rzkelk s Mkdtetk I.

A hosszmrs, elmozdulsmrs szenzorai

1. Potenciomteres talaktk 2. Nylsmr blyeges talaktk 3. Induktv talaktk 4. Optoelektronikus talaktk 5. Kapacitv talaktk

A sebessg- s gyorsulsmrs szenzorai

1. Indukcis talaktk 2. rvnyramos talaktk 3. Piezoelektromos talaktk 4. Induktv talaktk

Az er-, nyomatk-, s nyomsmrs szenzorai

1. Nylsmr blyeges talaktk 2. Piezoelektromos talaktk 3. Kapacitv talaktk

A hmrsklet-, hmennyisg-mrs szenzorai

1. Bimetlok 2. Ellenlls-hmrk, termisztorok 3. Hmrskletmrs didval 4. Termoelemek

A fny (elektromgneses sugrzs), mgneses mez mrsnek szenzorai

1. Fotodidk 2. Fotellenllsok 3. Fottranzisztorok 4. Fnyelemek 5. Magnetorezisztv elemek 6. Hall elemek

1. A hosszmrs, elmozdulsmrs szenzorai

1.1. Potenciomteres talaktk

Alapegyenletek:

max

max

max

max

max

max

)(

aRR

a

sRRc

cscR

==

==

==

,

Terheletlenl lineris csak! A linearitst ront, lland ellenllsok

Terhels Vezetkek Ms ramkri elemek A modellezshez hasznlhat kapcsols:

R0Rx

Rvez2

Rvez2

Rvez1

Rvez1

Ube

UkiRt

Egyszer terhelssel (elhanyagolva a vezetkellenllsokat) a karakterisztika:

bextx

xtki uRRRR

RRu +=)( 0

Az talakt karakterisztikjnak vltozsa a terhel-ellenlls fggvnyben

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Rx[%]

Uki

/Ube

[]

Rt/Ro=0,1

Rt/Ro=0,5

Rt/Ro=1

Rt/Ro=5

Rt/Ro=10

Tpusaik: Rteg

Karakterisztika lehet (az ellenllsrteg vltoz vastagsgval rhet el) Lineris, Exponencilis, Logaritmikus

Specilis csoport a trimmer (bellt) potenciomter. Jellemz r a rosszabb minsg, ezrt rzke-lknt nemigen hasznlatos.

a

R Huzalos Nagyobb megbzhatsg Kisebb nvleges ellenlls-tartomny A jelleggrbjk azonban lpcszetes!

A lpcszetessg mrtke:

nRaRR

nS

2

21

max=

=

Mszertechnikban a leggyakoribb a heliklis potenciomter. (Cl az n nvelse volt.)

Higanyos gyrs potenciomter Gyakorlatilag nincs srlds (gyrs tvad)

Hibaforrsok: Srldsok, kopsok.

1.2. A nylsmr blyeg

Rugalmas deformcit mr ellenlls Anyaga: fmhuzal, vagy flvezet Hossz, keresztmetszet (tenzometrikus hats), s a fajlagos ellen-

lls (piezorezisztv hats) megvltozsn alapszik:

( ) ++= d21

RdR

Felttel: a huzal deformcija a rugalmassgi hatrn bell legyen Rendszerint tbb szlat alkalmazunk, mert egy szl meredeksge kicsi

s a mrs jel/zaj viszonya rossz (villamosan soros, deformci szempontjbl pedig prhuzamos kapcsol-sak)

Nylsmr alapegyenlete: ( ) kR

dR =++= 21 , ahol k: gauge faktor Huzalos blyegek: Nvleges ellenllsuk 120, (300), 350, 600, vagy 1000 Gauge faktor: 2..2,2 Linearits (fgg a terhelstl):

4000 -ig kb. 0,1% 25000 -ig kb. 1%

Mrhet legkisebb nyls: kb 0,1 lettartamuk: 106..107 Mrsi hmrsklettartomny: -10..+100..150 C

Flvezet blyegek: Hmrskletvltozsra rzkenyebbek. Nvleges ellenllsuk 120 Gauge faktor: 100..120 Linearits (fgg a terhelstl):

1000 -ig

Jelleggrbik:

fmszlas lineris flvezet nemlineris

RR

Jellegzetes hibk: Kszs; vagyis, hogy a blyeg milyen mrtkben fut egytt a mrtesttel. Ismtlsi, irnyvltsi hiba. Linearitsi hiba. Nullhelyzet hmrskletfggse.

Nhny tpus:

1.3. Az induktv tad Induktivits fgg a mgneskri ellenllstl:

mRNL

2

= , ahol: = AdsRm Rm vltoztathat:

Lgrs nagysgnak vltoztatsval Vasmagos tekercs induktivitsnak vltoztatsval (merlvasmagos) A relatv permeabilits vltoztatsval (magnetoelasztikus talakt)

Htrnyok: Relatve nagy tmeg s mret Nehz gyrthatsg Kisebb megbzhatsg Monolitikus integrlt ramkri technolgiba nem, hibrid ramkrbe is csak nehezen illeszthet. Hmrskletfggs:

Hdilatci kvetkeztben vltozik a tekercs geometrija, ellenllsa A geometria vltozsa miatt vltozik a menetkapacits is, ami a komplex vesztesggel s a jsgi t-

nyezvel is sszefgg. A mrkr vltakoz feszltsg. Jl bevlt feldolgoz ramkr a fzisdiszkrimintor. Ezekrl ksbb! Linearitsa fgg az elmozduls mrtktl.

Kis elmozduls: rosszabb felbontkpessg, meredeksg s rzsllsg. Nagy elmozduls: nagyobb szrt induktivits hatsa miatt rosszabb linearits.

Lehetnek: Tekercs

Egytekercses lgrsvltozsos (kis elmozduls)

Merlvasmagos (jellegzetes bemenjele: nagy elmozduls)

Kttekercses (differencil) tpusak

Transzformtor tpusak Elvileg az sszes kttekercses (differencil) tekercstpus talakt felhasznlhat transzformtortpus talaktknt, mivel a kztk lv klnbsg nem a felptskben, hanem a kapcsolstechnikjukban van. Leggyakrabban a differenciltranszformtoros talaktkat alkalmazzk, ahol a primer, vagy a szekun-der tekercset, esetleg mindkettt megosztjk.

