Mérőátalakítók Összefoglaló táblázat a mérőátalakítókról

Mérőátalakítók Összefoglaló táblázat a mérőátalakítókról

http://www.bmeeok.hu/bmeeok/uploaded/bmeeok_162_osszefoglalas.pdf

Mérőátalakítók A mérőátalakító a mérőberendezésnek az a része, amely a bemenő nem villamos mennyiséget villamos kimenő mennyiséggé alakítja át.

Mérőátalakítók

Aktív

Passzív

A passzív átalakítónál egy áramkör valamelyik jellemzőjét változtatjuk meg (ellenállás, induktivitás, kapacitás, stb.) Az aktív átalakítónál olyan fizikai hatást használunk fel, amelynél energiaátalakítás eredményeként villamos energiát állítunk elő: pl. elektromágneses indukcióváltozás»vill. feszültség, hőmérséklet változás» vill. feszültség;, fotoelektromos átalakítók: fény hatására » vill. feszültség jön létre; vagy piezzoelektromos hatás: nem fémes kristályok (pl. kvarc) mech. feszültség hatására» töltés )

Mérőátalakítók Passzív mérőátalakítók (típusok)

Passzív mérőátalakítók

Ellenállásos

Induktív

Kapacitív

Az ellenállásos mérőátalakítók különböző nem villamos mennyiségeket alakítanak át az ohmikus ellenállás változásává. Az induktív mérőátalakító a mérendő elmozdulást, szögelfordulást, vagy más nem villamos mennyiséget induktivitás (kölcsönös, vagy öninduktivitás) változásával képezi le. Az kapacitív átalakító a mérendő mennyiséget (elmozdulást vagy szögelfordulást) kapacitásváltozássá alakítja át.

Mérőátalakítók Ellenállásos mérőátalakítók Az ellenállásos mérőátalakítók különböző nem villamos mennyiségeket alakítanak át az ohmikus ellenállás változásává.

l R A

= fajlagos ellenállás

hosszúság keresztmetszet

 mm 2  m     2 m mm  





Ellenállásos

Mérőérintkezők

Csúszóérintkezős

Hőellenállásos

Nyomásfüggő

Fotoellenállásos

Nyúlásmérő

Elektrokémiai

Mérőátalakítók Mérőérintkezők A mérőérintkező elmozdulás vagy szögelfordulás hatására zárja vagy nyitja az áramkört. Lehet pont, vonal, vagy sík. Általában a pontérintkezőt használják.

Mérőátalakítók Csúszóérintkezők (potenciométerek) A potenciométeres átalakítók elektromechanikai átalakítást valósítanak meg: az elmozdulás, vagy elfordulás hatására a mérő-átalakító ellenállások hatásos hossza megváltozik.

Mérőátalakítók Nyomásfüggő ellenállásos átalakítók

Szilíciummembrán nyomásérzékelő felépítése

Mérőátalakítók Nyúlásmérő átalakítók I. Ez az átalakító a szilárd testekben a mechanikai igénybevétel hatása miatti alakváltozást képezi le a villamos ellenállás változásává. Egy húzásra igénybevett próbatest relatív megnyúlása a Hooke-törvény értelmében:

 E 

a mérendő testre ható mechanikai feszültség [Pa]

E

a mérendő test rugalmassági modulusza [Pa]

A relatív nyúlás felírható

  dl l

alakban is, (dl: a próbatest megnyúlása, l : a próbatest eredeti hossza.)

A megnyúlás okozta relatív ellenállás-változás a következő formában írható fel:

dR d dl dA    R  l A

kör keresztmetszetű vezető esetén:

dR d dl 2dD    R  l D

D= a vezető átmérője [mm]

Mérőátalakítók Nyúlásmérő átalakítók II. Ennek alapján a relatív ellenállás-változásra a következő összefüggés érvényes:

dR d     2 R  ahol έ relatív nyúlás:

  dl l

dR d     2 R 

és μ Poisson-tényező:

átalakítva:



dR R    1  2 

dD D dl l tenzometrikus ellenállásváltozás

d  ahol Ψ arányossági tényező:    piezorezisztív ellenállás változás

A piezorezisztív ellenállásváltozás értéke a félvezetőknél, a tenziometrikus értéke pedig a fémeknél jelentős.

Mérőátalakítók Nyúlásmérő átalakítók III. A nyúlásmérő bélyegeknél szokásos nyúlási tényező (gauge factor), a bélyeg nyúlási tényezője:

g    1  2

ennek bevezetésével a relatív ellenállás-változás:

dR R  g

Az ellenállás relatív megváltozása a vezető relatív megnyúlásának és a mérőbélyeg nyúlási tényezőjének a függvénye.

