Teorie měření a regulace

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace snímače princip 2 P-s3.(5) ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 Pokračování o dalších principech snímačů

3 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. PIEZOELEKTRICKÉ

4 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

5 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

6 PIEZOELEKTRICKÉ Krystal je uměle vytvořen (průmyslově vypěstován), obvykle z křemene (SiO 2 ) nebo je vytvořen jako keramika z titaničitanu barnatého BaTiO 3, titaničitanu olovnatého (PbTiO 3 ) nebo ze zirkoničitanu olovnatého (PbZrO 3 ), metaniobátu olova (PbNb 2 O 6 ), vinanu draselnosodného (Seignettova sůl) a některé makromo-lekulární látky atd. V praxi se nejčastěji využívají vlastnosti SiO2 a BaTiO3. VR - ZS 2011/2012

7 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 o C i méně (200 o C), u křemene je to až 550 o C. Maximální horní mez měřicího rozsahu je u snímačů tohoto typu 100 MPa. VR - ZS 2011/2012

8 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

9 podélná optická osa F z y PIEZOELEKTRICKÉ F y x F x F x podélný piezoel. jev y příčná mechanická osa x F y příčná elektrická osa příčný piezoel. jev 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.

10 PIEZOELEKTRICKÉ Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla F x 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

11 PIEZOELEKTRICKÉ Velikost náboje Q je v tomto případě dána vztahem kde: Q = K p * F x K p F x je piezoelektrická konstanta (piezoel. modul) je působící síla VR - ZS 2011/2012

12 PIEZOELEKTRICKÉ Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla F y 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

13 PIEZOELEKTRICKÉ Velikost náboje Q je v tomto případě dána vztahem Q = K p * F x * ( b / a ) kde: K p F x je piezoelektrická konstanta (piezoel. modul) je působící síla b, a jsou rozměry výbrusu VR - ZS 2011/2012

14 PIEZOELEKTRICKÉ Použití piezo-krystalu ve snímačích pohybu je velmi široké jako snímače teploty, tlaku (zejména dynamického tlaku), tlakové síly (až do 8 * 10 4 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 až Ω. Jsou celkem výborně nezávislé na změnách teploty, přitom jsou použitelné pro teploty okolí od -60 do 300 o C. VR - ZS 2011/2012

15 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/sec 2 a s frekvenčním rozsahem do desítek khz. VR - ZS 2011/2012

16 Piezoakcelorometr PIEZOELEKTRICKÉ v [ m/s ] v h x [m] x d a [m/s 2 ] x h R p v d f [ Hz ] 0 R f fd f n

17 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 (SiO 2 ) nebo arsenid (As 2 S 2 ). 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.

18 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.

19 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).

20 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.

21 OPTICKÉ (vláknové) síla způsobující posun F x posuv znamenající zmáčknutí (stisk) vlákna následkem je změna optických vlastností (útlum procházejícího světla) p 0 p 1 pro názornost zvětšeno a zkresleno VR - ZS 2015/2016

22 Je nazván podle objevitele E. H. Hall 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 I p - Hallovo napětí U H = K H *B*I s HALLOVÝM jevem je generováno na elektrodách při působení magnetického pole B na polovodič (deskový) kolmo na elektrody napájený proudem I. Zesilovač U H a obvody spínače tvoří spolu s Hallovým prvkem o ploše asi 1,5 mm 2 jeden integrovaný obvod většinou levné technologie CMOS. Typické hodnoty spínacích polí jsou 1 mt až 10 mt.

23 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.

24 s HALLOVÝM jevem E H B cc E E V H S L w t I S cc I V

25 s HALLOVÝM jevem

26 napájení s HALLOVÝM jevem vnitřní struktura VR - ZS 2015/2016

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

28 δ s HALLOVÝM jevem x Φ S B J z y výstupní napětí U H VR - ZS 2011/2012 d proud I p napájení

29 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 %.

30 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 U AK nebo U BE na p-n nebo n-p přechodu. Dosahují citlivosti pro Si 2,25 mv/ o K. Odporová závislost použitého přechodu má pro Si citlivost 0,7 % R přechodu /1 o K.

