Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Automatizálási tanszék AUTOMATIKAI ÉPÍTŐELEMEK JELÁTALAKÍTÓK Kovács Gergely egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Automatizálási tanszék AUTOMATIKAI ÉPÍTŐELEMEK JELÁTALAKÍTÓK Kovács Gergely egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék"— Előadás másolata:

1 Automatizálási tanszék AUTOMATIKAI ÉPÍTŐELEMEK JELÁTALAKÍTÓK Kovács Gergely egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék

2 Érzékelők, Jelátalakítók Automatizálási tanszék Mind az ipari méréstechnikában (könnyű és nehézipar, olajipar, vegyipar, gyógyszeripar, stb.), mind pedig a mezőgazdaságban alkalmazott méréstechnikában igen sok olyan mérendő nem villamos paraméter létezik, amelyet valamilyen módon mérni kell. Mérés során a nem villamos mennyiségeket általában mérés előtt át kell alakítani, értékelhető paraméterré.  Jelátalakítók, szenzorok: Azok az eszközök, amelyek egy fizikai mennyiségeket egy másik típusú mennyiséggé alakítanak át. Bemeneti jele adott fizikai mennyiség, amelyet a jelátalakító átalakít, amíg kimeneti jele olyan fizikai mennyiség, amivé átalakítja. A bemeneti jel mindig a szükséges mérendő fizikai mennyiség A kimeneti jelet –függetlenül attól, hogy mivé alakítjuk át- szinte minden esetben további feldolgozásnak kell alávetni. Szenzorelem: a szenzor azon elemi része, amely önmagában nem alkalmazható, további elemekkel kell kiegészíteni (pl.: jelfeldolgozók, csatlakozók, illesztők stb.) Szenzorrendszer: több mérő és kiértékelő komponensből álló rendszer. Multiszenzor: több különálló szenzor egy készülékbe, egy rendszerbe építve (pl. hőmérsékletmérő, gyorsulásmérő, giroszkóp egy készülékben)  Jelváltó: Azok a jelátalakítók, amelyek azonos dimenziójú fizikai mennyiséget alakítanak át egymásba (erősítő, fogaskerék, transzformátor, áramváltó stb.).  Mérőátalakító: Azok a jelátalakítók, amelyek mérendő fizikai mennyiségeket alakítanak át.

3 Érzékelők, Jelátalakítók Automatizálási tanszék Helyük az irányítási körökben

4 Érzékelők, Jelátalakítók Automatizálási tanszék Az érzékelők vizsgálati szempontjai -Statikus átviteli tulajdonságok -befolyásoló és környezeti hatások elleni védettség -a dinamikus átviteli tulajdonságok -a megbízhatóság -a gazdaságosság Statikus átviteli jellemzőként mindenek előtt az érzékelő érzékenysége és a megengedett hibahatárok a lényegesek. Az érzékelők kis eredő hibájának akkor van jelentősége, ha pl. pontos hőmérséklet, vagy állapotszabályozás szükséges. Az érzékelőknek lehetőleg védettnek kell lenniük a befolyásoló és zavaró hatásokkal szemben, pl. a hőmérséklet, mechanikus rázkódások és rezgések, továbbá különféle elektromágneses hatások (elektromágneses összeférhetőség, EMC). Ezen zavaró hatásokra a gyártó megad szokásos határértékeket, amelyek nem léphetők túl, ha megbízható üzemelésre kell törekedni. Jelátalakítók vizsgálata, tulajdonságai -Meg kell vizsgálni, hogy milyen mennyiségeket alakít át egymásba. -Összefüggések szerint, ahogyan a jelátalakító átalakítja egymásba a be és kimeneti jelet.

5 Érzékelők, Jelátalakítók Automatizálási tanszék Jelátalakítók vizsgálata, tulajdonságai -Meg kell vizsgálni, hogy milyen mennyiségeket alakít át egymásba. -Összefüggések szerint, ahogyan a jelátalakító átalakítja egymásba a be és kimeneti jelet A mérendő mennyiségek jelek -Mechanikai mennyiségek: hosszúság (elmozdulás), szög (szögelfordulás), gyorsulás (sebesség), erő, nyomás, szint, áramlás, tömeg, stb. -Optikai mennyiségek: megvilágítás, fényáram, szín, stb. -Villamos, mágneses mennyiségek: feszültség, áram, teljesítmény, fluxus, dielektromos állandó, ellenállás, mágneses ellenállás, permeabilitás, stb. -Kémiai és fizikai-kémiai mennyiségek: relatív nedvesség és nedvességtartalom, viszkozitás, folyadékok összetétele, sűrűség, pH, redoxpotenciál, stb. -Termodinamikai mennyiségek: hőmérséklet, hőmennyiség, stb.

