Zvezditsa Nenova Stefan Ivanov Toshko Nenov ANDURID TÖÖSTUSAUTOMAATIKAS

Transcription

1 Zvezditsa Nenova Stefan Ivanov Toshko Nenov ANDURID TÖÖSTUSAUTOMAATIKAS GABROVO, 2010

2 SISUKORD SISSEJUHATUS... 4 I PEATÜKK: ANDURITE KLASSIFIKATSIOON Andurid Klassifitseerimise põhimõtted... 7 II PEATÜKK TEMPERATUURIANDURID Termoelektrilised andurid Termoresistiivsed andurid Termodioodid, termotransistorid ja integreeritud temperatuuriandurid III PEATÜKK JÕU- JA MEHAANILISE PINGE ANDURID Tensoandurid Piesoelektrilised andurid Magnetelastsed andurid IV PEATÜKK RÕHUANDURID Rõhuandurite tüübid vastavalt mõõtetehnikale Andurite tüübid vastavalt nende tööpõhimõtetele V PEATÜKK. POSITSIOONI-, NIHKE-, KIIRUS- JA KIIRENDUSANDURID Kontaktmuundurid Potentsiomeetrilised muundurid Induktiivsed ja vastastikku induktiivsed muundurid Mahtuvuslikud muundurid Absoluutenkooderid Optilised muundurid Püsimagnetmuundurid Piesoelektrilised muundurid VI PEATÜKK VOOLUHULGA ANDURID Pöörlevad vooluhulga andurid Rõhu mõõtmisel põhinevad vooluhulga andurid Ultaheli vooluhulga andurid Magnet-induktiivsed vooluhulga andurid Kalorimeetrilised vooluhulga andurid

3 6.6. Vooluhulga keerisandurid Vooluhulga andurid avatud kanalitele VII PEATÜKK NIISKUSANDURID Temperatuuri-gradiendil põhinevad niiskusandurid Imendumisel põhinevad niiskusandurid Teistel füüsikalistel nähtustel põhinevad niiskusandurid VIII PEATÜKK OBJEKTI REGISTREERIVAD ANDURID Kontaktandurid objekti registreerimiseks Lähedusmuundurid Optilised andurid objekti registreerimiseks IX PEATÜKK GAASIANDURID Pooljuht-gaasiandurid ,2. Katalüütilised gaasiandurid Elektrokeemilised gaasiandurid Optilised gaasiandurid Gravimeetrilised andurid MOS-struktuurile põhinevad gaasiandurid X PEATÜKK. ANDURILIIDESED Analoog-pingeväljundiga andurid Vooluväljundiga andurid Sagedussignaali ja pulsilaiusmodulatsiooniga (PWM) andurid Digitaalsed liidesed Digitaalsed juhtmevabad liidesed ENESEKONTROLLI KÜSIMUSTIK VIITED

