Mérés és adatgyűjtés Szenzorok I. Mingesz Róbert 2014. április 24. v4.0

Tartalom Szenzorok Hőmérséklet mérése Fény érzékelése

Szenzorok

Digitális mérőműszer

A szenzorok működése Energia-átalakítás történik Energiafajták: Sugárzási energia, mechanikai energia, hőenergia, villamos energia, mágneses energia, kémiai energia

Szenzorok jellemzése Bemeneti fizikai mennyiség pl. hőmérséklet, elmozdulás, mágneses térerősség... Kimenő fizikai mennyiség (általában elektromos mennyiség) pl. feszültség, áramerősség, ellenállás... Karakterisztika: a kimenet függése a bemeneti mennyiségtől lineáris / nem lineáris Érzékenység pl. 3 mV/°C

Szenzorok jellemzése Működési elv Aktív pl: termóelem, pH-mérő, fényelem Passzív működéséhez segédenergiára van szükség pl: termisztor, fotóellenállás, Hall-szonda Kialakítás Elérhetőség

Szenzorok tulajdonságai Mérési tartomány Zajhatár: ennél kisebb jelek változása már elvész a zajban Túlterhelési tartomány Felbontóképesség Nullpont-hiba Érzékenység hiba Hiszterézis Linearitás-hiba / alakhiba

Szenzorok tulajdonságai Drift (kúszás) Hőmérsékletfüggés Környezeti hatásokra való érzékenység pl. rezgések, nyomás, nedvesség... Beállási idő Sávszélesség, frekvencia-karakterisztika Követett szabványok pl. IEEE 1451, TEDS Kalibrálás szükségessége

Hőmérséklet mérése

Hőmérséklet mérése A legtöbb folyamat, fizikai, kémiai... tulajdonság hőmérsékletfüggő pl. sűrűség, ellenállás, reakciósebesség... Az egyik leggyakrabban mért paraméter

Mérés elve Hőmérsékletváltozás hatására változás áll be a szenzorban vezetőképesség megváltozása thermoelektromos effektusok hőtágulás hallmazállapot-változás kémiai reakció (egyensúly eltolódás)

Megfelelő hőkontaktus Hőátadás közvetlen érintkezés Hővezetés valamilyen közeg viszi át a hőenergiát Hősugárzás elektromágneses sugárzás útján

Bimetál kapcsoló Két állapot Hiszterézis

Ellenállás-hőmérők RTD

Fémek ellenállása Fémek ellenállása hőmérsékletfüggő Ok: ionok hőmozgása T nő → R nő

PT 100 Platina PT100 szenzorok: 0 °C: 100 Ω Mérési tartomány: -260 °C ..850 °C

Ellenállás hőmérők Nagy pontosság Alacsony drift Széles mérési tartomány Reagálási: idő néhány másodperc Típikus méret > 3 mm Ár > 2000 Ft

Ellenállás hőmérők mérése Feladat: nagy pontossággal és felbontással (24 bit) mérni az ellenállás változást

Ellenállás hőmérők bekötése

Termisztor NTC

Ellenállás hőmérsékletfüggése Hőmérséklet növekedése → töltéshordozók számának növekedése → ellenállás csökkenése Általános képlet: 𝑅 𝑇 = 𝑅 𝑟𝑒𝑓 ∙ 𝑒 𝐴+ 𝐵 𝑇 + 𝐶 𝑇 2 + 𝐷 𝑇 3 Közelítés: 𝑅 𝑇 = 𝑅 25 ∙ 𝑒 𝐵 25/85 𝑇 − 𝐵 25/85 𝑇 25

Termisztor 𝑇= 1 1 𝑇 25 + 1 𝐵 25/85 ∙ln 𝑅 𝑇 𝑅 25 V0 𝑅 𝑇 = 𝑅 0 ∙ 𝑉 𝑇 / 𝑉 0 1− 𝑉 𝑇 / 𝑉 0 R0 VT A/D Rt 𝑇 25 =273.15+25 K 𝐵 25/85 =3977 K 𝑅 0 = 𝑅 25 =10 kΩ MicLab – 09 – 2012.04.18. Mingesz Róbert

Termisztor Mérési tartomány: -90 °C ..130 °C Reakcióidő: néhány s Átmérő > 1,5 mm Ár > 100 Ft

Önfűtés Mérőáram: hőt termel: 𝑃=𝑈∙𝐼 Newton lehűlési törvény: 𝑃 𝑇 =𝐾( 𝑇 𝑅 − 𝑇 𝐾 ) Egyensúlyi állapot: 𝑇 𝐾 = 𝑇 𝑅 − 𝑈 2 𝐾∙ 𝑅 𝑇

PTC eszközök T nő → R nő Alkalmazások: Áram korlátozása (regenerálódó biztosíték) Hőmérsékletszabályozás

Thermoelem

Termoelem Seebeck-effektus: Termoelem (Réz-Konstantán vezetékek)

Termoelem Kis impedancia, kis feszültség: nagy erősítés szükséges Jó közelítéssel lineáris Átmérő > 1.5 mm Ár > 2000 Ft Mérési tartomány K típusú termoelem esetén: -200 °C .. +1350 °C

Termoelem - hidegpont Hidegpont kompenzálás

NI-9211 hidegpont-kompenzálás Termisztor

Integrált hőmérsékletszenzorok

IC hőmérsékletszenzorok LM35 Lineáris kimenet +2 °C - +150 °C

IC hőmérsékletszenzorok AD7414 Digitális kimenet 10 bit -40 °C - +125 °C

IC hőmérsékletszenzorok LM75 Digitális kimenet 9 bit -55 °C - +125 °C

Pirométerek Hőmérséklet → hősugárzás (általában infravörös) A sugárzás spektruma hőmérsékletfüggő → a hőmérséklet meghatározható Kontaktus nélküli mérés Mérési tartomány: -32 °C .. 3000 °C

Fény detektálása

Fény érzékelése Fény → hőmérsékletváltozás elektronok gerjesztése elektronok kilépése

Bolométer Hőhatás mérése (infravörös fény detektálása)

Fotóellenállás (light dependent resistor) Félvezető Fény → elektronok kerülnek át a vezetési sávba Hátrányok: lassú Előnyök: egyszerű alkalmazhatóság, ohmikus Spektrális érzékenység: típustól függ

Fotodióda Előnyök: gyors az áram arányos a fényintenzitással olcsó Érzékenység: szükség szerint optikai szűrővel módosítható

Fotodióda

Fotodióda

Fotótranzisztor Tranzisztor vezérlése: fény (bázisáram helyett) Nagyobb érzékenység/áram

CCD

Hőkamera

Ionizáló sugárzások érzékelése Működési elv: Elektronok gerjesztése (vezetés, fényhatás) Ionizáció Szcintillátor Geiger-Müller számláló

Pulzoximéter Pulzusszám Oxigén szaturáció

Köszönöm a figyelmet ... vége ...