MTSYSTEM OCH GIVARE Frelsning p kursen Mtsystem och

MÄTSYSTEM OCH GIVARE Föreläsning på kursen Mätsystem och mätmetoder HT 14 Agneta Bränberg

Top Up Down Bottom

MÄTTEKNIK OCH MÄTSYSTEM VAD BEHÖVER MAN KUNNA? Grundprinciper vid mätning Mätosäkerhet Elektriska mätsystem Givare Planera mätningar Bygga mätsystem Analysera mätdata

GRUNDPRINCIP VID MÄTNING Mätanordningen får EJ påverka mätobjektet Exempel: Propeller i en luft/vätske-ström Kall/varm mätsticka vid temperaturmätning Utsträckt/ihoptryckt mätsticka vid längdmätning Spännings-, magnetfält i mätområdet.

ALL MÄTNING PÅVERKAR MÄTOBJEKTET! Se till att mätningen påverkar så lite att det är försumbart Veta vad som kan anses vara försumbart i vår mätning

MÄTOSÄKERHET Alla mätningar innehåller fel (avvikelse från ”sant” värde)! Syftet med mätningen bestämmer hur noggrant vi behöver mäta. Detta styr sedan valet av mätmetod och givare

ELEKTRISKA MÄTSYSTEM Vi vill ofta mäta icke-elektriska (fysikaliska) storheter Exempelvis? Bearbetning och lagring av mätdata är enklare för de elektriska storheterna ström och spänning Omvandling till en elektrisk storhet är därför mycket vanlig

ELEKTRISKT MÄTSSYSTEM

VAD BEHÖVER VI VETA FÖR ATT KUNNA VÄLJA GIVARE?

VAD BEHÖVER VI VETA FÖR ATT KUNNA VÄLJA GIVARE? Vilka som finns Vad de kan användas till Hur man läser databladen Vad vi vill mäta Vilka ramar vi har för vår mätning

GIVARE Omvandlar en fysikalisk storhet till en elektrisk storhet Sambandet definieras som givarkonstanten k k(som dock sällan är helt konstant) Eftersom sambandet sällan är linjärt anges givarkonstanten ofta för en viss punkt

NÅGRA GIVAREGENSKAPER Mätområde: Det område som en givare är avsedd att arbeta inom med bibehållen noggrannhet och utan att skadas Linjäritet: maximal avvikelse från en rät linje inom givarens arbetsområde Givarkonstant (Givarfaktor): Förhållandet mellan mätt storhet och utsignal Bandbredd: Inom vilket frekvensområde givaren är tänkt att arbeta.

EXEMPEL PÅ GIVARE Fysikalisk storhet Givare Elektrisk storhet Temperatur Termistor Termoelement Resistans Spänning Kraft/position Trådtöjningsgivare Piezokristall Resistans Laddning Ljud Mikrofon Kapacitans Ljus Fotomotstånd Fotodiod Resistans Ström Hastighet Magnetfältsensor Resistans

TEMPERATURGIVARE Några vanliga typer av temperaturgivare: Motståndstermometer (Pt 100 , Pt 1000) Termoelement Termistor Integrerade givare Pyrometer Temperaturgivare

MOTSTÅNDSTERMOMETER RESISTANSGIVARE (PT-GIVARE) Utnyttjar att resistansen hos en metall är temperaturberoende Platina vanligast, linjärt och temperaturtåligt Standardiserat : Pt 100 (100 vid 0 C) Pt 1000 (1000 vid 0 C) Används i temperaturområdet -260 till +800 C Temperaturgivare

PT-100 GIVARE R = 100(1+γT), γ = 3, 85*10⁻ᶟ Temperaturgivare

TERMOELEMENT För höga temperaturer ( >800 grader) Består av 2 hopsvetsade trådar av olika material Mäter alltid temperaturdifferensen mellan termoelementets båda ändar. För en absolutmätning måste därför referenstemperaturen vara känd.

TERMOELEMENT

TERMISTOR Om vi har låga krav på linjäritet och temperaturintervall Halvledarmaterial Ofta negativ temperaturkoefficient Resistansen minskar när temperaturen ökar 800 NTC-motstånd Ohm 700 600 500 400 300 200 100 0 0 50 100 150 200

PYROMETRAR

EXEMPEL PÅ EMISSIONSFAKTOR

TRÅDTÖJNINGSGIVARE Många givare bygger på trådtöjningsprincipen. Genom att töja ut en tråd ändras dess längd och tvärsnittsarea och därmed resistansen. Resistansförändringen d. R/R är proportionell mot längdförändringen d. L/L

Exempel på en typisk töjningsgivare monterad på ett mätobjekt

Töjningsgivare kopplas ofta in parvis för temperaturkompensering

TRÅDTÖJNINGSPRINCIPEN d. R/R d. L/L Bygger på R=ρL/A R resistansen L längden A tvärsnittsarean ρ resistiviteten (Materialkonstant) ∆ = d. R/R Töjning ε = d. L/L ∆ = k * ε k (material)konstant, anges av fabrikant (Konstanten k ≈ 2)

TRYCKGIVARE PIEZORESISTIVITET

PIEZOGIVARE En piezoelektrisk kristall alstrar en laddning då den deformeras. Eftersom laddningen efter en tid försvagas på grund av läckströmmar, passar givartypen bäst vid mätning av dynamiska förlopp.

INDUKTIVA OCH KAPACITIVA GIVARE (MIKROFON) Bygger på att induktans eller kapacitans ändras Exempelvis kan plattavståndet ändras i en kondensator Det intressanta är oftast förändringen och därför ansluts givaren normalt i en bryggkoppling (se mätbryggor) Mätbryggan måste i detta fall vara en växelströmsbrygga

DIFFERENTIALTRANSFORMATORN Består av en spole med en rörlig järnkärna Spolen matas med en växelström Utsignalen är proportionell mot kärnans läge I mittläge är utsignalen 0 Fasläget anger åt vilket håll kärnan flyttats Utsignalen detekteras vanligen i en faskänslig likriktare. Likspänningens tecken anger åt viket håll kärnan flyttats

DIFFERENTIALTRANSFORMATORN Mätteknik Givare

VAD BEHÖVER VI VETA FÖR ATT KUNNA TA HAND OM UTSIGNALEN FRÅN GIVAREN?

HUR SKA VI FÅ RESISTANS (INDUKTANS, KAPACITANS) ATT BLI STRÖM ELLER SPÄNNING? HUR SKA VI FÅ EN LITEN STRÖM/SPÄNNING ATT BLI TILLRÄCKLIGT STOR? HUR SKA VI FÅ EN ICKE-LINJÄR SIGNAL ATT BLI LINJÄR?

HUR SKA VI FÅ RESISTANS (INDUKTANS, KAPACITANS) ATT BLI STRÖM ELLER SPÄNNING? Resistansmätning Wheatstonebrygga

RESISTANSMÄTNING; 2 - OCH 4 -TRÅDSMETODEN

RESISTANS -> SPÄNNING MED WHEATSTONEBRYGGA För att lättare mäta små resistans- (och/eller kapacitans-) ändringar ansluts givaren ofta i en mätbrygga Utsignalen blir då direkt en spänning U Fördelen är även att bryggan kan nolljusteras så att utsignalen blir proportionell mot ändringen

WHEATSTONEBRYGGA JÄMVIKTSVILLKOR! SPÄNNINGSDELNING! Om Va=Vb är bryggan i balans! 0 Om följande gäller är Va = Vb: R 1/R 2 = R 3/R 4 eller R 1/R 3 = R 2/R 4 eller …. . Va = Vin* R 2/(R 1 + R 2) Spänningsdelning! Vb = Vin* R 4/(R 3 + R 4) Dito

Wheatstonebrygga igen a b U 1 U 2 Två givare a och b placerade på varsin sida om balk som böjs. U 1 = U*R 0(1+∆1)/[R 0(1+∆1) + R 0(1+∆2)] U 2 = U*R 1/(2*R 1) Obalansspänningen blir: U 1 – U 2 = U(1+∆1)/(2+∆1+∆2) – U/2 ≈ U*(∆1 -∆2)/4 ∆1 och ∆2 är lika till belopp, men har motsatt tecken.

NOLLKOMPENSERING (BALANSERING) Mätteknik Introduktion

NOLLKOMPENSERING

HUR SKA VI FÅ EN LITEN STRÖM/SPÄNNING ATT BLI TILLRÄCKLIGT STOR? HUR SKA VI FÅ EN ICKE-LINJÄR SIGNAL ATT BLI LINJÄR?

OP-FÖRSTÄRKARE( ANALOGT) 1. 2. 3. 4. Förstärka (multiplicera) Addera/subtrahera Logaritmera/exponentiera Derivera/integrera Allt sker i realtid

ÖVERFÖRINGSFUNKTIONER LINJÄRA GENOM ORIGO, IDEALT Gul givare, inhandlad. Gör den ideal som blå givare. Offset är -3 OP-först. som summator, addera med 3 OP-först. med F = 1, 5/2 = 0, 75 Blå givare, önskad, ideal k = 1, 5 En OP-först. med F = 1, 5 U 20 Y = 2 x - 3 15 Y = 1, 5 x 10 5 P 0 0 -5 2 4 6 8 10 12

GIVARE MED OFFSET VI ÖNSKAR FÅ EN TOTAL GIVARKONSTANT K = 10 V/B ÖNSKAT SAMBAND MELLAN IN-/UT-SIGNAL: U = 10*P Tryckgivare OP-först. Adderar 0, 3 U = 0, 1 P – 0, 3 OP-först. F= 100

ÖVERFÖRINGSFUNKTIONEN ÄR EXPONENTIELL NTC-MOTSTÅND -100 <= T <= 150 Bearbetning av data: 1. Linjärisering (Se boken sid 48 - 49) 2. Microcontroller (tabell, interpolering) 3. Logaritmering (OP-först. ) ger linjär kurva 800 Ohm 700 600 500 400 300 Grader C 200 100 0 0 50 100 150 200

INTEGRATOR/DERIVATOR (ANALOG) KONSTRUERAS MED OP-FÖRSTÄRKARE Bekant från matematiken: hastighet v=ds/dt acceleration a=dv/dt Hastighet kan mätas genom att derivera värdet från en lägesgivare Hastighet kan mätas genom att integrera accelerationen Se boken för kopplingar