • wel druk à buisje vanboven aan bovenkant vat gekoppeld 2.2.9
Mechanische peilstok
Stok die men in vat steekt en er terug uithaalt à men kijkt hoe hoog de vloeistof kwam op de stok. Wordt gebruikt in auto’s (oliepeil). 2.2.10
Elektrische peilstok
U-vormige balk met op de benen allemaal kleine stukjes geleidend materiaal à allemaal condensators met grootte afhankelijk van middenstof. 2.2.11
Peilloodsysteem
Gewicht dat aan een ketting door een motor naar beneden gelaten wordt à wanneer het gewicht een vaste of een vloeistof tegenkomt daalt de de kracht naar beneden à motor haalt gewicht terug omhoog en lengte van de kabel wordt gemeten. 2.2.12
Weegmethode
Onder 1 poot van het vat wordt een weegschaal gemonteerd à hoe voller het vat, hoe meer het vat zal doorwegen. 2.2.13
Verdringer
Gewicht wordt aan veer gehangen en in vat gehangen à als gewicht onder water komt gaat de veer minder uitrekken dan wanneer er geen water is.
2.3 2.3.1
Temperatuurmeting Metaalweerstandthermometer
Principe: wanneer een geleider wordt opgewarmd zullen de atomen zich veel chaotischer gaan bewegen à grotere weerstandswaarde (ρ). Volgende stoffen zullen NIET gebruikt worden als metaalweerstandthermometer: • Goud & zilver à ρ te klein • Wolfram à ρ groot, maar zeer breekbaar • Koper à goedkoop, maar ρ klein à veel materiaal nodig 8
Stoffen die wel gebruikt zullen worden: • Platina – hoog smeltpunt (bruikbaar van -200o C à 850o C) – chemisch onaantastbaar – zeer stabiel metaal • Nikkel – grote α (temperatuurscoeff.) à erg gevoelig – bruikbaar van -60o C à 180o C – gemakkelijk verwerkbaar – goedkoop Deze technologie kan ook worden toegepast op een dunne film: • kleinere productietijd • hogere weerstand voor gegeven afmeting • kleine afmeting • kan eender welke vorm hebben Ofwel via folie à kan eenvoudig op leidingen worden geplakt. Pt100 (bloot) Ni100 (bloot) Pt100 / Ni100 (huls) dunne film Pt100 folie Pt100
temperatuursbereik -200o C Ã 800o C -60o C Ã 200o C zelfde als bloot -50o C Ã 400o C -80o C Ã 230o C
responstijd ≥ 0,4 sec ± 1 sec ± 2 min ± 0,3 sec ≤ 0,3 sec
Aansluitingswijzen Pt100: • 2-draads:
Pt 100
9
• 3-draads:
Pt 100
• 4-draads:
Pt 100
Opm: gemeten weerstandswaarde = weerstand Pt100 + weerstand aansluitdraden à geen probleem als temp. van omgeving aansluitdraden constant is à indien wel probleem: 3 of 4-draads aansluiten. 2.3.2
Thermokoppel
Werking: 2 verschillende metalen worden tegen elkaar geplaatst à verschillende EMK (elektro-magnetische kracht) afhankelijk van temp à spanning over beide metalen afhankelijk van temp (Thomson-effect). De 5 wetten van het thermokoppel (hoe lief ;=)) 1. EMK enkel afhankelijk van temp op junctie, niet die van verbindingsdraden. 2. Wanneer er een metaal tussen een ander metaal wordt gezet, maar met dezelfde temperatuur op beide juncties à be¨ınvloedt schakeling niet. 3. Als er een 3e metaal tussen de 2 juncties van 2 metalen wordt geplaatst (en de uiteinden van dit 3e metaal hebben dezelfde temperatuur), dan be¨ınvloedt dit de schakeling niet à soldeersel tss 2 metalen (om ze vast te maken) gaat schakeling niet be¨ınvloeden. 10
4. Als er nu om de een of andere reden een ander metaal tussen de 2 metalen zit à no problem. 5. Als er nu om de een of andere reden een andere temp tussen zit à no problem. Compensatiekabel à normaal zou men zelfde metalen moeten gebruiken als in het thermokoppel om de meting over te bringen, maar meestal is dit zeer duur à andere metalen met zelfde EMK worden gebruikt à veel goedkoper. 2.3.3
Thermopile
Serieschakeling van thermokoppels à stroom wordt groter & beter te meten. 2.3.4
Diode
Hoe warmer een diode staat, hoe minder spanning erover zal staan à temperatuursco¨effici¨ent α ≈ −2, 2 mV oC Men plaatst diode in de te meten ruimte en men jaagt er constante stroom door à spanning over diode is recht evenredig met temperatuur in die ruimte. Opm: men kan ook de base & emitter van een transistor gebruiken. 2.3.5
Thermistoren
Thermistoren à thermally sensitve resistor à halfgeleiderweerstan à temperatuurscoeff 10x groter dan die van metallieke weerstand (weerstand verandert exponentieel met temp). Eigenschappen: • zeer klein à zeer snelle responsietijd • kleine span à grote weerstandsverandering à zeer gevoelig ,→ wordt vooral in medische dingen & labo-dinges gebruikt, span te klein voor industrie
2.4 2.4.1
Uitzettingsmeting Rekstrookje
Folie met daarop geleidens materiaal à als folie wordt uitgerokken vergroot de weerstand.
11
