3. Aktivní snímače. 3.1 Termoelektrické snímače

Transkript

1 3. Aktivní snímače 3.1 Termoelektrické snímače Termoelektrické snímače jsou založen na termoelektrickém jevu, který je zůsoben závislostí stkového otenciálu dvou různých kovů na telotě. V obvodu ze dvou různých kovů, jejichž soje vstavíme rozdílné telotě, vzniká elektromotorická síla, rojevující se jako termoelektrické naětí. Toto naětí je funkcí vlastností obou kovů a rozdílu telot jejich sojů. Inverzní jev, tj. vznik rozdílné telot na obou sojích kovů ři růchodu elektrického roudu tímto obvodem, se nazývá Peltierovým jevem. Vužívá se jej v chladicích článcích. Termoelektrického jevu se vužívá ro měření telot termoelektrickými článk. Při měření telot je jeden soj vstaven měřené telotě ϑ m (T 1 ) a nazývá se měřicí, druhý je udržován na konstantní telotě ϑ s (T 2 )a nazývá se srovnávací. Vztah mezi termoelektrickým naětím E a rozdílem telot obou sojů je v rai udáván jako kvadratický E = a a 2 1 ϑ + 2 ( ϑ) kde al, a2 jsou emirické konstant, ϑ je rozdíl telot. Při menších nárocích na řesnost lze kvadratický člen zanedbat. Obr. 3.2 Charakteristik základních termoelektrických článků

2 V rai se oužívá termoe1ektrický snímač s jedním sojem a zaojuje se dvouvodičově měděnými vodiči k vhodnocovacímu řístroji (obr. 3.3). Jako srovnávací soj se oužijí soje A, B na svorkovnici snímače. Obr. 3.3 Praktické rovedení termoelektrického obvodu Jestliže je telota svorkovnice větší než je ožadovaná srovnávací telota, ak se termočlánek rodlužujeme do míst se srovnávací telotou tzv. rodlužovacím komenzačním vedením. Toto vedeni je zhotoveno ze stejného materiálu jako vlastní termočlánek. U drahého termočlánku PtRh-Pt se komenzační vedení zhotovuje ze slitin levnějších kovů se stejnými termoelektrickými vlastnostmi, jaké má tento termočlánek v rozmezí změn telot svorkovnice snímače, tj, asi do 200 C. 3.2 Piezoelektrické snímače Piezoelektrický jev s rojevuje vznikem elektrické olarizace v některých krstalických dielektrikách jsou-li mechanick deformován v mezích ružnosti tlakem, tahem nebo ohbem. Eistuje i inverzní iezoelektrický jev, což je deformace krstalu ůsobením elektrického ole. Vužívá se v ink-jet tiskárnách. V měřicí technice se nejčastěji jako iezoelektrického materiálu oužívá nař. krstalů křemene, bariumtitanátu a dalších. Velmi často se oužívá krstalů křemene, který krstalizuje v šesterečné soustavě, z jeho šestibokých hrano1ů se vřezávají a vbrušují vhodně orientované destičk - iezoelektrická čidla. Rozlišujeme tto os krstalu: - otickou (z), - elektrickou (), - mechanickou čili neutrální (). Obr. 3.4 Silové ůsobení na iezoelement

