Notatka Wykład - Część III - PDF

**Informacje ogólne - wprowadzenie** **Przetwornik** Element czujnika przekształcający jedną wielkość fizyczną jak temperatura, siła, ciśnienie, prędkość itd., na inną, najczęściej elektryczną jak napięcie, zmiany rezystancji, powstawanie ładunku elektrycznego, przepływ prądu Obraz zawierający te...

**Informacje ogólne - wprowadzenie** **Przetwornik** Element czujnika przekształcający jedną wielkość fizyczną jak temperatura, siła, ciśnienie, prędkość itd., na inną, najczęściej elektryczną jak napięcie, zmiany rezystancji, powstawanie ładunku elektrycznego, przepływ prądu Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, Czcionka, linia Opis wygenerowany automatycznie **Czujnik** Urządzenie, zawierające obudowany przetwornik, przewody odprowadzające sygnał, układy elektroniczne odpowiedzialne za konwersję i wzmacnianie sygnałów elektrycznych, linearyzację, itp.  **Klasyfikacja czujników** Podział ze względu na **rodzaj mierzonych sygnałów i form energii** przetwarzanej przez nie: Mechaniczne Termiczne (energia kinetyczna atomów lub cząsteczek) Elektryczne Magnetyczne Radiacyjne (włączając fale elektromagnetyczne, mikrofale) Chemiczne Podział ze względu na **sposób dostarczania energii:** **Generacyjne** - Powstawanie ładunku elektrycznego lub siły elektromotorycznej w wyniku zjawiska piezoelektrycznego, fotoelektrycznego, termoelektrycznego, elektrochemicznego lub szumów cieplnych - np. akcelerometr piezoelektryczny, termopara **Parametryczne** -- Zmiany wielkości elektrycznej: oporności, indukcyjności pojemności lub wielkości bezpośrednio z nimi związanych takich jak: tłumienie, sprzężenie elektromagnetyczne, częstotliwość rezonansowa --np. akcelerometr piezorezystancyjny , termistor Podział ze względu na **technologię**: Konwencjonalne Grubowarstwowe Cienkowarstwowe Półprzewodnikowe Podział ze względu na **sposób przetwarzania sygnału**: Elektroniczne Optyczne Podział ze względu na **rodzaj sygnału wyjściowego**: **Analogowe** -- napięciowe (np. 0-5V, 0-10V) -- prądowe (np. 4-20 mA) **Cyfrowe** -- standardy poziomów logicznych (np. TTL, CMOS,...) -- interfejsy komunikacyjne (np. RS232, RS485, SPI, I2C,...) Podział ze względu na **zjawisko wykorzystane w przetwarzaniu**: Piezoelektryczne Piezorezystywne Magnetosprężyste Magnetorezystancyjne Termoelektryczne Polarymetryczne Fotoelektryczne Piroelektryczne Halla Indukcji magnetycznej... **Specyfikacja czujników** **Czułość** **stosunek zmiany sygnału wyjściowego do zmiany wielkości mierzonej**. Czułość odnosi się do zdolności urządzenia pomiarowego do reagowania na zmianę mierzonej wielkości. W kontekście pomiarów, czułość definiuje się jako stosunek zmiany sygnału wyjściowego do zmiany wielkości wejściowej (mierzonej): Obraz zawierający tekst, Wykres, diagram, linia Opis wygenerowany automatycznie Wyższa czułość oznacza, że nawet niewielkie zmiany w wielkości wejściowej powodują zauważalną zmianę w sygnale wyjściowym. \- **Dokładność** - różnica między wynikiem pomiaru a wartością rzeczywistą mierzonej wielkości - Odnosi się do stopnia zgodności wyniku pomiaru z prawdziwą wartością zmierzonej wielkości (jak blikso pomiaru jest wynik rzeczywistej wartości). - Dokładność ocenia błąd systematycznych pomiaru, czyli błąd, który występuje w sposób stały lub powtarzający się w danym zestawie pomiarów. - Wyraża się w formie błędu względnego lub procentowego. Im