Anturit ja mittausmenetelmät, turbopruju

Transkriptio

1 Anturit ja mittausmenetelmät, turbopruju Esitä optisen kulma-anturin (encoder) toimintaperiaatteita ja tyypillisiä suoritusarvoja! -pyörivä lasikiekko, jonka pinnalle höyrystetty radiaalinen hilakuvio -lukupää (kiinteä), esim. nelipäinen hila (hilat neljännesaallon vaihe-erolla) -resoluutio n.100-nx1000 pulssia/kierros -saadaan tarvittaessa absoluuttinen paikka tai kulma -koodatulla kiekolla (eliminoi myös virheilmaisuja) -esim. binäry-coded desimal (1 bitti muuttuu kerrallaan) Esitä erilaisia mittausmenetelmiä ja selitä niiden mittausperiaatteet sekä edut ja mahdolliset heikkoudet etäisyyden mittaamiseksi välille 0~2cm, 2cm~2m ja yli 2m etäisyyksille! 0-2cm: -Potentiometri: -mittausalue 2,5mm-50cm (erityisrakenteilla jopa 8m) -Valoporttimittaus: -resoluutio mikrometriluokassa 10cm etäisyydellä

2 2cm-2m: -potentiometri erityisvaijerirakenteilla -lasertutka (kertamittausresoluutio tosin vain ~1,5cm) yli 2m: -lasertutka -etäisyys 1/2tc, missä t = valopulssin kulkuaika edestakaisin, c = valonnopeus -mittausetäisyys max 100m, jos diffuusi heijastus (passiivinen kohde) -n.km, jos prismaheijastin (aktiivinen) -kertamittausresoluutio (tarkkuus yhdellä valopulssilla) n. 100ps eli 1,5cm edestakaisessa matkassa -keskiarvoistamalla tarkkuus paranee verrannollisena keskiarvoistuksen määrän N, neliöjuureen σ T σ aver = N -keskiarvoistus ei paranna tulosta loputtomiin, koska mittauksessa on ryömintää (ei satunnaisvirhettä) -kertamittaustarkkuuteen vaikuttavat elektroniikan kohina ja pulssin nousunopeus Kerro viisi anturin valintaan vaikuttavaa suorituskykyominaisuutta ja selitä niiden merkitys? -resolution: lähtösuureen pienin askelmainen muutos, kun mitattava suure muuttuu jatkuvasti, ilmoitetaan %FSO:sta -threshold: pienin muutos mitattavassa suureessa, joka aiheuttaa havaittavan muutoksen lähtösuureessa -sensitivity: herkkyys, merkitys vaihtelee, ei yksikäsitteinen ilmaisu -responsivity: anturin vaste mitattavaan suureeseen -detectivity: pienin suureen arvo, joka voidaan mitata/havaita + virhetermit: -accuracy: kokonaisvirhe, systemaattinen osa -precision: satunnaisvirhe (+ hystereesi, toistettavuus, lineaarisuus, dynaamiset ominaisuudet, taajuusvaste) Mitä muita suunnittelukriteereitä on huomioitava anturin valinnassa? 1. anturin massa, rakenne, heräte, tehon kulutus 2. anturin lähdön ominaisuudet 3. anturiperiaate 4. tarkkuus ja suorituskyky, staattinen, dynaaminen, ympäristö 5. käyttö- ja toiminta-aika 6. vaikuttaako kohde anturin signaaliin välillisesti 7. vääristääkö anturi mitattavaa suuretta 8. standardit 9. vikatilanne mahdollisuudet, mitä sitten? 10. anturin käsittelyominaisuudet, asennus, huolto yms. 11. testaus, kalibrointi 12. saatavuus 13. kustannukset: anturi, datan käsittely, testaus, kalibrointi 14. anturin rakenne: suora, differentiaalinen, suhdemittaus, servo