3 Působíme-li silou ve směru otické os, náboje nevznikají. Působíme-li ve směru elektrické nebo mechanické os, vznikají vžd elektrické náboje na lochách kolmých k elektrické ose. Při silovém ůsobení ve směru os elektrické na těchto lochách vznikají náboje stejné velikosti, ale oačného znaménka, než ři ůsobení síl ve směru os mechanické. V rvém říadě se jedná o iezoelektrický jev odélný a v druhém říadě o iezoelektrický jev říčný. Podélný iezoelektrický jev Působí-li na iezoelement (jednoduše nazývaný krstal) rovnoměrně rozložená síla F odél os, ak bude mít vektor elektrické olarizace P E směr os P E = k = k F S kde k je iezoelektrická konstanta, S locha stěn bc, F síla kolmá na stěnu S, tlak na tuto stěnu. Na každé loše kolmé k elektrické ose vzniká náboj Q = P E S = k F Hodnot k [C/N] jsou u křemene k = 21, u BaTio3 k =120. Hodnot nábojů, které vznikají ři odélném iezoelektrickém jevu, nezávisí na rozměrech krstalu. Příčný iezoelektrický jev Působíme-li stejnou silou ve směru mechanické os, ak vznikají oět náboje jen na lochách S, avšak směr olarizačního vektoru bude oačný. P E = k = k F S kde, F, S jsou tlak, síla a locha odovídající mechanické ose. Dosadíme-li tento vztah do ředchozího vztahu, dostaneme Q = k F S S = k F Piezoelektrická konstanta k má stejnou hodnotu jako u odélného izeoelektrického jevu, ale náboje, které vznikají na stěnách S, závisí na geometrických rozměrech krstalu a mají oačné znaménko. Změnou oměru b/a je možno měnit citlivost iezoelektrického snímače. Na dvou aralelních lochách o kaacitě C vzniká v důsledku vzniku náboje Q naětí (odélný iezoelektrický jev) U = Q C k = C F = k U F kde k u je naěťová citlivost iezoelektrického snímače. Předností iozoelektrických snímačů jsou jejich malé rozměr, konstrukční jednoduchost a lineární charakteristika. Používají se zejména ro měření síl, tlaku, zrchlení a výchlk. b a

4 3.3 Aktivní indukční snímače Indukční snímače vužívají Faradaova zákona o naětí indukovaném v cívce dφ U = N Z dt kde Nz je očet závitů cívk, Φ magnetický tok. Indukční snímač vznikne sojením cívk a magnetického obvodu, jehož magnetický tok je vtvořen buď stálým magnetem nebo elektromagnetickým obvodem Elektromagnetické snímače Elektromagnetické snímače jsou založen na závislosti změn měřené veličin na změně magnetického toku, obvkle vvolané změnou imedance magnetického obvodu. Obr. 3.5 Princi elektromagnetického snímače s ři římým ohbem Na jádru stálého magnetu (obr.3.5) je navinuta cívka s N závit. Ve vzdálenosti L od ólových nástavců magnetu je feromagnetická část. Naětí na cívce 2 je dáno změnou magnetického toku odle ředchozí rovnice. Tento rinci se oužívá se jako snímač relativního mechanického kmitání. Kmitáním feromagnetické části se mění vzduchová mezera od své ůvodní klidové oloh o výchlku = sinωt za ředokladu, že kmitání je harmonické s úhlovým kmitočtem ω. 0 Po odvození dostaneme ro naětí na výstuu cívk a ředokladu << L µ 0 N Z S U m d d U = = k 2 L dt dt kde Nz je očet závitů cívk, S locha vzduchové mezer, a Um magnetomotorické naětí. Ted výstuní naětí je úměrné rchlosti změn Pro stálý magnet latí U m Φ = Rm.kde Rm je magnetický odor obvodu.

