Czujniki pomiarowe.

Budowa i zasada działania

Koło Naukowe PiN

Jarosław Sieracki

2

Abstrakt

Pomiar temperatury

Pomiar przyśpieszenia

Rodzaje czujników, sposób sterowania, zakres

pomiarowy i przeznaczenie

3

Pomiar temperatury

W zależności od zakresu temperatur możliwość użycia:

Zintegrowanych scalonych, półprzewodnikowych czujników
temperatury (-55÷ 150 °C)

Termopar (-200÷ 1600 °C)

Czujników rezystancyjnych typu Pt 100

Termistorów (-55÷450 °C)

Parametry:

Czułość (najlepsze rezystancyjne 10

-4

°C)

Bezwładność (najlepsze termopary 0.1s, 10µs)

Stałość charakterystyk temperaturowych (najlepsze rezystancyjne)

Temperaturowy zakres pracy

4

Pomiar temperatury

Termopara

Zjawisko termo-elektryczne

Polega na powstawaniu siły

elektromotorycznej w obwodzie

złożonym z dwóch
przewodników, których
spojenia maja różne
temperatury (różna
koncentracja swobodnych
nośników ładunków
elektrycznych w obu spojeniach
oraz różna praca wyjścia.
SEM jest proporcjonalna do
różnicy temperatur obu złącz.

5

Pomiar temperatury - termopara

•

nie potrzebują zasilania

• tanie
• wytrzymałe, odporne na drgania i inne

zakłócenia mechaniczne

• szeroki zakres temperatur (do 1800°C )
• dostępne w różnych formach
• mogą stykać się bezpośrednio z

badanym obiektem

• mogą mieć bardzo małe wymiary –

krótki czas odpowiedzi

ZALETY

6

Pomiar temperatury - termopara

• niski sygnał wyjściowy
• niezbędny dodatkowy czujnik,

mierzący temperaturę zimnych
końców

• nie stabilne (nieliniowe)
• dokładność różna między

egzemplarzami

WADY

7

Pomiar temperatury

Czujnik rezystancyjny (termorezystor RTD)

Termorezystory wykonuje się z materiałów,
których opór właściwy rośnie liniowo w funkcji
temperatury (w ograniczonym zakresie
temperatur):

ρ

t

= ρ

0

[1 + α (t – t

0

)]

Gdzie:

α (1/°C) – współczynnik temperaturowy

8

Pomiar temperatury - RTD

Wysoki współczynnik temperaturowy. Przetwornik: spirala lub

trawiona folia.

Tańsze niż Ni

–46°C to

343°C

0.0051 Ω/Ω/°C

Ni/Fe

(70/30)

Najbardziej liniowa charakterystyka, lecz mały zakres

temperatur. Bardzo niska oporność – potrzebny długi drut do

stworzenia przetwornika (spirala lub trawiona folia).

Stosowane rzadko, gdy uzwojenie i tak istnieje np. w

silnikach i generatorach

–73°C to

149°C

0.0043 Ω/Ω/°C

Cu

Najwyższy współczynnik temperaturowy (najwyższy sygnał),

gorsza stabilność niż Pt. Po przekroczeniu punktu Curie (352°C)

nieprzewidywalna histereza. Spiralny przetwornik.

Tani – klimatyzacja, sprzęt AGD

–40°C to

300°C

0.0067 Ω/Ω/°C

Ni

Najlepsza dokładność i stabilność, liniowa charakterystyka,

najszerszy zakres temperatur, duża oporność: dostępne w wersjach

100Ω 200Ω 500Ω 1000Ω przy 0°C (Pt100 Pt1000); niewielka ilość

potrzebna na czujnik.

Stosowany najczęściej w laboratoriach i przemyśle.

–200°C to

850°C

0.00385–

0.003923 Ω/Ω/°C

Pt

opis

zakres

temperatur

współczynnik

temperaturowy

mat.

9

Pomiar temperatury - RTD

Przetworniki RDT nie mogą być używane
„luzem” – są zbyt delikatne. Są zwykle
zabudowane w osłonie – najczęściej jest to
rurka o średnicy 3-15 mm, i długości 250-
1000 mm wypełniona smarem
przewodzącym ciepło i tłumiącym drgania

Trzy podstawowe konstrukcje czujników RTD:
• spirala na rdzeniu
• spirala w otworze
• film (cienka warstwa)

10

Pomiar temperatury - RTD

• dokładne, powtarzalne, stabilne
• szeroki zakres temperatur
• silny sygnał wyjściowy
• niewielki koszt okablowania
• uśrednianie temperatury z pewnego

obszaru

• zunifikowane między dostawcami
• szeroki asortyment obudów

ZALETY

11

Pomiar temperatury - RTD

• drogie (zwłaszcza platynowe)
• wymagają zasilania
• mały opór
• niewielka czułość (0.4 Ω/°C )
• prądy pasożytnicze
• połączenie czterema kablami
• samo-nagrzewanie
• długi czas odpowiedzi

WADY

12

Pomiar temperatury

Termistor (Thermally sensitive resistor)

Półprzewodnik wykonany ze sprasowanych,
spieczonych tlenków metali, w postaci małego
koralika, dysku lub w innym kształcie, pokryty
tworzywem lub szkłem.
Podobnie jak w termorezystorach, ich opór
zależy od temperatury.