4 SISSEJUHATUS Tööstusautomaatika areng on seotud erinevate tehnoloogiliste protsesside ja masinate automaatjuhtimissüsteemide arenemisega. Andureid kasutatakse juhitavatelt objektidelt seisundiinfo saamiseks. Seega nad on juhtsüsteemide elemendid, mis muundavad juhitavaid suurusi (temperatuur, rõhk, niiskus, vooluhulk jne) mugavalt mõõdetavaks, talletatavaks ja töödeldavaks signaaliks. Raamatu "Andurid tööstusautomaatikas" põhieesmärgiks on pakkuda alusteadmisi väikeste ja keskmiste ettevõtete töötajatele automaatikasüsteemides rakendatavate andurite alal. Raamat on jaotatud kümneks peatükiks. Esimene peatükk käsitleb andurite klassifikatsiooni ja anduritele esitatavaid nõudeid. Tutvustatakse nende põhilisi tööpõhimõtteid. Peatükis 2 käsitletakse termoelektrilisi ja termoresistiivseid temperatuuriandureid. Esitletakse termistore, termodioode ja integraalseid termoandureid. Peatükk 3 kirjeldab jõu ja mehaanilise pinge andureid. Esitletakse tensoandureid, piesoelektrilisi ja magnetoelastseid andureid. Peatükk 4 käsitleb rõhuandureid. Esitletakse erinevaid rõhuandurite tüüpe: vastastikuse induktiivsusega, mahtuvuslikke, piesoelektrilisi, tenso- ja optilisi rõhuandureid. Asendi-, nihke, kiiruse ja kiirenduse andureid vaadeldakse peatükis 5. Kirjeldatakse kontakt-, potentsiomeeter-, induktiiv-, vastastikuse induktiivsusega, mahtuvuslikke, optilisi, püsimagnetilisi ja piesoelektrilisi andureid. Näidatakse andurite ehitust. Peatükk 6 on pühendatud vooluhulga anduritele. Kirjeldatakse turbiiniga andureid ja mõõtepõhimõtete alusel rõhulangu-, ultraheli-, magnet-induktiivseid, kalorimeetrilisi ja keerisandureid. Peatükk 7 esitleb niiskusandureid. On toodud niiskuse määratlused ja niiskusandurite klassifikatsioon. Vastavalt klassifikatsioonile kirjeldatakse erinevaid andurite tüüpe. Peatükis 8 esitletakse andureid objektide kindlakstegemiseks. Vaadeldakse kontaktandureid, lähedusandureid ja optilisi andureid. Peatükk 9 kirjeldab gaasiandureid. Vaadeldud ja klassifitseeritud on gaasiandurite erinevaid tüüpe ning eritähelepanu on pööratud metalloksiid-anduritele. Peatükk 10 tegeleb andurite liidestega. Esitletud on põhilisi traadiga ja traadita andmeside liideseid. Igas peatükis on esitatud kontrollküsimused õpilaste edasijõudmise taseme kontrolliks. Raamatut saab kasutada väikeste ja keskmiste ettevõtete töötajate kvalifikatsiooni tõstmise ja ümberkvalifitseerimise õppeprogrammide allikana. Teadmiste omandamiseks peavad õpilastel olema põhilised teadmised matemaatikas ja füüsikas. Raamatut saavad kasutada üliõpilased ja spetsialistid andurite tööstussüsteemides rakendamisega seotud alade väljaõppel. Autorid 4

5 I PEATÜKK ANDURITE KLASSIFIKATSIOON 1.1. Andurid Andmetöötlustehnoloogia ning info- ja arvutitehnika kiire areng määravad andurite intensiivse arendamise. Kaasaegsed mõõte- ja juhtimissüsteemid põhinevad arvutitehnikal. Kuna nende süsteemide võimalused kasvavad, siis infot esmaselt vastuvõtvate andurite roll tõuseb oluliselt. Andurid muutuvad oluliseks teguriks automaatikas ja robootikas ning nad koguvad suurt tähtsust süsteemide struktuurielementidena. Andurid on üldiselt seadmed, mis muundavad füüsilised või keemilised suurused mugavalt kasutatavateks elektrisignaalideks. Rahvusvahelise Elektrotehnika Komitee (IEC) poolt antud anduri definitsioon: andur on mõõteahela esmane osa, mis muundab sisendmuutuja mõõdetavaks signaaliks. Andurid on andurisüsteemide osaks ja nad on esimesed elemendid, mille ülesandeks on esitada mõõdetavat infot. Andurisüsteemi üldine plokkskeem on joonisel 1.1. Sisendsignaal Andur Signaali normaliseerimis -ahel A D Kontroller Liides Joonis 1.1 Andurisse sisenev signaal on tavaliselt väikese amplituudiga ja segatud interfereerunud signaalide ja müraga. Täiendavalt võib osutuda vajalikuks signaali lineariseerimine. Järgnevaks töötlemiseks optimaalsete omadustega signaali formeerimine teostatakse normaliseerimisahelaga, mis võib koosneda võimendist, filtrist ja teistest analoogahelatest. Mõnel juhul need ahelad on andurelemendi vahetus läheduses. Seejärel formeeritud analoogsignaal muundatakse digitaalseks ja edastatakse mikrokontrollerile. Andurisüsteemi omadused on suurel määral määratud anduriga. See muundab energia ühest liigist teise. Andureid on kahte põhitüüpi: aktiivsed ja passiivsed. Aktiivandur muundab ühte liiki energia teiseks ilma välise energiaallikata või ergutuseta (Joonis 1.2.,a). 5