6 Érzékelők, Jelátalakítók Automatizálási tanszék Jelátalakítók vizsgálata, tulajdonságai -Meg kell vizsgálni, hogy milyen mennyiségeket alakít át egymásba. -Összefüggések szerint, ahogyan a jelátalakító átalakítja egymásba a be és kimeneti jelet

7 Érzékelők, Jelátalakítók Automatizálási tanszék A jelátalakítók főbb hibaforrásai: Hiba: meghamisítják a valós értéket -Rendszeres hiba: hatása és iránya meghatározott. Hatása általában figyelembe vehető és kompenzálható. -Véletlen hiba: a jel értéke rendszertelenül, előre nem meghatározható módon változik

8 Érzékelők, Jelátalakítók Automatizálási tanszék

9 Érzékelők, Jelátalakítók Automatizálási tanszék Integrált és intelligens érzékelők -A mikroelektronika, a mikromechanika, nanotechnológia az integrált optika és egyéb fejlett technológiák fejlődése lehetővé tette az érzékelők miniatürizálását és a funkciók fizikailag azonos hordozón történő integrálását. -Az érzékelő mátrixok azonos elemek integrációjával épülnek fel és valamilyen mérendő paraméter térbeli függésének meghatározását is lehetővé, teszik. -A multiszenzorok többféle mennyiség meghatározására alkalmas érzékelők integrálásával állíthatók elő. -Az integrált érzékelők a klasszikus értelemben vett érzékelő elemen kívül a jelfeldolgozás valamilyen szintjét is magukba foglalják. -Az első generációs integrált érzékelők valamilyen egyszerű jelfeldolgozást tartalmaztak, p1. ofszet- és hőfok- kompenzációt és/vagy előerősítőt. További szintet jelent a jelkonverzió (p1: analóg-digitális jelátalakitás) integrálása.

10 Érzékelők, Jelátalakítók Automatizálási tanszék Integrált és intelligens érzékelők -A legújabb generációt az intelligens érzékelők jelentik, melyek a mikroprocesszort is magukba integrálják. Ez lehetővé teszi a környezettel való kommunikációt és intelligens funkciók beépítését. Ilyenek lehetnek például: -Digitális jelfeldolgozás, jeltárolás -Hibakompenzáció -Multiszenzor jelfeldolgozás (neurális hálózattal öntanulás) -Önkalibráció és tesztelés -Automatikus méréshatár váltás -Átlag- és hibaszámítás -Időbeli instabilitások kompenzációja (fuzzy logika alkalmazása) -Számítógéppel való kommunikáció

11 Mechanikai Jelátalakítók Automatizálási tanszék Mechanikai Jelváltók Kar áttétel:  Mechanikai jelváltók, jelátalakítók: mechanikai kimeneti mennyiségeket szolgáltatnak, mint pl. : elmozdulás, sebesség, gyorsulás, szögelfordulás, szögsebesség, szöggyorsulás, erő, nyomaték. o Ki- és bemeneti mennyiségek: -elmozdulás -sebesség -gyorsulás vagy -erő o Követelmények: -súrlódásmentesség -minimális súly -merev szerkezet

12 Mechanikai Jelátalakítók Automatizálási tanszék Mechanikai Jelváltók Fogaskerék áttétel: o Ki- és bemeneti mennyiségek: -szögelfordulás -szögsebesség -szöggyorsulás vagy -nyomaték o Követelmények: -minimális súrlódás -minimális súly -kotyogásmentes

13 Mechanikai Jelátalakítók Automatizálási tanszék Mechanikai Jelátalakítók Fogasléc-fogaskerék áttétel: o Ki- és bemeneti mennyiségek: a., -elmozdulás -sebesség -gyorsulás -nyomaték b., -szögelfordulás -szögsebesség -szöggyorsulás -erő o Követelmények: -súrlódásmentes csapágyak -minimális súly(ok) -csúszás- és kotyogásmentes -merev szerkezet

