SENSORY I SYSTEMY POMIAROWE Wykład WYDZIAŁ MECHANICZNY Automatyka i Robotyka, rok II, sem. 4 Rok akademicki 2015/2016
Elementy pojemnościowe Elementem pojemnościowym nazywamy element, którego zadaniem jest przetworzenie dowolnej wielkości, nieelektrycznej lub elektrycznej, na elektryczny sygnał napięciowy lub prądowy, przy czym przetworzenie to następuje przy wykorzystaniu zmiany pojemności w jednej lub kilku gałęziach elektrycznego obwodu pomiarowego. Zalety elementów pojemnościowych: prostota budowy proste zależności mat. opisujące właściwości możliwość stosowania w środowiskach dielektrycznych
Elementy pojemnościowe Zasada działania elementów pojemnościowych bazuje na zależnościach określających pojemność kondensatora: płaskiego: C F, [ F ] walcowego: 2l C, [ F] r2 ln r gdzie: C-pojemność kondensatora; - przenikalność dielektryczna pomiędzy okładzinami; F-powierzchnia okładziny; -odległość okładzin; l-wysokość walców; r 2, r 1 -promień zewnętrzny i wewnętrzny walców 1 BRAK ELEMENTU URUCHAMIAJĄCEGO W CZUJNIKACH POJEMNOŚCIOWYCH ZASTOSOWANO KONDENSATOR OTWARTY JAKO CZUJNIK WŁAŚCIWY. JEDNAKŻE DLA SYMETRYZACJI POLA ELEKTRYCZNEGO, PŁYTKĘ A2 UKSZTAŁTOWANO WSPÓŁŚRODKOWO Z ELEKTRODĄ A1 (OBUDOWĄ), A ELEKTRODA POŚREDNIA JEST ELEMENTEM URUCHAMIAJĄCYM. AKTYWNA POWIERZCHNIA TEGO CZUJNIKA ODPOWIADA ELEKTRODZIE A2. WARTOŚĆ POJEMNOŚCI C ZALEŻY TU OD ODLEGŁOŚCI WEDŁUG FUNKCJI HIPERBOLICZNEJ, SPADA PRORCJONALNIE DO
Elementy pojemnościowe - podział Elementy pojemnościowe możemy podzielić następująco: e. o zmiennej odległości elektrod e. różnicowe o zmiennej odległości elektrod e. o zmiennej powierzchni czynnej elektrod e. o zmiennej przenikalności dielektrycznej
Elementy pojemnościowe o zmiennej odległości elektrod WE przesunięcie liniowe WY - pojemność C F Względna zmiana pojemności: 0 C C C C C0 F 0 0 1 1 1 0 0 Znak - pokazuje, że zwiększenie odległości powoduje zmniejszenie pojemności kondensatora
Elementy pojemnościowe o zmiennej odległości elektrod cd. Charakterystyka statyczna nieliniowa. Liniowy zakres charakterystyki przy bardzo małych zmianach odległości pomiędzy okładzinami (do ok. 5%).
Elementy pojemnościowe o zmiennej odległości elektrod cd. Elementy te znalazły zastosowanie do pomiaru grubości, siły, ciśnienia i małych przesunięć liniowych. Dużą czułość uzyskuje się przy stosowaniu małych odległości początkowych 0 pomiędzy elektrodami. Ograniczeniem są względy izolacyjne (możliwość przebicia). Do tej grupy elementów należą elementy membranowe, służące głównie do pomiaru ciśnienia oraz elementy z drgającą okładziną. W elementach memebranowych elektrodą ruchomą jest membrana przemieszczająca się pod wpływem ciśnienia. W elementach z drgającą okładziną jest ona wprawiana w ruch drgający dla uzyskania okresowej zmienności pojemności w czasie. Stosuje się w urządzeniach do przemiany stałej SEM na SEM pulsującą.