6 Energy at the input Sensor (Conversion of energy) Electrical signal Energy Modulating Input Signal Sensor (Modulation of energy) Electrical signal b Joonis 1.2 Passiivandur ei saa energiat vahetult muundada, kuid ta juhib ergutusenergiat, mis tuleb teisest allikast (Joonis 1.2.,b). Anduri funktsioonide teostamiseks kasutatakse erinevaid füüsikalisi efekte ja tööpõhimõtteid. Andur võib olla mõõdetava suurusega kontaktis või olla kontaktivaba. Tööpõhimõtete ja efektide mitmekesisus laieneb pidevalt ja parandatakse neid kasutavaid protsesse. Anduritele on püstitatud kindlad nõudmised. Mõned neist on üldised, mis puudutavad kõiki andurite tüüpe ja mõned erinõudmised puudutavad teatud kindlat tüüpi andureid. Erinevatel tööpõhimõttest ja anduri ehitusest sõltuvatel viisidel tagatavad peamised nõudmised on: - kõrge tundlikkus; - lineaarsus; - suur täpsus; - hüstereesi puudumine: - korratavus; - kiire reaktsioon; - selektiivsus; - vahetatavus; - lai mõõtevahemik; - lai talitlustemperatuuri vahemik; - stabiilsus häiringutele (mürakindlus); 6

7 - lihtne korrigeerimine (lihtne kalibreerimine); - suur töökindlus; - pikk eluiga; - vananemiskindlus; - vastupanu keskkonnamõjudele (temperatuur, vibratsioon, vesi, tolm jne); - ohutus (andurid ei tohi tekitada mingit kahju); - odavus; - väikesed mõõtmed, väike kaal ja tugevus Klassifitseerimise põhimõtted Andureid võib klassifitseerida muunduspõhimõtte - (füüsikalised või keemilised nähtused, mille alusel nad talitlevad), eesmärgi, väljundsignaalide tüübi, materjalide ja tootmisprotsessi alusel. Andurite klassifikatsioon nende muunduspõhimõtete alusel on näidatud joonisel 1.3. Need on jaotatud füüsikalisteks ja keemilisteks. Füüsikalised andurid on need, milles füüsikalise nähtuse nagu piesoelektrilised, magnetostriktiivsed, ioniseerivad, termoelektrilised, fotoelektrilised, magnetelektrilised jne mõõdetava suuruse muutused muundatakse elektrisignaalideks. 7

8 ANDURID Füüsikalised andurid Keemilised andurid Optilisedandurid Gaasiandurid Rõhuandurid Kiirendus ja kiirusandurid Temperatuuriandurid Elektrokeemilised andurid Magnetandurid Bioandurid Akustilised andurid Radioaktiivse kiirguse andurid Joonis 1.3 Keemilised andurid on need, milles mõõdetava suuruse muutused muundatakse elektrisignaalideks keemilise imendumise, elektrokeemilise reaktsiooni jne tulemusena. On andureid, mida ei saa üheselt liigitada ei füüsikalisteks ega keemilisteks. 8

9 Mõnede andurite tööpõhimõtted ja võimalikud rakendused on näidatud tabelis 1.1. Tabel 1.1 Anduri tüüp tööpõhimõte Mõõdetav mitte-elektriline suurus Tensoandur Muutused takistuses Jõud, mass, rõhk, kiirendus, Termistor (NTC, paisumine, tase, temperatuur, PTC) niiskus, gaas Pooljuhtandur Mahtuvusandur Muutused mahtuvuses Jõud, mass, rõhk, kiirendus, tase, niiskus Induktiivandur Muutused induktiivsuses Jõud, mass, rõhk, kiirendus, pöörete arv, pöördemoment, magnetväli Halli andur Halli efekt Nurk, pöörete arv, jõud, magnetväli Piesoelektriline Piesoelektriline Rõhk, jõud, kiirendus, vahemaa andur Ultraheliandur efekt Piesoelektriline Piesoelektriline Suits, tuli, soojuse jaotus andur Optoelektroonilised andurid efekt Optoelektroonilised efektid Vastavalt eesmärgile jaotatakse andurid: - rõhu- ja jõuanduriteks; - tasemeanduriteks; - kiirusanduriteks; - kiirendusanduriteks; - vibratsioonianduriteks; - magnetvälja anduriteks; - vaakumanduriteks; - nihkeanduriteks; - tarbimise anduriteks; - temperatuurianduriteks; - radioaktiivse kiirguse anduriteks; - niiskusanduriteks: - gaasianduriteks; - bioanduriteks jne. Kiirgus, nurk, pöörete arv, nihe, moment Sõltuvalt väljundsignaali tüübist jaotatakse andurid: - analoogandurid - muundavad mõõdetavad mitte-elektrilised suurused analoog-elektrisignaalideks; - digitaalandurid - muundavad mõõdetavad mitte-elektrilised muutujad digitaalseteks väljundsignaalideks (vahetu või kaudne muundamine); 9