3 15. älykäs anturi (smart sensor) Esitä kapasitiivisen mikromekaanisen kiihtyvyysanturin toimintaperiaatteita ja tyypillisiä suoritusarvoja! -kapasitiivinen mittaus -ei vastusta liikettä ε 0ε A -C =, yhdellä elementillä (epälineaarinen vaste) X + X kapasitiivinen mikromekaaninen kiihtyvyysanturi: -esimerkiksi yksi liikkuva levy + kaksi sen alla olevaa kiinteää levyä, jotka muodostavat differentiaalisen kondensaattorin (liikkuvan levyn massakeskipiste sivussa kiertoakselista)

4 tai joustavasti ripustettu inertiamassa + kaksi kiinteää levyä -> massan paikka ilmaistaan differentiaalisella kondensaattorilla Kastepistemittausta käytetään ilman kosteuden mittauksessa. Esitä toimintaperiaate ja toteutustapoja. -kastepisteessä neste ja höyry ovat tasapainossa -mitataan laskemalla lämpötilaa, kunnes havaitaan kosteuden tiivistyminen -lämpötilan muutos yleensä Peltier-elementillä -mittauksessa kaksi anturia: -lämpötila-anturi -kondensoituvan veden havaitsemisanturi -optisesti, heijastuksen mittaus peilipinnasta -resistiivisyyden mittaus -säteilymittaus, säteilevän levyn mittaus -mittausperiaate servo-tyyppinen

5 Kuinka puusta tehdään paperia? Paperikoneella tarvitaan useita on-line mittauksia. Luettele millä periaatteilla liikkuvasta paperirainasta voidaan mitata neliöpainoa, kosteutta, paksuutta ja opasiteettia? mittaukset: neliöpaino: B-säteilyn absorptio kosteus: mitataan veden määrä IR-absorptiolla, ja neliöpaino -> kosteus paksuus: magneettinen reluktanssi opasiteetti: läpäisevä valo mittaa läpinäkymättömyyden (opasiteetti) ja reiät Magneettista määrämittaria ja vortex-mittaria käytetään yleisesti nesteiden ja suspensioiden virtausnopeuden mittaamiseen. Selitä niiden toiminta ja vertaile niiden suoritusarvoja ja käyttösovelluksia toisiinsa. Magneettinen määrämittari: -nesteen oltava johtava -johtava neste virratessaan magneettikentän läpi aiheuttaa sähkömotorisen voiman -+ ja ionit pyrkivät putken vastakkaisille puolille -> jännite U -virtausalue 10:1, yläraja suuri, alarajalla kohinaongelmia -epätarkkuus 0,5%FSO:sta

6 -riippumaton virtausprofiilista, viskositeetista, kiintoaineesta, lämpötilasta -ei aiheuta painehäviötä -kallis rakenne Vortex-mittari eli pyörrevanamittari -perustuu estepalan aiheuttamiin pyörteisiin nesteessä -pyörteiden esiintymistaajuus on suoraan verrannollinen virtausnopeuteen -pyörteen koko on likimain vakio -kun pyörteet kulkevat virtauksen mukana, niiden taajuus muuttuu virtausnopeuteen verrannollisesti -pyörteiden ilmaisu: -kapasitiivinen paineanturi estelevyssä -venymäliuska-anturi -ultraäänianturi, kulkuaikamittaus, vaimennusmittaus -liikkuva pallo, magneettianturi ominaisuudet: -virtausnopeusalue 20:1 -epätarkkuus 0,5-1% -suuri painehäviö -ei toimi pienillä virtauksilla (ei synny pyörteitä) -putken kavennukset yleisiä -> painehäviöt -rajoitettu lämpötila-alue -ei sovellu viskooseille, jähmeille nesteille -virtauksen pitkittäisvaihtelu aiheuttaa suuria ongelmia vertailu: Magneettinen: Vortex: Virtausnopeusalue 10:1 20:1 Epätarkkuus 0,5%FSO:sta 0,5-1% Painehäviöt ei painehäviöitä suuri painehäviö Lämpötila Riippumaton lämpötilasta rajoitettu lämpötila-alue Viskositeetti Riippumaton viskositeetista ei sovellu viskooseille nesteille Kallis ei toimi pienillä virtauksilla Virtauksen pitkittäisvaihtelu aiheuttaa suuria ongelmia Termisiä valoilmaisimia käytetään infrapunasäteilyn mittaamiseen. Esitä niiden erot fotoniilmaisimiin nähden. Esitä yleisimmät toteutustavat ja kunkin periaatteen suoritusarvoja! Termiset ilmaisimet: -tuntevat kokonaissäteilyenergian, eivät yksittäisiä fotoneja -pääasiassa IR-alueella -lämpösähköiset ilmaisimet -bolometri -pyrosähköinen ilmaisin

