Teorie měření a regulace

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

Teorie měření a regulace snímače – princip 2

P-s3.(5) ZS – 2015/2016

© 2015 - Ing. Václav Rada, CSc.

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

T- MaR

Pokračování o dalších principech

snímačů …………

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Princip těchto čidel – základem je krystal – je založen na využití piezoelektrického jevu (P. a J. Curiové – 1880) – uvnitř některých krystalických dielektrických látek vzniká mechanické napětí působením mechanických deformací jejich krystalické struktury.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Princip funkce je založen na vzniku elektrického náboje na povrchu krystalu (přesněji, na elektrodách umístěných na povrchu) mechanickou deformací krystalu. Čidlo se při působení neelektrické veličiny chová jako generátor elektrického signálu. Vznikající náboj je přímo úměrný působící deformační síle. © VR - ZS 2011/2012


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Výhodou je vysoká napěťová úroveň (potenciál) sejmutého náboje. Výhodnou vlastností je to, že krystal po tom, co na něj přestane deformační síla působit, se vrátí do původního stavu (tvaru) a náboj zmizí. Výhodou je, že má velmi příznivé dynamické vlastnosti, jeho odezva činí řádově několik mikrosekund. Nevýhodou je právě ta časová „netrvanlivost“.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Krystal je uměle vytvořen (průmyslově vypěstován), obvykle z křemene (SiO2) nebo je vytvořen jako keramika z titaničitanu barnatého BaTiO3, titaničitanu olovnatého (PbTiO3) nebo ze zirkoničitanu olovnatého (PbZrO3), metaniobátu olova (PbNb2O6), vinanu draselnosodného (Seignettova sůl) a některé makromo-lekulární látky atd.

V praxi se nejčastěji využívají vlastnosti SiO2 a BaTiO3 .

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Velmi důležitou vlastností je Curieho teplota – teplotní bod nad kterým piezoelektrický jev mizí a krystal ztrácí svou piezoelektrickou vlastnost, ale po snížení teploty se zase obnoví – pro používané materiály je okolo 300 oC – i méně (200 oC), u křemene je to až 550 oC. Maximální horní mez měřicího rozsahu je u snímačů tohoto typu 100 MPa.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Výroba - z krystalu, např. křemene, je vyříznuta destička s hranami rovnoběžnými s jednotlivými osami krystalu (elektrickou – x, a mechanickou – y a optickou – z), jak je ukázáno na obrázku.

Působí-li síla kolmo na optickou osu, krystal se zelektrizuje a na plochách kolmých na elektrickou osu se objeví elektrický náboj. Pokud je směr působení deformační síly jiný – krystal se nezelektrizuje. © VR - ZS 2011/2012

T- MaR


PIEZOELEKTRICKÉ

podélná – optická osa F z

y

x

Fy

Fx

podélný piezoel. jev Fx

y příčná – mechanická osa

x

Fy

příčný piezoel. jev

příčná – elektrická osa

Deformační síla působící ve směru osy x – x kolmo na optickou osu z – z => krystal se zelektrizuje (vektor polarizace P má směr podél osy x – x) a tím vzniká elektrický náboj – jeho velikost je přímo úměrná deformační síle.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla Fx podél elektrické osy x, hovoří se o tzv. podélném piezoelektrickém jevu, při němž se záporné body krystalické mřížky posunou vzhledem ke kladným bodům, což vyvolá náboj na plochách s kovovými elektrodami.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Velikost náboje Q je v tomto případě dána vztahem

Q = Kp * F x kde: Kp

je piezoelektrická konstanta (piezoel. modul)

Fx

je působící síla

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla Fy ve směru mechanické osy y, objeví se náboje opět na plochách kolmých na elektrickou osu, avšak směr polarizačního vektoru je záporný a velikost náboje závisí na geometrických rozměrech krystalu. V tomto případě se hovoří o tzv. příčném piezoelektrickém jevu.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Velikost náboje Q je v tomto případě dána vztahem

Q = Kp * Fx * ( b / a ) kde: Kp je piezoelektrická konstanta (piezoel. modul) Fx je působící síla b, a jsou rozměry výbrusu © VR - ZS 2011/2012


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Použití piezo-krystalu ve snímačích pohybu je velmi široké – jako snímače teploty, tlaku (zejména dynamického tlaku), tlakové síly (až do 8 * 104 MPa), krouticího momentu, výchylky (amplitiudy), rychlosti, zrychlení a mechanického napětí.