10 - pseudodigitaalsed andurid - muundavad mõõdetavad muutujad sageduseks või ajaintervalliks (vahetu või kaudne muundamine); - lülitusandurid - reageerivad mõõdetava suuruse läviväärtuse (piirväärtuse) ületamisele ja lülitavad väljundsignaali madalale või kõrgele tasemele. Kõik materjalid-reageerivad iseloomulikult välismõjudele. Välismõjudele kõige tundlikumaid materjale, s. t. neil on funktsionaalsed omadused, kasutatakse andurite tundlike elementidena. Kasutatavate materjalide alusel grupeeritakse andurid: sõltuvalt kasutatavast materjalist: - metall; - keraamika; - polümeer; - komposiitmaterjalid. sõltuvalt materjali füüsikalistest omadustest: - elektrijuhid; - pooljuhid; - dielektrikud; - magnetmaterjalid. sõltuvalt materjali kristallistruktuurist: - kristall; - polükristall; - amorfne. Sõltuvalt tootmisprotsessist jaotatakse andurid: - integraalsed andurid; - kelmeandurid; - paksukelmeandurid; - keraamilised andurid. 10

11 II PEATÜKK TEMPERATUURIANDURID Enimkasutatavad temperatuuriandurite tüübid on järgmised: - termoelektrilised andurid; - termoresistiivsed andurid; - termodioodid, termotransistorid ja integreeritud temperatuuriandurid. Neid andureid ei kasutata ainult temperatuuri, vaid ka paljude muude termiliste protsessidega seotud muutujate mõõtmiseks, nt nihe ja mõõtmed, kiirus, gaasi ja vedeliku kulu, niiskus, gaaside keemiline analüüs jne Termoelektrilised andurid Sellesse gruppi kuuluvad termopaarid (joonis 2.1). Nad koosnevad kahest omavahel ühises punktis - siirde lõpus - kokku keevitatud erinevast juhist A ja B, mida nimetatakse termilisteks elektroodideks. Keevitatud otsa nimetatakse tavaliselt kuumaks ja saba või referentsotsi külmaks. 1 kuum siire; 2 külmad otsad Joonis 2.1 Kui kuuma siiret hoida temperatuuril t 1 = t x, ja külmad otsad on temperatuuril t 2 ja t 1 > t 2, siis tekib termoelektriline elektromotoorjõud või pinge (t.e.m.j.) E T, mis on kahe temperatuuri vahe funktsioon, s. t. E T = f ( t 1 t 2 ). (2.1) Seda nimetatakse termoelektriliseks efektiks. Hoides t 2 =const, osutub 11