mniejszy błąd względny, tym pomiar jest bardziej dokładny. \- **Powtarzalność** -- (precyzja) zdolność czujnika do wskazywania tej samej wartości sygnału wyjściowego przy kolejnych powtórzeniach wartości mierzonej - Odnosi się do stopnia powtarzalności lub jednorodności wyników pomiarów. Oznacza, jak blisko siebie znajdują się różne pomiary wykonane przy użyciu tego samego narzędzia lub metody. - Ocenia się błąd losowy, czyli zmienność wyników pomiarów, które różnią się od siebie w wyniku różnych czynników, takich jak zakłócenia, fluktuacje itp. - Wyraża się zazwyczaj za pomocą odchylenia standardowego lub wariancji. Im mniejsze odchylenie standardowe, tym pomiar jest bardziej precyzyjny. \- **Rozdzielczość** - najmniejsza zmiana wielkości mierzonej, która może być wykryta w sygnale wyjściowym - Odnosi się do najmniejszej zmiany w danej wielkości, jaką może wykryć lub pokazać przyrządu pomiarowy. Jest to najmniejsza jednostka, którą można zarejestrować na skali pomiarowej. - Wartość rozdzielczości pomiaru określa, jak dokładnie można odczytywać lub wyświetlać wyniki pomiarów. Im wyższa rozdzielczość, tym rozdzielczość, tym możliwość dokładniejszego odczytu wyników. ![Mikrokontroler.pl -- portal dla elektroników » \[1\] Pomiary z wysoką rozdzielczością przy użyciu oscyloskopów R&S RTO](media/image4.png) **Zakres pomiarowy** przedział wartości, w którym dane urządzenie pomiarowe jest w stanie mierzyć wielkość fizyczną z określoną dokładnością. Składa się z: - **Dolnej granicy zakresu** -- najmniejszej wartości, którą urządzenie może dokładnie zmierzyć. - **Górnej granicy zakresu** -- największej wartości, którą urządzenie może dokładnie zmierzyć. Przykład: jeśli czujnik temperatury ma zakres od -50°C do 150°C, to jest to jego zakres pomiarowy. **Błąd histerezy i nieliniowość** Obraz zawierający tekst, Wykres, linia, numer Opis wygenerowany automatycznie Histereza to różnica między wskazaniami urządzenia pomiarowego podczas zwiększania a zmniejszania mierzonej wielkości. Błędy histerezy wynikają z właściwości materiałowych, mechanicznych lub dynamicznych układu pomiarowego. Definicja błędu histerezy:' \ [*Błąd* *histerezy* = *Y*~*rośnie*~ − *Y*~maleje~]{.math.display}\ Histereza jest często istotna w układach, gdzie mamy do czynienia z elementami sprężystymi, magnetycznymi lub cieczami. Nieliniowość to odchylenie rzeczywistej charakterystyki urządzenia pomiarowego od charakterystyki idealnej (zwykle liniowej). Błąd nieliniowości można wyrazić jako różnicę między wartością rzeczywistą a teoretyczną (liniową): \ [*Błąd* *nieliniowości* = *Y*~rzeczywiste~ − *Y*~teoretyczne~]{.math.display}\ Nieliniowość jest często wyrażana jako procent maksymalnego zakresu pomiarowego i może wpływać na dokładność pomiarów w systemach wymagających precyzyjnych wyników. Obraz zawierający tekst, linia, Wykres, zrzut ekranu Opis wygenerowany automatycznie  **Czas odpowiedzi** Obraz zawierający tekst, linia, diagram, Wykres Opis wygenerowany automatycznie Czas odpowiedzi to czas, jaki potrzebuje urządzenie pomiarowe, aby zareagować na zmianę mierzonej wielkości i osiągnąć nowy stan równowagi lub ustalony poziom sygnału wyjściowego. W praktyce określa się go jako czas potrzebny do osiągnięcia określonego procentu wartości końcowej, np. 90% lub 95% odpowiedzi. Czas odpowiedzi zależy od: - właściwości dynamicznych urządzenia, - tłumienia i bezwładności układu, - charakterystyki wielkości mierzonej. **Przykład:** Czujnik temperatury może potrzebować 5 sekund, aby zmierzyć 90% zmiany temperatury z 25°C na 50°C -- to jest jego czas odpowiedzi. **Wymagania techniczne** Czułość Selektywność Liniowość funkcji przetwarzania Szeroki zakres sygnału wejściowego Powtarzalność Stabilność Odporność na wpływ otoczenia Kompatybilność EM Kompatybilność z systemami pomiarowymi/automatyki Cena Żywotność **Czujniki temperatury** **Klasyfikacja czujników temperatury.