Elementy pojemnościowe różnicowe o zmiennej odległości elektrod Przesunięcie okładzin 1 powoduje zbliżenie się ich do okładzin 3, a oddalenie od okładzin 2. Powoduje to wzrost pojemności układu 1-3 i spadek pojemności układu 1-2. Wskazania mostka, do którego włącza się taki element, są zależne od obu tych pojemności. Napięcie wyjściowe mostka: U a U 1 C 1 1 C 1 1 C 2 1 C 3 1 C 4 1 C 4
Elementy pojemnościowe o zmiennej powierzchni czynnej elektrod Element jest wykonywany jako obrotowy. Obrót ruchomej okładziny o pewien kąt powoduje zmianę pojemności kondensatora. Przy założeniu, że kondensator ma kołowe okładziny, otrzymujemy zależność: C C 0 k gdzie C 0 -pojemność początkowa; k-stała. Zmiana pojemności kondensatora: C k Jest ona liniowo zależna od kąta obrotu i może służyć jako jego miara. Kondensatory takie wykonuje się również w układzie różnicowym.
Elementy pojemnościowe o zmiennej przenikalności dielektrycznej Pojemność elementu: Wykorzystują one zależność pojemności od stałej dielektrycznej ośrodka pomiędzy okładzinami kondensatora. Stały dielektryk przesuwa się pomiędzy okładzinami odwzorowując mierzone przemieszczenie liniowe. C b 0 l d ' 1 a gdzie: l-długość okładzin; b-szer. okładzin; d-długość odcinka pomiarowego; - względna przenikalność dielektryczna rdzenia. Zmiana pojemności elementu: C ' 1 b 0 Elementy o zmiennej przenikalności znajdują zastosowanie przy pomiarach przesunięć liniowych, pomiarach poziomu cieczy i ciał sypkich oraz przy pomiarach materiałów dielektrycznych. d a
Elementy pojemnościowe przykłady realizacji Czujniki poziomu cieczy lub materiałów sypkich Czujniki zbliżeniowe
Elementy pojemnościowe przykłady aplikacji OSTATECZNA KONTROLA LINII PAKUJĄCYCH. SPRAWDZANIE ZAWARTOŚCI. KONTROLA STANU NAPEŁNIENIA POJEMNIKÓW PLASTIKOWYCH LUB SZKLANYCH KONTROLA STANU NAPEŁNIENIA W INSTALACJACH NAPEŁNIAJĄCYCH I STEROWANIE ODRZYCANIEM OPAKOWAŃ. ROZPOZNAWANIE BRAKU ETYKIET NA FOLII NOŚNEJ
Elementy pojemnościowe przykłady aplikacji KONTROLA OBECNOŚCI W FABRYCE PAPIEROSÓW. SPRAWDZANIE CZY JEST TYTOŃ I FILTR KONTROLA ZERWANIA TAŚM PAPIEROWYCH LUB FOLII ZLICZANIE SZTUK STEROWANIE ODPŁYWEM LUB POMPOWANIEM DO ZBIORNIKÓW CIECZY
Elementy pojemnościowe przykłady realizacji Wpływ otoczenia na pracę czujników zbliżeniowych Wpływ wzajemny Wzajemny wpływ pracujących obok siebie czujników,może powodować ich niepoprawne funkcjonowanie. Z tego powodu należy zachować zalecane dla poszczególnych typów wzajemne odległości. Wpływ otoczenia metalowego Jeżeli czujniki są montowane na elementach metalowych, muszą być zabezpieczone tak, aby oddzielić wpływ otoczenia na zdolność detekcji obiektu wykrywanego.
Elementy pojemnościowe przykłady realizacji Struktura czipu elementu mikromechanicznego. Zdjęcie mikroskopowe z zaznaczoną strefą struktury siatki, palca o szerokości 9um i elektrody. Inklinometr dwuosiowy budowa wewnętrzna i obudowa przemysłowa
Przetworniki piezoelektryczne Niektóre kryształy (kwarc, tytanian baru) są spolaryzowane elektrycznie. Ciśnienie wywierane na kryształ piezoelektryczny, pracujący w zakresie sprężystości, skierowane równolegle do jego osi elektrycznej lub mechanicznej, powoduje powstanie ładunku elektrycznego na ściankach prostopadłych do osi elektrycznej. W budowie przetworników wykorzystuje się tzw. efekt wzdłużny (ładunki powstają na powierzchniach przyłożenia siły) oraz tzw. efekt poprzeczny (ładunki powstają na powierzchniach bocznych). Wartość ładunku elektrycznego w kulombach, powstająca na elektrodach pojedynczej płytki piezoelektrycznej w przypadku korzystania z efektu wzdłużnego: Q=d 11 F gdzie: F-siła; d 11 - wsp. piezoelektryczny(2,3 10-12 C/N dla kwarcu)
Przetworniki piezoelektryczne
Przetworniki piezoelektryczne
Przetworniki piezoelektryczne Wartość Q nie zależy od od rozmiarów, w celu zwiększenia czułości przetworników stosuje się łączenie płytek w zestawy, co powoduje wzrost błędu liniowości. Ładunek indukowany na elektrodach przy wykorzystaniu efektu poprzecznego: Q=-(b/a) d 11 F gdzie: a,b wymiary kwarcu wykonanego w postaci prostopadłościanu (vide rys.). Czułość tego przetwornika zwiększa się poprzez zmianę stosunku b/a ograniczeniem jest wyboczenie dopuszczalne i wytrzymałość mechaniczna. Przy budowie czujników przyśpieszeń korzysta się z efektu wzdłużnego, z efektu poprzecznego natomiast przy pomiarach sił i ciśnień.
Przetworniki piezoelektryczne O własnościach dynamicznych decydują parametry układu mechanicznego czujnika oraz współpracującego z nim układu elektronicznego. Zaletą piezoelektrycznych czujników do pomiaru siły jest duża czułość przy zachowaniu dużej sztywności elementu w który jest wbudowany. Budowane są przetworniki o zakresie pomiarowym równym pojedynczym niutonom aż do setek kn. Piezoelektryczne przetworniki umożliwiają, dzięki połączeniu z tzw. masą sejsmiczną, pomiary przyśpieszeń. Granicznym wartościami oferowanych przetworników to 10 5 g i częstotliwość drgań własnych 250 khz. Czujnik ciśnienia z kompensacją przyśpieszenia
Termoelementy Elementy te wykorzystują tzw. zjawisko termoelektryczne. Polega ono na powstawaniu w zamkniętym obwodzie złożonym z dwóch różnych metali A i B siły elektromotorycznej, której wielkość zależy od różnicy temperatur spoin metali A i B. W obwodzie termoelektrycznym występują dwa rodzaje sił elektromotorycznych: siła elektromotoryczna Peltiera (E p ) ma źródło w kontaktowej różnicy potencjału na styku metali A i B; siła elektromotoryczna Thomsona (E T ) powstaje w zamkniętym obwodzie złożonym z różnych metali.
Termoelementy Obie siły zależą od temperatur spoin T1 i T2 i są nierozdzielne, wypadkowa siła elektromotoryczna: k n E EP ET e A T T T 1 2 ln A B 1 T2 nb gdzie: k-stała Boltzmana, e-ładunek elektronu, n A, n B -liczba elektronów swobodnych na 1 cm 3 metali A i B, A, B -wsp. Thomsona dla metali AiB. Z powyższej definicji wynika potrzeba stosowania układu dwóch różnych metali do pomiaru różnicy temperatur. Taki układ nazywa się termoelementem. Spoina znajdująca się w mierzonej temperaturze nosi nazwę spoiny pomiarowej, druga natomiast spoiny odniesienia.
Termoelementy Metalom i stopom, które stosuje się do budowy termoelementów, stawia się duże wymagania tak, aby termoelement mógł cechować się następującymi zaletami: liniowość powtarzalność i stałość charakterystyki =f(- 0 ) duża czułość, definiowana jako de/d odporność na wpływy występujące w przemyśle niski koszt Zakres temperatur w zastosowaniach przemysłowych: -200C do 1600C. Znacznie wyższe i niższe temperatury mierzy się przy pomocy termoelementów specjalnych.
Termoelementy Nazwa i skład ramion Czułość [V/deg] w temperaturze Temperatura dopuszczalna [C] Uwagi + - 0 C 800C stała chwilowa Platyna 90%-rod 10% Platyna 5,6 10,9 1300 1600 Wzorcowy i kontrolny dla wyższych temperatur (S) Chromel Alumel Ni 94%, Mn 3%, Al 2%, Si 1% 39,5 40,5 1200 1350 Najbardziej uniwersalny termometr przemysłowy (K) Nikiel 90%, chrom 10% Nikiel 39,5 40,5 1000 1200 Uniwersalny termometr przemysłowy Żelazo Konstantan Cu 60%, Ni 40% 52 65 600 900 Korzystny i stabilny dla średnich temperatur (J) Miedź Konstantan Cu 60%, Ni 40% 38,5 61,7 300 400 Korzystny dla niskich temperatur (T)
Termoelementy Sposoby wykonania spoin Charakterystyki statyczne wybranych termoelementów
Termoelementy Termoelementy wymagają ochrony przed mechanicznymi i chemicznymi oddziaływaniami. Osłony mają zapewnić odporność na mierzone temperatury i agresywność chemiczną, szczelność, wytrzymałość mechaniczną, izolację elektryczną. Układy do pomiaru temperatury zasadnicze znaczenie ma kompensacja wpływu zmian temperatury spoiny odniesienia lub też zapewnienie stałej temperatury tej spoiny. Budowa czujnika: 1-termoelement, 2-osłona (np. ceramiczna), 3-głowica, 4-materiał izolacyjny, 5-osłona metalowa)
Pirometry Pirometry służą do zdalnego, bezdotykowego pomiaru temperatury w szeroko pojętej diagnostyce urządzeń elektrycznych, mechanicznych oraz kontroli izolacji/wentylacji. Stosuje się je do kontroli temperatury pracujących urządzeń (w ruchu, pod napięciem itp.), kontroli stanu urządzeń i instalacji przemysłowych, lokalizacji miejsc o podwyższonej temperaturze, wykrywanie zagrożeń pożarowych. Podstawą fizyczną działania pirometrów jest fakt, że wszystkie ciała o temperaturze wyższej od zera absolutnego (O K) emitują promieniowanie cieplne. Pomiar natężenia tego promieniowania jest wykorzystywany w pirometrach do określenia temperatury ciała. Pirometry pracują najczęściej w zakresie podczerwieni. Natężenie i widoczny rozkład promieniowania cieplnego jest funkcją, nie tylko temperatury ciała, ale też składu chemicznego, kształtu oraz powierzchni, co jest źródłem pewnych błędów. Tylko dla ciała doskonale czarnego natężenie promieniowania jest wyłącznie funkcją temperatury.
Pirometry Rozróżnia się trzy zasadnicze typy pirometrów, oparte na zasadzie pomiaru natężenia promieniowania globalnego (radiacyjne), monochromatycznego i dwubarwowego. Działanie pirometru promieniowania globalnego opiera się na pomiarze promieniowania w zakresie od podczerwieni do nadfioletu. Pirometr ten stosuje się do pomiaru temperatury wewnątrz pieców przemysłowych lub temperatury powierzchni ciał w zakresie 400-2500 C. W zależności od rodzaju elementu skupiającego promieniowanie na detektorze wyróżniamy pirometry : soczewkowe zwierciadłowe ze światłowodem Budowa pirometru soczewkowego
Pirometry Pirometry monochromatyczne działają na zasadzie porównania jaskrawości obiektu i włókna żarówki wzorcowej. Porównanie promieniowania odbywa się tylko dla jednej długości fali, zwykle z zakresu 0,6-0,72 mm. Budowa i zasada działania pirometru monochromatycznego
Pirometry W pirometrach dwubarwowych wykorzystana jest zależność stosunku natężenia promieniowania o dwu długościach fali od temperatury ciała mierzonego. Z promieniowania globalnego wydziela się dwie wiązki o różnych długościach fali (najczęściej czerwoną i niebieską) i podaje się je naprzemiennie na wspólny detektor z określoną częstotliwością. Różny stosunek grubości płytki czerwonej i zielonej powoduje różny stosunek pochłaniania barwy zielonej i czerwonej. Punkt odczytu to takie ustawienie filtru, gdy obie barwy są jednakowo pochłonięte a obserwator widzi w obiektywie kolor szary.