12 võimalikus temperatuuride mõõtmine, s. t. E T = f ( t ) 1 1. Lihtsaim ühendusskeem temperatuuri mõõtmiseks on joonisel 2.1. Seda lihtsustatud skeemi ei saa tavaliselt praktiliselt teostada temperatuuri ja teiste mitte-elektriliste suuruste mõõtmiseks. Kuna vahemaad mõõdetava objektini on pikad, termilised elektroodid on valmistatud kallihinnalistest materjalidest ja ei neid ole majanduslik teha pikki. Sellise juhul kasutatakse pikendusjuhtmeid C ja D, mis vähendavad maksumust oluliselt (joonis 2.2) Joonis 2.2 Need elektroodid peavad olema termiliselt identsed neil on A ja B elektroodide suhtes väga sarnane termiline tegur (A - C ja B - D ja D' suhtes). Neid metalle, mis kontaktis teisega ei moodusta termopaari temperatuuridel 0 kuni 100 С, nimetatakse termoidentseteks. Termopaaridega mõõtmisel on põhiline osa veast põhjustatud külmade siirete mittekonstantsetest temperatuuridest. Laboritingimustes külmi siirdeid termostateeritakse, paigutades nad referentsiks sulavasse jäässe või termostaati. Mõnedes tööstuslikes rakendustes võib külmi siirdeid termostaatida, kas paigutades nad sügavale maasse või hea soojusisolatsiooniga kasti. Skeemis joonis 2.2 voolujuhid C ja D moodustavad kompenseeriva termopaari. Kui selle kuum siire on termostaaditud temperatuuril t 0, siis temperatuuri muutuse mõju uuele külmale siirdele a' - b' on välditud. Skeemi joonis 2.3 kasutatakse laialdaselt külma siirde temperatuurimuutuse täiendava vea kompenseerimiseks. 12

13 Joonis 2.3 Sildskeem on ühendatud termopaariga järjestikku. Termotundlik takisti (termistor) R T on ühendatud selle õlga samadel tingimustel kui külmad siirded. Sild on tasakaalustatud temperatuuril t 2 =t 0, mille juures termopaar on kalibreeritud. Kui see temperatuur muutub, siis termiline e.m.j. E t muutub järgmiselt: E t 0. Samal ajal R t muutub sellega koos ja silla tasakaal läheb paigast. See on skaleeritud nii, et pinge punktide a ja b vahel on U k = E t 0. (2.2) Sedasi saavutatakse automaatne kompensatsioon, s. t. U = ET ± E t ± U k = E 0 t, (2.3) kus U on millivoltmeetri lugem. Termopaarid paigutatakse kaitsekatetesse, et ennetada agressiivsete keemiliste keskkondade mõju. Kate peab olema gaasikindel, mehaaniliselt tugev ja hea soojusjuhtivusega. Kattematerjal ei tohi kuumutamisel eraldada elektroodidele kahjulikke gaase või aure. Väärismetallist termopaaride katted on kvarts- või keraamilised torud, ja teistel eriterasest torud Joonis 2.4 näitab skemaatiliselt termopaare ja erinevaid viise nende voolujuhtide isoleerimiseks. 13

14 а keerutatud ja keevitatud siiretega ja isoleerimata voolujuhtidega. b voolujuhtidega plasttorus c isoleeritud voolujuhtidega d kinnitatud ja keevitatud siiretega ja keraamiliste isolaatoritega Joonis 2.4 Termopaaridel on mittelineaarne ülekandefunktsioon, mis üldjuhul on järgmist tüüpi 2 3 E T = At + Bt + Ct. (2.4) Kus t = t 1 t2 on temperatuuride erinevus kuumade ja külmade siirete vahel; А, B ja C on konstandid, mis sõltuvad termiliste elektroodide materjalist. Tööstuslike termopaaride andmed on praktikas esitatud tabelites, kus termiline e.m.j. E T iga 1 С kohta temperatuuril t 2 =t 0 = 0 С. Termopaaridel on piirang muutuvate temperatuuride mõõtmisel neil on suur soojusinerts: kümnetest sekunditest 10 minutini. Tabelis 2.1 on andmed mõnede laialdasemalt kasutatavate termopaaride kohta. 14

