Ipari méréstechnika Készítette: Kiss László 2010.02.16. Ipari méréstechnika 1
Az ipari méréstechnika alapjai Az ipari, méréstechnika tárgya, a műszaki folyamatokban végbemenő változások fizikai jellemzőinek érzékelése és mérése. A fizikai jellemzőket két fő csoportba osztjuk: Villamos mennyiségek, tehát eredendően villamos jelek, (U; I; P vill. ). Nem villamos mennyiségek, (hőmérséklet, nyomás, szint, áramlás, elmozdulás) A nem villamos mennyiségeket részben segédenergia nélkül, részben villamos segédenergia igénybevételével mérjük. A segédenergia nélküli mérés hátránya, hogy a mérési eredmény szállítása, tárolása, feldolgozhatósága körülményes. Ezért az ilyen módon történő mérés eredménye tájékoztató jellegű, pl. manométer. A villamos segédenergiával történő mérés során a nem villamos mérendő jeleket, mérő-átalakítókkal villamos jelváltozássá alakítjuk. Ezek a jelek jól szállíthatóak, tárolhatóak és feldolgozásuk lényegesen könnyebb, mint az előző jeleké. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 2
Az ipari méréstechnika áttekintése Ipari méréstechnika Metrológia Feszültség mérés Hőmérséklet mérés Feldolgozás Mérési elvek Árammérés Nyomás mérés Kiértékelés Mérési módszerek Indukció mérés Szint mérés Telemechanika Vill. fogy. mérés Áramlás mérés Analóg Digitális Elmozdulás mérés Sűrűség mérés Fordulatszám mérés Rezgés mérés Nedvesség mérés 2010.02.16. Ipari méréstechnika 3
Mérő-átalakítók A mérő-átalakítók feladata, hogy a nem villamos mennyiségeket érzékelve, azzal arányos jelet állítsanak elő, pl.: U; I; R, stb. A mérő-átalakítóknak a folyamat jellemzőkkel érintkező részét primer érzékelőknek nevezzük. Különleges szerkezeti és anyagjellemző igény, pl.: savas közeg mérése esetén. A mérő-átalakítók primer érzékelői két részre oszthatók: Passzív átalakítók, működésük minden esetben segédenergiát igényel. Aktív átalakítók, működésük nem mindig igényel segédenergiát. X be P, H, T, V, stb. Primer érzékelő-átalakító Blokkvázlata X ki ΔU, ΔI, stb. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 4
Mérő-átalakítók csoportosítása Mérő-átalakítók Ellenállásos Induktív Kristály alapú Kapacitív Félvezető alapú 2010.02.16. Ipari méréstechnika 5
Nyílthurkú mérő-átalakítók blokkvázlata Analóg kijelzés Primer átalakító Jelátalakító Digitális kijelzés Nem villamos bemenő jel Δ X Δ R Δ R Δ I A D 123456 a b = ~ Stabilizált tápegység 230V; 50Hz 2010.02.16. Ipari méréstechnika 6
Zárthurkú mérő-átalakítók blokkvázlata Nem villamos bemenő jel Primer átalakító Kompenzált jelátalakító Különbség képző Δ X Δ R > Δ R Δ _ I Mérőerősítő és integrátor X ki Stabilizált tápegység = ~ Δ I ΔXki Kompenzált jelátalakító Linearizáló 230V; 50Hz 2010.02.16. Ipari méréstechnika 7
Korszerű ipari mérő-átalakító elvi felépítése Hídfeszültség Méréstartomány Finom Durva Bemeneti csatorna X be Mérőcella 5 khz táp U A Mérőerősítő és Hf. generátor U K. 0 7 Mérőhíd típus Finom Durva Nullapont állítás Kijelzési tartomány 2010.02.16. Ipari méréstechnika 8
Passzív mérő-átalakítók Ellenállás változáson alapuló átalakítók: Csúszóérintkezős, pl.: potenciométer Huzalos, pl.: nyúlásmérő bélyeg Hőmérséklet érzékelő ellenállások, pl.: Pt 100 Kapacitás változáson alapuló átalakítók: Síkkondenzátorokat alkalmazó átalakítók, pl.: folpack fólia vastagság mérése Hengerkondenzátorokat alkalmazó átalakítók, pl.: tartályszintek mérése Induktivitás változásán alapuló átalakítók: Nyitott mágneskörű átalakítók, pl.: vasúti kerekek áthaladásának érzékelése Zárt mágneskörű átalakítók, pl.: MMG villamos nyomástávadó Magnetoelasztikus átalakítók, a magnetostrikció inverzeként működnek Félvezető alapú átalakítók: Termisztorok Szilícium ellenállás hőmérők Fényérzékelő ellenállások 2010.02.16. Ipari méréstechnika 9