Kzeltskapcsolk: a) Rsinicitor

b) Tvolsg-inicitor

Specilis rendeltets differencil-transzformtoros mrtalakt

1.4. Inductosyn Az inductosyn egy huzalozott plybl s csszkbl ll. A kt rsz kb. 0,1-0,15mm lgrssel van egyms-

tl elvlasztva.

A csszka kt tekercset tartalmaz. Ezek egymshoz kpest negyed osztssal el vannak tolva.

A plya (llrsz) tekercselst nhny kHz-es vltakoz feszltsggel gerjesztik. Ennek hatsra a csszka tekercseiben feszltsg indukldik, amely arnyos a csszka tekercsei s a plya tekercse kztti klcsns induktivitssal. Ez az induktivits pedig arnyos a csszka elmozdulsval. gy a kimen feszltsgek:

=

=

pxtkUu

pxtkUu

be

be

2cos)sin(2

2sin)sin(1

A fenti kpletekben:

k: konstans, a tekercsek kzti csatolssal arnyos p: tekercsels osztsa

A kpletekbl lthat, hogy az inductosyn kimeneti feszltsge szinuszosan vltozik egy osztson bell. Az osztsok szmllsra azonban ms eszkz szksges.

Az elrhet felolds: 2-3 m (szgmrsnl: 0,05)

1.5. Optoelektronikus talaktk Transzmisszis optokapu

Reflexis optokapu

Mindkt esetben LED-bl s fottranzisztorbl ll A LED-et, 20 mA rammal clszer terhelni, a kimenet a fototranzisztor kollektor-emitter feszltsge.

Az rzkenysg a kollektorkri munkaellenllssal llthat. rzkeny a porra, vltoz fnyviszonyokra. Gyakori a modullt fnyforrs hE = ,

c=

1.5.1. Fotodids talaktk Iker-fotodida Egy anyagbl kszl, ezrt j a termikus egyttfutsuk Pozcirzkelsre alkalmas

I II

pn n

x

x

IfI II

Kvadrns fotodida Leggyakoribb alkalmazsi terlete a CD fej szablyozsa

III

III IV

)()( IVIIIIIIy IIIII ++=

)()( IIIIIIVIx IIIII ++=

x

y

1.6. Kapacitv talaktk Tisztn kapacitv, vagy p-n tmenetes flvezetk. Elmozdulsmrsre a hagyomnyos, fmfegyverzetekbl

felplt kondenztorok alkalmasak. A fegyverzetek kzeltse, tvoltsa a kondenztor kapaci-

tst nveli, illetve cskkenti, mert:

lAC r 0=

2. A sebessg- s gyorsulsmrs szenzorai

2.1. Indukcis talaktk Aktv talaktk, nem tvesztendk ssze a passzv induktv talaktkkal! Feszltsget hoznak ltre, szem-

ben az induktv talaktkkal, amelyek a tpfeszltsget csak modulljk. Az induktv talaktk a nyugalmi indukcin, mg az indukcis talaktk legnagyobb rsze a mozgsi in-

dukcin alapszik. A mozgsi indukci: B indukcival jellemzett mgneses trben v sebessggel halad Q tltsre F er hat,

akkor is, ha B konstans. Ennek nagysga: sinQBvF =

EBvQF == sin

== BA

B

A

dsBvEdsU sin Elvileg az indukcis talaktk hrom nagyobb csoportja klnbztethet meg:

Ervonalmetszs: a B indukcij mgneses tr s a ve-zet (tekercs) egymshoz kpest elmozdul. Az a bra fix tekercset s az abba merl lland mg-nest tartalmaz talaktt mutat. A tekercsen mrhet fe-szltsg az ervonalmetszs sebessgvel arnyos.

A b bra az a brval elvileg teljesen azonos. A c bra lnyegben a b bra szgelfordulsra alkalmas vltozata. A d brn a gyakorlatban igen elterjedt vltram for-dulatszmmr elvi vzlata lthat. A sorosan kapcsolt llrsz-tekercsekben a tbbplus forgrsz forgsnak hatsra a fordulatszmmal arnyos vltakoz feszltsg indukldik. Az e brn az n. indukcis ramlsmr elvi vzlata lthat. Itt csak olyan folyadkok jhetnek szba, ame-lyek vezetkpessge legalbb 80..100 S/cm. Az 1, 2 elektrdk kztt induklt feszltsg:

U=BDv

Trvltozs: az indukcis talakt mgneskre, s gy a mg-neses tr (B) megvltozik. Az a brn az llandmgnesen elhelyezked tekercsben a jrom elmozdulsnak hatsra feszltsg indukldik, mert az elmoz-dulssal a mgneskr vltozik, ez maga utn vonja a fluxus meg-vltozst s gy, noha itt mozg vezet ll indukcivonalat nem metsz, a B vltozsa rtelmben indukldik feszltsg (nyugalmi indukci).

A b bra szgelforduls mrsre alkalmas vltozat.

rvnyram Ha az lland mgneses trben egy rz- vagy alumniumtvzetbl lemez mozog, akkor a mozgs hatsra benne rvnyramok induk-ldnak, amelyek arnyosak a lemez mozgsi sebessgvel. Ezen r-vnyramok szintn mgneses teret hoznak ltre , melynek hatsa el-lenttes az eredeti, t ltrehoz mgneses trrel. Az ered mgneses tr a tekercsben feszltsget indukl, amely az rvnyramok vlto-zsi sebessgvel, gy a mozg lemez gyorsulsval, arnyos.

rvnyram tachomter

Alkalmazhatk:20..10000 1/min. Pontossguk: 1..2%-os. Hmrskletkompenzlt! Tachogenertorok Egyenfeszltsget elllt tachogenertorok

Kismret, egyenram genertorok n=750..2000 1/min. U=5..30 V. 1..4 pluspr, 6..12 kommuttorszelet

Vltakozfeszlsget elllt tachogenertorok. n=150..3000 1/min. U=15..150 V Terhels hatsra a fordulatszmtl linerisan fgg kimen feszltsg mind jobban eltr a lineristl.