14 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék  Valamilyen fizikai (nem villamos) mennyiséget (hőmérséklet, nyomás, elmozdulás stb.) villamos mennyiséggé alakít át, vagyis az érzékelő kimenőjele valamilyen villamos mennyiség (áram, feszültség, impedancia) Típusai: közvetlen áram, vagy feszültség kimenetű jelátalakítók egyen-, vagy váltakozó áramú segédenergiára van szükség, ahol a kimeneti mennyiség impedancia Felosztás: aktív villamos jelátalakítók (termoelektromos, fotoelektromos, piezoelektromos) passzív villamos jelátalakítók: (ellenállásos, induktív és kapacitív átalakítók)

15 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Mérőérintkezők: szögelfordulás, vagy elmozdulás hatására nyitja, vagy zárja az áramkört. -pontérintkezők -vonalérintkezők -síkérintkezők o Követelmények: -jó vezetőképesség -kicsi átmeneti ellenállás -ne oxidálódjon o Anyaga: vörösréz, Ezüst, Arany, Platina, Irídium wolfram stb.  Ellenállásos mérőátalakítók: A nem villamos mennyiségeket alakítja át Ohmikus ellenállás változássá.

16 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Speciális mérőérintkezők: o Higanyérintkezők o Vákuumérintkezők o Érintkezősor Előnyei: - egyszerű felépítés - üzembiztos működés Hátrányai: - csak szakaszosan működnek (csak jelzésre alkalmas) - szikraképződés lehetséges - túlterhelésre érzékenyek (az érintkezők összeolvadhatnak nagy áramok esetén) Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók

17 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók

18 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók o Fontos: -A mérendő elmozdulásnak kellően érzékenynek kell lennie, vagyis akkora ΔR ellenállásváltozásnak kell létrejönnie, hogy az a csúszka legkisebb Δl elmozdulásakor is már észlelhető legyen. -A legkisebb elmozdulásnak is nagyobbnak kell lennie a huzal átmérőjénél

19 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók

20 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók

21 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Toló potenciométerForgó potenciométer Helipot : Többszörös körülfordulás

22 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Csúszóérintkezős jelátalakítók előírt statikus karakterisztikájának előállítása: o Csévetest alakítással: az előírt statikus karakterisztika alakjára képezzük ki o Átalakítási tényező: o Érzékenység: o Statikus karakterisztika:

23 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Csúszóérintkezős jelátalakítók előírt statikus karakterisztikájának előállítása: o Söntöléssel: a tekercselt ellenállást bizonyos helyeken megcsapolják és az adott szakaszokkal ellenállásokat kapcsolnak párhuzamosan.

24 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Higanyérintkezős ellenállások: elmozdulást illetve szögelfordulást alakítanak át ellenállássá. Folyadékos nyomásmérőknél és szintmérőknél terjedt el. o „U” alakú higanyérzékelős ellenállás Az „U” alakú csőben lévő ellenálláshuzalt zárja rövidre a higany, amelynek változását nyomáskülönbség, vagy a cső elmozdítása idéz elő. A Δh szintkülönbség a Δp nyomáskülönbséggel arányos. A cső helyettesítőképe egy feszültségosztónak felel meg, ahol a B pont felel meg a higany által rövidre zárt szakaszt. A higanyból kiálló részek ellenállása a hosszukkal arányos.

25 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Higanyérintkezős ellenállások: elmozdulást illetve szögelfordulást alakítanak át ellenállássá. Folyadékos nyomásmérőknél és szintmérőknél terjedt el. o Gyűrűs higanyérzékelős ellenállás A higany mozgása szögelfordulás hatására történik, az elv azonban ugyanaz. Az ellenálláshuzal anyaga mindkét esetben platina, vagy szénszál. A mérési pontatlanság kb. 1% o A higanyérzékelős ellenállások előnyei: -Kis nyomáskülönbségre érzékeny -Nincs kopás, ezért hosszú élettartamú o Hátrányai: -Helyzet- és rázásérzékeny -Érzékeny a higany tisztaságra -Csak kis ellenállások képezhetők

26 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Nyomásfüggő ellenállások: nyomást alakítanak át ellenállássá. A nyomás származhat: nyomóerőből, hidrosztatikai- illetve gáznyomásból. Két változata van.

27 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Nyomásfüggő ellenállások: nyomást alakítanak át ellenállássá. A nyomás származhat: nyomóerőből, hidrosztatikai- illetve gáznyomásból.

