Mtgivare Mtning av mekaniska storheter och temperatur William

Mätgivare Mätning av mekaniska storheter och temperatur William Sandqvist ISBN 91 -44 -00054 -5 William Sandqvist william@kth. se

Sensorer för inbyggda system Att konstruera ett inbyggt system spänner över många skolämnen. Givarna är nyckelkomponenter, men riskerar trots det att hamna ”mellan stolarna” och ämnesgränserna! William Sandqvist william@kth. se

Mål: Efter kursen kommer deltagarna att kunna se givare överallt! Tex. Vad är det här? William Sandqvist william@kth. se

Ex. slitageytan på ett lager När man belägger ett lager med en slitageyta av ett annat material, bildas det ett termoelement. Blir det ”varmgång” i lagret i någon punkt (”hotspot”) så blir det en termoemk – den emk’en kan varna om ett förestående lagerhaveri! Således en gratis-givare! William Sandqvist william@kth. se

Wingqvists kullager 1907 Men har det här lagret något med dagens givare att göra? William Sandqvist william@kth. se

Givare integreras numera ofta i rena verkstadsprodukter Hjullagerenhet med integrerad ABS-sensor. SKF. William Sandqvist william@kth. se

Induktiv ABS-givare (spole) Det tandade metallhjulet är inbakat i kullagrets plast-tätning! (ex. SKF) Mer senare i kursen … William Sandqvist william@kth. se

Givare/Sensor/Transmitter … Kärt barn har många namn: Givare (Mätgivare)/Sensor Kombinationsgivare ex. gyro + accelerometer (ihopbyggda) Givarsystem ex. flera temperaturgivare (på avstånd) Transmitter standard industrisignal, tex strömslinga Detektor ON/OFF Vakt NORMAL/ONORMAL William Sandqvist william@kth. se

Givare / Sensor blockschema Mekanisk miljöanpassning ( = hölje ) ”Fönster” Instorhet Avkännare Givarelement Inre signalbehandling Matning, Spänning/Ström Utstorhet Givarfaktor: för linjär givare Aktiv/Passiv givare. En aktiv givare behöver ingen matning. William Sandqvist william@kth. se

Givare / Sensor Avkännaren omvandlar den mekaniska instorheten till någon annan (lämpligare) storhet. Lämpliga avkännare finner man i handböcker över maskinelement. Balk, ring, fjäder, rör, strypning, membran, kugghjul, kon, massa … William Sandqvist william@kth. se

Givare / Sensor Avkännare mikromekanik Mikromekanik. Med liknande metoder som används vid halvledartillverkning av elektronik, kan man numera även tillverka komplicerade mekaniska strukturer. Dessa kan användas som avkännare, tillsammans med integrerad elektronik, i miniatyrgivare! William Sandqvist william@kth. se

Givare / Sensor Givarelementet är den elektriska komponent som samverkar med avkännaren. Tre principer: Energiomvandling Direkt fysikaliskt samband Mekaniskt ingrepp i elektrisk krets William Sandqvist william@kth. se

Energiomvandling – aktiva givare William Sandqvist william@kth. se

Energiomvandling – aktiva givare Takometergenerator Piezoelektrisk kraftmätare William Sandqvist william@kth. se Termoelement

Fysikaliskt samband direkt William Sandqvist william@kth. se

Fysikaliskt samband direkt Resistanstermometer resistivitet Töjningsgivare elasticitet William Sandqvist william@kth. se Kraftgivare magnetoelasticitet

Mekaniskt ingrepp i elektrisk krets – Resistiva givare William Sandqvist william@kth. se

Mekaniskt ingrepp i elektrisk krets – Induktiva givare Grupp Arbetsprincip Givarens benämning Utstorhet William Sandqvist william@kth. se

Mekaniskt ingrepp i elektrisk krets – Kapacitiva givare Grupp Arbetsprincip Givarens benämning Utstorhet William Sandqvist william@kth. se

Några exempel på givarens blockschema William Sandqvist william@kth. se

Exempel – en tryckgivare William Sandqvist william@kth. se

Avkännaren – cirkulärt membran Gas/Vätsketryck omvandlas till deformation/töjning William Sandqvist william@kth. se

Givarelement – töjningsgivare Givarelementet är en speciellt utformad töjningsgivare som klistrats på membranet – mer om det senare i kursen … William Sandqvist william@kth. se

Vad är en töjningsgivare? Jämför med en trädgårdsslang Mer senare i kursen! William Sandqvist william@kth. se Dra i slangen så den blir ”lång och trång” då ökar motståndet!