Předností jsou malé rozměry, konstrukční jednoduchost, i když mají vysoké nároky na čistotu při výrobě, protože isolační odpor piezo-materiálu je cca 1012 až 1015 Ω. Jsou celkem výborně nezávislé na změnách teploty, přitom jsou použitelné pro teploty okolí od -60 do 300 oC.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

PIEZOELEKTRICKÉ Pro měřicí i regulační účely je velice výhodná jejich lineární charakteristika. Rovněž vysoká úroveň výstupního napětí je výborná. Stejně tak je vhodná poměrně vlastní vysoká frekvence – 3 až 500 kHz.

U dynamických snímačů rychlosti a zrychlení konstruovaných z krystalů titaničitanu barnatého působí na krystal v podrezonanční oblasti síla od setrvačné hmoty. Deformace je vyvolána tlakem, kombinací tlaku a tahu nebo ohybu. Piezoelektrické snímače zrychlení jsou vhodné pro rozsahy od 0,1 až do 106 m/sec2 a s frekvenčním rozsahem do desítek kHz. © VR - ZS 2011/2012

T- MaR


PIEZOELEKTRICKÉ Piezoakcelorometr v [ m/s ]

xd

x [m]

vh

a [m/s2] xh

Rp vd

f [ Hz ] 0

Rf fd

© VR - ZS 2009/2010

fn


T- MaR

OPTICKÉ (vláknové) Základním principem funkce optických vláken ve snímačích je narušení optických vlastností (fyzikálních a chemických) působením měřené fyzikální veličiny. Materiálem pro optická vlákna je především sklo (SiO2) nebo arsenid (As2S2).

Vlastností skla je nízký útlum výsledného kabelu, v závislosti na vlnové délce světelného paprsku. Vzhledem k vysoké ceně, se pro mnoho aplikací a použití (zejména v přenosové technice) používají vlákna z plastů – např. polymetakrylát, vysokotlaký polystyrén aj.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

OPTICKÉ (vláknové) Protože pracují se světelným (případně laserovým) paprskem, je přenosová rychlost aktivního signálu v desítkách GHz – a tedy reakční časová konstanta celého přenosu je i menší než mikrosekundy. Mají velice nízké energetické nároky. Nezaměnitelnou výhodou je vynikající elektromagnetická kompatibilita – jsou prakticky úplně imunní vůči elektromagnetickým rušivým vlivům. Jsou imunní i vůči radioaktivitě a jiným negativním vlivům průmyslového prostředí.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

OPTICKÉ (vláknové) Využitelné fyzikální vlastnosti optických vláknových snímačů: - změna indexu lomu světla, zejména na rozhraní obalu či povrchové vrstvy - průzračnost, nízký optický odpor světelnému paprsku - průhlednost (měření teploty, rychlost proudění, znečištění kapalin a plynů, detekce přerušení signálové cesty, detekce ionizujícího (radioaktivního) záření - fyzikální vlastnosti konce vlákna – odrazivost, změna indexu lomu – ve styku s prostředím měřené veličiny (měření teploty, tlaku, akustických signálů, vibrace a zrychlení, síly a deformací) - křehkost, stlačitelnost (měření deformačních sil, polohy, pH kapalin, pro chemickou analýzu, …) ohebnost, mikroohyby (spínače, měření síly, teploty a tlaků). © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

OPTICKÉ (vláknové) Rozdělení snímačů podle vlastností vlákna: - čidla jednovidová – vlákno, jehož jádro má průměr jednotek mikrometru (kolem 4 μm) – rozdíl indexu lomu světla ve vlákně a v obalu vlákna je velmi malý – světlo se v něm šíří lomovým odrazem na rozhraní optických prostředí – mají vysokou citlivost – při zpracování se většinou používá principu interference - čidla mnohovidová – vlákno má jádro s průměrem mezi 50 a 200 μm – rozdíl indexu lomu světla ve vlákně a obalu vlákna je velký – světlo se šíří ohybem - čidla speciální – jsou plochá, tenkovrstvá, trubková, apod.

