Mittaustekniikan perusteet / luento 5 Anturit Antureita Anturi Mittauslaitteen tai mittausketjun elementti, johon mittaussuure vaikuttaa välittömästi 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, termoelementti 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
Termojännite V riippuu liitosten lämpötilaerosta T J -T ref ja Seebeckkertoimesta V ( T J T ). Laajemmalla lämpötila-alueella 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 C V J ref 0 N Johtimet samaa materiaalia sama termojännite ei havaittavaa jännitettä A T V T A Johtimet eri materiaalia eri termojännite termojännitteiden ero on mitattavissa B T V A T Kuvat: Agilent Termojännitteiden ero riippuu materiaalivalinnoista 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
Peltier-ilmiö (termosähköinen ilmiö) Sama toiseen suuntaan: 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, myös käyttöjännitteen generointiin Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Huomioi mittauksia tehtäessä Referenssipisteen lämpötila Termojännitteen epälineaarinen riippuvuus lämpötilasta (kalibrointikäyrä) Lämpövastus mittauskohteeseen Lämpö: vastusanturi Vastusanturit Perustuvat metallin resistanssin (melko lineaariseen) lämpötilariippuvuuteen: 3 T T T T R T R0 R0 T 00 00 00 00 R T = resistanssin arvo lämpötilassa T [ C] R 0 = resistanssin arvo lämpötilassa T = 0 C Stabiilein lämpötila-anturi Yleisimmin käytetty anturimateriaali on Platina. = lämpötilakerroin (0.0039 / / C) =.49 = 0 (T>0), = 0. (T<0) Pt-00 anturi: ominaisresistanssi 00 (@ 0 C) Mallinnus voidaan tehdä monella tavoin
Lämpö: vastusanturi Resistanssin mittaaminen Vastusarvo tyypillisesti 0-000 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) Anturin lämpövastus kohteeseen Lämpötilariippuvuden epälineaarisuus (kalibrointikäyrä) Kolmijohdinsilta Nelijohdinmittaus Kuva: Agilent Lämpö: termistori Termistorit Perustuvat puolijohteen resistanssin riippuvuuteen lämpötilasta Herkin lämpöanturi: vastusarvon muutos tyypillisesti noin 4 % / C Vaste on voimakkaasti epälineaarinen: A B(ln R) C(ln R) T T = lämpötila Kelvineissä R = termistorin resistanssi A, B, C = anturivakioita Mallinnus voidaan tehdä monella tavoin 3 Kuva: Agilent Lämpö: termistori Huomioi mittauksia tehtäessä Termistorin ominaisuudet voivat muuttua pysyvästi, jos sen lämpötila kasvaa liian korkeaksi (~00 C) 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 Termoelementti: + laaja lämpötila-alue (< 800 C) + yksinkertainen, kestävä, edullinen - epälineaarinen ja epästabiili - epäherkkä matala jännite - tarvitsee lämpöreferenssin Vastusanturi: + tarkka, stabiili (T< 660 C) + melko lineaarinen - kallis, hidas - mittausvirta lämmittää anturia Kuvat: Agilent Lämpöanturit: yhteenveto Termistori: + herkkä ja nopea + halpa - rajoitettu lämpötila-alue (<00 C) - helposti särkyvä - mittausvirran lämpövaikutus usein merkittävä - epästabiili, epälineaarinen Signaalitasot lämpötilamittauksissa ovat usein matalia. Tämän vuoksi täytyy kiinnittää erityistä huomiota mittaukseen vaikuttaviin häiriöihin. Kuva: Agilent Lämpö: pyrometri Toiminta perustuu mustan kappaleen säteilylakiin. Hehkuva kappale emittoi säteilyä Planckin lain mukaisesti. Primäärimenetelmä korkeissa lämpötiloissa, mutta saadaan toimimaan huoneenlämpötilassa tai pakkasellakin Etu:mittauslaite ei kosketa kohdetta. Lähde Optiikka Ilmaisin Havaintolinssi Kuva: MIKES Lämpö: pyrometri Planckin laki määrittelee mustan kappaleen radianssin L lämpötilan T ja aallonpituuden funktiona): hc L, T) 5 ( hc/ kt h = Plankin vakio, k = Boltzmannin vakio ja c = Valon nopeus Stefan-Boltzmannin laki määrittää kokonaisirradianssin E lämpötilan funktiona: e E( T) T 4 000 K 800 K 600 K 00 K 0 3 4 5 6 Aallonpituus, m = Emissiviteetti = Stefan-Boltzmannin vakio
Valo Valo: valodiodi Useita suureita voidaan mitata optisesti, mm. 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/ ) Esim. valodiodi (=fotodiodi), valovastus (hidas) ja valomonistinputket Yleisin valoanturi. Fotonit synnyttävät PNrajapinnalla elektroniaukkopareja, jotka havaitaan sähkövirtana. E c E v hf E E g Kuvat: Hamamatsu Tyypillisiä kykentöjä Valo: valodiodi Valo: valomonistinputki 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 Vaurioituu, jos altistetaan jännitteisenä normaalille valaistukselle
Valo: valomonistinputki Paine: Bourdon-putki ja kalvoanturit Perinteisesti: Bourdon-putki Kalvoanturi Painearvo voidaan lukea sähköisesti kalvojen välisen kapasitanssin kautta Voidaan valmistaa mikromekaanisesti Bourdonputkia Putken poikkileikkaus C-tyyppi Spiraali Kierretty putki Kuva: Hamamatsu Kalvo lepoasennossa Kalvo kuormitettuna Kondensaattorilevy 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 Alapuolen venymäliuskat Muodonmuutos: venymäliuska Käytetään: Venymien ja puristumien mittauksiin. Voiman mittaukseen. Paineen mittaukseen. 350 350 + 0 V V G=00 V 350 - Z in Lämpötilan vaikutus kompensoidaan siltakytkemällä Virtaus: paine-eroanturi Virtaus: magneettinen anturi Venturiputki Bernoullin laki p v p v p=paine, =tiheys ja v=nopeus Mittauslaippa lähestymisosa p v 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 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