** Współczesne przyrządy do pomiarów temperatury oparte są na elektrycznych przetwornikach temperatury. W tego typu przetwornikach w wyniku zmiany temp. obserwowane mogą być zmiany ich parametrów, najczęściej rezystancji, lub zmiany generowanego napięcia w wypadku czujników generacyjnych, takich jak termopary.  Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, diagram, Czcionka Opis wygenerowany automatycznie **Zakresy stosowalności**  **Konstrukcja i własności rezystancyjnych czujników temperatury (RTD)** Rezystancyjne czujniki temperatury (Resistive Temperature Detector) to elementy charakteryzujące się liniową (w pobliżu temp. pokojowej) zależnością rezystancji od temperatury. Materiałem wykorzystanym na element przetwornikowy są metale, dla których zmiana rezystywności od temperatury może zostać opisana zależnością [*ρ* = *ρ*~0~(1+*αT*)]{.math.inline}, gdzie [*α*]{.math.inline} to temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR). Dla metali wykorzystywanych do konstrukcji tego typu czujników takich jak Pt i Ni wartości TWR wynoszą odpowiednio 3920 i 6810 [\$\\frac{\\text{ppm}}{{\^\\circ}C}\$]{.math.inline}. Czujniki wykonane z Pt mogą pracować w zakresie temperatury -200 do 1000[^∘^*C*]{.math.inline}, natomiast oparte na Ni w zakresie -100 do 300[^∘^*C*]{.math.inline}. Najczęściej spotykanymi czujnikami typu RTD są elementy o oznaczeniu Pt100, Pt500 i Pt1000, Ni100, Ni1000, dla których wskazana liczba oznacza rezystancję czujnika w temperaturze [0^∘^*C*]{.math.inline}. Zależność R-f(T) dla tego typu czujników są znormalizowane i opisane w postaci wielomianów oraz w postaci stabelaryzowanej. Czujniki takie są wytwarzane w postaci klasycznej (drutowej) lub warstwowej. Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, Czcionka, numer Opis wygenerowany automatycznie **Względna zmiana rezystancji w funkcji temperatury RTD**  **Rezystywność metali** \- rozpraszanie elektronów na jonach sieci krystalicznej, granicach warstwy, granicach ziaren, domieszkach, defektach \ [*ρ* = *ρ*~*f*~ + *ρ*~gw~ + *ρ*~gz~ + *ρ*~*d*~ + *ρ*~df~]{.math.display}\ \- drgania sieci krystalicznej (fonony) -- największy wkład w zależność [*ρ*]{.math.inline} od temperatury \ [\$\$\\alpha = TWR = \\frac{1}{\\rho}\\frac{d\\rho\_{f}}{\\text{dT}}\$\$]{.math.display}\ \- zależność liniowa -- stosowana w niewielkim zakresie temperatury \- zależności wielomianowe w pełnym zakresie temperatury: \ [*R*(*T*) = *R*~0~(1+*a*~1~*T*+*a*~2~*T*^2^+*a*~3~*T*^3^+...)]