5 3.3.2 Elektrodnamické snímače Pohbuje-li se v magnetickém oli vodič délk L, ak na jeho koncích vzniká naětí U, které je dáno vztahem U = B L v kde B je magentická indukce, L délka aktivního vodiče, v rchlost ohbu vodiče ve směru kolmém na magnetické siločár. Tohoto rinciu se vužívá k měření mechanického kmitání a k měření růtoků indukčními růtokoměr. Pro získání amlitud kmitů je třeba výstuní naětí integrovat, ro získání zrchlení derivovat. U indukčních růtokoměrů je vodičem, který se ohbuje v magnetickém oli roudící kaalina. V důsledku toho v ní vzniká elektrické naětí. Moderní indukční růtokoměr dovolují, ab měřená kaalina měla vodivost řádově v jednotkách µs. Obr. 3.7 Princi snímače indukčního růtokoměru. 1 - elektrod, 2 - elektromagnet Měřená kaalina teče kolmo k magnetickým siločarám rchlosti v, Vzdálenost elektrod je rovna růměru otrubí. Ab se zamezilo olarizaci elektrod, oužívá se střídavé magnetické ole B a indukované naětí U je ted střídavé. Jeho velikost v závislosti na růtoku je dána vztahem 4BOV U π D kde Qv je objemový růtok, D růměr otrubí, B magnetická indukce Modifikací uvedeného elektrodnamického rinciu je, okud se ohbuje magnetické ole vůči evnému vodiči. Tento rinci se oužívá u indukčních snímačů otáček. Na rotující část je řievněn ermanentní magnet. Ten ři řiblížení ke snímací cívce v ní indukuje roudový imuls, který se indikuje na výstuu. 3.3 Hallov snímače Hallův jev je roces generace Hallova elektrického ole v olovodiči (eistuje i v kovech, ale vzhledem k vsoké koncentraci vodivostních elektronů se téměř neulatňuje) za současného ůsobení vnějšího elektrického i magnetického ole. Hallův jev se rojevuje vznikem tzv. Hallova naětí na stěnách hranolu (jako materiálu se oužívají krstal nař. Ge, Si a dalších, na které ůsobí magnetické ole s indukcí B a kterým rochází elektrický roud I, jak je znázorněno na obr. 3.8.

6 Důsledkem toho se hromadí na jedné straně krstalu záorný náboj a na straně druhé náboj kladný. Dík tomu, že ól mají různý otenciál, vzniká Hallovo naětí. Pro Hallovo naětí latí vztah (obr. 3.8) IB U H = RH c kde R H je Hallova konstanta, c tloušťka článku, B magnetická indukce. Obr. 3.8 Princi Hallova jevu Pohbujeme-li Hallovým článkem v nehomogenním magnetickém oli ve směru os (obr. 3.9) ak se Hallovo naětí U H mění v závislosti na změně oloh článku. Nehomogenního magnetického ole se dociluje magnetickými obvod se seciálně tvarovanými ólovými nástavci. Obr. 3.9 Princi jednoduchého Hallova snímače oloh.1-ólové nástavce, 2- Hallův článek Na obr jsou uveden charakteristik Hallova snímače ro různé hodnot vzduchové mezer.

7 Obr Charakteristik jednoduchého Hallova snímače Hallov snímače se oužívají ro měření malých změn oloh, vibrací, zrchlení, otáček a dalších veličin, které je možno řevést na změnu oloh. 3.5 Potenciometrické snímače Při stku kovu a roztoku nebo dvou různých roztoků chemické látk se mezi nimi vtváří elektrický otenciálový rozdíl, který označujeme jako otenciál fázového rozhraní. Kselost či alkalitu libovolného vodného roztoku lze vjádřit jako funkci koncentrace vodíkových iontů v roztoku. Voda se účastní disociace rozouštěných látek a sama se takto štěí na vodíkové H + a hdroidové OH - iont, které se zase sojují na molekul: Jde o ustálenou rovnováhu. Pro vjádření koncentrace vodíkových iontů bl zaveden Sörensenem v roce 1909 vodíkový eonent H definovaný jako záorný dekadický logaritmus koncentrace vodíkových iontů c + H. Hodnot H je možno vjadřovat v koncentrační stunici H: H = -log [c H + ] V současné době se užívá raktické stunice H a je definováno jako záorný logaritmus aktivit vodíkových iontů: H = -log( H + c H + ) kde H + 1 je aktivitní koeficient vodíkových iontů. Disociace (rozklad na iont)většin látek závisí silně na telotě, a roto musí být ři měření H současně měřena telota a její vliv komenzován. Při měření H se vžd měří rozdíl otenciálů mezi měrnou (indikační) elektrodou a elektrodou srovnávací (referentní).

