Politechnika Rzeszowska Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych	L/G/Cw 2/1/1	1 Tomasz Pachołek kierownik 2......................................... 3......................................... 4.........................................	Data 27.02.2016
Laboratorium Technika sensorowa
CZUJNIKI WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH POMIARY	Nr ćwicz.		Ocena
	1

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie przykładów konstrukcji i zastosowania wybranych czujników wielkości nieelektrycznych, wpływu czujnika na charakterystyki toru pomiarowego, a także sposobu opisu właściwości metrologicznych czujników temperatury.

Zagadnienia

1. Klasyfikacja czujników pomiarowych.

2. Charakterystyki opisujące statyczne właściwości czujników.

3. Charakterystyki opisujące właściwości dynamiczne czujników.

4. Wpływ charakterystyk czujnika na wypadkowe charakterystyki metrologiczne toru pomiarowego.

5. Czujniki parametryczne (R,L,C) - zasada działania, przykłady konstrukcji i zastosowań.

6. Czujniki generacyjne - zasada działania, przykłady konstrukcji i zastosowań.

Podział czujników ze względu na:

• Zasadę działania (generowany sygnał):

  • generacyjne - to takie które wytwarzają sygnał elektryczny możliwy do bezpośredniego pomiaru (prąd, napięcie)

  • parametryczne - to takie których parametr elektryczny zależy od mierzonej wielkości fizycznej, ale by otrzymać sygnał elektryczny możliwy do bezpośredniego pomiaru musimy wbudować je w odpowiedni elektroniczny układ kondycjonujący

• Przetwarzaną wielkość wejściową:

  • Czujniki do pomiaru wielkości mechanicznych - Pomiary wielkości takich jak położenia, odkształcenie, ciśnienia, siły, naprężenia, a nawet przyspieszenie są ściśle ze sobą związane. Pomiar jednej z tych wielkości umożliwia wyznaczenie innej poprzez analizę właściwości odpowiedniego układu mechanicznego. Przykładowe czujniki tego typu: tensometr, czujnik indukcyjny, czujnik Halla.

  • Czujniki do pomiaru wielkości cieplnych - Działanie czujnika można podzielić na trzy związane ze sobą fazy: zamiana energii dostarczanej do czujnika na strumień ciepła w strukturze, odczytanie różnicy temperatur wywołanej przez strumień cieplny, zamiana różnicy temperatur na sygnał elektryczny przy pomocy przetworników termoelektrycznych. Czujniki do pomiaru wielkości cieplnych możemy podzielić na dwie grupy: czujniki rezystancyjne, czujniki termoelektryczne.

  • Czujniki do pomiaru wielkości chemicznych

• Liniowość:

  • liniowe - czułość jest parametrem stałym

  • nieliniowe - czułość jest parametrem zmiennym

Czujniki dostępne w laboratorium:

• Czujniki prędkości:

  • indukcyjnościowy,

  • kontaktronowy,

  • komutatorowy,

  • fotoelektryczny,

  • stroboskopowy,

  • reluktancyjny.

• Czujniki chemiczne:

  • sonda pneumatyczna,

  • półprzewodnikowy czujnik do stężenia butanu,

  • stężenia alkoholu i cukru we krwi.

  • czujniki pH

• Czujniki temperatury:

  • termopara ,

  • pirometr

  • bimetaliczne

  • czujniki: tensometryczne,

  • pojemnościowe,

  • rezystancyjne,

  • pt100,

  • miedziany Cu

Pirometr

To przyrząd pomiarowy służący do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała.

Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego.

Proste pirometry mierzą ilość energii emitowanej poprzez pomiar temperatury elementu, na który pada promieniowanie. Do pomiaru temperatur powyżej 600 °C używane są pirometry optyczne, w których jasność świecenia badanego obiektu jest porównywana z jasnością obiektu wzorcowego (np. żarnika).

W pirometrach najwyższej klasy mierzących w zakresie niskich temperatur stosuje się optykę zwierciadlaną, podobną do stosowanej w aparatach fotograficznych. W pirometrach, w których zastosowano optykę zwierciadlaną, nakierowanie pirometru na pole pomiarowe odbywa się w taki sam sposób, jak w tradycyjnych aparatach fotograficznych - operator przez okienko widzi obiekt. W niektórych rozwiązaniach na czas pomiaru włącza się wskaźnik laserowy. Problem z właściwym ustawieniem pirometru nie występuje w pirometrach światłowodowych, w których promieniowanie wnika do światłowodu przy powierzchni promieniującej.

W pirometrach stosuje się dwie grupy detektorów: termiczne i fotoelektryczne

.