15 Tüüp Termiliste elektroodide materjal Töötemperatuuri vahemik, С T vask konstantaan (vase ja nikli sulam) С J raud konstantaan С E kromell (nikli ja kroomi sulam) konstantaan С K kromell alumell (nikli, mangaani, alumiiniumi С ja räni sulam) R ja plaatina ja roodiumi sulam plaatina С S B plaatina-roodiumi sulam (30%) plaatinaroodiumi sulam (6%) С Tabel 2.1 Т-tüüpi termopaarid on korrosioonikindlad ja seetõttu neid võib kasutada niiskes atmosfääris. Neid võib rakendada miinustemperatuuride mõõtmiseks. Töötades agressiivses keskkonnas, on nende tööpiirkonna ülemine piir on 370 С, vaskelektroodide oksüdeerumise tõttu. Neid termopaare võib kasutada kõrgematel temperatuuridel teistes keskkondades. J-tüüpi termopaarid on sobivad töötamiseks vaakumis ja samuti inertsetes, oksüdeerivates või taandavates keskkondades. Nad töötavad temperatuurivahemikus 0 kuni 760 С. Temperatuuril üle 540 С toimub termoelementide raudosade kiire oksüdeerumine. Kui termopaarid peavad töötama pikaajaliselt kõrgetel temperatuuridel, tuleb nad valmistada jämedaid juhtmeid kasutades. Seda tüüpi termopaare ei soovitata nende hapruse tõttu kasutada alla 0 С temperatuuril, kuna nad õivad v minna rooste. Selles temperatuurivahemikus on parem kasutada T-tüüpi termopaare. E-tüüpi termopaare soovitatakse kasutada temperatuuridel -200 kuni 900 С Neid ei tohi kasutada taandavas keskkonnas või vaakumis. E-tüüpi termopaare võib kasutada temperatuuridel alla nulli, kuna nad ei korrodeeru, töötades suure niiskusesisaldusega keskkonnas. Neil on tavalistest termopaaride tüüpidest kõrgeim termiline e.m.j. ning seetõttu nad näivad olevat kõige sagedamini kasutatavad. K-tüüpi termopaare kasutatakse oksüdeerivas või täielikult inertses keskkonnas temperatuuride mõõtmiseks vahemikus -200 kuni 1260 С. Korrosioonikindluse tõttu kasutatakse neid sageli temperatuuridel üle 540 С. Siiski, seda üüpi t termopaare ei tohi kasutada taandavates keskkondades, väävlisisaldusega keskkondades ja vaakumis. R- ja S-tüüpi termopaarid on mõeldud pidevaks kasutamiseks oksüdeerivates või inertsetes keskkondades temperatuuri vahemikus С. B-tüüpi termopaarid sobivad pidevaks kasutamiseks oksüdeerivates või inertsetes keskkondades temperatuurivahemikus С. Neid võib kasutada lühiajaliseks mõõtmisteks vaakumis. Selliseid termopaare ei soovitata kasutada taandavates keskkondades, mis sisaldavad metallilisi või mittemetallilisi aurusid. Neid ei tohi kunagi paigutada metallist kaitsekatetesse. 15

16 2.2. Termoresistiivsed andurid Termoresistiivsed andurid on suure temperatuurisõltuvusega voolujuhid või pooljuhid. Termotakisti takistus sõltub temperatuurist ja see on määratud seadise ja keskkonna vahelise soojusliku tasakaaluga. Soojusvahetus võib olla kahesuunaline: keskkonnast takistile ja vastupidi. Niisiis termotakisti temperatuur ja takistus antud termilise tasakaalu olukorras sõltuvad mitte üksnes voolust ja keskkonnatemperatuurist, kuid samuti hulgast muudest teguritest nagu anduri geomeetriline suurus ja kuju, alus ja kate, füüsikalised omadused, ümbritseva vedeliku kiirus ja temperatuur jne. Need tegurid mõjutavad termotakistite kasutamise võimalusi erinevate suuruste mõõtmisel. Põhinõuded termotakistite materjalidele: - suur elektrilise takistuse temperatuuritegur (TCR) - α ; - kuumuskindlus; - suur eritakistus. See on tähtis väikesemõõduliste andurite tootmisel Metall-termotakistid (RTD) Voolujuhtidest termotakistid (takistus-temperatuuriandurid RTD) on enamasti tehtud puhastest metallidest, kuna sulamitel on väiksem temperatuuritegur (TCR). Lisaks sellele, puhaste metallides temperatuurisõltuvus on täpselt teada ja neid sisaldavad mõõteseadmed võivad töötada standardkalibreerimisega. Praktikas kasutatakse vaske, plaatina ja niklit. Vask-termotakistid. Termotakistite valmistamiseks kasutatakse elektrolüütilist vaske. Seda võib kuumutada kuni temperatuurini 180 С. Kõrgematel temperatuuridel algab oksüdeerumine. Tema takistus sõltub temperatuurist lineaarselt vahemikus 20 kuni 180 С vastavalt võrrandile U e = 2U. (2.5) kusr 0 on takistus algtemperatuuril 0 С (273К) ja α on ТСR (α = 4.3х / С temperatuuril 0 kuni 100 С). Vasel on piirang - väike eritakistus. See on ρ =1.75х10-8 Ω m elektrolüütilise vase korral. Plaatina-termotakistid (plaatina-takistustemomeetrid). Plaatina on keemiliselt stabiilne ja hästi plastiline. Seda võib kuumutada 1475 С-ni ilma oksüdeerumise või sulamiseta. Paljudel juhtudel on ta asendamatu nende omaduste tõttu. Tema piiranguks on mittelineaarne takistuse temperatuuritegur. Seda sõltuvust vahemikus С määratakse võrrandiga ( 2 R t R0 1+ At+ Bt ) Ning vahemikus С valemiga 2 = R [ 1+ At+ Bt + C( t ) ] 3 =. (2.6) R t 0 100, (2.7) kusr 0 on takistus temperatuuril 0 C ning A, B ja C on konstandid. R t = f t on antud tabelites. Temperatuuridele üle 660 С ja alla -180 С, ( ) 16