7 -referenssiliitos on jäähdytyslevyssä suojassa säteilyltä -termistori esim Ge(Ga) -kapasitanssi joka muuttuu säteilyn ansiosta Fotoni-ilmaisimet: -perustuvat fotoni/elektroni vuorovaikutukseen (fotoni vapauttaa elektroni-aukko parin puolijohteen liitosalueella) -voimakas aallonpituusriippuvuus vasteessa -valojohteet (valovastukset) -valo-jänniteilmaisin (valojohtava toimintamuoto & valojännite toimintamuoto) -valodiodit -valoemissioilmaisimet

8 Kosteuden ja vesipitoisuuden mittaus. Esitä lyhyesti yleisimmät mittausperiaatteet! Hygrometrinen mittaus: -aineen hygroskooppisuuteen (kosteutta imevä) perustuva ilmaisu -anturin tulos verrannollinen suhteelliseen kosteuteen %RH -mekaaninen anturi -aikaisemmin paljon käytössä -kotikosteusmittarit -esim. ihmisen hius, eläimen karva, eläinkalvot ja eräät muovimateriaalit -mittaus reluktiivisesti tai venymäliuskalla Psykrometrinen mittaus: -mitataan märän ja kuivan anturin lämpötilat -katsotaan taulukosta kosteus, %RH tai vesipitoisuus - kuiva anturi mitattavassa tilassa - märkä anturi saturaatiossa, vedessä -mitattavan kohteen ilma johdetaan märkään anturiin, kosteuden haihtuminen kuluttaa lämpöä, jolloin märän anturin lämpötila laskee -haihtuminen riippuu höyryn paineesta ja ilman vesipitoisuudesta -mitä kuivempi ilma, sitä isompi lämpötilaero antureiden välillä Kastepistemittaus: -kastepisteessä neste ja höyry ovat tasapainossa -mitataan laskemalla lämpötilaa, kunnes havaitaan kosteuden tiivistyminen -lämpötilan muutos yleensä Peltier-elementillä -mittauksessa kaksi anturia: -lämpötila-anturi -kondensoituvan veden havaitsemisanturi -mittausperiaate servo-tyyppinen Vesipitoisuuden kaukomittaus: -RF- ja mikroaaltojen absorption mittaus -eristevakio ε on kosteuden funktio -IR-alueen optinen absorptio -mitataan kahdella tai useammalla aallonpituudella -toinen veden absorptiopiikki -toinen referenssinä -absorptiosuhteesta kosteus Esitä pietsosähköisen voima-anturin toimintaperiaate. Kuinka sitä voidaan käyttää kiihtyvyyden mittaamiseen? -voima F kohdistuu kiteeseen -> atomien siirtymä hilassa normaaliasentoon nähden -deformaatio tuottaa varauksen -toimii myös toisinpäin -kiteessä elektrodit -> kondensaattori, johon varaus tallentuu -varaus aiheuttaa virran