28 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Nyomásfüggő ellenállások: nyomást alakítanak át ellenállássá. A nyomás származhat: nyomóerőből, hidrosztatikai- illetve gáznyomásból. o Piezorezisztív átalakító: külső nyomás hatására egyes fémek (pl manganin) kristályszerkezetében deformáció lép fel, ami fajlagos ellenállásváltozást okoz.

29 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék AnyagNyomástényező (b) (1/atm) Alumínium Antimon11, Vas-2, Platina-1, Réz-1, Ezüst-3, Manganin2, Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Különböző fémek nyomástényezője: T = 25 o C P= Pa nyomástartomány

30 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Nyomásfüggő ellenállások: nyomást alakítanak át ellenállássá. A nyomás származhat: nyomóerőből, hidrosztatikai- illetve gáznyomásból. o Piezorezisztív átalakító: külső nyomás hatására egyes fémek (pl manganin) kristályszerkezetében deformáció lép fel, ami fajlagos ellenállásváltozást okoz.

31 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Nyomásfüggő ellenállások: nyomást alakítanak át ellenállássá. A nyomás származhat: nyomóerőből, hidrosztatikai- illetve gáznyomásból. o Piezorezisztív átalakító: külső nyomás hatására egyes fémek (pl manganin) kristályszerkezetében deformáció lép fel, ami fajlagos ellenállásváltozást okoz. Erő és relatív ellenállás összefüggései Az ellenállás-változás előjele és nagysága függ a félvezető anyagától, szennyezettségének mértékétől és fajtájától (p vagy n tipusú) és a terhelés irányától. Ez utóbbi függést, ha a terhelés irányonként nem megegyező, anizotropiának nevezzük. A kristályokban nyomóerő hatására bekövetkező relatív ellenállást az ábra mutatja. Piezoellenállások kialakításakor ún. egykristályokat alkalmaznak, amely teljes egészében egyetlen összefüggő kristályszerkezet. Egykristályt azért célszerű alkalmazni, mert: -az ellenállás változás csak bizonyos ún. kristálytani irányokban jelentős, másokban elenyészően kicsi/erős anizotropia. -ugyanaz a kristály más orientációban más előjellel változtatja az ellenállását

32 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék ábra. Hídkapcsolás alkalmazása o Piezorezisztív átalakító: külső nyomás hatására egyes fémek (pl manganin) kristályszerkezetében deformáció lép fel, ami fajlagos ellenállásváltozást okoz. Fő probléma, hogy az ellenállás függ a hőmérséklettől, ezért vagy termosztálni kell, vagy hídkapcsolást kell alkalmazni a mérés során. Az elemeket úgy kell megválasztani, hogy az l és 3 ellenállások relatív ellenállás-változásra abszolút értékére azonos, előjelre pedig ellentétes legyen a 2 és 4 ellenállás-változásaival szemben. o Előnyük: -kisebb erők, nyomások mérésére is alkalmas, -érzékenységük egy-két nagyságrenddel nagyobb a fémekéhez képest. o Hátrányuk: -ellenállásuk hőmérsékletfüggő, -mechanikailag sérülékenyek (törékenyebb) -drágább a fémeknél. Passzív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók

33 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók  Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások:

34 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók  Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások:

35 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók  Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások:

36 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók  Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások:

37 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók  Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások: A nyúlásmérő bélyeg működési elve: A nyúlásmérőknek van kereszt-irányú érzékenysége is, amelyet az alábbi ábra mutat. Amennyiben a felragasztás helyesen történik, akkor a mérendő deformációt az „x-x” tengelyirányban mérjük, azonban a bélyeg érzékeny az „y-y” irányú deformációra is, de ez a másiknak csak néhány (1...3) százaléka. Az „A” és „B” méretek a felragasztás aktív helyszükségletét a „C”, „D” és „E” méretek a ténylegesen felhasznált helyszükségletet mutatják

38 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Fémes vezetőből készült nyúlásmérő bélyeg A huzal jelen esetben egy mm hosszú vékony szigetelő fóliára van felragasztva. Néhány anyag átalakítási tényezőjét és hőmérsékleti tényezőjét a táblázat mutatja. A nyúlásmérők lehetnek huzalos, fóliás és félvezetős kialakításúak. Ezen belül a huzalos megoldás lehet még hullámvonalú AnyaggHőmérsékleti tényező [1/ ° C] alloy 4794 ± 10 %0, elinvar3,6- konstantán2,0...2,7± 0,03…10 -3 nikkel-12,16, nikróm2,1...2,30, manganin0,3…0,470,