17 Nikkel-termotakistid. Niklit saab kasutada termotakistina, kui ta on hästi isoleeritud keskkonnamõjudest kuni u 280 С, kuna õrgemal k te mperatuuril temperatuuritegur R t =f (t) on muutlik. Vahemikus 0 kuni 100 С sõltuvus on lineaarne ( α 6х10-3 1/ C ) ja seda saab väljendada valemiga (2.5). Nikli elektrilised omadused sõltuvad ebapuhtusest ja termilisest töötlusest. Selle materjali põhieelised on: suur elektriline takistus ρ = (7,5... 8,5) x 10-8 Ωm ja suur ТСR. Need omadused õimaldavad v valmistada väikesemõõtmelisi termotakisteid Termistorid Termistorid on takistuslikud andurid, millel on suur temperatuuritegur TCR laias temperatuurivahemikus. Praktikas neid toodetakse tilga, lameda ja silindrilise kujuga. Iga pooljuhtmaterjali ТСR α on takistuse muutuse määr antud temperatuurile vastava takistuse väärtuse suhtes. Matemaatiliselt väljendatakse seda järgmiselt: 1 dr α =. (2.8) R dt Termistore on kahte tüüpi: negatiivse temperatuuriteguriga (TCR), mille takistus väheneb temperatuuri tõustes, ja positiivse TCR-ga, mille takistus suureneb temperatuuri tõustes. Mõlemat tüüpi termistore toodetakse pooljuhtmaterjalidest ja TCR muutmisvahemik on -6,5 kuni +70%/ С. NTC-termistore toodetakse Mn, Ni, Co, Cu ja Fe metalloksiidide segust. Sõltuvus takistuse ja temperatuuri vahel on mittelineaarne ja seda võib esitada valemiga R T = Aexp( B T ), (2.9) kus Т on absoluutne temperatuur (К (Kelvinit)) ja A ning B on konstandid. A =R on võrdne termistori takistusega lõpmata kõrgel temperatuuril (1/Т=0), ja B on nn materjalitegur mõõdetuna kelvinites. Konstandi B väärtused on tavaliselt vahemikus 3000 kuni 5000 К. Konstanti В võib väljendada kui T1 T2 R1 B = ln, (2.10) T2 T1 R 2 kusr 1 ja R 2 on termistori takistus vastavalt temperatuuridel T 1 ja T 2. Termistoridel on negatiivne temperatuuritegur B α =, (2.11) 2 T mis tugevasti sõltub temperatuurist ja on 8 kuni 10 korda suurem kui metallidel. Nendel termistoridel on oluliselt suurem eritakistus. See võimaldab valmistada väikesemõõtmelisi termistore, millel on väiksem inerts. Muutes termistoride materjali ja mõõtmeid, võib saada takistusi 1 kuni 10 6 Ω toatemperatuuril ja TCR on -2 kuni -6,5%/ С. Teisalt, termistorid on mittelineaarsete tunnusjoontega R T = f ( T ), mis ei ole täielikult samasugused ühte ja sama tüüpi termistoridel. See piirab nende vahetatavust. Nad on tundlikud niiskusele ja nad on selle mõju 17