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


OPTICKÉ (vláknové) síla způsobující posun

p0

F

posuv znamenající zmáčknutí (stisk) vlákna – následkem je změna optických vlastností (útlum x procházejícího světla)

p1

pro názornost zvětšeno a zkresleno © VR - ZS 2015/2016


T- MaR

s HALLOVÝM jevem Je nazván podle objevitele – E. H. Hall – 1879. Jedná se o elektronický spínač ovládaný Hallovým napětím. Principem snímačů je magnetoelektrický jev – příčné magnetické pole s indukcí B působí na polovodič, kterým prochází elektrický proud Ip - Hallovo napětí UH = KH*B*I je generováno na elektrodách při působení magnetického pole B na polovodič (deskový) kolmo na elektrody napájený proudem I. Zesilovač UH a obvody spínače tvoří spolu s Hallovým prvkem o ploše asi 1,5 mm2 jeden integrovaný obvod – většinou levné technologie CMOS. Typické hodnoty spínacích polí jsou 1 mT až 10 mT. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

s HALLOVÝM jevem Pokud se Hallův článek pohybuje v nehomogenním magnetickém poli, pak se Hallovo napětí na výstupu mění v závislosti na okamžité poloze a na změně této polohy. První aplikace sloužila k měření magnetické indukce. vhodný pro sledování pohybu anebo změn polohy v rozsahu 0 až ± 1 mm. Pro snímání lineárního i úhlového pohybu a změn polohy.

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


s HALLOVÝM jevem L

B

S

EE

EH

t

VH cc

w

I cc I S V © VR - ZS 2009/2010


s HALLOVÝM jevem

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

s HALLOVÝM jevem – vnitřní struktura napájení

© VR - ZS 2015/2016


T- MaR

s HALLOVÝM jevem Materiál pro výrobu čipu čidla - Ge, Si, InAs, InSb, HgTe, HgSe a mnoho dalších.

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


s HALLOVÝM jevem δ x

Φ

S

z

J

B

y výstupní napětí UH d

proud Ip napájení

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

POLOVODIČOVÉ Základem polovodičových snímačů je mikroelektronický prvek – čip, provedením velmi blízký tranzistoru. Mimo křemík se používají další polovodičové materiály, včetně některých tzv. keramických. Současný trend používání tohoto principu v čidlech a snímačů na této bázi je strmě rostoucí a podíl na celkovém trhu snímačů již překročil 50 %.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

POLOVODIČOVÉ Jsou vyrobeny z klasického polovodičového materiálu, z křemíku nebo z germania. Jsou to v podstatě diody a tranzistory s jedním aktivním „p-n“ nebo „n-p“ přechodem. Využívají teplotní závislosti změny „závěrného“ napětí UAK nebo UBE na p-n nebo n-p přechodu. Dosahují citlivosti pro Si 2,25 mV/oK. Odporová závislost použitého přechodu má pro Si citlivost 0,7 % Rpřechodu/1 oK.

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


POLOVODIČOVÉ Si3N4

SiO2

N+

N+

H

ØD

zpětný kontakt kΩ 4

2

© VR - ZS 2009/2010

-50 -25

0

+25 +50

+100

ºC


T- MaR

POLOVODIČOVÉ Výhody - přesnost parametrů v sériové výrobě - pružnost základního materiálu – mnohdy vyšší než u oceli - vysoká pevnost a stabilita materiálu - tvrdost rázuvzdornost a odolnost vůči vibracím a chvění - piezorezistivita - reprodukovatelnost jevů - velice nízká hmotnost - vysoká korozní odolnost i vůči velmi agresivním materiálům a plynům - nulová hystereze - …… © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

POLOVODIČOVÉ Výhody - vysoká linearita – dosahovaná i díky vestavěné kompenzaci - vysoký vlastní mezní kmitočet – více než stovky MHz – proto jsou čidla velice rychlá a vhodná do dynamických procesů - přímá schopnost měřit tlaky – až do 35 MPa - měření přetlaku až do 75 MPa a podtlaku do −100 kPa - přímá schopnost měřit zrychlení – až do 106 m/s2 - velký měřicí rozsah s velmi malou hodnotou minima