39 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Huzalos nyúlásmérő bélyeg ívben hajlított (a), élben hajlított (b) és ponthegesztett kivitel (c)

40 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Fémréteg vagy fólia tenzoellenállás kialakítások Hordozóra gőzölik fel a μm-es fémrétegellenállást. Erre a megoldására mutat példákat az ábra. A c. ábrán látható az ún. rozetta alakú mérőbélyeg, amit akkor célszerű használni, ha ismeretlen főirányok esetén is elegendő információt akarunk kapni. o Előnyük, hogy – mivel nagyobb felületen érintkeznek – a hőátadásuk nagyobb és bármilyen bonyolultságú profil készíthető. Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók

41 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Fémréteg vagy fólia tenzoellenállás kialakítások - A szokásos ellenállásértékek: 50, 100, 200, 400, 600 és 1000Ω. - pontossága a névleges ellenállásérték ± 0,25% körül, - a linearitása pedig 0,1 …1% között van. - a bélyegek élettartama ciklus, - hőmérséklettartománya pedig 40 °C…+150°C között van, de vannak magasabb kb 400°C-ig. Az ábra olyan kialakításokat mutat, amelyekkel különböző irányú deformációk egyidejűleg mérhetők. Az a. ábra derékszögű a b. ábra egymással szöget bezáró deformációk mérésére alkalmasak, míg a c. ábra delta rozetta az ismeretlen főirányok esetére

42 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Fémréteg vagy fólia tenzoellenállás kialakítások Az a. ábra tangenciális, a b. ábra pedig radiális nyúlás mérésére szolgál. A fémből készült nyúlásmérők: o Előnyei: - a kis méret - nagy pontosság - kis belső impedencia. o Hátrányuk: - hőmérsékletfüggők - a próbatest hőtágulásából eredő hiba - a ragasztásból származó hiba - viszonylag alacsony érzékenység. Membránok deformációján alapuló mérés

43 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezetős nyúlásmérő bélyegek A félvezetős nyúlásmérő bélyegek úgy készülnek, hogy általában műanyagból készült fóliára 10 μm nagyságrendben félvezetőt visznek fel, vagy igen vékony piezoellenállás lemezt ragasztanak fel. Felépítését az első ábra mutatja, a karakterisztikáját pedig a második ábra. Az a. ábra a „p” tip. a b. ábra pedig az „n” tip. félvezetőből felépített bélyeg karakterisztikáját mutatja. A félvezetős bélyegek rezisztív tényezője – így a nyúlási tényezője is - lényegesen nagyobb, mint a fémes bélyeg esetében láthattuk. A nyúlási tényező ez előbbinek lehet 50…60 – szorosa is.

44 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezetős nyúlásmérő bélyegek o Előnyei közé tartozik a - nagy érzékenység, - kis méret - az alapellenállás értéke adalékanyagokkal jól befolyásolható o Hátrányuk: - statikus karakterisztika nemlineáris - nem túl stabil - viszonylag alacsony a pontosságuk - hőmérsékletfüggő - és még a fémbélyegek hibái is fellépnek. - A mérést befolyásoló hibaforrások között kell megemlíteni a ragasztásból, a ragasztó anyagból és a hőmérsékletváltozásból származó hibákat

45 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók  Hőmérsékletfüggő ellenállások A gyakorlati hőmérsékletmérési feladatok megoldásához a legkülönbözőbb hőmérőkre van szükség. A mérendő hőmérséklet helye sokszor távol van attól a helytől, ahol a mérés eredményére szükség van, sokszor egy időben több helyen szükséges a mérési eredmény kijelzése; igen kis hőmérsékletkülönbségek egyszerű hőmérőkkel nem érzékelhetők. Ezért a hőmérő csak a legegyszerűbb esetben olyan eszköz, amelyen - a kívánt helyen elhelyezve - a hőmérséklet mérőszáma közvetlenül leolvasható. Ilyen pl. az üveghőmérő. A korszerű mérésnél és szabályozástechnikában azonban fizikai készülékek egész láncolatára van szükség, hogy a hőmérsékletet más, tovább vezethető, tárolható, erősíthető jellé átalakíthassuk, kijelezhessük vagy egyéb célra, pl. szabályozásra felhasználhassuk. Így a,,hőmérő’’ szó gyűjtőnévvé vált. A hőérzékelő (mérőátalakító) a hőmérőnek az a része, amely a hőmérsékleti jelet vele arányos, de további feldolgozásra szoruló jellé alakítja. A hőérzékelő kimenőjelét vezeték továbbítja a kiértékelő műszerig. Továbbítás előtt vagy közben szükséges lehet a jel erősítése vagy átalakítása, amelyet mérőerősítőkkel, távadókkal végzünk. A jel kiértékelése mutatós műszerekkel, digitális készülékekkel vagy más eszközzel történik, esetleg regisztrálásra kerül, vagy szabályozó szervekben használjuk fel.

46 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók  Hőmérsékletfüggő ellenállások A hőmérőket elsősorban a hőérzékelők érzékelési módja szerint csoportosítjuk. Ez határozza meg ugyanis legnagyobb mértékben az alkalmazási lehetőségeiket, hibaforrásaikat. A hőérzékelőnek a mérés folyamán részben vagy egészben át kell vennie a mérendő test hőmérsékletét. Ez történhet: -hővezetéssel (kondukcióval). Ilyenkor a mérendő test közvetlen, szoros érintkezésben van a hőmérővel, vezetés útján hőt ad át. A hőmérő kapacitásától, hővezetési képességétől függően a test hőmérsékleti viszonyait megzavarhatja. -hőszállítással (konvekcióval). A hőmérő és a tárgy közvetlenül nem érintkeznek. A hőátadás a közöttük levő közeg, pl. gáz vagy folyadék áramlása segítségével történik. -hősugárzás (radiáció) útján. A mérendő tárgy hőmérsékleti viszonyait általában ez zavarja legkevésbé. A nemzetközileg elfogadott °K és °C egységeken kívül más egységek is vannak még használatban. Különösen az angolszász országokban alkalmazzák még a Fahrenheit- és a Rankin-skálát. Az egyes használatos hőmérsékletskálák közötti összefüggések a következők: (°K) = (°C)+273,15, (°R) = (°F)+459,67, (°F) =9/5 (°C)+32, (°R) =9/5 (°K).

47 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók  Hőmérsékletfüggő ellenállások A hőmérsékletfüggő ellenállások hőmérsékletváltozást alakítanak ellenállásváltozássá. Többféle anyagból készíthető, mindegyikkel szemben támasztott követelmények a következők: - nagy legyen a hőmérsékleti tényezője - nagy legyen a fajlagos ellenállása - minél lineárisabb legyen a karakterisztikája - legyen stabil. A hőmérsékletfüggő ellenállásoknál felhasznált anyagok lehetnek fémes vezetők, félvezetők. Függetlenül az anyagoktól a hőmérsékletfüggő ellenállásokat ellenállás-hőmérőnek szokás nevezni.

48 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók  Hőmérsékletfüggő ellenállások Fém ellenállás hőmérők általában kerámiákra, csillámra tekercselt fémhuzal. Leggyakrabban platinát, nikkelt és rezet használnak. Az ábrán néhány fém ellenállás-változásának értékét a hőmérséklet függvényében.

49 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Fém ellenállás hőmérők o Platina ellenállás-hőmérő

50 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Fém ellenállás hőmérők o Platina ellenállás-hőmérő Az állandók értékei nagy tisztaságú platina esetén megközelítőleg az alábbi értékek: A = 3, , B= - 5, , C = - 4, A platina hőmérőt ° C tartományban használják. Az ellenállás változása 100 ° C-ra kb 40%, ellenállása 0 C°-on 100Ω. Előnye, hogy lineáris karakterisztikával rendelkezik.

51 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Fém ellenállás hőmérők o Nikkel ellenállás-hőmérő A drága platina pótlására legalkalmasabb a nikkel. A korrózióval szemben ellenálló, de a platina minőségét nem éri el. Különösen savgőzökkel, ammóniákkal szemben érzékeny. Olvadáspontja elég magas, már 300…350 °C Ellenálláshőmérők szerkezeti kialakítása körül fellépnek maradó változások Elektromos ellenállásban. – 100 °C…+300 °C között alkalmazható hőmérőként, azonban csak lényegesen szűkebb tartományban tekinthető megbízhatónak. A szabvány – 60…+150 °C között engedélyezi használatát, 180 °C-ig pedig csak igen rövid ideig tartó mérésekhez. Az ellenállás-változása 100 ° C-ra kb. 60 % -nyi. Ellenállása 0 ° C-on 100Ω. Előnye a platinához képest, hogy olcsóbb és a hőmérsékleti együtthatója nagyobb, hátránya viszont, hogy karakterisztikája nemlineáris.