2.2. Szmllstechnikai mdszereken alapul talaktk

Mind halad, mind forgmozgsoknl alkalmazhatk. Impulzus-frekvencia mrst ttelezi fel.

rintkezs impulzusad Induktv fog-genertor Belsgs motorok gyjtimpulzusnak felhasznlsa Fnyvillamos impulzusad (optikai rcs, lyuktrcsa)

3. Gyorsulsmrs

3.1. Piezoelektromos talaktk A Curie-fivrek 1880-ban figyeltk meg, hogy egyes svnyi anyagok, mint pl. a kvarc, turmalin,

briumtitant, Seignette-s, stb., mechanikai feszltsgi llapot hatsra villamosan polarizldnaks felle-tkn villamos tltst halmoznak fel.

Szmos igen elnys tulajdonsga miatt piezoelektromos talaktk cljra szinte kizrlag kvarcot (SiO2), annak termszetes, vagy mestersges formjt hasznljk fel. A kvarc elnys tulajdonsgai:

Igen nagy nyomszilrdsg 3,92 N/m2 Viszonylag nagy ellenllkpessg hmrskleti hatsok ellen, mintegy 500 C-ig a piezoelektro-

mos tnyez kismrv hmrskletfggse Nagy linearits, hiszterzis nlkl Igen nagy szigetelsi ellenlls, kb. 1014

A kvarc hexagonlis rendszerben kristlyosodik. A kristlyban x (villamos), y (semleges, vagy mechanikai), z (optikai) tengelyeket klnbztetnk meg. Az x tengelyre merleges felleten jelenik meg a tlts, y tengely irnyban a kristlynak semmilyen kitntetett sajtossga nincs, a z tengely irnyban pedig az optikai tulajdonsgok meg-hatrozottak.

Ha a kvarckristlybl oly mdon vgnak ki egy tglatestet, hogy annak lapjai prhuzamosak a ftengelyekkel, akkor az optikai tengelyre merlegesen hat erk hatsra villamos polarizci lp fel. Az x irny terhels longitu-dinlis, az y irny terhels pedig transzverzlis piezoelektromos hatst hoz ltre.

Terhels hatsra a hexagonlis rcsszerkezet deformldik. Az a brn a longitudinlis, a b brn a transz-verzlis piezoelektromos hats lthat.

A longitudinlis hats jellemzi: A tltsek az er tmadsi felletn gylnek ssze. A keletkez tlts nem fgg a kvarc geometriai mrettl, csak az er nagysgtl. A keletkez tlts nvelst mechanikailag soros, villamosan prhuzamosan kapcsolt kvarclemezekkel

megoldani. Ennek htrnyos tulajdonsgai is vannak, nevezetesen, hogy romlik a linearits s htrnyos gyors hmrsklet vltozsok esteben is. Ezrt a transzverzlis hatst is kihasznljk.

A transzverzlis hats jellemzi: Fgg a geometriai mretektl. Az er hatsvonalra merleges felleten jelennek meg a tltsek.

A fordtott hats az elektrostrikci. A piezoelektromos mrrendszer pontossgval kapcsolatos krdsek Az talakt pontossga az n. hitelestsi jelleggrbbl hatrozhat meg tlts=f(mrend mennyisg) A hitelestsi jelleggrbbl az rzkenysg is addik:

mm xQ

dxdQ

= Elmleti egyenes: legkisebb ngyzetek mdszervel. t kell, hogy haladjon az orign, mert aktv talakt! Linearits: a%. Szles tartomnyban igen j.

a rtke hmrskletfgg, mert az talakt hmrskletvltozs hatsra az rzkenysgt vltoztatja. Ennek oka, hogy nvekv hmrsklet hatsra a kvarc piezoelektromos tnyezje cskken. Az rzkenysgcskkens kb.: 0,01..0,02 %/K A nagy hmrskletklnbsgek veszlyesek, ilyenkor

hmrskletkompenzcit alkalmaznak. Klnsen veszlyes a hsokk, ez ellen hszigetelt alttet lehet al-kalmazni.

Termikus lksekre a transzverzlis talaktk kevsb rzkenyek, mint a longitudinlisak.

Nem kvnt gyorsulsok hatsra bekvetkez mrsi hibt gyorsulskompenzl taggal lehet kivdeni.

Kzvetett mrs! Gyorsulsmrsnl egy hiteles, n. szeizmikus tmegre hat tehetetlensgi er arnyos a tmeg gyorsulsval (Newton II.). a gyorsulsmr lnyegben egy mechanikai lengrendszer, amelynek hiteles tme-gre a tehetetlensgi er mint kitrt, valamilyen rug, vagy sly pedig mint visszatrt er hat.

3.2. Kzvetett mrsek: Msodrend, soros lengrendszer egyenletei:

a=xxx ++ 22 &&& ,

mk=

mkb 12

= 1. Nagy tmeg, kis csillaptsi tnyez, kis rugmerevsg: trzkeny

rendszer 2. Kis tmeg, kis rugmerevsg, nagy csillaptsi tnyez:

Sebessgrzkeny rendszer 3. Igen nagy rugmerevsg, kis tmeg s kis csillaptsi tnyez: Gyorsulsrzkeny rendszer

3.3. Gyorsulsmr eszkzk: Nylsmr blyeges

Induktv

Indukcis gyorsulsmr

Piezoelektromos gyorsulsmr

Sznoszlopos gyorsulsmr

Kapacitv

4. Az er-, nyomatk-, s nyomsmrs szenzorai

Kzvetett (valamilyen kzbens mennyisg mrsvel) vagy kzvetlen mrsi elvek lteznek. Kzvetlen mrsi eljrsok:

tmeneti ellenllsos, magnetoelasztikus, piezoelektromos talaktk.