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

POLOVODIČOVÉ Výhody - vysoká linearita – dosahovaná i díky vestavěné kompenzaci - vysoký vlastní mezní kmitočet – více než stovky MHz – proto jsou čidla velice rychlá a vhodná do dynamických procesů - přímá schopnost měřit tlaky – až do 35 MPa - měření přetlaku až do 60 MPa a podtlaku do −100 kPa - přímá schopnost měřit zrychlení – až do 106 m/s2 - téměř neomezená životnost prvku – je omezena životností a spolehlivostí ostatních částí čidla nebo snímače – běžně dosažitelná změna parametrů lepší než ± 0,1 % za 10 let - vysoká výrobní reprodukovatelnost charakteristik - vysoká reprodukovatelnost výsledků - většinou nízká cena. © VR - ZS 2011/2012


T- MaR

POLOVODIČOVÉ Nevýhody - lze měřit pouze čistý, suchý vzduch nebo jiné neagresivní plyny - voda, vodní páry a další složky působí na složitou sestavu čidla (hliníkové a jiné pokovení, zlaté vodiče apod.), která v těchto případech není odolná proti působení měřeného média - docela velké nároky na výrobní čistotu a pečlivost.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


POLOVODIČOVÉ Mezi nejznámější patří křemíkový snímač tlaku pracující na kapa-

kryt

vzduchová mezera

citním principu – a –

snímač zrychlení (akcelerometr) a tenzometrické snímače (měřicí rozsah až do 500 g s odolností do 2500 g).

© VR - ZS 2009/2010

kovová elektroda

izolace křemíková membrána čidlo a křemíková vrstva s aktivními prvky na čipu vstup měřeného tlaku

křemíkový substrát

T- MaR


Křemíkový snímač relativního tlaku na kapacitním principu – v kombinaci s oddělovací membránou, která nesmí ovlivnit vlastnosti čidla.

POLOVODIČOVÉ oddělovací membrána

tlak křemíková tenzometrická membrána

silikonový olej

Křemíková membrána o činné ploše asi 2 mm2 - průměr oddělovací membrány je cca 10 mm. referenční tlak © VR - ZS 2011/2012

T- MaR


POLOVODIČOVÉ

Čidlo tlaku s difundovanými polovodičovými tenzometry (piezorezistivní) piezorezistivní prvky tlak schéma uspořádání

tah

tlak

membrána (její průměr je 0,8 až 6 mm), je vytvořena ve střední části substrátu odleptáním z opačné strany než strany nesoucí piezorezistory. © VR - ZS 2011/2012

T- MaR


POLOVODIČOVÉ

Čidlo tlaku s difundovanými polovodičovými tenzometry (piezorezistivní) tlak

kontakt

piezorezistivní prvky

křemíková membrána

skleněná nosná vrstva

referenční tlak

schéma uspořádání reálného provedení membrány (měřicí buňky) © VR - ZS 2011/2012


T- MaR

TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Principem je vznikající termo-napětí na styku dvou prvků (obvykle kovů, ale i polovodičů s různým obsahem přísad) elektricky spojených – mechanicky svařených, u polovodičů leptaných a dotovaných. Pro vyšší a vysoké teploty postačuje (v nouzi) pouhé zkroucení a stisknutí – tzv. termo-elektrického (termo-)článku. Ut = (α1 – α2) * (υM – υS) + (β1 – β2) * (υM – υS)

kde:

α , β … teplotní materiálové konstanty υM … teplota na měřicím konci υS … teplota srovnávacího (tzv. studeného) konce.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Pro měření teploty termoelektrickým snímačem se využívá rozdílu potenciálů v obvodu složeném z měřicího termočlánku a srovnávacího termočlánku (tzv. studený konec). Pro správnou funkci snímače (přesněji řečeno měření teploty) je potřeba mít dvě rozdílné teploty. Obvyklé praktické zapojení používá jako studený konec kompenzační krabici nebo je studený termočlánek ponořen do chladicího média (např. vody s ledem) – tzv. Dewarova nádobka. Jsou vhodné pro rozsah teplot od -250 až do 3000 ºC. Při teplotě absolutní 0 oK termoelektrický jev zaniká.