Ellenállás alapú csúszóérintkezős átalakítók R O R ΔX Ellenállás test X X O R R O X X O ; R X X O R O. S d R d X R O X O. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 10
Csúszóérintkezős terhelt átalakító X=X 0 1,0 R/Rt = 0 U1 X U2 Rt 0,5 =1 X=0 U2 U1 =4 U U 2 1 1 R R O X X 1 O 1 X X O X X O 0 0 0,5 1 X/X O 2010.02.16. Ipari méréstechnika 11
Nyúlásmérő bélyegek (tenzoellenállások) Nyújtó, vagy nyomóerő hatására megváltoztatják ellenállásukat. Alkalmas rugalmas deformáció és rezgés mérésére is. Kialakítását tekintve van: Halszálka mintázatú Huzalos (aktív és kompenzáló bélyegekkel) Rozettás kivitelű (körkörös elrendezés) A nyúlásmérő bélyegek legfontosabb jellemzői: Névleges terhelés: az az erő, amellyel a működési tartományon belül terhelhető Alsó mérési határ: az a minimális erő, amelytől kezdve a nyúlásmérő bélyeg megfelel a követelményeknek Cellatényező (érzékenység): a névleges és a nulla terhelésnél mért kimeneti feszültségek különbségének, valamint a nyúlásmérő bélyeg tápfeszültségének hányadosa mv/v-ban mérve. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 12
Huzalos nyúlásmérő bélyeg Ф = 5-50µm Műanyag hordozó fólia Aktív bélyeg Kompenzáló bélyeg A nyúlásmérő bélyeget az un.: gauge faktorral (g) jellemezzük. Ez tk.: az átalakítási tényező, amely megmutatja, hogy hányszorosára változik meg a bélyeg ellenállása egységnyi erőhatás következtében. g 2-2,7 Linearitási eltérésük: 0,1%-1,0% között Élettartamuk: 10 6 10 7 behatás R névl : 120, 350, 600, 1000 Ω Mérhető legkisebb nyúlás: 0,1 µ ε Hőmérséklet tartomány: -20 O C - +150 O C-ig 2010.02.16. Ipari méréstechnika 13
A huzalos nyúlásmérő bélyeg fizikája ε: nyúlási együttható, amely a relatív hosszváltozást fejezi ki. µ: Poison tényező, µ 0,3. F dl L ; és D dd D L D-dD ; ill.: L+dL dd D F Az F erő hatására a relatív ellenállás változás nagyobb mint a relatív hosszváltozás, tehát: dr R dl L : dl L dd D dl L 2010.02.16. Ipari méréstechnika 14
A huzalos nyúlásmérő bélyeg fizikája R L A D L 2 4 D 2 L 4 ln R ln ln L 2 ln D ln 4 dr R d dl L 2 dd D : dl L g dr R dl L d dl L 1 2 dd D dl L ; µ g d 1 2 2010.02.16. Ipari méréstechnika 15
Bélyeg elhelyezése a mérőhasábra Acél mérőhasáb F A hőmérséklet kompenzációs bélyeget mindig merőlegesen kell elhelyezni az aktív bélyegre. F 2010.02.16. Ipari méréstechnika 16
Az erőmérő cella felépítése F 2010.02.16. Ipari méréstechnika 17
A félvezetős nyúlásmérő bélyeg Si érzékelő lap Kivezetés Rugalmas kapcsolat Műanyag hordozó lemez 2010.02.16. Ipari méréstechnika 18
A félvezetős nyúlásmérő bélyeg jellemzői Érzékeny a hőmérséklet változásra, Névleges ellenállása 120Ω, g 100-120, Linearitása terhelésfüggő, de kb.: 1%, Élettartama 10 6 behatás, Üzemelési hőmérséklet tartomány: -55 O C tól + 125 O C-ig, A tápfeszültség megválasztásánál vigyázni kell, hogy az áram ne melegítse, Jó mechanikai tulajdonságú és kis hőmérsékleti együtthatójú bélyeg megválasztására kell törekedni. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 19
A nyúlásmérő bélyegek karakterisztikái Félvezető alapú nem lineáris dr/r Ellenállás huzalos lineáris dl/l Félvezető alapú nem lineáris 2010.02.16. Ipari méréstechnika 20