13

Pomiar temperatury - termistor

Są dwa rodzaje termistorów:
• o ujemnym współczynniku

temperaturowym ( NTC – negative
temperature coefficient), których opór
maleje z temperaturą silnie nieliniowo

• o dodatnim współczynniku

temperaturowym ( PTC – positive
temperature coefficient), których opór
rośnie proporcjonalnie do temperatury

14

Pomiar temperatury - termistor

• opór 2252Ω÷10000Ω przy 25 °C
• termistor 5000Ω ma współczynnik

temperaturowy ok. 200Ω/°C czyli bardzo
wysoki (Pt 100: 0.4 Ω/°C !)

• mogą pracować do ok. 300°C
• często montowane w stalowych obudowach

ochronnych, wypełnionych smarem

15

Pomiar temperatury - termistor

• niski koszt (bez obudowy)
• wysoki opór
• opór przewodów ma pomijalny wpływ
• wystarczy połączenie

dwuprzewodowe

• wysoka dokładność i stabilność

(0.1 °C)

• wysoka czułość
• niewielkie wymiary
• niska masa termiczna
• pomiary punktowe
• niski czas odpowiedzi

ZALETY

• nieliniowość (zwłaszcza NTC)
• kłopotliwa zamienność między

producentami

• niewielkie natężenie prądu zasilającego+

wysoki opór = silne samo-nagrzewanie

• niewielki zakres ze względu na

temperaturę topnienia lutu
(współcześnie pojawiają się luty

wysokotemperaturowe)

WADY

16

Pomiar temperatury

Czujniki cyfrowe

17

Pomiar temperatury – IC

Wytwarzane jak inne obwody scalone
(mikroprocesory)

Dostępne u różnych dostawców – zupełna
dowolność, brak unifikacji

Liniowe wyjście (linearyzacja wewnątrz),
małe wymiary, ograniczony zakres
temperatur (- 40÷150°C - krzem)

Dostępne z wyjściem napięciowym,
prądowym lub cyfrowym

Tanie, ale delikatne. Najchętniej stosowane
do pomiaru temperatury urządzeń
elektronicznych i ich otoczenia

18

Pomiar temperatury – IC

19

Pomiar temperatury – IC

20

Pomiar temperatury – IC

21

Pomiar temperatury – podsumowanie

22

Pomiar temperatury – podsumowanie

23

Pomiar przyśpieszenia

Akcelerometry

Elementy do pomiaru przyśpieszeń,

prędkości i pozycji obiektów ruchomych

24

Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry

Parametry pracy:

• zasilanie: 2.7 ÷ 5.25 VDC,
• rodzaj sygnału na wyjściu: napięciowy w skali V/g

(np. 250mV/g ÷ 1.5 V/g), PWM,

• pasmo przenoszenia 1÷10 kHz,
• rozdzielczość: 2 mg,
• wytrzymałość na wstrząsy około 1000 g,
• maksymalny prąd wyjściowy (typ. 50 ÷ 100 µA),
• zakres pracy: ±5 g, ±50 g itp..

Układ łączy w sobie mikromechaniczny
układ czujnika z elektroniką przetwarzającą
sygnał z czujnika.

25

Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry

Rodzina ADXL firmy

Analag Devices

Rodzina MMA firmy

Freescale (Motorola)

26

Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry

• Selectable Sensitivity (1.5g/2g/4g/6g)
• Low Current Consumption: 500 µA
• Sleep Mode: 3 µA
• Low Voltage Operation: 2.2 V . 3.6 V
• 6mm x 6mm x 1.45mm QFN
• High Sensitivity (800 mV/g @1.5 g)
• Fast Turn On Time
• High Sensitivity (1.5 g)
• Integral Signal Conditioning with Low Pass
Filter
• Robust Design, High Shocks Survivability
• Pb-Free Terminations
• Environmentally Preferred Package
• Low Cost

MMA7260Q

27

Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry

ADXL202

•2-Axis Acceleration Sensor on a Single IC Chip
•Measures Static Acceleration as Well as Dynamic

Acceleration

•Duty Cycle Output with User Adjustable Period
•Low Power <0.6 mA
•Faster Response than Electrolytic, Mercury or

Thermal Tilt Sensors

•Bandwidth Adjustment with a Single Capacitor
Per

Axis

•5 m g Resolution at 60 Hz Bandwidth
•+3 V to +5.25 V Single Supply Operation
•1000 g Shock Survival

28

Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry

Zastosowania

•HDD MP3 Player: Freefall Detection
•Laptop PC: Freefall Detection, Anti-Theft
•Cell Phone: Image Stability, Text Scroll, Motion

Dialing, E-Compass

•Pedometer: Motion Sensing
•PDA: Text Scroll
•Navigation and Dead Reckoning: E-Compass

Tilt Compensation

•Gaming: Tilt and Motion Sensing, Event

Recorder

•Robotics: Motion Sensing
•Inertial Navigation
•Seismic Monitoring
•Vehicle Security Systems

29

Bibliografia

Noty katalogowe

Safa Kasap

THERMOELECTRIC EFFECTS IN METALS: THERMOCOUPLES

O. Gassmann, H. Meixner

SENSORS IN INTELLIGENT BUILDINGS

Thomas R. Kurfess

ROBOTICS AND AUTOMATION HANDBOOK

John G. Webster

MEASUREMENT, INSTRUMENTATIONS AND SENSORS

HANDBOOK CRCnetBASE 1999

30

Koniec … (cdn.)

Dziękuję za uwagę