© VR - ZS 2009/2010


kabel izolace

T- MaR

TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) čelní vzduchotěsná a teplotě vzdorná ucpávka – dotykový bod

vodič – 1. mater.

vodič – 2. mater. vzduchotěsná ucpávka

izolační výplň – MgO kovový plášť (obal)

© VR - ZS 2009/2010

svarek (perlička) vodičů obou mater.

T- MaR


výstupní napětí termočlán ku [mV]

TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) kabel izolace

stínění

spojovací vedení – zkroucené – mater. = Cu

uzemnění © VR - ZS 2009/2010



měřicí bod čidla

prodlužovací vedení termočlánek se spojovací perličkou


T- MaR

TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Používané dvojice materiálů (vlastnosti jsou popsané v normách): - měď / konstantan (Cu-ko) – konstantan je slitina 45 % Ni spolu s 55 % Cu – na výstupu má asi 50 μV na 1 ºC – od -100 až do +250 ºC (max 400 ºC) – podmínkou dobrých vlastností je vysoká čistota tzv. elektrolytické mědi (přes 99,99%) - železo / konstantan (Fe – ko) – na výstupu má nejvíc, asi 60 μV na 1 ºC – vhodný pro rozsah -200 až do +600 ºC – má velkou stabilitu

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) - niklchrom / nikl (NiCr-Ni) – na výstupu má asi 40 μV na 1 ºC – vhodný pro rozsah -200 až do +900 ºC - platinrhodium / platina (PtRh – Pt) – na výstupu má pouhých asi 10 μV na 1 ºC – vhodný pro rozsah -200 až do +1063 ºC (teplota tání zlata) s přesně kvadratickou statickou charakteristikou (max. má na 1300 ºC ) – konstrukčně lze upravit tak, aby byl použitelný až do teploty malinko přes 1600 ºC (musí se zabránit teplotnímu prášení (roz-padu) platiny i druhé slitiny. Pro dosažený vyššího výstupního napětí lze čidla spojovat do tzv. termočlánkových baterií. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Typ J K S T T B E N

prvek Fe-ko ch-a PtRh10-Pt Cu-ko Cu-Ni PtRh30-Pt ch – k NiCrSi-NiSi

teplot. rozsah [oC] termoel. napětí [mV/oC] -200 až 750 (1000) až 42,825 -50 (-200) až 1150 (1350) -5,97 až 50,633 0 (-20) až 1400 (1600) 0 až 17,973 -200 až 350 (400) -5,60 až 17,816 -200 až 100 -4,25 až 10,16 500 (0) až 1800 0 až 12,426 -50 (-200) až 600 (1000) -8,824 až 68,783 0 (-270) až 1300 -4,434 až 47,502

ko … konstantan (spec. odporová slitina na bázi Ni a Cu) ch … chromel a … alumel k … kapet.baterií. © VR - ZS 2009/2010

T- MaR

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Princip zapojení se studeným koncem – lze měřit i přímo připojením přístroje k jedinému (měrnému) čidlu.

TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) μV nebo mV – měřicí přístroj s vnitřním odporem > 10 kΩ

studený (srovnávací) konec měrný (měřicí) „teplý“ konec = čidlo © VR - ZS 2009/2010

T- MaR


Kompenzované můstkové zapojení v „kompenzační krabici“

TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) R2

R1

termočlánek

R4

Ut – napětí termočlánku Odpor Rk slouží k „ručně“ dostavitelné kompenzaci můstku a spojovacího vedení

© VR - ZS 2009/2010

Rk = Rν

stabilizované ss napájecí napětí U

UM - výstupní napětí indikující změřenou hodnotu

měřidlo – [mV]

T- MaR

… a to by bylo k informacím o principech snímačů (zřejmě) vše © VR - ZS 2015/2016

3.5cv..

T- MaR

……………

© VR - ZS 2010/2011

Teorie měření a regulace

Recommend Documents