A nyúlásmérő bélyegek jellegzetes hibái Kúszás, vagyis, hogy a bélyeg milyen mértékben fut együtt a mérőtesttel, (mérőhasábbal) Ismétlési hiba, az ugyanazon F erőhatásra adott válasz jel, tehát azellenállás változás azonossága Irányváltási hiba, a dinamikus méréseknél fellépő hiba Linearitási hiba, ami huzalos átalakítók esetén nem jelentkezik, csak extrém erőhatásoknál. Félvezető alapúak esetén a linearitástól való eltérést többtagú hatványsorral küszöböljük ki. A gyártó ezt a hatványsort mellékeli az átalakítóhoz Hőmérséklet függés, ezt a gyártó zárt matematikai összefüggéssel közli, hogy a ΔT hőmérséklet változás milyen mérési hibát okoz. Ez rendszeres hiba, tehát kiküszöbölhető. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 21
Hőmérséklet érzékelő ellenállások A fémek ellenállása a hőmérsékletváltozás hatására, tág hőmérséklet határok között lineárisan változik. A fémes anyagokból készített hőmérséklet érzékelők az ellenállás hőmérők. Előnyük, hogy linearitásuk miatt nincs szükség szálkorrekcióra. Hátrányuk: Hogy pontszerű mérésre nem alkalmasak Radioaktív környezetben nem alkalmazható, mert a radioaktív sugárzás jelentősen megváltoztatja a fémek ellenállását Az α hőmérsékleti tényező megmutatja, hogy 1 O C változás mekkora ellenállás változást idéz elő az egységnyi keresztmetszetű anyagban. Ha a hőmérséklet (+) irányba változik (0 O C feletti tartomány), akkor a fémek ellenállása a hőmérséklettel négyzetes összefüggésben változik. Ha a hőmérséklet ( ) irányba változik (0 O C alatti tartomány), akkor a fémek ellenállása a hőmérséklettel negyedik hatvány szerinti összefüggésben van. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 22
2010.02.16. Ipari méréstechnika 23 Ellenállás hőmérők alapösszefüggései 12 7 3 3 2 0 2 0 4 2 0 0 100 0 10 4,3 10 5,9 10 3,98 100 1 0 1 630,5 0 : 100 0., 0;,. 1 ; 100 1 C B A T T C T B T A R R C alatt T B T A R R C és ra Pt T ha T f R és T ha T f R T R R R R R t O t O T T T
Ellenállás hőmérők karakterisztikái R [Ω] Pt, -138 és +630 O C, ill. -260 és +1400 O C között Fe Ni, max. 180 O C-ig Cu CuO 0 O C T [ O C] 2010.02.16. Ipari méréstechnika 24
Ellenállás hőmérők vázlatos felépítése Az ellenállás huzalt hordozó test Ellenállás huzal Kivezetés Fém vagy üveg burkolat A Pt alapellenállásai: 50Ω vagy100ω 2010.02.16. Ipari méréstechnika 25
Félvezető alapú hőmérséklet érzékelők Azokat a fémoxidokat, amelyek alkalmasak a hőmérséklet változás kimutatására, termisztoroknak nevezzük. A termisztorok növekvő hőmérsékletnél csökkenő ellenállást mutatnak, ezek a negatív hőfoktényezőjű anyagok (NTK). Azok a termisztorok, amelyeknek az ellenállása növekvő hőmérséklet esetén növekedést mutat, a pozitív hőfoktényezőjű anyagok közé tartoznak, (PTK). Anyaguk polikristályos báriumtitanát. A termisztorok hátránya: a karakterisztikájuk nem lineáris A termisztor működését az alábbi összefüggés írja le: R T R T 0 e B 1 T 1 T 0 ; B a termisztorra jellemző állandó T B 2 1 K ; 2010.02.16. Ipari méréstechnika 26
Az NTK termisztor karakterisztikája U [V] Dinamikus jelleggörbe 10 K, 1000Ω 78 K, 500Ω Statikus jelleggörbe Munkaegyenes 160 K, 100Ω 200K, 75Ω 135 K, 200Ω R Munkapontba húzott érintő 0 2 4 6 8 10 12 I [ma] 2010.02.16. Ipari méréstechnika 27
A PTK termisztor karakterisztikája log R Lineáris tartomány, itt alkalmazható pl.: túlterhelés védelemre R 2 R 1 Villamos gépekben történő alkalmazás estén a térerősség növekedésével a karakterisztika változik, nevezetesen a meredekség csökken. T 1 T 2 T max 2010.02.16. Ipari méréstechnika 28
A termisztorok kiviteli formái Kivezetés Csatlakozó felület Gyöngy típus Érzékelő Burkolat Tárcsa típus 2010.02.16. Ipari méréstechnika 29
Fényérzékelő ellenállás Az anyaga polikristályos félvezető. Jelleggörbéje tág határok között lineáris. Hőmérsékleti tartománya -20 O C-tól +70 O C-ig. Az érzékelő alapellenállása a fémes hozzávezető kontaktus méretével állítható be, tehát az átalakító alapellenállása nem a lapka átmérőjétől és vastagságától, hanem hozzávezető kontaktus méretétől függ. Fény Fémes csatlakozás Fényérzékeny réteg Kerámia test 2010.02.16. Ipari méréstechnika 30
A fényérzékelő ellenállás karakterisztikái R, Ω S rel, % 10 6 100 10 5 80 10 4 60 10 3 10 2 40 20 CdS ZnS Se Si Ge 10 1 E, lx 10-1 10 o 10 1 10 2 10 3 10 4 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1 1,5 λ, µm 2010.02.16. Ipari méréstechnika 31
Számonkérés következik 2010.02.16. Ipari méréstechnika 32
Számonkérés 1. Rajzolja le az ipari méréstechnika kapcsolatrendszerét! 2. Csoportosítsa a mérő-átalakítókat! 3. Rajzolja le a nyílthurkú mérő-átalakító blokkvázlatát! 4. Mutassa be a nyúlásmérő bélyeg fizikai működését! 5. Mit nevezünk ellenállás hőmérőnek? 6. Rajzolja le az ellenállás hőmérő vázlatos felépítését! 7. Mutassa be a félvezető alapú hőmérséklet érzékelőket! 8. Rajzolja le a korszerű ipari mérő-átalakító elvi felépítését! 9. Ismertesse a fényérzékelő ellenállás felépítését és működését. 10. Rajzolja le a PTK termisztor kiviteli formáit és a karakterisztikáját. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 33
Következnek az induktív átalakítók. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 34
Induktív jelátalakítók Az induktív jelátalakítók lehetnek aktívak, vagy passzívak. Ha a kimeneti jele induktivitás változás, akkor passzív. Ha a kimeneti jele indukált feszültség, akkor aktív. Közös jellemzőjük, hogy mindegyik tartalmaz vasmagot és tekercset. Kiviteli formájuk különböző, de mindig illeszkedik a felhasználáshoz. Blokkvázlata: Bemeneti jele: elmozdulás (Δx), vagy szögelfordulás (Δφ). Induktív jelátalakító Kimeneti jele: induktivitás változás (ΔL) 2010.02.16. Ipari méréstechnika 35
Induktív jelátalakítók osztályozása 1. Induktív jelátalakítók azok, amelyeknek a működése az érzékelő elmozdulásának eredményeként bekövetkező induktivitás változáson alapul. 2. Differenciáltranszformátoros jelátalakítók azok, amelyeknél két a tekercsrendszer között létrejövő fluxusváltozás képezi a működés alapját. 3. Elektrodinamikus jelátalakítók azok, amelyek működése egy váltakozó mágneses térben elhelyezett lengő tekercsben keletkezett indukált feszültség létrejöttén alapul, ha a tekercset nyugalmi helyzetéből kimozdítjuk. 4. Állandómágneses induktív jelátalakítók azok, amelyek működése egy állandó mágneses térben mozgó tekercsben indukált feszültség létrejöttén alapul. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 36
Egytekercses nyitott mágneskörű átalakító Δx L Mozgató rudazat Vasmag N menetszámú tekercs Ha a vasmag elmozdul, akkor a tekercs induktivitása változik. Legnagyobb az induktivitás akkor, ha a vasmag teljesen fedésben van a tekerccsel. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 37
Az egytekercses nyitott mágneskörű átalakító jelleggörbéje L -X +X 0 Az impedancia változása az elmozdulás függvényében 2010.02.16. Ipari méréstechnika 38
Kéttekercses nyitott mágneskörű átalakító Δx L 1 L 2 Mozgató rudazat Vasmag N menetszámú tekercsek 2010.02.16. Ipari méréstechnika 39
A kéttekercses nyitott mágneskörű átalakító jelleggörbéje L L 1 (x) L 2 (x) Le(x) - x + x 2010.02.16. Ipari méréstechnika 40
Egytekercses zárt mágneskörü induktív jelátalakítók Alap légrés A járom lehetséges mozgásirányai Járom Vastest R t U i i U Z R b U R t j L 2010.02.16. Ipari méréstechnika 41
Az egytekercses zárt mágneskörű átalakító jellemzői Előnyei: Egyszerű felépítés, Üzembiztos működés, Hátrányai: A tekercs árama a feszültség és a frekvencia változás függvénye, Karakterisztikája nem lineáris, ill. csak kis szakaszokban, A vasmag járomban számottevő erők keletkeznek, amelyek befolyásolják a mérendő munkadarab helyzetét, Alkalmazása: Szerszámgépek által megmunkált munkadarabok helyzetérzékelésére, Általában csekély elmozdulások érzékelésére. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 42
Kéttekercses differenciál átalakító (lapos) U t R R n2 x mv n1 Z 1 Z 2 2010.02.16. Ipari méréstechnika 43
Kéttekercses differenciál átalakító (hengeres) I 1 n 1 Φ 01 Hengeres lemez fedél Hengeres alakú vastest Φ y1 I 2 A VM B Φ 1 =Φ 01 +Φ y1 ; Φ 2 =Φ 02 +Φ y2 G 1 =G 01 +G y1 ; G 2 =G 02 +G y2 Ferromágneses tárcsa Φ y2 G = mágneses vezetőképesség n 2 Φ 02 x L 2 2 1 n1 G1; L2 n2 G2 2010.02.16. Ipari méréstechnika 44
A kéttekercses induktív jelátalakító jelleggörbéje Z 1 Z 1 (x) - x Z 2 (x) + x ΔZ=Z 1 (x)-z 2 (x) Z 2 2010.02.16. Ipari méréstechnika 45
A kéttekercses átalakító jellemzői Közös járom (mozgó rész) és két külön tekercs, amelyek két mágneses kört alkotnak. Kivitele lehet lapos (lemezelt vasmag), vagy hengeres, tömör vasmagos. Működése a járom ill. vasmag alaphelyzethez viszonyított elmozdulásából adódó induktivitás változáson alapul. A G mágneses vezetőképesség a felhasznált vasanyagok és a légrés függvényei. Karakterisztikája lineárisabb, mint az egytekercses típusé. A járomra (vasmagra) ható erő kisebb mint egytekercses esetben. A rendszer kimeneti feszültsége (39. dia) kevésbé függ a tápfeszültség és a frekvencia ingadozástól, mint az egytekercses esetben. Alkalmazása: helyzet, ill. elmozdulás érzékelésére. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 46
A differenciáltranszformátoros jelátalakító I p n 1 n 2 1-es transzformátor Φ m1 /2 Φ y U i1 x G 1 G y G 1 ΔU=U i1 -U i2 G 2 G y G 2 Φ m2 /2 Φ y U i2 2-es transzformátor I p n 1 n 2 Φ y = fő fluxus Φ m = munka fluxus 2010.02.16. Ipari méréstechnika 47
A differenciáltranszformátoros jelátalakító A két transzformátor villamos és geometriai szempontból teljesen azonos. A Φ y mindkét mágneses körben (a járom helyzetétől függetlenül) egyforma. Ha a járom elmozdul, akkor a rendszer mágneses vezetőképessége G változik. Ennek hatására U i1 és U i2 is változni fog, ami ΔU változását vonja maga után. Ha a járom a semleges helyzet egyik oldaláról a másikra mozdul el, akkor ΔU fázishelyzete 180 O -t változik, tehát nemcsak az elmozdulás mértékét, hanem annak irányát is tudjuk érzékelni. A rendszer mágneses vezetőképességeinek változása a x elmozdulás függvénye és egyben azzal arányos is. Kivitelétől (a gyártás precizitásától) függően, akár 1μm-es elmozdulás érzékelésére is alkalmas. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 48
2010.02.16. Ipari méréstechnika 49 A differenciáltranszformátoros jelátalakító 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 1 1 2 1 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 G G x n n i U U U G G x n n i U G G x n n i U G n i G n i G n i p i i y p i y p i y p y p m p m
Magnetoelasztikus átalakítók A magnetoelasztikus hatás lényege, hogy a ferromágneses anyagok mágneses jellemzői mechanikai igénybevétel hatására megváltoznak. Ennek oka, hogy erő hatására az elemi mágnesek (domének) az eredeti irányukból elfordulnak, és így az anyag mágneses permeabilitása (μ r ) megváltozik. Ha a ferromágneses anyagon lévő tekercset állandó árammal gerjesztjük, akkor a ferromágneses anyagban állandó H térerősség alakul ki. Ha F erővel hatunk a vasmagra, akkor a B mágneses indukció változni fog. A változás oka μ r változása, hiszen B=μ o μ r H. A mechanikai feszültség hatására bekövetkező relatív permeabilitás változás: r r r k k = anyagállandó σ = mechanikai feszültség μ r = az eredeti permeabilitás 2010.02.16. Ipari méréstechnika 50
Magnetoelasztikus átalakító (pressduktor) Vasmag F U g U ki U g U ki Terheletlen állapot, φ=90 O, U ki =0V Terhelt állapot, φ 90 O, U ki >0V 2010.02.16. Ipari méréstechnika 51
A pressduktor jellemzői és karakterisztikája Nagy érzékenység, Alkalmas nagy erők mérésére, akár 10 MN (1000T), Nagy üzembiztonság, Jó hőmérséklettűrés, - 40 O C +80 O C-ig, Jó linearitás U ki, mv 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 F, kn 2010.02.16. Ipari méréstechnika 52
Induktivitás változáson alapuló magnetoelasztikus átalakító F ΔL Lemezelt vasmag 2010.02.16. Ipari méréstechnika 53
Következnek a kapacitív átalakítók 2010.02.16. Ipari méréstechnika 54
Kapacitív jelátalakítók A kapacitív átalakítók a mérendő mennyiséget kapacitás-változássá képezik le, amit a továbbiakban az átalakító mérőköre dolgoz fel. Érzékelésre legtöbb esetben a sík és hengerkondenzátorok, valamint az ezekből képzett soros, illetve párhuzamos elrendezéseik alkalmasak. Blokkvázlata: Bemeneti mennyiségek: Δx, Δl, ΔA, Δd Δx ΔC Kimeneti mennyiség: ΔC 2010.02.16. Ipari méréstechnika 55
A síkkondenzátor mint jelátalakító A d C 0 r A d ε r Ezzel az átalakítóval a két érzékelő között lévő anyag vastagságát, vagy a két érzékelő távolságát lehet meghatározni. Ha a két érzékelő távolságát határozzuk meg, akkor a dielektrikum levegő, és ekkor elmozdulás mérést végzünk. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 56
A síkkondenzátor mint jelátalakító +x -x Álló fegyverzet Mozgó fegyverzet d 1 d 2 Mozgató rudazat 2010.02.16. Ipari méréstechnika 57
A síkkondenzátor mint jelátalakító d ε 0 A-A 1 A 1 Dielektrikum (ε r ) C e C A A 0 1 1 C2 1 r d A 1 +x -x 2010.02.16. Ipari méréstechnika 58
A henger kondenzátor mint jelátalakító D d C 1 C e Átvezető szigetelő L Levegő C 2 Mérőelektróda Tartály l Folyadék C 3 R C C e e C C 1 1 C 2 C 3 0,614 K l D log d L l 0,614 log K D d a l 2010.02.16. Ipari méréstechnika 59
A delta cell Átvezető szigetelő Kivezetések Hegesztett kötések Szigetelő membrán Nyomásközvetítő P 1 P 2 Merev szigetelés Szilikon olaj Kondenzátor lemez Érzékelő membrán 2010.02.16. Ipari méréstechnika 60
A delta cell tulajdonságai Síkmembránnal egybeépített mérő-átalakító, Differenciál nyomás mérésére alkalmas, Az érzékelő membrán és a kondenzátor lemezek differenciál kondenzátort alkotnak, A kapacitásváltozás 100-200 pf között lehetséges, C 0,0886 0 r N 1 d A N : a fegyverzetek száma d : a fegyverzetek távolsága A : a fegyverzetek felülete 2010.02.16. Ipari méréstechnika 61
Számonkérés következik 2010.02.16. Ipari méréstechnika 62
Számonkérés 1. Mutassa be általánosan az induktív jelátalakítókat. 2. Ismertesse a kéttekercses nyitott mágneskörű átalakítót. 3. Ismertesse az egytekercses nyitott mágneskörű átalakítókat. 4. Részletesen mutassa be a differenciál transzformátoros átalakítót. 5. Ismertesse a pressduktor felépítését, és működését. 6. Mutassa be a síkkondenzátort, mint jelátalakítót. 7. Ismertesse a hengerkondenzátort, mint jelátalakítót. 8. Mutassa be a delta-cell felépítését és működését. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 63
Következnek az aktív jelátalakítók 2010.02.16. Ipari méréstechnika 64
Aktív jelátalakítók Az aktív jelátalakítók a mérendő fizikai mennyiség átalakítása során közvetlenül mérhető villamos jelet (áramot, vagy feszültséget) szolgáltatnak. Ezek az átalakítók a működésükhöz szükséges segédenergiát a mérendő fizikai mennyiségből nyerik, így annak értékét befolyásolják. Törekedni kell arra, hogy az ilyen jellegű átalakítók használatakor az átalakító energiaigénye több nagyság rendel alatta maradjon a mérendő fizikai mennyiség energiatartalmának. Tehát annak értékét csak jelentéktelen mértékben befolyásolja. Blokkvázlata: Bemeneti mennyiségek: Δx, T, B, F, n -1 Aktív jelátalakító Kimeneti mennyiségek: ΔU, ΔI 2010.02.16. Ipari méréstechnika 65
Indukciós jelátalakítók Az indukciós jelátalakítók működési elve a mozgási indukción alapszik, tehát a fluxus időbeni változása idézi elő. Ennek megvalósítása a legkülönfélébb műszaki megoldásokat eredményezte. Az indukciós átalakítók kimeneti jelét feldolgozva meghatározható a sebesség és a gyorsulás is. Az indukciós átalakítók bemeneti jele lehet: elmozdulás (Δx), szögelfordulás (Δφ), és fordulatszám (n -1 ). A működés alapegyenlete: U i N t 2010.02.16. Ipari méréstechnika 66
Merülő tekercses átalakító Δx Mozgató rudazat Kivezetések Csévetest Tekercselés Permanens mágnes Lágy vasmag u i N B l v N B l dx dt 2010.02.16. Ipari méréstechnika 67
Kommutátor Tachométer dinamó Álló rész, burkolat É Csapágy n U ki Tekercselt forgórész D Átvezető szigetelő Szénkefe Forgórész tengely u i N B l v sin t 2010.02.16. Ipari méréstechnika 68
Átvezető szigetelő Tachométer generátor Csapágy Álló rész, burkolat U ki Forgórész, permanens mágnes n Állórész lemezelt vastest, tekercseléssel ellátva Forgórész tengely u i N B l v sin t 2010.02.16. Ipari méréstechnika 69
Örvényáramú tachométer Mutató Mutató tengelye Alu tárcsa Spirálrúgó Spirálrúgó rögzítés Mágnes tartó Mechanikailag hajtott tengely 2010.02.16. Ipari méréstechnika 70
Indukciós áramlásmérő Érzékelő elektródák Fém cső Csőbélés U i A mágneses teret létrehozó tekercs 2010.02.16. Ipari méréstechnika 71
Termo-elektromos jelátalakítók A termo-elektromos átalakító (hőelem) a hőmérsékletet közvetlenül egyen feszültséggé alakítja. Jellemzője a kis belső ellenállás (néhányszor 10Ω), ezért feszültség generátorként kezelhető. Felépítése: két különböző anyagi minőségű fémet az egyik végén atomi méretekben egyesítünk, ez lesz az érzékelő melegpontja, míg a két fém másik végein mérhető a termo feszültség, ha az egyesített pontot melegítjük. A hőelemekkel mérhető maximális hőmérséklet > 3000 O C. A hőelem érzékelő részét mindig korrózió álló burkolattal látják el. Leggyakoribb hőelem fém párok: Vas-konstantán (5mV/100K), Réz-konstantán (4mV/100K), Vas-nikkel (3,5mV/100K), Réz-nikkel (2,3mV/100K), Vas-platina (1,4.1,9 mv/100k), Platina-rhodium platina (0,6 0,7 mv/100k). 2010.02.16. Ipari méréstechnika 72
Termo-elektromos jelátalakítók A működés fizikai alapjai: ha T 1 =T 2, akkor U AB =-U BA és a körben nem folyik áram. Ha T 1 T 2, akkor I>0, mert a keletkezett termofeszültség áramot hajt a körben. A hőelemek által szolgáltatott feszültség arányos a T 2 és T 1 hőmérsékletek különbségével. A fém Melegpont, T Hidegpont, T 1 I 2 -U BA U AB B fém 2010.02.16. Ipari méréstechnika 73
A hőelemek alkalmazási problémái A hidegpontban járulékos termofeszültség keletkezik a réz vezetékkel való csatlakozás esetén. Ez csökkenti a melegpont által szolgáltatott feszültséget. Kiküszöbölése kompenzációs vezetékkel történik. Járulékos termo feszültség Cu T 4 T 3 T 2 Itt már nem keletkezik járulékos termo feszültség Kompenzációs vezeték T 5 T 4 T 3 mv T 1 Termosztát a műszer szobában mv T 2 T 1 Cu 2010.02.16. Ipari méréstechnika 74
Referencia hőelemes mérés Lényege, hogy kompenzációs vezeték nélkül is lehet pontos mérést végezni, ha az aktív hőelemmel azonos hőelemet kapcsolunk szembe, amelyet referenciahőmérsékletű térben (termosztátban) helyezünk el. Melegpont T M Hidegpont T H U M mv T ref U M k T M T ref 2010.02.16. Ipari méréstechnika 75
Piezoelektromos mérő átalakítók A piezoelektromos átalakító működése azon alapul, hogy ha a kvarckristályt a mechanikai tengelyén erőhatásnak tesszük ki, akkor a villamos tengelyén töltéskülönbség jelenik meg, ami arányos a ráható erővel. A töltéskülönbség elektronikus úton feldolgozható. A kristályban ébredő töltés: Q k k = piezoelektromos állandó σ = a kristályban ébredő nyomófeszültség 2010.02.16. Ipari méréstechnika 76
A piezoelektromos átalakító felépítése Fém burkolat Kristály Töltéselvezető Alátámasztás F + + + + + - - - - - - - - - - - - - - + + + + + Primer nyomás felfogó elem Nyomásközlő ma 2010.02.16. Ipari méréstechnika 77
Hall-elemes átalakító A Hall-elemes átalakítók galvanomágneses elven működnek. A galvanomágneses jelenséget a mágneses térben mozgó elektronokra ható Lorentz erő idézi elő. F q e v H q e = az elektron töltése v = az elektron sebessége μ = mágneses permeabilitás H = mágneses térerősség Azok az anyagok alkalmasak erre a feladatra, amelyekben nagy a töltéshordozók mozgékonysága, pl.: InSb (indium-antimon) 2010.02.16. Ipari méréstechnika 78
Hall-elemes átalakító H I Érzékelő lapka A Ex Ez E Ey v B d I c U H b 2010.02.16. Ipari méréstechnika 79
Hall-elemes átalakító Az elektronok az E x térrel ellentétes irányban a v vektor irányába mozognak. Ezekre az elektronokra hat a H mágneses térerősség. A Lorentz erő hatására az A ponton elektron hiány a B ponton elektron többlet lép fel. U H q n A n I d H R H I d H A = a Hall elem felülete R H = Hall együttható q n = az elektronok töltése n = az elektronkoncentráció Alkalmazása: elmozdulás mérésre, indukció mérésre, árammérésre. Elmozdulás és árammérés esetén a H térerősséget permanens mágnes biztosítja. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 80
Számonkérés következik 2010.02.16. Ipari méréstechnika 81
Számonkérés az aktív átalakítókból 1. Mutassa be általánosságban az aktív átalakítókat. 2. Részletesen ismertesse a tachométer dinamót. 3. Ismertesse az indukciós áramlásmérő felépítését és működését. 4. Mutassa be a hőelemes átalakítót, és az alkalmazási problémáit. 5. Ismertesse a piezoelektromos átalakítót. 6. Mutassa be a Hall-elemes átalakítót. 2010.02.16. Ipari méréstechnika 82
VÉGE 2010.02.16. Ipari méréstechnika 83