4.1. tmeneti ellenllsos talaktk Kt kapcsolrintkezt F ervel sszeszortva a kzttk mrhet

egyenram ellenlls a tapasztalat szerint:

cFkR = ,

ahol: k az rintkezk anyagtl, c a geometriai kialaktstl fgg tapasztalati llandk.

ltalban szenet alkalmaznak (k = 1,5..3,5 N) Sk rintkezk esetben c = 1. ltalban elfesztett (0 helyzet krli hatrozatlan rtk

elkerlse vgett) Ellenllsvltozst tbb korong alkalmazsval (soros

kapcsolsval) lehet nvelni, ekkor, ha c = 1:

0

)1(FF

knR +=

Az elv csak nyomerk mrsre alkalmas.

4.2. Magnetoelasztikus talaktk Ferromgneses anyagnak mechanikai feszltsg hatsra vltozik a mgneses permeabilitsa Mind hz, mind nyomfeszltsgek lekpezsre alkalmas. Csavar ignybevtelnl is fellp, ezrt nyomatkmrsre is alkalmas.

Ermrs: 103..1010 N Nyomatkmrs: 1..105 Nm

4.3. Piezoelektromos ermrk Mind hz, mind nyomfeszltsgek lekpezsre alkalmas. Egy- s tbb sszetevs mrsekre is alkalmas

Tbb sszetevs mrsre tbb, a kvarckristlybl klnbz irnyokban kihastott kvarclemezt tartal-maz eszkzk alkalmasak

A longitudinlis s a transzverzlis hats mellett ltezik torzis hats is, ezt nyomatkmrkben lehet alkal-mazni.

4.4. Kzvetett lekpzs mdszerek sszehasonltson (dugattys nyomsmr, mrleg, stb.), vagy Rugalmas deformcin alapulnak.

4.5. Ermr cellk Hz-nyom cellk (kizrlag mrelem)

Csapcellk (mr- s gpelem egyidejleg)

A mrcellk egyik legfontosabb tnyezje a cellatnyez. Ennek ismeretben a tpfeszltsg s a kimeneti jelfeszltsg ismeretben egy, a cellra hat ismeretlen er meghatrozhat. A kiszmtshoz a kvetkez

hasznlhat:nvleges

tpjel FFCUU = .

A nvleges terhels az a maximlis er, amelyre a cella kszlt. A cellk ltalban 150%-ig tlterhelhetk, ezutn marad alakvltozs kvetkezik be. A cellatnyez a nvleges terhelsnl s a terheletlen llapotokban mrt jelfeszltsgek klnbsgnek s a

tpfeszltsgnek a hnyadosa. Hibaforrsok:

Terhelssel arnyos: A cellatnyez trse A cellatnyez hmrskletfggse A kszs

Terhelstl fggetlen: Linearitsi hiba Nullhelyzet hmrskletfggse

Terheletlen llapotban a mrt jelfeszltsg elvileg nulla, azonban a gyakorlatban van egy ofszet hiba, amely precz mrlegcella esetben elhanyagolhatan kicsi.

Hmrskletfggs. Meghatrozhat a cellatnyezre s a nullhelyzetre. A cellatnyez hmrskletfggse rtknek 10K hmrsklet-vltozs hatsra val vltozsa a nv-leges terhelsnl mrt jelfeszltsg szzalkban kifejezve. A nullhelyzet hmrskletfggse a mrcella jelfeszltsgnek 10K hmrsklet-vltozs hatsra va-l megvltozsa terheletlen llapotban a nvleges terhelsnl mrt jelfeszltsg szzalkban kifejezve.

Kszs. Ez az adat arra ad informcit, hogy a blyeg milyen mrtkben fut egytt a mrtesttel, illetve deformcija milyen mrtkben marad le az acl mrtesttl. A kszs ugyanis a mrcella jelfeszlt-sgnek vltozsa nvleges terhelsnl 30 perc alatt. rtkt a nvleges terhelsnl mrt jelfeszltsg szzalkban kell megadni.

Ismtlsi hiba, irnyvltsi hiba. Linearitsi hiba. Az elmleti egyenestl val eltrs maximuma, szintn a nvleges terhelsnl mrt jel-

feszltsg szzalkban. A linearitsi, ismtlsi s irnyvltsi hibk ngyzetes kzprtke a mrs alaphibja, a cella pontoss-

gi osztlyt hatrozza meg. Beptsnl gyelni kell a mrcella tengelynek s a terhels tengelynek egybeessre. Klnben cskken

a cellatnyez, illetve az oldalirny erk kvetkeztben krosodhat a cella. Dinamikus terhelsnl figyelembe kell venni a cella rugllandjt.

4.6. Kapacitv talaktk

4.7. Induktv talaktk

4.8. Nyomatkmrs

4.9. Ersram eszkzk hasznlata nyomatkmrsre rvnyram fk

Mrleggp

5. Nyomsmrs ltalban kzvetett mrs Kzvetlen mrsek: dugattys mrs, ismert fajsly folyadkoszlop hossznak mrse Kvetelmnyek:

Lehetleg mind lland, mind vltakoz zemmdokban lehessen mrni A nyomsrzkel pneumatikus, ill. hidraulikus kapacitsa kicsi legyen. Folyamatos regisztrls lehetsge

Harangos nyomsmr Membrnos nyomsmrk

Laza membrnos

Szilfon membrnos

Mindkt esetben: Nagy tlterhelhetsg Rezgsekkel szemben val rzketlensg (kis tmeg miatt) Htrnyuk a hiszterzis, s a hmrskletfggs. Effektv fellet csak mrs tjn hatrozhat meg pontosan.