Mérőátalakítók Hőellenállásos mérőátalakítók I. Ezek az átalakítók a hőmérséklet változását villamos ellenállás-változássá alakítják át. Hőellenállásos mérőátalakító

fémes

félvezető

A fém ellenállásmérő ellenállásváltozása a gyakorlatban:

R t  R 0 1  t  ahol:

R0  

t 

ellenállás a kiindulási hőmérsékleten, [Ω] hőmérsékleti tényező, [K-1] hőmérséklet-különbség Fémek ellenállás-hőmérséklet karakterisztikái

A fém ellenállásmérők leggyakoribb anyagai a platina, a nikkel vagy a réz.

Mérőátalakítók Hőellenállásos mérőátalakítók II. Félvezető hőmérséklet-érzékelő-ellenállás

termisztor

szilícium

A termisztor: hőérzékeny félvezető: ellenállás-változása a gyakorlatban:

R  R 0 e B t ahol:

R0  B

t 

a kiindulási hőmérsékleten mért ellenállás, [Ω] energiaállandó, [K] hőmérséklet-különbség

Hőmérséklet-érzékelő ellenállások jelleggörbéi a. platina ellenállás-hőmérő b. NTK termisztor c. PTK termisztor d. terjedési ellenállás alapú szilíciumérzékelő

Mérőátalakítók Fotoellenállásos mérőátalakítók A fotoellenálásos átalakító a megvilágítást alakítja át ellenállás-változássá.

Mérőátalakítók Elektrokémiai mérőátalakítók Az elektrokémiai átalakítók jelentős része elektrolitos átalakító, amelynél az ion koncentráció–változást alakítjuk át ellenállás változássá.

1 R G  ahol:

 G

Az elektrolit fajlagos vezetőképessége, [S] geometriai kialakítástól függő állandó

Mérőátalakítók Passzív mérőátalakítók (típusok)

Passzív mérőátalakítók

Ellenállásos

Induktív

Kapacitív

Az ellenállásos mérőátalakítók különböző nem villamos mennyiségeket alakítanak át az ohmikus ellenállás változásává. Az induktív mérőátalakító a mérendő elmozdulást, szögelfordulást, vagy más nem villamos mennyiséget induktivitás (kölcsönös, vagy öninduktivitás) változásával képezi le. Az kapacitív átalakító a mérendő mennyiséget (elmozdulást vagy szögelfordulást) kapacitásváltozássá alakítja át.

Mérőátalakítók Kapacitív mérőátalakítók A kapacitás:

CQ U

ahol:

Q U

töltés, [C] feszültség, [V]

A síkkondenzátor kapacitása:

C

A d

ahol:

 A d

dielektromos állandó A kondenzátor fegyverzetének a felülete, [m2] A fegyverzetek távolsága, [m]

Mérőátalakítók Kapacitív szintmérő

Az eredő kapacitás a tartálybeli folyadék szintmagasságának lineáris függvénye.

Mérőátalakítók A mérőátalakító a mérőberendezésnek az a része, amely a bemenő nem villamos mennyiséget villamos kimenő mennyiséggé alakítja át.

Mérőátalakítók

Aktív

Passzív

Az aktív átalakítónál olyan fizikai hatást használunk fel, amelynél energiaátalakítás eredményeként villamos energiát állítunk elő. (elektromágneses indukció, elektrokémiai, termikus, foto-, vagy piezzoelektromos hatás) A passzív átalakítónál egy áramkör velemelyik jellemzőjét változtatjuk meg (feszültség, áram, impedencia, stb.)

Mérőátalakítók Aktív mérőátalakítók Aktív mérőátalakítók

Indukciós

Termoelektromos

Piezoelektromos

Fotoelektromos

Mérőátalakítók Indukciós mérőátalakítók I. Az indukciós átalakítók működésének az alapja az indukciótörvény. Ezek az átalakítók sebességet, vagy szögsebességet alakítanak át feszültséggé. Az indukált feszültséget a következő összefüggés adja:

d d U  N dt dt

ahol:

  N

fluxuskapcsolódás, [Wb,Vs] fluxus, [Wb] tekercs menetszáma

Ha a tekercs mozog, és a mágneses kör jellemzői időben nem változnak:

U  vBl

ahol:

v B l

sebesség, [m/s] mágneses tér indukciója, [Tesla, (Wb/m2)] vezető hossza, [m]

Mérőátalakítók Indukciós mérőátalakítók II. Reluktáns átalakító: Az időben változnak a mágneses kör jellemzői és a tekercs nem mozog. Ekkor a tekercs mágneses körének mágneses vezetőképessége változik időben, így az indukált feszültség:

U   N ahol:

  N

d dt

mágneses gerjesztés, [A] mágneses vezetőképesség, [Vs/A] tekercs menetszáma

Mérőátalakítók Termoelektromos mérőátalakítók I. Ezek az átalakítók hőmérséklet-különbség hatására villamos feszültséget adnak, tehát hőenergiát alakítanak át villamos energiává. A hőelemek (termoelektromos átalakítók) működésének alapja a Peltier- és a Seebeckhatás A Peltier-hatás: két különböző anyagú vezetőt végeiken összeforrasztunk és áram folyik át ezeken, ekkor az egyik kötéspont melegszik, a másik hűl. A kötésponton felvett vagy leadott teljesítmény:

PT  I

ahol:

 I

Az ún. Peltier-tényező, [V] termoáram, [A]

Mérőátalakítók Termoelektromos mérőátalakítók II. A Seebeck-hatás: két különböző vezetőből álló áramkörben termofeszültség keletkezik, amely arányos a vezetők csatlakozási pontjai közötti hőmérséklet-különbséggel:

dU T  SdT ahol:

S  A Seebeck-tényező, [V/K] dT  Hőmérséklet-különbség, [K] A Peltier- és a Seebeck-tényező közötti összefüggés:

  ST A Seebeck-hatás eredményeként létrejövő termofeszültség a T1 és T2 hőmérséklethatárok esetén kiszámítható: T2

 U T   dT T T1

Mérőátalakítók Piezzoelektromos mérőátalakítók A piezoelektromos átalakítók bizonyos nemfémes anyagoknál megfigyelhető úgynevezett piezoelektromos hatáson alapulnak. E hatás lényegében abból áll, hogy ezek az anyagok mechanikai feszültségállapot (pl. nyomás) hatására felületükön polarizálódnak, ott villamos töltések jönnek létre.

ahol

SiO 2 kristály egyszerűsített geometriája. a . – a kristály alakja; b. – a kristályból kivágott szelet; F x – longitudinális; F y – transzverzális terhelés

d 11

– a piezoelektromos együttható,

n:

– a kvarclemezek száma.

Mérőátalakítók Piezzoelektromos gyorsulásérzékelő A gyorsulás: a sebesség időegység alatti változása:

a  v / t A gyorsulás kifejezhető a következő formában is:

a  v 2 / 2s Newton II. törvénye szerint a tehetetlen tömegre a gyorsuláskor és lassuláskor ható tehetetlenségi erő arányos a gyorsulással, ill. a lassulással. Ez a tény adja a gyorsulásmérés alapját, amikor az ismert hiteles tömegre ható tehetetlenségi erőt határozzuk meg:

F  ma A bemutatott összefüggésekből kitűnik, hogy a gyorsulást a tehetetlenségi erő, a sebesség, vagy az út mérésből lehet meghatározni.

Mérőátalakítók Piezzoelektromos gyorsulásérzékelő

A tehetetlenségi erő mérése célszerűen használhatók a különböző piezoelektromos gyorsulásérzékelők, ezekre látható példa az ábrán. Itt az érzékelőbe ismert tömeget építünk be, a kvarclemezeket pedig úgy feszítjük elő, hogy a megengedett maximális gyorsulásnál meggátoljuk a tömegnek a kvarclemezekről való felemelkedését.

A gyorsulás eredményeként változó erő hat a piezoelektromos (kvarc) lemezekre, a piezoelektromos hatás következtében feszültség lép fel a kvarclemezeken, ez arányos a tehetetlenségi erővel, azaz a gyorsulással.

1 – kábelcsatlakozás, 2 – ház, 3 – ismert tömeg, 4 – kvarclemezek, 5 – előfeszítő hüvely, 6 – alaplemez, 7 - szerelőmenet

Mérőátalakítók Fotoelektromos mérőátalakítók A fotoelektromos mérőátalakítók a megvilágítást villamos feszültséggé alakítják át. Ezeket az átalakítókat fényelemeknek is nevezzük. A fotoelektromos jellemzőik függenek a hőmérséklettől is, a megvilágítás és a fotoáram kapcsolata nem lineáris.