31 Si 3 N 4 POLOVODIČOVÉ SiO 2 N+ N+ H Ø D zpětný kontakt kω ºC

32 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 -

33 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/s 2 - velký měřicí rozsah s velmi malou hodnotou minima VR - ZS 2011/2012

34 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/s 2 - 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

35 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

36 Mezi nejznámější patří křemíkový snímač tlaku pracující na kapacitním principu a snímač zrychlení (akcelerometr) a tenzometrické snímače (měřicí rozsah až do 500 g s odolností do 2500 g). POLOVODIČOVÉ kryt vstup měřeného tlaku kovová elektroda vzduchová mezera izolace křemíková membrána čidlo a křemíková vrstva s aktivními prvky na čipu křemíkový substrát

37 Křemíkový snímač relativního tlaku - na kapacitním principu v kombinaci s oddělovací membránou, která nesmí ovlivnit vlastnosti čidla. Křemíková membrána o činné ploše asi 2 mm 2 - průměr oddělovací membrány je cca 10 mm. VR - ZS 2011/2012 oddělovací membrána POLOVODIČOVÉ tlak křemíková tenzometrická membrána referenční tlak silikonový olej

38 POLOVODIČOVÉ Čidlo tlaku s difundovanými polovodičovými tenzometry (piezorezistivní) schéma uspořádání tlak piezorezistivní prvky membrána (její průměr je 0,8 až 6 mm), je vytvořena ve střední části substrátu odleptáním z opačné strany než strany nesoucí piezorezistory. tlak tah VR - ZS 2011/2012

39 POLOVODIČOVÉ Čidlo tlaku s difundovanými polovodičovými tenzometry (piezorezistivní) kontakt tlak piezorezistivní prvky křemíková membrána skleněná nosná vrstva referenční tlak schéma uspořádání reálného provedení membrány (měřicí buňky) VR - ZS 2011/2012

40 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. U t = (α 1 α 2 ) * (υ M υ S ) + (β 1 β 2 ) * (υ M υ S ) kde: α, β teplotní materiálové konstanty υ M teplota na měřicím konci υ S teplota srovnávacího (tzv. studeného) konce.

41 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 o K termoelektrický jev zaniká.

42 kabel izolace vodič 1. mater. vodič 2. mater. TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) čelní vzduchotěsná a teplotě vzdorná ucpávka dotykový bod vzduchotěsná ucpávka kovový plášť (obal) izolační výplň MgO svarek (perlička) vodičů obou mater.

43 výstupní napětí termočlán ku [mv] kabel izolace stínění TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) vodič 1. mater. měřicí bod čidla spojovací vedení zkroucené mater. = Cu uzemnění vodič 2. mater. prodlužovací vedení termočlánek se spojovací perličkou

44 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

45 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 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.

46 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) Typ prvek teplot. rozsah [ o C] termoel. napětí [mv/ o C] J Fe-ko -200 až 750 (1000) až 42,825 K ch-a -50 (-200) až 1150 (1350) -5,97 až 50,633 S PtRh10-Pt 0 (-20) až 1400 (1600) 0 až 17,973 T Cu-ko -200 až 350 (400) -5,60 až 17,816 T Cu-Ni -200 až 100-4,25 až 10,16 B PtRh30-Pt 500 (0) až až 12,426 E ch k -50 (-200) až 600 (1000) -8,824 až 68,783 N NiCrSi-NiSi 0 (-270) až ,434 až 47,502 ko konstantan (spec. odporová slitina na bázi Ni a Cu) ch chromel a alumel k kapet.baterií.

47 Princip zapojení se studeným koncem lze měřit i přímo připojením přístroje k jedinému (měrnému) čidlu. μv nebo mv měřicí přístroj s vnitřním odporem > 10 kω TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) studený (srovnávací) konec měrný (měřicí) teplý konec = čidlo

48 Kompenzované můstkové zapojení v kompenzační krabici R 1 TERMOELEKTRICKÉ (termočlánky) R 2 U M - výstupní napětí indikující změřenou hodnotu termočlánek U t napětí termočlánku Odpor R k slouží k ručně dostavitelné kompenzaci můstku a spojovacího vedení R k = R ν R 4 stabilizované ss napájecí napětí U měřidlo [mv]

49 a to by bylo k informacím o principech snímačů (zřejmě) vše 3.5cv.. VR - ZS 2015/2016

50 VR - ZS 2010/2011