Csrug kialaktsok

Nyomsmr eszkzk: Potenciomteres

Nylsmr blyeges

Induktv

Kapacitv

Szondk Statikus nyomsra

ssznyomsra

6. Hmrskletmrs

6.1. Ellenllsvltozson alapul rzkelk

6.1.1. Ellenllshmrk (termorezisztorok) Hellenllsnak akkor neveznk egy villamos ramtl tjrt vezett ha a mrs cljaira azt a tulajdonsgt

hasznljuk fel, hogy ellenllsa a hmrsklettl fgg. A fmeknek ltalban pozitv hmrskleti tnyezjk van (), ami azt jelenti, hogy fajlagos ellenllsuk ()

a hmrsklet nvekedsvel nvekszik. Fmek estben (T) ltalban nemlineris, emiatt a fggvnyt vgtelen sornak kt els tagjval kzeltjk.

)](1[ 00 TTT += A fenti egyenlet csak egy korltozott hmrskleti tartomnyban ad kielgt kzeltst, azaz klnbz

tartomnyokban ms-ms rtk rvnyes. Az rtk gyakorlati szmtsa (100K hmrsklettartomnyra):

1001 0100

0

RRR

= rtke nem tl nagy szm, gy az eszkz meredeksge kicsi. a gyakorlatban az ellenllshmrk anyagul a nikkel s a platina a legelterjedtebb.

rtke nikkel esetben kedvezen nagy (0,006 1/C), viszont a hmrsklet-llsga nem kedvez (maga-sabb hmrskleten korrodl). gy a nikkel hellenllsok 100150 C-nl magasabb hmrskleten nem hasznlhatk

A platina meredeksge alig tbb mint fele a nikkelnek (0,00351 1/C). Korrzis tulajdonsga lvn nemesfm nagyon kedvez. A Ni nem llthat el nagy tisztasgban, ezrt egyedi kalibrls szksges.

A fmhmrkkel a negatv hmrsklet tartomnyban is jl lehet mrni, nikkel ellenllssal 60 C-ig, platinval 200 C-ig.

A hellenllsok nvleges 100 -os ellenllsa 0 C-on rtend. Linearitsuk kb. 2%, pontosabb mrsre termoelemet hasznlunk. Az ellenllshmrk legtbbszr kermiatestre tekercselt fmhuzalbl kszl. A kell mechanikai stabili-

ts rdekben az rzkel szigetelten egy fmtokban (lezrt vg csben) helyezkedik el. A fm vdcs anyagnak megvlasztsnl gyelni kell arra, hogy lehetleg megegyezzen a mrtr fal-

nak anyagval, az elektrokmiai korrzi elkerlse rdekben. A fmhuzalos kialaktson kvl lteznek n. vastagrteg pasztval kialaktott hmrk. Ezek alapja valami-

lyen termorezisztv paszta, amelyet szitanyomtatssal visznek fel egy hordoz felletre. o Ezek tulajdonsgai a kvetkez tblzatban tallhatak.

Anyag Tk [ppm/C] () Hmrskleti tartomny [C]

Pt 3500 (-200)700 Ni 6445 (-50)0200 Au 2840 0700

Pd-Au 27 0700 Cu 3500 0200

A vastagrteg hmrk lehetnek meander (C

A polikristlyos szemcse felletn az ellltsi technolgia sorn zrrtegek alakulnak ki. Ez potencilgtat kpez a vezet elektronoknak. Ez a potencilgt a Curie-pont alatt nem szmottev, az anyag kis ellenlls flvezetknt viselkedik. A Curie-pont felett azonban a potencilgtak ma-gassga rohamosan nni kezd, gy nvekszik az ellenllsa is. Ezzel egyide-jleg nvekszik az anyag permittivitsa is. A potencilgt magassgt a kl-s elektromos tr cskkenti, varisztorhats is fellp.

Karakterisztikjukra a kis hmrsklettartomnyon belli nagy nvekeds jellemz.

A meredek szakasz kezdeti pontja (ta) a PTK termisztor jellemz pontja.

A hmrskleti egytthat kzelt szmtsa: %100

TTRlgRlg

12

12

=

Kiviteli formjukat tekintve a termisztorok ngy tpust klnbztethetjk meg:

o Gyngytermisztorok (ebben a tpusban gombostfejnyi termisztormassza van, tbbnyire vd vegcsbe forrasztva)

o Trcsatermisztorok (klnbz tmrj s vastagsg oxidpasztillk, amelyek kivezetssel, vdburkolattal vagy fmszerelvnnyel kiegsztve kszlnek)

o Rdtermisztorok (hossza s tmrje tg hatrok kztt vltozhat) o Morzsatermisztorok (nozott kontaktus fellet forrasztkkal bevont apr hasb formj alkat-

rszek, a hibrid integrlt ramkrk s SMD szerels kszlkekhez kszlnek)

6.2. Termoelemek

A termoelemek mkdse az n. termofeszltsgen alapul. A termofeszltsg, klnbz fizikai hatsok eredjbl alakul ki. Ezek a hatsok a Peltier-, a

Thomson- s a Seebeck-fle. o A Peltier-effektus: Kt klnbz anyag vezett vgeiken sszektve, ha ram folyik rajtuk,

akkor az egyik ktsi pont melegszik, a msik hl, illetve a fordtott folyamatban a kts pon-tok kzl az egyik melegtse, vagy a msik htse a hurkon ramot hajt keresztl.

IPT = o A Thomson-effektus esetben egyetlen vezet kt pontja kztt fellp hmrskletklnbsg

hatsra jn ltre az energiatalakuls. o A Seebeck-effektus az a jelensg, amikor kt klnbz vezetbl ll ramkrben a vezetk

csatlakozsi pontjai kztti hmrsklet klnbsggel arnyos termofeszltsg keletkezik.

dTdUS T=

ahol S a Seebeck-tnyez. A Peltier s a Seebeck tnyezkre a kvetkez sszefggs igaz: =ST

Ezzel a termofeszltsg:

= 21

T

TT dTT

U A termoelem nem ms, mint kt egymssal sszeforrasztott huzal, amelyek forrasztsi pontjban a h-

mrsklettel arnyos s a huzalok anyagtl fgg nagysg termofeszltsg keletkezik.

A keletkez termofeszltsgek eljelnek egyrtelm meghatrozsra a platint tekintjk alapfmnek. A termoelem rzkenysge annl nagyobb, minl tvolabb helyezkedik el egymstl a kt fm az elekt-

rd-potencil sorban.

Anyag Termofeszltsg [mV]

Anyag Termofeszltsg [mV]

Konstantn -3,47-3,04 lom +041..+0,46 Kobalt -1,99..-1,52 Magnzium +0,4..+0,43 Nikkel -1,94..-1,20 Alumnium +0,37..+0,41 Klium -0,94 Wolfram +0,65..+0,9 Ntrium -0,21 Ezst +0,67..+0,79 Platina 0 Rz +0,72..+0,77 Higany -0,07..+0,04 Horgany +0,6..+0,79 Garfit +0,22 Manganin +0,57..+0,82 Szn +0,25..+0,3 Arany +0,56..+0,8 Tantl +0,34..+0,511 Vas +1,87..+1,89 n +0,4..+0,44 Nikkelkrm +2,2

Legelterjedtebb prostsok a Cu-Ko, a Fe-Ko, a NiCr-Ni, valamint a kromel-alumel. A vas-konstantn termoelemek -200 C - +1000 C hmrsklet-tartomnyban hasznlhatk. rzkeny-

sgk 0,00005 V/C. A rz-konstantn termoelem -200 s +600 C hmrsklethatrok kzt alkalmazhat. rzkenysgk:

0,00004 V/C. A knnyebb felismerhetsg cljbl a termoelemeket egyezmnyes sznjelzsekkel ltjk el. (A rz-

konstantn termoelem szne barna, a vas-konstantn kk, a nikkel-krmnikkel zld, a platina- platinardium fehr.)

A termoelemek csak nemagresszv s villamosan jl szigetelt krnyezetben helyezhetk el kzvetlenl. A termoelemes hmrskletmrs a hidegpont hmrskletnek lland rtken val tartsa alapvet

fontossg, mert a termofeszltsg a hideg- s melegpont hmrskletklnbsgvel arnyos. A termoelemes hmrskletmrs hibaforrsai:

o a helemhuzalok anyagsszettelnek szrsa, o a helem anyagnak korrzija, o a kiegyenlt vezetkek korrzija, o a hidegponti hmrsklet szrsa, o a mrkri mutat mszerek hibi, o a kompenzcis mrkrknl, a kompenzl-feszltsg esetleges ingadozsa.

Termoelemes mrsek: o Mrs kt fmmel

o Mrs ismert hidegponttal

o Mrs kompenzl-vezetkkel

Az egyes termoelemek feszltsge meglehetsen kicsi, klnsen kis hmrsklet-klnbsgek esetn. Ezt erstvel tudjuk megfelelen hasznlni, azonban az erstvel szemben stabilits, zaj s meredek-sg szempontjbl igen nagy ignyeket kell tmasztanunk. Ezt kiss mrskelni lehet tbb termoelem sorba kapcsolsval (termo-oszlop).

A termofeszltsgek mrsre szolgl mrkrk vagy egyszer feszlt-sgmr kapcsolsok, vagy a feszltsgkompenzci elvn mkd ramkrk (pl. Poggendorf-fle kompenztor). Ha a galvanomter zrus ramot mutat:

RRUU x0t =

6.3. Hmrskletmrs didval

A didk UAK nyitfeszltsge egy meghatrozott didaramnl hmrskletfgg. Ezt a tulajdonsgot alacsony precizits terleteken hmrskletmrsre fel lehet hasznlni.

A hmrskletfggs kzeltleg lland s a hmrskleti egytthat viszonylag magas rtk:

= KmV

TU

llandi

AK 2

Pontossg: 2C Mrsi tartomny: -40C 150C Gyakorlatilag minden dida alkalmazhat, de lteznek specilisan kifejlesztett didk is. (Pl.: Motorola

MTS102) A dida gerjesztsre a legjobb megolds az ramgenertoros gerjeszts. Dids hmrskletmrshez tovbb nullpont-belltsra s erst ramkrre is szksg van. A fenti ignyeket taln a legegyszerbben az albbi kapcsolssal lehet kielgteni:

Forrs: Burr-Brown: Diode Based Temperature Measurement

Hibja, hogy az ersts s a nullpont belltsa egymstl nem fggetlen.

A fenti kapcsols tviteli fggvnye:

21

2 1001 RARRVV BEO

+=

Tpus rzkelsi tartomny rzkenysg Pontossg LinearitsGyorsasg (kevergetett

olajban)Mret Kivitelezs (hordoz) r Megjegyzsek

Termoelem -270C - 1800C lt. kisebb, mint 50 V/C

5 C (refrencival)

Szles tartomnyban gyenge, 100C felett

jobblt. 1s 0,01(gyngy) - 0,5mm

Fmgyngy, sokfle szonda 1 - 50$

- Referencit ignyel. - Alacsony kimeneti jelszint. - Stabil jelkondcionlst ignye.

Termisztor -100C - 450C

5%/C, (linearizlt

esetben: 0,5%/C)

lt.: 0,1C a -40C - 100C tartomnyban,

de a 0C - 60C tartomnyban

ltezik 0,001C-os is

0,2C linearizlt esetben, 100C-os

tartomnyban

lt. 1-10s, de ltezik 3-100ms is

gyngy: 0,1 mm, lt.: 1 - 3mm,

lemez tp.: 0,025mm vastag

veg, epoxy, teflon, fmhz,

stb.

norml: 2 - 10$,

preczis: 10 - 350 $

- Legnagyobb rzkenysg. - 100C felett specilis eszkzket ignyel a hosszidej stabilits rdekben

Termorezisztor (Pt) -250C - 900C 0,5%/C

0,1C ltalnosan elrhet, de

ltezik 0,01C-os preczis

eszkz

Szles tartomnyban kzeltleg lineris,

tipikusan 1C-on bell marad 200C-os

tartomnyban

nhny msodperc 3 - 6mmveg, epoxy,

kermia, teflon, fm, stb.