Zalety pomiaru pirometrem:

• nie wpływa na temperaturę obiektu mierzonego

• pozwala na pomiar przy braku możliwości podejścia do źródła ciepła

• umożliwia pomiar substancji szkodliwych, wybuchowych

• szeroki zakres pomiarowy – możliwość pomiaru bardzo wysokich temperatur

Wady pomiaru pirometrem:

• umożliwia pomiar tylko powierzchni obiektu – nie da się nim zbadać temperatury cieczy wewnątrz zamkniętego zbiornika

• pomiar silnie zależy od emisyjności cieplnej badanego obiektu

Budowa pirometru

Pirometr składa się z:

• systemu optycznego,

• detektora

• układu pomiarowego z wyświetlaczem.

Zadaniem systemu optycznego jest skupić promieniowanie emitowane z badanej

powierzchni na detektorze. Zadaniem detektora jest przetworzyć padające promieniowanie na

elektryczny (np. na napięcie) sygnał użyteczny. Układ pomiarowy przetwarza sygnał

elektryczny na wskazania wielkości mierzonej.

Rysunek 1 Schemat budowy pirometru

Rysunek 2 Pomiar temperatury za pomocą pirometru

Typy pirometrów ze względu na zakres wykorzystywanego widma:

• pirometry całkowitego promieniowania (radiacyjne): detektor jest czuły na bardzo szeroki zakres promieniowania – reaguje na sygnał będący sumą promieniowania o różnych długościach fal (teoretycznie od 0 do ∞).

To proste urządzenia, czułe w zakresie od 0.3 µm do 2.5 – 20 µm. Zakres czułości określa jakość układu optycznego (zwykłe szkło przepuszcza promieniowanie do 2.5 µm, szkło kwarcowe do 4 µm, kryształy fluorku potasu do 10 µm, siarczek cynku w zakresie 8-14 µm). Wskazania zależą od emisyjności promieniującej powierzchni

• pirometry pasmowe: detektor reaguje na promieniowanie z wybranego zakresu (pasma) λ 1 –λ 2 . Odpowiada to polu powierzchni pod jedną z krzywych na rysunku poniżej, ale tylko z zakresu λ 1 –λ 2.
  Filtry ograniczają promieniowanie padające na detektor do fal z określonego wąskiego zakresu ∆λ. Odpowiedni dobór zakresu pozwala na wyeliminowanie zakłóceń powodowanych np. parą wodną lub dwutlenkiem węgla.

• pirometry barwowe (chomatyczne): jednobarwowe (monochromatyczne), dwubarwowe (bichromatyczne), trójbarwowe (trichromatyczne) i wielobarwowe.

Pirometry wielobarwowe: pozwalają na dokładną analizę temperatury powierzchni przy

braku wstępnej informacji o emisyjności tej powierzchni. W skład tego typu mierników

wchodzi układ podziału wiązki padającego promieniowania na sygnały odpowiadające

mierzonym zakresom ∆λ, układ równolegle działających detektorów dla pomiaru tych

sygnałów oraz układ obliczeniowy którego zadaniem jest wyznaczyć mierzona temperaturę.

Pirometry optyczne to podgrupa pirometrów jednobarwowych. Działanie ich polega na

porównaniu przez obserwatora promieniowania (dokładniej jaskrawości) powierzchni obiektu

z promieniowaniem (jaskrawością) wzorcowym. Długość fali dla której przeprowadzane jest

porównanie leŜy w zakresie promieniowania widzialnego lub w bliskiej podczerwieni.

Typowa wartość to λ=0.65 µm. Typowe zakresy mierzonej temperatury to (900-3000)°C,

przy dokładnościach 1-2% zakresu pomiarowego.

Zastosowanie pirometrów:

• pomiar temperatury substancji niebezpiecznych – wybuchowych łatwopalnych

• pomiar temperatury na odległość – w miejscach gdzie nie można podejść do obiektu

• przy pomiarach gdzie wymagane jest brak wpływu przyrządu mierzącego na obiekt badany

• przy pomiarach emisyjności promieniowania cieplnego obiektu

• pomiar bardzo wysokich temperatur

Rysunek 3 Zależność monochromatycznej emitancji energetycznej mcc ciała czarnego od długości fali λ wg Plancka.

Wnioski

Były to nasze pierwsze zajęcia laboratoryjne których zadanie było zapoznanie studentów z zawartością aparatury będącej w laboratorium oraz opracowanie teoretycznego opisu jednego z sensorów. Z opracowania teoretycznego możemy wywnioskować że każdy rodzaj pomiaru nadaje się do innych celów.