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



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

Antureita. Moduloiva ilmiö. Generoiva ilmiö. Muunnin. Muunnin. Esim. termoresistiivinen. Esim. termosähköinen ilmiö

Elektroniset mittaukset. Anturit ja mittausvahvistimet

Muita tyyppejä. Bender Rengas Fokusoitu Pino (Stack) Mittaustekniikka

PYP I / TEEMA 4 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

PYP I / TEEMA 8 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

LÄMPÖTILAN MITTAUS VASTUSANTUREILLA

Anturit ja mittausvahvistimet

Elektroniset mittaukset. Anturit ja mittausvahvistimet

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Petri Kärhä 27/01/2004 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 1

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

Mikroskooppisten kohteiden

Valosähköinen ilmiö. Kirkas valkoinen valo. Himmeä valkoinen valo. Kirkas uv-valo. Himmeä uv-valo

Koesuunnitelma. Tuntemattoman kappaleen materiaalin määritys. Kon c3004 Kone ja rakennustekniikan laboratoriotyöt. Janne Mattila.

521124S Anturit ja mittausmenetelmät (5 op/3 ov) Koe

PUOLIJOHTEET tyhjennysalue

FYSA240/4 (FYS242/4) TERMINEN ELEKTRONIEMISSIO

Lämpötilan säätö. S Elektroniset mittaukset Mikko Puranen Luennon sisältö

MITTAUSTEKNIIKAN LABORATORIOTYÖOHJE TYÖ 4. LÄMPÖTILA ja PAINELÄHETTIMEN KALIBROINTI FLUKE 702 PROSESSIKALIBRAATTORILLA

TERMINEN ELEKTRONIEMISSIO

Luentokalvot lämpötilasäätimistä Elektroniset mittaukset-kurssiin

Opetuskalvot aiheesta pietsokontrollerit

TERMINEN ELEKTRONIEMISSIO

15. Sulan metallin lämpötilan mittaus

Pietsoelementtien sovelluksia

Anturit ja mittausmenetelmät, turbopruju

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

SÄHKÖTEKNIIKKA. NTUTAS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri kevät 2015

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

Luku Ohmin laki

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Kuva 1. Ohmin lain kytkentäkaavio. DC; 0 6 V.

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

Paineanturi nesteitä ja kaasuja varten

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

S Mittaustekniikan perusteet A. Esiselostustehtävät Erityisesti huomioitava

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

SMG-4450 Aurinkosähkö

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Mustan kappaleen säteily

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

SÄHKÖTEKNIIKKA. NBIELS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2015

Kellot, taajuuslähteet. Kellot, taajuuslähteet. Mittaustekniikan perusteet / luento 6 Perusmittalaitteet 4. Kideoskillaattorit

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

1 Kohina. 2 Kohinalähteet. 2.1 Raekohina. 2.2 Terminen kohina

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

QBE63-DP... Paine-eroanturit. Siemens Building Technologies HVAC Products. neutraaleja ja lievästi syövyttäviä nesteitä ja kaasuja varten

FYSP1082 / K3 RESISTANSSIN LÄMPÖTILARIIPPUVUUS

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

Mitä on huomioitava kaasupäästöjen virtausmittauksissa

TN T 3 / / SÄH Ä KÖAS A IOI O TA T Vi taniemen koulu

FRANCKIN JA HERTZIN KOE

PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Pullon venymän mittaaminen KON-C3004 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt. Henri Järlström ja Olli Sarainmaa

RESISTANSSIN LÄMPÖTILARIIPPUVUUS

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Koesuunnitelma Alumiinin lämpölaajenemiskertoimen määrittäminen

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Normaalipotentiaalit

Mustan kappaleen säteily

DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

Petri Kärhä 04/02/04. Luento 2: Kohina mittauksissa

ELEKTRONIN LIIKE MAGNEETTIKENTÄSSÄ

Agenda. Johdanto Säätäjiä. Mittaaminen. P-, I-,D-, PI-, PD-, ja PID-säätäjä Säätäjän valinta ja virittäminen

TUTKIMUSSELOSTUS. Työ

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Kuva 1. Fotodiodi (vasemmalla) ja tässä työssä käytetty mittauskytkentä (oikealla).

LÄMPÖSÄTEILY. 1. Työn tarkoitus. Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 2

S Mittaustekniikan perusteet Y - Tentti

SMG-4450 Aurinkosähkö

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

testo 831 Käyttöohje

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

AURINKOPANEELIT. 1. Aurinkopaneelin toimintaperiaate. Kuva 1. Aurinkopaneelin toimintaperiaate.

Mitä ledi on ja mitkä ovat sen edut ja haitat?

Käyttöohje. Tiiveystesteri

Mittaustekniikka (3 op)

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun F = F eli qv B = qe. Nyt levyn reunojen välinen jännite

Fysikaalisten tieteiden esittely puolijohdesuperhiloista

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

2. Pystyasennossa olevaa jousta kuormitettiin erimassaisilla kappaleilla (kuva), jolloin saatiin taulukon mukaiset tulokset.

LÄMPÖTILA-ANTURIT INSTRUMENTIT 6 TUOTEHINNASTO

Perusmittalaitteet 2. Yleismittari Taajuuslaskuri

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

1. a) Piiri sisältää vain resistiivisiä komponentteja, joten jännitteenjaon tulos on riippumaton taajuudesta.

Transkriptio:

Mittaustekniikan perusteet / luento 9 Antureita Antureista lisää: S-08.94 Mittauselektroniikka sekä S-08.83 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

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

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

Lämpö: vastusanturi Vastusanturit Perustuvat metallin resistanssin (melko lineaariseen) lämpötilariippuvuuteen: R T = R 0 T + R0α T δ T T β 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. α = lämpötilakerroin (0.0039 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 - 000 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

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

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 0 3 4 5 6 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

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 ~ 400 MΩ @ 0 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

Paine: tyhjiöanturit Voima ja liike: pietsoanturi Bayard/Alpert-ionisaatioanturi Painealue: 0. Pa - 0-9 Pa ( 0-6 bar - 0-4 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

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

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