25 - 1000$, az iparban

leggyakoribb: 100$

- A hosszidej stabilitsa kivl. - A termisztorokhoz kpest nagyobb mrsi tartomny, de alacsonyabb rzkenysg

Didk, tranzisztorok -270C - 175C -2,2 mV/C

2C-tl 5C-ig terjed a -55C

s a 125C kztti

tartomnyban

2C-on bell van a teljes tartomnyban

lt. 1-10s. Kis dida tokozs esetben azonban

ms-os nagysgrend

Norml dida, vagy tranzisztor

tok mreteveg, fm 0,5$ alatt

- Egyedi kalibrcit ignyel. - Az optimlis mkds rdekben ramgenertorral kell meghajtani. - Nagyon alacsony r

Integrlt ramkrk -85C - 125C lt.: 0,4 %/C

1C-on bell van, tipikusan 0,2C a 0C -

70C tartomnybannhny msodperc TO-18, vagy miniDIP tokozs Fm, manyag 1 - 10$

- Feszltsg s ram kimenet egyrnt elrhet

FForrs: Linear Technology Application Note 28 (Thermocouple Measurement) , 1998. februr

7. A fnymrs szenzorai

Bels fnyelektromos vezets: A nagytisztasg flvezet anyag vezetkpessge attl fgg, hogy egy bizonyos id alatt hny kristlykts szakad fel. A flvezet elemeknl fnybesugrzs hatsra a fl-vezet rtegbl tltshordozk szabadulnak fel, a rteg vezetkpessge megn.

Kls fnyelektromos vezets: A fnnyel besugrzott testbl elektronok lpnek ki.

7.1. A bels fnyelektromos vezetsen alapul rzkelk

7.1.1. Fnyellenllsok

Bels fnyelektromos jelensgen alapul a mkdsk. A bees fotonok hatsra nvekszik a vezetk-pessgk.

Kialaktsuk: Egy szigetel hordozn (legtbbszr veg) helyezkedik el a fnyrzkeny ellenllsrteg, amelyen (tbbnyire fmgzlssel) rintkez felletet alaktanak ki.

Az ellenlls nvelse rdekben legtbbszr meander-formjak.

Jelents (nF) nagysgrend sajt kapacitssal rendelkeznek (fleg a meander-kialaktsak), ez gtolja a kzepes- s nagyfrekvencis alkalmazsukat.

Nagy htrnya a nagy tehetetlensge. Leggyakoribb anyagok:

o Szeln (Se) Szles hullmhossz-tartomny fnyvillamos jelleggrbje nem lineris tehetetlensge meglehetsen nagy.

o Kadmium-Szulfid (CdS) Napjainkban ez a leggyakrabban alkalmazott alapanyag Kt vltozata ltezik: a monokristlyos, s a polikristlyos A monokristlyos kadmium-szulfid spektrlis jelleggrbje meglehetsen szk tarto-

mnyban mutat rzkenysget. A polikristlyos sokkal szlesebb tartomnyban. A polikristlyos fnyellenlls spektrlis rzkenysge j fedsben van az emberi

szem hullmhossz rzkenysgvel. Az tviteli jelleggrbje a kezdeti szivrgsi ram s a vgs teltsi szakaszt kivve

lineris. Htrnyos tulajdonsga, hogy kis megvilgtsnl elg nagy az idllandja, teht n-

hny szz Hz-nl nagyobb frekvencij jellel mr nem modullhatak. o Kadmium-Szelenid (CdSe)

Az infravrs tartomnyban mutatnak nagy rzkenysget Meredeksgk a kadmium-szulfid fnyellenllsoknak mintegy 510-szerese. Viszonylag nagy hmrskletfggs Az tviteli jelleggrbe nemlineris A tehetetlensgi idllandja kielgt

o lom-Szulfid Fleg ipari alkalmazs fnyellenllsokhoz alkalmazzk, mert gyors mkds. Spektrlis rzkenysge fknt az infravrs tartomnyba esik. Az lom-szulfidnak van egy klnleges tulajdonsga is, mgpedig, hogy a hmrsk-

let rzkenysg nem csak az amplitdra vonatkozik, hanem a hullmhosszra is kihat, ezrt pirotechnikai alkalmazsoknl termoszttba kell helyezni.

o lom-Szelenid Az infravrs tartomny legjobb tulajdonsg fnyellenlls-rzkelje fbb paramteriben megegyezik az lom-szulfiddal, de kitnik nagyobb rzkenys-

gvel s szobahmrskleten is hasznlhat. Idllandja kicsi, jelleggrbjnek kt maximuma van s nagy rzkenysget mutat

az infravrs tartomnyban. Htssel akr 8m-es hatrhullmhosszt is el lehet rni.

7.1.2. Fotodidk

Kznsges

A fnynek a p-n tmenetre kell esnie! Az n-rteg olyan vkony, hogy a fny t tud hatolni rajta! Nyit irny ignybevtel: Fnyelem, Si esetben kb. 0,5 V-ot lehet levenni rla. Zr irny ignybevtel: Fotodida

PIN

Intrinsic rteg (adalkolatlan, vagy nagyon gyengn n adalkols) rzkenysg nem vltozik Kisebb a kapacitsa, ezrt gyorsabb mkds Zrirnyban mkdtetve mg jobban cskken a kapacitsa Kisebb a zaja

Lavina (Avalanche Photodiode)

Egyetlen bels erstssel rendelkez flvezet detektor Zrirny, letrsi szakaszban hasznlatos. Htrnyai:

A dida letrsi szakasza egyedi: 100..200V Ezt a feszltsget rendkvl pontosan kell tartani (10-3). Klnben az ram jobban nvek-

szik a feszltsg hatsra. A fenti kt ignyt pldul az albbi kapcsols tudja kielgteni (itt 80V az elfeszt fe-

szltsg).

Forrs: Texas Instruments: Optoelectronics Circuit Collection

Az erstsi faktor hmrskletfgg is! Elnyei:

Gyors Erst

PSD Kpkirtkel

7.1.3. Fototranzisztor rzkelsi mdjuk azonos a fotodidkkal, azonban itt az rzkelst egy ramersts kveti. A

fototranzisztor teht egy fotodida-ramgenertor s egy ramerst tranzisztor egybeptett vltozata-knt foghat fel, ezrt nagy az rzkenysgk.