8 Obr Elektrod ro měření H eonentu (1- skleněná membrána, 2 - diafragma) Vznik otenciálu na elektrodě Při stku dvou kovů nebo kovu a roztoku, oř. dvou roztoků aod. se mezi nimi vtváří otenciálový rozdíl, který se označuje jako otenciál fázového rozhraní. Pro otenciometrii jsou nejdůležitější otenciál vznikající mezi kovem a roztokem. Elektrod z neušlechtilých kovů (nař. zinek do roztoku ZnSO4) se částečně rozouštějí vsíláním většího nebo menšího očtu aniontů do roztoku, čímž se elektroda záorně nabíjí. U elektrod z ušlechtilých kovů (nař. Cu do roztoku CuSO4) dochází k oačnému ochodu, ři němž se část aniontů z roztoku vlučuje na ovrchu elektrod a elektroda se nabíjí kladně. Takto vzniká mezi kovem a roztokem elektroltický otenciál. Velikost tohoto otenciálu je dána Nernstovou rovnicí E = E 0, T + n 0 log a kde a je aktivita iontů kovu elektrod, E 0 je standardní otenciál ři aktivitě a = 1, n oidační číslo (valence) iontů. Obr Potenciál na elektrodách ři měření H Vnitřní otenciál E1 a E4 na rozhraní vhitřní elektrod a vnitřního roztoku jsou stejné a ůsobí roti sobě, roto se nemusí uvažovat. Také se může zanedbat difuzní otenciál E5.

9 Můžeme ted můžeme uvažovat ouze otenciál E2 rozhraní vnitřní roztok-sklo a E3 rozhraní sklo-měřený roztok E3. Potom se ři oužití skleněné elektrod může odvodit vztah H = H 0 E 3 E2 Ea K + ( ϑ ϑ ) k 20 kde PH je hodnota měřeného roztoku, H 0 hodnota vnitřního roztoku skleněné elektrod, E 3 otenciál skleněné elektrod vůči roztoku E 2 otenciální rozdíl mezi vnitřními elektrodami, E a asmetrický otenciál skleněné elektrod, K Nernstova konstanta ( K = 59,16 mv ) ϑ telota měřeného roztoku, k telotní součinitel ( k = 0, V/ C ). Z ředchozí rovnice vlývá, že výsledný otenciál skleněné elektrod b měl být nulový, okud ji onoříme do roztoku, který má H stejné jako nálň elektrod. V rai tomu tak není, jak je vidět z obr Odchlka se nazývá asmetrický otenciál, který závisí na druhu skla ze kterého je elektroda vrobena. Jeho hodnota E a je už do rovnice zahrnuta. Obr Asmetrický otenciál skleněné elektrod Referentní elektrod Základním ožadavkem na referentní (srovnávací) elektrod je nezávislost jejich otenciálu na složení měřeného roztoku a oužitých metodách měření. Těmto ožadavkům vhovuje nejlée elektrod kalomelová a chloridostříbrná, které se oužívají k rovoznímu měření. Vnitřní kovová elektroda (latinový drátek ve rtuti řevrstvené kalomelem u kalomelové elektrod) je ve srovnávací elektrodě onořena do roztoku KCl a má elektrick vodivé sojení řes diafragmu (růlinčitá stěna) a řes měřený roztok s měrnou elektrodou. Měřený roztok nesmí ronikat řes diafragmu do roztoku KCl. Měrné elektrod Základní je elektroda vodíková (latinový líšek nebo drátek okrtý elektroltick vloučenou latinovou černí). Elektroda se stí za atmosférického tlaku co nejčistším vodíkem a odtud název vodíková.v současné době největší význam ro měření H mají

10 elektrod antimonová a skleněná. Antimonová elektroda se dnes oužívá jen ro měření H seciálních roztoků, nař. které obsahují fluoritové iont. Skleněná elektroda má tvar tenkostěnné baňk ze seciálního skla se stonkem a je nalněna ústojným roztokem ufrem určitého H. Vnitřní kovová elektroda (nař. latinový drátek ve rtuti, nebo sstém Ag/AgCl v roztoku chloridových iontů) je do ufru onořena. Skleněná elektroda se onořuje do měřeného roztoku o stonek. Potenciál vzniklý na stěně baňk je mírou H roztoku. Skleněnou elektrodu lze oužít ro měření od hodnot 1 H do 10 H res. do 14 H v říadě seciálních elektrod.