Anturit. Mittaustekniikan perusteet / luento 9. Lämpö: termopari. Antureita tällä luennolla. Antureita

Transkriptio

1 Mittaustekniikan perusteet / luento 9 Antureita Antureista lisää: S Mittauselektroniikka sekä S Micromechanics Anturi Mittauslaitteen tai mittausketjun elementti, johon mittaussuure vaikuttaa välittömästi Anturit Anturi muuttaa mitattavan suureen helpommin käsiteltävään, yleensä sähköiseen, muotoon. Anturitekniikka hyödyntää laajasti fysiikan eri ilmiöitä. TERMINEN Generoiva ilmiö Muunnin SÄHKÖINEN Esim. termosähköinen ilmiö TERMINEN Moduloiva ilmiö SÄHKÖINEN Muunnin Esim. termoresistiivinen ilmiö SÄHKÖINEN Antureita tällä luennolla Lämpö Vastusanturi, termistori, termopari ja pyrometri. Valo Valodiodi ja valomonistinputki. Paine Bourdon-putki ja kalvoanturi. Voima, liike ja muodonmuutos Pietsoanturi, differentiaalimuuntaja ja venymäliuska. Virtaus Paine-eroanturi, magneettinen anturi ja turbiinianturi. Termopari Toiminta perustuu Seebeck-ilmiöön Ilmiö: kahden eri johteen väliset liitokset aiheuttavat termojännitteen, mikäli niitä pidetään eri lämpötiloissa. Ilmiön keksi saksalainen fyysikko Thomas Seebeck v. 8. Yleiskäyttöisin lämpötila-anturi Termojännitteen suuruusluokka n. -00 µv / C. Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics

2 Termojännite V riippuu liitosten lämpötilaerosta T J -T ref ja Seebeckkertoimesta α : V = α( T J T ). Laajemmalla lämpötila-alueella α ref riippuu lämpötilasta, eikä yhtälö ole lineaarinen mallinnetaan N:nen asteen polynomilla, jonka kertoimet C i saadaan taulukosta. N T T = C + C V + C V + K+ C V J ref 0 N n(k ) Termojännitteen synty Terminen epätasapaino johteessa synnyttää termojännitteen Epätasapainotiloissa syntyy gradienttien seurauksena virtoja, jotka pyrkivät palauttamaan tasapainon: esim. sähkövirta, diffuusiovirta... E Lämpögradientti johteessa n(k ) Kuuma µ E(k ) Kuvat: Agilent Kylmä µ E(k ) Kuuma Johdekappale Kylmä Elektronit pyrkivät tasaamaan läpötilaeron virta Tulkintoja: Minimienergia Elektronien konsentraatiogradientit eri energioilla Keskimääräinen liikemäärä Oletus: lämpötilaero pidetään vakiona Jotta lämpögradientti säilyisi, täytyy olla tekijä joka estää virran syntymisen potentiaaliero = termojännite Liitosta ei tarvita termojännitteen synnyttämiseen Termojännitettä ei kuitenkaan voi mitata suoraan kahden materiaalin termojännitteen eromittaus Johtimet samaa materiaalia sama termojännite ei havaittavaa jännitettä Johtimet eri materiaalia eri termojännite termojännitteiden ero on mitattavissa Termojännitteiden ero riippuu materiaalivalinnoista A B T V T T V T A A

3 Peltier-ilmiö Kahden eri johteen muodostamista liitoksista toinen lämpenee ja toinen jäähtyy, kun niiden läpi johdetaan sähkövirta. Voimakas erityisesti puolijohteilla (p- ja n-tyyppi). Ilmiön keksi ranskalainen fyysikko Jean-Charles-Athanase Peltier vuonna 834. Peltier-elementtiä käytetään yleisesti lämpötilan säätöön. Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Huomioi mittauksia tehtäessä Referenssipisteen lämpötila Termojännitteen epälineaarinen riippuvuus lämpötilasta Termoparin mittajohdot: Väsymismurtumat, epäpuhtaudet Termoparin huono liitos Galvaaniset jännitteet Lämpövastus ympäristöön Sähköiset häiriöt Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics

4 Lämpö: vastusanturi Vastusanturit Perustuvat metallin resistanssin (melko lineaariseen) lämpötilariippuvuuteen: R T = R 0 T + R0α T δ T T β R T = resistanssin arvo lämpötilassa T [ C] R 0 = resistanssin arvo lämpötilassa T = 0 C Stabiilein lämpötila-anturi Yleisimmin käytetty anturimateriaali on Platina. α = lämpötilakerroin ( Ω/Ω/ C) δ =.49 β = 0 (T>0), β = 0. (T<0) Pt-00 anturi: ominaisresistanssi 00 Ω (@0 C) 3 T 00 Mallinnus voidaan tehdä monella tavoin Lämpö: vastusanturi Resistanssin mittaaminen Vastusarvo tyypillisesti 0 Ω Ω johdinresistanssit (lämpötilariipuvia) ja liitosresistanssit merkittäviä Suora vastusmittaus on vaikeaa nelijohdinmittaus tai siltamittaus Kolmijohdinsilta Nelijohdinmittaus Lämpö: vastusanturi Huomioi mittauksia tehtäessä Mittausvirran vaikutus (tyypillisesti 0.5 C/mW ilmassa) Mittuspiirin termojännitteet (Seebeck-ilmiö) Anturin lämpövastus ympäristöön Lämpötilariippuvuden epälineaarisuus Lämpö: termistori Termistorit Perustuvat puolijohteen varauksenkuljettajien lukumäärän riippuvuuteen lämpötilasta Herkin lämpöanturi: vastusarvon muutos tyypillisesti noin 4% / C Vaste on voimakkaasti epälineaarinen: = A + B(ln R) + C(ln R) T 3 Kuva: Agilent T = lämpötila Kelvineissä R = termistorin resistanssi A, B, C = anturivakioita Mallinnus voidaan tehdä monella tavoin Kuva: Agilent

5 Lämpö: termistori Huomioi mittauksia tehtäessä Termistorin ominatisuudet voivat muuttua pysyvästi, jos sen läpötila kasvaa liian korkeaksi Lämpötila-alue rajoittuu pariin sataan asteeseen Termistorit voidaan tehdä erittäin pieniksi Nopeita, mutta Mittausvirran vaikutus suuri Termistorin lämpötilariippuvuus voi olla positiivinen tai negatiivinen NTC (Negative Temperature Coefficient) PTC (Positive Temperature Coefficient) Lämpöanturit: yhteenveto Termopari: + laaja lämpötila-alue + yksinkertainen, kestävä ja halpa - epälineaarinen ja epästbiili - epäherkkä matala jännite - tarvitsee lämpöreferenssin Vastusanturi: + tarkin ja stabiilein + melko lineaarinen - kallis - hidas - tarvitsee monimutkaisen mittausjärjestelyn Kuvat: Agilent Lämpöanturit: yhteenveto Lämpö: pyrometri Termistori: + herkkä ja nopea + yksinkertaisempi mittausjärjestely kuin vastusantureilla - rajoitettu lämpötila-alue - helposti särkyvä - mittausvirran lämpövaikutus usein merkittävä - epästabiili ja epälineaarinen Signaalitasot lämpötilamittauksissa ovat usein matalia. Tämän vuoksi täytyy kiinnittää erityistä huomiota mittaukseen vaikuttaviin häiriöihin. Kuva: Agilent Toiminta perustuu mustan kappaleen säteilylakiin (Planckin laki). Käytetään (yleensä) korkeiden lämpötilojen mittaukseen, koska kappaleen säteilyteho on verrannollinen lämpötilan neljänteen potenssiin (Stefan-Boltzmannin laki). Etu: mittauslaite ei kosketa kohdetta. Lähde Optiikka Ilmaisin Havainto linssi Kuva: MIKES

6 Lämpö: pyrometri Planckin laki Määrittelee mustan kappaleen säteilyn(teho / pintaala / aallonpituus). hc F( λ ) = 5 e hc / λ λ kt h = Plankin vakio, k = Boltzmannin vakio ja c = Valon nopeus 000 K 800 K 600 K 00 K Aallonpituus, µm Stefan-Boltzmannin laki Määrittää kokonaissäteilytehon pinta-alaa kohti. F = εσt 4 ε = Emissiviteetti σ = Stefan-Boltzmannin vakio Valo Yhä useampia suureita mitataan nykyisin optisesti: Esim. pituutta, nopeutta, kemiallista koostumusta Anturityypit: Termiset anturit Mittaavat sähkömagneetisen säteilyn tehoa. Suhteellisen hitaita ja signaali pieni. Etuna vähäinen riippuvuus aallonpituudelle. Esim. pyrosähköinen detektori ja bolometri. Kvanttianturit Nopeita, voivat toima gigahertsien taajuuksilla. Aallonpituusriippuvia ( E = hf = hc/λ ) Esim. valodiodi (=fotodiodi), valovastus (hidas) ja valomonistinputket Valo: valodiodi Valo: valodiodi Yleisin valoanturi. Fotonit synnyttävät PNrajapinnalla elektroniaukkopareja, jotka havaitaan sähkövirtana. Kuvat: Hamamatsu Tyypillisiä kykentöjä Ec Ev hf E E g Rajoituksia: Herkkyys ~ 0.5 A/W Aallonpituusriippuva Vuotovirta Kapasitanssi Kohina Kytkentäkuvat: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics. Vastekäyrä ja sijaiskytkentä: Hamamatsu