7.2. A kls fnyelektromos vezetsen alapul rzkelk

7.2.1. Fotocellk A fotocella vkuum-, vagy gztlts (Ar), tbbnyire hengeres alak elem. Andbl s fotokatdbl ll. A fotokatd alklifm-tartalm.

A fotocellt Uc cella-elfeszltsggel mkdik. A katdbl a fny hatsra kilp elektronok a ennek a feszltsgnek a hatsra mozognak az and fel, fnyvillamos ramot ltrehozva. Ez az ramerssg arnyos a cella megvilgtottsgval.

A gyakorlatilag elrhet fnyvillamos ramok viszonylag kicsik, ugyanis a katdok terhelsi arama kor-ltozott (kb. 1 A/cm2 vkuumtlts, s 0,5 A/cm2 gztlts fotocellknl), ezrt ersteni kell.

A fotocellk n. sttrama (a megvilgtatlan celln tfoly ramerssg) ltalban 0,1 A alatt van. A fotocellk spektrlis rzkenysge a katd anyagval nagy mrtkben befolysolhat.

7.2.2. Fotoelektron-sokszoroz

A fotoelektron-sokszoroz olyan vkuum-fotocella, amelyben a szekunder elektronok sokszoros kivl-tsval a fnyvillamos ram jelent, kb. 106-szoros erstst rjk el.

Egyetlen foton becsapdsa a dindbl tbb (kb. 1,5-szeres) szekunder elektront szabadt fel, mikz-ben kros szabad ionok nem keletkeznek.

Ez az egyetlen bels erstssel rendelkez elem. A szekunder emisszihoz kb. 150V-os feszltsg kell, gy a mkdshez 1..2 kV-os stabil (10-3-os

pontossggal tartani kell!) elfeszt feszltsg szksges. Az and s a katdram nem ugyanakkora! A munkaellenllst az andra kell ktni.

7.3. A fotorzkelk sszefoglal tblzata

8. A mgneses tr rzkeli

8.1. Hall-elem Az effektust Hall, amerikai fedezte fel 1879-ben. Az effektus lnyege: egy hasb alak vezetn, vagy flvezetn keresztl I ram folyik. Ha a vezett

mgneses trbe tesszk (a mgneses tr ervonalai metszik az ramsrs-vektorokat), az rambeveze-ts felletre merleges felleten villamos feszltsg, n. Hall feszltsg bred.

A hats a Lorentz-ervel magyarzhat, mivel a mgneses tr a v sebessggel mozg elektronokra ha-tst gyakorol:

evBFL = A Lorentz-er a hasbban hosszirnyban mozg tltseket keresztirnyban mozdtja el. Ez a lemez sz-

lein polarizcit hoz ltre, ltrejn a Hall-feszltsg. A Hall-feszltsg irnyt az dnti el, hogy a ha-sbban a vezets n, vagy p-tpus.

A Hall feszltsg villamos ertere szintn hatst gyakorol a tltshordozkra, a Lorentz-er ellen hat.

vlBU

vBl

Ul

UE

eEFFF

H

HH

HL

===

===

A vezet szabad tltshordozinak mozgsi sebessge (v): Ev =

Az E villamos tr hozza ltre a hosszirny ramot. gy a differencilis Ohm-trvnyt alkalmazva:

hIBU

lhIjE

H

=

==

A szorzatot Hall-llandnak nevezzk. =HR ,

Asm3

hIBRU HH =

A Hall-lland lztalnos kifejezse, ha p s n tpus vezets egyarnt elfordul:

( )2pn pnH pnpn

eAR

+=

n s p a trfogategysgben lev szabad elektronok s lyukak szma, n s p ezek mozgkonysga, e az elemi tltshordoz tltse. A rtke fmeknl 1, flvezetknl 3/8.

Nhny anyag Hall-llandja:

8.2. Magnetorezisztor

1. A hosszmrs, elmozdulsmrs szenzorai1.1. Potenciomteres talaktk1.2. A nylsmr blyeg1.3. Az induktv tad1.4. Inductosyn1.5. Optoelektronikus talaktk1.5.1. Fotodids talaktk

1.6. Kapacitv talaktk

2. A sebessg- s gyorsulsmrs szenzorai2.1. Indukcis talaktkU=BDvTachogenertorok

Szmllstechnikai mdszereken alapul talaktk

3. Gyorsulsmrs3.1. Piezoelektromos talaktkA piezoelektromos mrrendszer pontossgval kapcsolatos krdsek

Kzvetett mrsek:3.3. Gyorsulsmr eszkzk:

4. Az er-, nyomatk-, s nyomsmrs szenzoraitmeneti ellenllsos talaktk4.2. Magnetoelasztikus talaktk4.3. Piezoelektromos ermrk4.4. Kzvetett lekpzs mdszerek4.5. Ermr cellk4.6. Kapacitv talaktk4.7. Induktv talaktk4.8. Nyomatkmrs4.9. Ersram eszkzk hasznlata nyomatkmrsre

5. Nyomsmrs6. Hmrskletmrs6.1. Ellenllsvltozson alapul rzkelk6.1.1. Ellenllshmrk (termorezisztorok)6.1.2. Termisztorok

6.2. Termoelemek6.3. Hmrskletmrs didval

7. A fnymrs szenzorai7.1. A bels fnyelektromos vezetsen alapul rzkelk7.1.1. Fnyellenllsok7.1.2. Fotodidk

7.2. A kls fnyelektromos vezetsen alapul rzkelk7.2.1. Fotocellk7.2.2. Fotoelektron-sokszoroz A fotoelektron-sokszoroz olyan vkuum-fotocella, amelyben a szekunder elektronok sokszoros kivltsval a fnyvillamos ram jelent, kb. 106-szoros erstst rjk el.

7.3. A fotorzkelk sszefoglal tblzata

8. A mgneses tr rzkeli8.1. Hall-elem8.2. Magnetorezisztor