52 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Fém ellenállás hőmérők o Nikkel ellenállás-hőmérő

53 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Fém ellenállás hőmérők o Réz ellenállás hőmérő Mérési tartománya °C tehát az előzőekhez képest szűk. Az ellenállás változás 100°C hatására kb. 40%. Ellenállása 0°C-on 10 Ω. o Előnye, hogy olcsó és lineáris karakterisztikával rendelkezik. o Hátránya, hogy magas hőfokon nem használható, kis értékű ellenállások készíthetők belőle, fajlagos ellenállása kicsi és oxidálódik

54 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Fém ellenállás hőmérők o A fém ellenállás-hőmérők közös tulajdonságaik: Pontosság: ipari méréseknél 0,5...1,0 %, precíziós mérésnél 0,05 % Időállandók: 0,05 sec... néhány perc, a szerkezettől függően. Maximális áram: 10mA. Ha túl nagy az áram, akkor az melegíti a platinaszálat, ezért korrekciót kell végrehajtani a következő módon: -I 1 áram esetén a mért hőmérséklet ϑ 1 -I 2 áram esetén a mért hőmérséklet ϑ 2 o Előnyei: - a jó mérési pontosság, - lineáris karakterisztika, - jó mechanikai ellenálló képesség, o Hátránya: - a viszonylag nagy mérete, - segédenergiát igényel.

55 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezető ellenállás hőmérők (Termisztorok)

56 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezető ellenállás hőmérők (Termisztorok) Félvezető ellenállás-hőmérő anyagai: -nehézfémek ötvözetei, oxidjai -Si és Ge tiszta, vagy szennyezett formájában

57 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezető ellenállás hőmérők (Termisztorok) a termisztort az átfolyó áram fűti, így ez a típus felhasználható olyan folyamatok vizsgálatára, ahol hőcsere zajlik (pl. áramlásmérésnél), amely folyamatot termoanemometriának nevezünk. Jellemző adatai: -ellenállása 25 °C–on néhány száz Ω-tól néhány kΩ -ig terjed, -az ellenállása 80 °C-on a 20 °C-on mért érték 5/8-ad része, -Fő problémája, hogy csak nagy szórással készíthetők ezért cseréjük során ismételt hitelesítést kell végrehajtani. -A mérési tartománya -200…200 °C között lehetséges. o A termisztorok előnyei: -a viszonylag nagy érzékenység, -kis időállandó -jó mechanikai tulajdonságok. o Hátrányai: -a nemlineáris karakterisztika -nagy gyártási szórás -magas hőmérsékleten nem használható.

58 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezetős ellenállás hőmérők (Termisztorok) A félvezetős hőmérsékletérzékelő ellenállások három fajtája terjedt el: -negatív karakterisztikájú (NTK) -pozitív karakterisztikájú (PTK) -terjedési ellenállás alapú szilícium hőmérsékletérzékelők Az NTK (negatív hőmérsékleti együtthatójú) termisztorok fémoxidok keverékéből szintereléssel készülnek. Ez a technológia lehetővé teszi a kiviteli formák sokféleségét, az olcsó, nagy tömegű gyártást. Többféle kivitelben készülnek: gyöngytermisztorok, tárcsatermisztorok, rúdtermisztorok, morzsatermisztorok stb. Az egyes termisztorfajták között, de a fajtákon belül is jelentős méreteltérések vannak. A gyöngytermisztorban például gombostűfejnyi nagyságú termisztor massza van, többnyire védő üvegcsőbe forrasztva. A tárcsatermisztorok különböző átmérőjű és vastagságú oxidpasztillák, amelyek kivezetéssel, védőlakk burkolattal vagy fémszerelvénnyel kiegészítve készülnek. A rúdtermisztorok hossza és átmérője is tág határok között változhat. A morzsatermisztorok ónozott kontaktusfelületű, apró hasáb alakú alkatrészek, amelyeket főleg hibrid integrált, és felületen szerelt (SMD) áramkörök használnak fel.