{.math.display}\ Np. PT100 (100 [*Ω*]{.math.inline} dla T = [0^∘^*C*]{.math.inline}): a1= 3.9083⋅10−3 a2= −5.7750⋅10−7 a3= −4.1830⋅10−12 dla T\< 0°C lub a3=0.0 dla T≥0°C Najpopularniejsze czujniki RTD: Pt100, Pt500, Pt1000. **Tabela rezystancji dla Pt100** Obraz zawierający tekst, czarne i białe, krzyżówka, numer Opis wygenerowany automatycznie **RTD -- Konstrukcja** a\) Klasyczne: drutowe b\) Warstwowe: \- cienkowarstwowe \- grubowarstwowe Obraz zawierający szkic, tekst, rysowanie, Materiały biurowe Opis wygenerowany automatycznie **Technologia cienkowarstwowa** Obraz zawierający tekst, linia, zrzut ekranu, paragon Opis wygenerowany automatycznie **Technologia grubowarstwowa** **a) Technika sitodruku:** Rezystancja powierzchniowa typowej pasty Pt (9141 DuPont): 60-100 mΩ/kw Minimalna szerokość ścieżki: 100 μm 100 Ω/ 0,1 Ω/kw = 1000 kw Długość ścieżki = 1000 \*0,1 mm = 100 mm = 10 cm !!! Rezystancja powierzchniowa pasty Pt metaloorganicznej (5051, ESL): 3-4 Ω/kw Minimalna szerokość ścieżki: 100 μm 100 Ω/3 Ω/kw = 33,3 kw Długość ścieżki = 33,3 \*0,1 mm = 3,3 mm b\) **Technika past światłoczułych -- ścieżki o szerokości \>25μm** c\) **Fotolitografia +trawienie** d\) **Mikroobróbka laserowa warstwy drukowanej ścieżki o szerokości \>25μm** **Konfiguracja wyprowadzeń Pt100**  **Klasy dokładności czujników platynowych** Obraz zawierający linia, diagram, Wykres Opis wygenerowany automatycznie **Zalety:** Bardzo powtarzalne i dokładne Szeroki zakres temperatury Bardzo stabilne w czasie Układy pomiarowe prostsze niż w wypadku termopar Liniowość w szerokim zakresie Możliwość stosowania standardowego okablowania **Wady:** Wyższy koszt w porównaniu do termistorów i termopar Zjawisko samopodgrzewania w trakcie pomiaru rezystancji Większy rozmiar w porównaniu z termistorem i termoparą **Rodzaje i parametry termistorów.** Termistory to elementy rezystancyjne charakteryzujące się dużym (co do wartości bezwzględnej) temperaturowym współczynnikiem rezystancji. Charakterystyka R=f(T) zazwyczaj ma przebieg nieliniowy. W zależności od przebiegu charakterystyki R=f(T) i znaku [\$\\alpha = R\^{- 1}\\frac{\\text{dR}}{\\text{dT}}\\ \$]{.math.inline}rozróżnia się termistory: \- **NTC (Negative Temperature Coefficient)** tj. o ujemnym temperaturowym współczynniki rezystancji ([Mn*O*~2~, *NiO*, *CoO*, *Al*~2~*O*~3~, *Fe*~3~*O*~4~, *CuO*, *Li*~2~*O*]{.math.inline}) \- **CTR (Critical Temperature Coefficient)**, tj. o skoku rezystywności ([BaTi*O*~3~, *SrTiO*~3~]{.math.inline}) \- **PTC (Positive Temperature Coefficient)** inaczej pozystor, tj. element o dodatnim temperaturowym współczynniku rezystancji. ([Ti*O*~2~, *VO*~2~)]{.math.inline} Przebiegi charakterystyk materiałów termistorowych porównano na rys. 1. Dla termistora NTC uzyskuje się przebieg liniowy charakterystyki In R=f(1/T), dla której współczynnik kierunkowy uzyskanej prostej o tzw. stała termistorowa [*β*]{.math.inline}. Materiałami stosowanymi do wytwarzania termistorów NTC i CTR są tlenki odpowiednich metali o charakterze półprzewodnikowym, natomiast dla PTC typowo stosuje się tytanian baru lub tytanian strontu. Parametrami opisującymi termistory są rezystancja znamionowa, charakterystyki rezystancyjno-temperaturowa, mocowo-temperaturowa, napięciowo-prądowa, rezystancyjno-mocowa, współczynnik strat oraz cieplna stała czasowa.  Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, diagram, linia Opis wygenerowany automatycznie **Termistor PTC** Charakterystyka R(t) W określonym wąskim przedziale temperatury [*T*~1~ \ Rh \> Ru \> Pt \- Katalizatory tlenkowe: Cu \> Cr \> Mn \> Fe\> La \> Co \> Ni \> Al \- Pd - najbardziej aktywny katalizator -\> zapoczątkowanie reakcji spalania metanu następuje w ok. 250--270 °C \- Pełne spalenie mieszanki zawierającej 2% metanu w powietrzu w temp. około 550 °C Przy większych stężeniach gazu wydzielane ciepło powoduje znaczący wzrost temperatury **Zaleta spalania katalitycznego (bezpłomieniowego)** \- Ograniczenie emisji tlenków azotu do atmosfery: \- spalanie katalityczne: temperatura poniżej 1400 °C - \> emisja NOx \~ 1-5 ppm \- spalanie płomieniowe: temperatura około 1800 °C - \> emisja NOx \~ 160 ppm **Rodzaje katalitycznych czujników gazów:** 1\. Czujnik z gorącym włóknem 2\. Pellistor **Pellistor** Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, diagram, design Opis wygenerowany automatycznie **Zatrucie katalizatora** - trwałe obniżenie czułości lub całkowity brak odpowiedzi na obecność gazów w wyniku oddziaływanie wpływ niektórych związków -- zniszczenie katalizatora \- Silikony: oleje, smary \- Metale ciężkie i związki, np. tetraetyloołów **Inhibicja katalizatora** - tymczasowe obniżenie czułości lub całkowity brak odpowiedzi na obecność gazów w wyniku oddziaływanie wpływ niektórych związków -- możliwy powrót do stanu początkowego \- Związki siarki np. H2S \- Chlor \- Chlorowane węglowodory (chlorek metylu, chlorek winylu) \- Halogenki, freony \- Olefiny - styren, propylen, akrylonitryl Obraz zawierający tekst, linia, zrzut ekranu, Wykres Opis wygenerowany automatycznie **Uszkodzenie termiczne** - zniszczenie elementu w wyniku nawet krótkotrwałej ekspozycji na nadmierną koncentrację gazu \- wydzielenie dużych ilości ciepła \- całkowite uszkodzenie elementu detekcyjnego lub trwałe przesunięcie poziomu zerowego oraz zmiana czułości \- Długotrwała ekspozycja na stężenie powyżej 20% DGW powoduje szybkie zużywanie czujnika -- zmiana czułości i dryft zera **Wibracje** -- uszkodzenia mechaniczne \- uszkodzenie elementu detekcyjnego, kompensacyjnego \- widoczne w jako przesunięcie zera sensora **Gaz kalibracji a inne gazy - czułość** \- najczęściej kalibracja dla metanu w zakresie 0-100 % DGW \- w wyniku katalitycznego spalania metanu wzrost temperatury jest najwyższy pozostałych węglowodorów \- podawane są współczynniki korekcji dla innych gazów palnych Obraz zawierający linia, diagram, tekst, Wykres Opis wygenerowany automatycznie Czułość dla gazu kalibracyjnego oraz współczynniki korekcji obowiązują tylko dla takiego samego składu powietrza, jak podczas kalibracji \- Zwykle kalibracja przy standardowym składzie atmosfery, tj. przy zawartości tlenu około 21% \- Pomiary w innych warunkach -\> konieczna kalibracja Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, diagram, linia Opis wygenerowany automatycznie **Zalety:** \- Łatwy w instalacji, użyciu i kalibracji \- Ekonomiczny, o długiej żywotności i niskich kosztach wymiany \- Niezawodny \- Może być kalibrowany do gazów, takich jak wodór, których nie można wykryć za pomocą czujników w podczerwieni \- Nie jest wrażliwy optycznie i działa niezawodnie w zapylonym otoczeniu \- Bardziej niezawodne w wysokiej temperaturze \- Mało wrażliwy na wilgoć \- Wykrywa większość gazów węglowodorowych **Wady:** \- Nie są selektrywne \- Mogą stać się nieaktywne poprzez zanieczyszczenie niektórymi substancjami chemicznymi \- Jedynym sposobem testowania jest wystawienie ich na znaną koncentrację gazu i ponowna kalibracja w razie potrzeby \- Wymagają tlenu do działania \- Długa ekspozycja na skoncentrowane węglowodory może pogorszyć działanie \- W przypadku wysokiego stężenia gazu czujnik może ulec uszkodzeniu i wówczas wykazywać niski poziom lub brak sygnału