Pirometry Współczynnika emisyjności: stały lub regulowany np.:0.1-1.2 Zakres temperatur: w zależności od wykonania nawet do 3000 C Pirometry przenośne Rozdzielona elektronika i głowica pomiarowa Pirometry stacjonarne
Termowizja (termografia, zobrazowanie termiczne) Dziedzina techniki zajmująca się detekcją, rejestracją, przetwarzaniem i wizualizacją niewidzialnego promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty. Otrzymany obraz termogram (kolorowy lub czarno-biały) jest odwzorowaniem rozkładu temperatury na powierzchni obserwowanego (badanego) obiektu.
widzialne mikrofalowe Gamma rentgenowskie ultrafioletowe podczerwone radiowe.... 0.1 A 1A 10 A 100 A 0.4 m 0.7 m 10 m 100 m 1mm 1cm
Zakres IR wykorzystywany w termowizji 2 m 13 m 10 nm 100 nm 1 m 10 m 100 m 1 mm 10 mm 100 mm 1 m 10 m 100 m 1 km Prom.X Ultrafiolet Światło Podczerwień Mikrofale Radiowe
Zakresy IR wykorzystywane przez termografię Długość fali l [m] detektory krótkofalowe 3,5 5 m detektory długofalowe 8 12 m
Prawo Stefana-Boltzmanna l l l0 W W dl T 4 Ludwig Boltzmann (1844 1906) E = T 4 Josef Stefan (1835 1893)
Gustav R. Kirchhoff (1824 1887) Ciało czarne obiekt, który pochłania całe padające na niego promieniowanie niezależnie od długości fali. Prawo Kirchhoffa mówi, że ciało zdolne do absorpcji całego promieniowania o dowolnej długości fali jest również zdolne do emitowania tego promieniowania. r t 1;
Emisyjność ciała doskonale czarnego i ciał rzeczywistych [m]
Dystrybucja promieniowania IR padającego na obiekt rzeczywisty W = W + r W + t W 1 = r t
Istota działania kamery termowizyjnej A Obserwowane obiekty: Ciepły Zimny Gorący
Promieniowanie tła ziemi, przestrzeni kosmicznej Układ optyczny Zasada działania kamery termowizyjnej T a Atmosfera lub otoczenie Kamera termowizyjna T o I całk. Detektor IR S Przetwarzanie sygnału i obrazowanie Analizowane żródło promieniowania
Wybrane urządzenia termowizyjne ThermaCAM E 320 detektor mikrobolometr (FPA), 320 x 240 pikseli pasmo działania 7.5-13 µm zakres temperaturowy -20 C do +500 C ThermaCAM P45 detektor mikrobolometr (FPA), 320 x 240 pikseli pasmo działania 7.5-13 µm zakres temperaturowy -40 C do +500 C ThermaCAM SC3000 detektor GaAs (QWIP), 320 x 240 pikseli pasmo działania: 8-9µm zakres temperaturowy -40 C do +500 C
Wybrane urządzenia termowizyjne Ultraszybka kamera termograficzna do kontroli procesów przemysłowych i badań naukowych Detektor: InSb, MCT lub QWIP Rozdzielczość: 320 x 256 lub 640 x 512 Zakres spektralny: 3 5 m lub 7,5 9,1 m Chłodzenie: chłodnica Stirlinga Częstotliwość rejestracji: max. 380 Hz (w pełnej rozdzielczości), do 25 khz w mniejszej rozdzielczości Wyjście cyfrowe: USB2/CamLink/GigE Zakres kalibracji temperatury: -20..+3000 C