Inre signalbehandling – Whetstonebrygga Givarelementen är fyra och kopplade som en Whetstonebrygga. Detta ger en önskad inre signalbehandling – mer om det snart i kursen … William Sandqvist william@kth. se

Matning Whetstonebryggan matas med en konstant spänning. Ofta behövs även elektronik med matning (tex. en förstärkare). William Sandqvist william@kth. se

Avkännare – Givarelement – Signalbehandling Det verkar som om de olika funktionerna ”flyter ihop”. Anledningen till att vi delar upp funktionen enligt blockschemat är för att bättre förstå givaren. William Sandqvist william@kth. se

Exempel – en induktiv flödesmätare William Sandqvist william@kth. se

En enkel lågprisvariant? 1 st slang, 2 st magneter, 2 st elektroder Vilka funktioner har delarna? William Sandqvist william@kth. se

Arbetsprincipen e = l v B Inducerad spänning i en ledare som rör sig i ett magnetfält. Instorhet: Volymflöde (vätska) qv [m 3/s] Electromagnetic flowmeter Experimentet misslyckades … Faraday försökte 1823 mäta upp Themsens strömningshastighet med denna metod. B var då jordens magnetfält. William Sandqvist william@kth. se

Avkännare – Givarelement – Matning Avkännare: Rörets tvärsnittsarea som ”omvandlar” strömningshastighet till volymflöde. Givarelement: Elektroderna som fångar upp spänningen. Nödvändigt är också att vätskan är ledande, och att röret är isolerat mot vätskan och elektroderna vid mätstället. Matning: Magneterna som ger upphov till magnetfältet B. Nödvändigt är också att röret måste vara av omagnetiserbart material vid mätstället. William Sandqvist william@kth. se

Avkännaren? Avkännaren, ”röret” – ingår i alla tre delarna! Avkännare/Givarelement/Matning Att ansvara för avkännaren är inte bara att hitta ett rör med passande diameter … Röret måste vara isolerat Röret får inte vara magnetiserbart Vätskan måste vara åtminstone något ledande William Sandqvist william@kth. se

Den som skall tillverka en givare måste således vara klar över alla de ingående delarnas olika funktioner och andra önskade egenskaper! William Sandqvist william@kth. se

Vad är det här? En kugghjulsflödesmätare (detta är ju en givarkurs) – men bilden skulle ju lika gärna kunna föreställa en kugghjulspump? William Sandqvist william@kth. se

Dualitet Givare – Ställdon De flesta givare har sin motsvarighet i något ställdon! Varvtal: Generator – Motor Därför kan man numera ha en kombinerad ”starter-generator” till bilmotorn i stället för en startmotor och en generator William Sandqvist william@kth. se

Dualitet Givare – Ställdon De flesta givare har sin motsvarighet i något ställdon! Temperatur: Resistanstermometer – Värmelement William Sandqvist william@kth. se

En motor med överhettad lindning. Bild tagen med IR-kamera. En motors lindningstemperatur. Mäter man lindningsresistansen, kan temperaturen beräknas – någon temperaturgivare behövs ej. Lindningen är både ”värme-element” och ”resistanstermometer”. William Sandqvist william@kth. se

Dualitet Givare – Ställdon De flesta givare har sin motsvarighet i något ställdon! Temperatur: Termoelement – Peltierkylare/Värmelement William Sandqvist william@kth. se

Dualitet Givare – Ställdon De flesta givare har sin motsvarighet i något ställdon! Position: Induktiv givare – Dragmagnetens induktans påverkas av kärnans position – kanske kan man undvara positionsgivaren om man redan har en dragmagnet? William Sandqvist william@kth. se

Givarelement i inbyggda system Hur hittar man mätgivare med rätt prestanda och till rätt pris? Processorn i ett inbyggt system har en avsevärd beräkningskraft – detta kan utnyttjas till att kompensera de brister som finns hos enklare givarelement. Vet man vad givarna innehåller och hur de fungerar – då kan man börja se givare överallt! Resultatet kan mycket väl bli okonventionella givarlösningar. ( Givar-branschen är mycket konservativ, mycket återstår att uppfinna! … ) William Sandqvist william@kth. se