7 Valo: valomonistin Fotoni irroittaa tyhjöputken katodilta elektronin. Kiihdytysjännitteen ohjaama elektroni osuu dynodeille ja monistuu. Anodille saadaan moninkertaisen vahvistuksen ansiosta virtapulssi, joka on helposti mitattavissa. Valo: valomonistin Perinteinen valomonistinputki Hyvin pienille valotehoille Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Pulssien laskenta (=fotonilaskenta) tai Virran mittaus Kvanttihyötysuhde ~0% Vaurioituu, jos altistetaan jännitteisenä normaalille valaistukselle Kuvat: Hamamatsu Channel photomultiplier Kuva: PerkinElmer Paine: Bourdon-putki ja kalvoanturit Perinteisesti: Bourdon-putki ja kalvoanturi Kalvoanturi Painearvo voidaan lukea sähköisesti kalvojen välisen kapasitanssin kautta Voidaan valmistaa mikromekaanisesti Bourdonputkia Putken poikkileikkaus Paine: kalvoanturit ja mikrofonit Kapasitiivisesti: paineanturit, mikrofonit, paikkaanturit Esim. kapasit. mikrofonin impedanssi ~ Hz Esimerkki: mikrofonivahvistin C-tyyppi Spiraali Kierretty putki Kalvo Kalvo lepoasennossa Kalvo kuormitettuna Kondensaattorilevy Kalvoantureita Aneroidi Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics

8 Paine: tyhjiöanturit Voima ja liike: pietsoanturi Bayard/Alpert-ionisaatioanturi Painealue: 0. Pa Pa ( 0-6 bar bar) Paine verrannollinen elektronipommituksen tuottamaan ionivirtaan (ion collector) Lämpöhäviöanturit Lämmitin-termopari yhdistelmä Perustuu kaasun aiheuttamaan jäähtymiseen Painealue: ~ normaalipaine - 0. Pa Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Pietsosähköisissä kiteissä mekaaninen puristus synnyttää napojen välille jännitteen: elektrodit voima + - Käänteinen ilmiö: jännite synnyttää voiman / muodonmuutoksen. Materiaalit: PZT = lead-zirconate-titanate PMN = lead-magnesium-niobate Käytetään esim: kiihtyvyysanturit, tärinäanturit Kuva: Piezosystem Jena Paikka ja liike: differentiaalimuuntaja Muodonmuutos: venymäliuska Muodostuu kolmesta kelasta sekä sydänkappaleesta. Nolla-asemassa herätejännite (vaihtovirta) ei synnytä (vastakkaissuuntaisten) toisiokäämien sarjaankytkentään jännitettä. Epäsymmetrinen sydämen asema synnyttää sarjaankytkentään jännitteen, jonka vaihe riippuu liikkeen suunnasta ja amplitudi poikkeutuksen suuruudesta. Liike Vaste Heräte Perustuu: Metallin resistanssin muutokseen muodon muuttuessa. Puolijohteen resistiivisyyden muutokseen jännityksen muuttuessa. Liuska liimataan kappaleeseen, jonka muodon muuttuessa liuska venyy tai puristuu. Yläpuolen venymäliuskat 350 Ω Alapuolen venymäliuskat 350 Ω 350 Ω + 0 V V 350 Ω G=00 - V Z in Laboratoriotöissä käytetty liuska Lämpötilan vaikutus kompensoidaan siltakytkemällä

9 Muodonmuutos: venymäliuska Virtaus: paine-eroanturi Käytetään: Venymien ja puristumien mittauksiin. Voiman mittaukseen. Paineen mittaukseen. Vuonna 954 valmistettu venymäliuska Venturiputki Bernoullin laki p + ρv = p + ρv p=paine, ρ=tiheys ja v=nopeus lähestymisosa p v p v paine-eron mittausyksikkö poisto-osa Mittauslaippa p v p v Virtaus: magneettinen anturi Virtaus: turbiinianturi Perustuu Hall-ilmiöön: E = kvbd Turbiinianturit soveltuvat vain kaasujen tai puhtaiden nesteiden virtauksen mittaukseen. E=jännite, v=nopeus, B=mg-kenttä, d=elektrodien väli ja k=korjauskerroin E V d V Mitattavan nesteen johtavuuden täytyy olla riittävä. Putken täytyy olla valmistettu johtamattomasta aineesta. E Magneettikela Muita virtausmittareita: Äänen kulkuaikamittaukset Doppler-mittaukset (optinen tai akustinen) Anemometrit (terminen menetelmä) Esteen synnyttämän pyörteen taajuusmittaus Korrelaattorimittaus

10 Anturit Pelkän anturitekniikan hallitseminen ei riitä hyvien mittausten saavuttamiseen. Lisäksi tulee ymmärtää: Mittaustilanne ja siihen vaikuttavat tekijät. Anturin lähielektroniikka. Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics