Anturit. Mittaustekniikan perusteet / luento 10. Lämpö: termopari. Antureita tällä luennolla. Antureita

Transkriptio

1 Mittaustekniikan perusteet / luento 10 Antureita Antureista lisää: S Mittauselektroniikka 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 Moduloiva ilmiö SÄHKÖINEN Esim. termoresistiivinen ilmiö TERMINEN Muunnin 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. Lämpö: termopari 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 Yleiskäyttöisin lämpötila-anturi Termojännitteen suuruusluokka n µv / C. Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics

2 Lämpö: termopari Lämpö: termopari Termojännite V riippuu liitosten lämpötilaerosta T J1 -T ref ja Seebeckkertoimesta α : V = α( T J T ). Laajemmalla lämpötila-alueella α 1 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 J1 ref 0 1 N Johtimet samaa materiaalia sama termojännite ei havaittavaa jännitettä A T 1 V T A Johtimet eri materiaalia eri termojännite termojännitteiden ero on mitattavissa B T 1 V A T Kuvat: Agilent Termojännitteiden ero riippuu materiaalivalinnoista Lämpö: termopari Lämpö: termopari Koko piirin ulostulojännite riippuu kahden liitoksen lämpötilaerosta Toinen liitoksista on pidettävä vakiolämpötilassa Vaihtoehtoisesti on suunniteltava elektroniikka, joka ottaa referenssiliitoksen lämpötilan huomioon (tähän löytyy valmiita piirejä ja kytkentöjä) Kompensointia voi tehdä myös ohjelmallisesti Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics

3 Lämpö: termopari Peltier-ilmiö (termosähköinen 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 Peltier-elementtiä käytetään yleisesti lämpötilan säätöön. Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Lämpö: termopari Huomioi mittauksia tehtäessä Referenssipisteen lämpötila Termojännitteen epälineaarinen riippuvuus lämpötilasta Termoparin mittajohdot: Väsymismurtumat, epäpuhtaudet Termoparin huono liitos Galvaaniset jännitteet Lämpövastus ympäristöön Sähköiset häiriöt Lämpö: vastusanturi Vastusanturit Perustuvat metallin resistanssin (melko lineaariseen) lämpötilariippuvuuteen: R T = R 0 T + R0α T δ T 1 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 = 1.49 β = 0 (T>0), β = 0.11 (T<0) Pt-100 anturi: ominaisresistanssi 100 Ω (@0 C) 3 T Mallinnus voidaan tehdä monella tavoin

4 Lämpö: vastusanturi Resistanssin mittaaminen Vastusarvo tyypillisesti 10 Ω Ω johdinresistanssit (lämpötilariipuvia) ja liitosresistanssit merkittäviä Suora vastusmittaus on vaikeaa nelijohdinmittaus tai siltamittaus Lämpö: vastusanturi Huomioi mittauksia tehtäessä Mittausvirran vaikutus (tyypillisesti 0.5 C/mW ilmassa) Mittuspiirin termojännitteet (Seebeck-ilmiö) Anturin lämpövastus ympäristöön Lämpötilariippuvuden epälineaarisuus Kolmijohdinsilta Nelijohdinmittaus Kuva: Agilent Lämpö: termistori Termistorit Perustuvat puolijohteen resistanssin riippuvuuteen lämpötilasta Herkin lämpöanturi: vastusarvon muutos tyypillisesti noin 4% / C Vaste on voimakkaasti epälineaarinen: 1 3 = A + B(ln R) + C(ln R) T T = lämpötila Kelvineissä R = termistorin resistanssi A, B, C = anturivakioita Mallinnus voidaan tehdä monella tavoin Kuva: Agilent 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)

5 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 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 Lämpö: pyrometri Lämpö: pyrometri 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 Havaintolinssi Kuva: MIKES Planckin laki Määrittelee mustan kappaleen säteilyn(teho / pintaala / aallonpituus). 1 hc F( λ ) = 5 e hc / λ λ kt 1 h = Plankin vakio, k = Boltzmannin vakio ja c = Valon nopeus 000 K 1800 K 1600 K 100 K Aallonpituus, µm Stefan-Boltzmannin laki Määrittää kokonaissäteilytehon pinta-alaa kohti. F = εσt 4 ε = Emissiviteetti σ = Stefan-Boltzmannin vakio

6 Valo Valo: valodiodi 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 Yleisin valoanturi. Fotonit synnyttävät PNrajapinnalla elektroniaukkopareja, jotka havaitaan sähkövirtana. Ec Ev hf E E g Kuvat: Hamamatsu Tyypillisiä kykentöjä Valo: valodiodi Valo: valomonistin Fotoni irroittaa tyhjöputken katodilta elektronin. Kiihdytysjännitteen ohjaama elektroni osuu dynodeille ja monistuu. Anodille saadaan moninkertaisen vahvistuksen ansiosta virtapulssi, joka on helposti mitattavissa. Rajoituksia: Herkkyys ~ 0.5 A/W Aallonpituusriippuva Vuotovirta (shunttivastus) Kapasitanssi Kohina Kytkentäkuvat: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics. Vastekäyrä ja sijaiskytkentä: Hamamatsu Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Hyvin pienille valotehoille Pulssien laskenta (=fotonilaskenta) tai Virran mittaus Kvanttihyötysuhde ~0% Vaurioituu, jos altistetaan jännitteisenä normaalille valaistukselle

7 Valo: valomonistin Perinteinen valomonistinputki 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 Kuvat: Hamamatsu Channel photomultiplier Kuva: PerkinElmer C-tyyppi Spiraali Kierretty putki Kalvo Kalvo lepoasennossa Kalvo kuormitettuna Kondensaattorilevy Kalvoantureita Aneroidi Paine: kalvoanturit ja mikrofonit Paine: tyhjiöanturit Kapasitiivisesti: paineanturit, mikrofonit, paikkaanturit Esim. kapasit. mikrofonin impedanssi ~ Hz Esimerkki: mikrofonivahvistin Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Bayard/Alpert-ionisaatioanturi Painealue: 0.1 Pa Pa ( bar bar) Paine verrannollinen elektronipommituksen tuottamaan ionivirtaan (ion collector) Lämpöhäviöanturit Lämmitin-termopari yhdistelmä Perustuu kaasun aiheuttamaan jäähtymiseen Painealue: ~ normaalipaine Pa Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics

8 Voima ja liike: pietsoanturi 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: Induktiivinen differentiaalimuuntaja 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 Muodonmuutos: venymäliuska 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 Laboratoriotöissä käytetty liuska Muodonmuutos: venymäliuska Käytetään: Venymien ja puristumien mittauksiin. Voiman mittaukseen. Paineen mittaukseen. Vuonna 1954 valmistettu venymäliuska 350 Ω 350 Ω + 10 V V 350 Ω G=100 - V Z in Lämpötilan vaikutus kompensoidaan siltakytkemällä

9 Virtaus: paine-eroanturi Virtaus: magneettinen anturi Venturiputki Bernoullin laki 1 1 p1 + ρv1 = p + ρv p=paine, ρ=tiheys ja v=nopeus Mittauslaippa lähestymisosa p v 1 1 p v paine-eron mittausyksikkö p v poisto-osa p v Perustuu Hall-ilmiöön: E = kvbd E=jännite, v=nopeus, B=mg-kenttä, d=elektrodien väli ja k=korjauskerroin Mitattavan nesteen johtavuuden täytyy olla riittävä. Putken täytyy olla valmistettu johtamattomasta aineesta. E V d E 1 Magneettikela Virtaus: turbiinianturi Turbiinianturit soveltuvat vain kaasujen tai puhtaiden nesteiden virtauksen mittaukseen. V Muita virtausmittareita: Äänen kulkuaikamittaukset Doppler-mittaukset (optinen tai akustinen) Anemometrit (terminen menetelmä) Esteen synnyttämän pyörteen taajuusmittaus Korrelaattorimittaus 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

10