59 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezetős ellenállás hőmérők (Termisztorok) A termisztorok viselkedését jelleggörbéik ismertetésével lehet követni. A legfontosabb az ellenállás-hőmérséklet jelleggörbe, amely a különböző hőmérsékleteken mért terheletlen ellenállások összefüggése. Az NTK termisztorok ellenállását hőmérsékleti hatással kétféle módon lehet befolyásolni: -a környezeti hőmérséklet változtatásával -termisztorba betáplált teljesítmény (az átfolyó áram) növelésével. a jelű: platina ellenállás hőmérő b jelű: NTK termisztor c jelű: PTK termisztor d jelű: terjedési ellenállás alapú szilícium érzékelő

60 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezetős ellenállás hőmérők A termisztorok fontos paramétere még a termikus időállandó. A termisztor saját, és szerelvényeinek tömege, hőszigetelő tulajdonságai miatt csak késéssel reagál a hőmérsékletét megváltoztató hatásokra. A termikus hőtehetetlenségét a termikus időállandó jellemzi: (t th ). Az időállandó azt az időt jelenti, amely szükséges ahhoz, hogy a termisztor és a környezete közötti hőmérsékletkülönbség a 63,2%-ot elérje. Az időállandó nagyságát a termisztor hőtehetetlenségén kívül a környezeti hatások is befolyásolják. Emiatt nem szükségképpen azonos a lehűlési és a felmelegedési időállandó értéke. A katalógusokban megadott érték nyugvó levegőben mért lehűlési idő, amely néhány másodperctől száz másodpercig terjedhet. Szabályozástechnikai célokra használt NTK termisztoroknál az áramkör működése szempontjából az a döntő, hogy mennyi idő alatt ér el a kikapcsolt termisztor ellenállása egy olyan értéket, amelynél a folyamatot újra lehet indítani. Ebben az esetben hasznos tájékoztatást ad az úgynevezett feléledési idő. A feléledési idő az az időtartam, amennyi idő ahhoz szükséges, hogy a megengedett maximális terheléssel üzemelő, a környezetével termikus egyensúlyban lévő NTK termisztor kikapcsolása után arra a hőmérsékletre hűljön le, amelyen ellenállásának értéke eléri a szobahőmérsékleten mért ellenállása értékének felét

61 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezetős ellenállás hőmérők o A pozitív hőmérsékleti tényezőjű (PTK) termisztorok A pozitív hőmérsékleti tényezőjű (PTK) termisztorok alapanyaga polikristályos báriumtitanát, amelyet kis mennyiségű fémdioxid adalékok (stroncium és titánoxidok) tesznek félvezetővé. Működési elve szerint a ferromágneses anyag Curie-pontja közelében elveszíti mágneses tulajdonságát és paramágnesessé alakul, ez egy bizonyos hőmérséklet tartományban következik be. 30 °C – 50 °C a felső határ az alsó pedig változó. A PTK termisztorok ellenállása frekvenciafüggő, az impedanciája csökken a frekvencia növekedésével.

62 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezetős ellenállás hőmérők o A terjedési ellenállás elvén alapuló eszközök Működésének alapja, hogy a szilíciumkristály egy bizonyos hőmérséklettartományban a hőmérséklet növekedésével növeli a töltéshordozók megkötöttségét, ami az ellenállás növekedését okozza. Ezt az ellenállást a kristály előlapján elhelyezett hegyes érintkező és a nagy felületen fémmel bevont hátlap között mérik. Az elrendezés tulajdonképpen egy kondenzátor, ahol a dielektrikumnak hőmérsékletfüggő ellenállása van. Amíg a hegyes érintkező „d” csúcsátmérője a kristály „D” vastagságához és a fémbevonat felületéhez képest kicsi, addig az ellenállás értéke csak a fajlagos ellenállástól és a csúcssugártól függ. Enyhén görbült jelleggörbével és pozitív hőmérsékleti együtthatóval rendelkezik 150°C-nál nagyobb hőmérsékleten szabad töltéshordozók képződnek és vezetővé válik.

63 Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Aktív jelátalakítók, Ellenállásos mérőátalakítók Félvezetős ellenállás hőmérők o A terjedési ellenállás elvén alapuló eszközök


Letölteni ppt "Automatizálási tanszék AUTOMATIKAI ÉPÍTŐELEMEK JELÁTALAKÍTÓK Kovács Gergely egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék"

Hasonló előadás


Google Hirdetések