9 -ei DC-vastetta, derivoiva vaste (vuotovirrat) -pieni lähtöjännite, suuri lähtöimpedanssi (ongelmia) -jännite- ja varausvahvistinkytkennät -esijännityksellä +-mittausalue -kytkemällä kiteitä sarjaan herkkyys kasvaa -T oltava alle Curie-pisteen Yleisimmät tavat mitata pinnan korkeutta? paineen mittaus: -useita erilaisia viritelmiä painon, massan mittaus: -erilaisia vaakarakenteita -korkeus määritetään painon avulla kellukemittarit: -mitataan nesteessä kelluvan anturin paikka -voima-mittaus -kapasitiivisesti -optisesti johtavuuteen perustuva mittaus: -mitataan kahden elektrodin välinen johtavuus (neste johtava) -elektrodin ja seinän välinen johtavuus -elektrodit ruostumatonta terästä -puhdistuksesta huolehdittava kapasitiivinen mittaus: -nesteen dielektrinen vakio eri kuin ilmassa -nestekorkeus muuttaa elektrodien välistä kapasitanssia lämmön siirtymiseen perustuva mittaus: -pistemäinen mittaus -neste elementin kohdalla aiheuttaa lämmönsiirtymisessä muutoksen -vakiovirtaohjattu lämpövastuselementti jäähtyy optinen mittaus: -pistemäisiä mittauksia -läpäisymittaus -heijastukseen perustuva -kokonaisheijastuksen muutokseen Värähtelymuutokseen perustuva mittaus: -pistemäinen mittaus -oskillaattorin värähtelyamplitudi muuttuu mitattavassa aineessa ultraäänimittaus: -ultraäänen kulkuajan mittaus -ultraäänen amplitudin, absorption mittaus -kahden nesteen rajapinnan ilmaisu ja mittaus -anturi esim. pohjassa gammasäteilymittaus: -vaikeissa olosuhteissa -yleisimmät säteilijät

10 -neste vaimentaa säteilyä -pinnan taso monielementtisellä anturilla -ilmaisin ionisaatiokammio tai Geiger-putki mikroaaltomittaus: -mikroaaltotutka -läpäisymittaus tai heijastusmittaus pinnasta -erityisesti öljyt ja bensiinit -taajuusalue 10GHz Gammasäteilyn kvanttien energioita mitataan yleisesti tuikedetektorilla. Miten ne toimivat ja millainen energiaspektri saadaan yksienergisestä gammasäteilystä? Tuikeilmaisu: -fotoluminesenssi -muovi-, neste- tai kaasuperiaatteella toimivia -γ -säteily aiheuttaa UV-pulssin, joka ilmaistaan valomonistimella -Cerrenkov-ilmaisu: -lasimateriaalissa, jossa säteilyn etenemisnopeus on suurempi kuin valon nopeus lasissa, syntyy valoa -soveltuu suurienergisille hiukkasille

11 Differentiaalimuuntimia (LVDT ja RVDT) käytetään siirtymän mittauksissa. Esitä molempien toimintaperiaate ja tyypillisiä suoritusarvoja.

12 Esitä yleisimmät tavat mitata nesteen virtausnopeutta virtausta häiritsemättä. Lämmön johtumiseen perustuva virtausmittaus: -lämmön siirtäminen nesteeseen kahden pisteen välillä on verrannollinen massavirtaukseen -antaa massavirtauksen -käytetään erityisesti kaasuilla -sopii pieniin putkiin -suurilla putkilla tehontarve suuri -> käytetään ohivirtausputkea magneettisuuteen perustuva virtausmittaus: -nesteen oltava johtava -johtava neste virratessaan magneettikentän läpi aiheuttaa sähkömotorisen voiman -+ ja ionit pyrkivät putken vastakkaisille puolille -> jännite U ultraääni virtausmittaus: -voidaan asentaa putken ulkopinnalle -putken seinämän läpäistävä ääni -kiinteä asennus yleensä parempi ja tarkempi -Doppler-mittari LASKUJA:

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23