18 vältimiseks kaetud lakkisolatsiooniga. PTC-termistorid võib jaotada kahte põhimõtteliselt erinevasse gruppi sõltuvalt kasutatud pooljuhtmaterjali tüübist ja omadustest. Esimene grupp hõlmab väikese plaadikujulisi (tavaliselt ränist) pooljuhttermistore kahe vastaskülgedel asuva klemmiga. Nende elementide kasutamine põhineb faktile, et ränikristallid nii n- kui p- tüüpi lisandiga on positiivse TCR-ga, alates ülimadalatelt temperatuuridelt kuni 150 С ja üle selle. TCR toatemperatuuril on ligikaudu 0,8%/ С. Teine grupp koosneb positiivse TCR-ga termotakistitest (kuni 70%/ С), kuid piiratumas temperatuurivahemikus. Selliste elementide materjalina saab kasutada polükristallilist pooljuhti baarium-titanaati, kuna tal on suured TCR-i muutused faasimuutuse temperatuuri lähedal, mis vastab Curie temperatuurile. Joonis 2.5 näitab takistuse muutuse kõveraid sõltuvalt temperatuurist erinevat tüüpi termistoridel ja plaatina-termotakistil. 1 termistor negatiivse temperatuuriteguriga 2 termistor positiivse temperatuuriteguriga 3 positiivse temperatuuriteguriga ränitermistor 4 plaatina-termotakisti 5 negatiivse temperatuuriteguriga termistor, millel on suur takistuse muutus nimivahemikus Joonis 2.5 Termistore, millele on iseloomulik eriti suur TCR kriitilise temperatuuri tsoonis, nimetatakse paljudes publikatsioonides kriitilise temperatuuri takistiteks (CTR termistorid). Sõltuval materjalist võib takistus kriitilises temperatuurivahemikus nii 18

19 suureneda kui väheneda (näiteks BaTiO 3 baasil joonis 2.5 kõver 2 ja VO 2 baasil kõver 5). Kaasaegsete termistoride temperatuurivahemik on laienenud К, mis muudab nad väga laialdaselt kasutatavaks. Täpismõõtmisteks kasutatakse negatiivse TCR-ga termistore Termodioodid, termotransistorid ja integreeritud temperatuuriandurid Neid kasutatakse temperatuuri mõõtmiseks vahemikus -80 kuni 150 С. Nende tööpõhimõte põhineb päripingestatud pn-siirde takistuse temperatuurisõltuvusele (joonis 2.7). Joonis 2.7 Nende temperatuuritundlikkus on du S T, V/ C. (2.12) dt See on muutuv, kuna U = f ( T ) on mittelineaarne. Keskmine tundlikkus on hea ja see on suurusjärgus 2,5 mv/ C Tundlikkus sõltub pn-siirde vastuvoolust. Dioodid ja transistorid erinevad vastuvoolult oluliselt, mis tähendab, et neid on raske omavahel asendada. Eeliseks on nende madal hind. Vastuvoolude efekt väheneb oluliselt ning saavutatakse parem lineaarsus, kui kasutada kahte transistori ühes kestas (joonis 2.8). 19

20 Fig.2.8 Voolud I 1 ja I 2 läbivad pn-siirdeid. On tähtis, et neil transistoridel oleks võrdsed vastuvoolud. See on diferentsiaallülitus ja väljundpinge on U = U 1 U 2. Selle ahela tundlikkus on palju väiksem kui ühe transistoriga, kuid tunnusjoon U = f ( T ) on palju lineaarsem: du d( U1 U 2 ) S T = (2.13) dt dt k T I U 1 = ln 1 (2.14) q I 0 k T I U 2 = ln 2, (2.15) q I 0 kusi 0 on transistoride vastuvool, mis on eeldatavasti võrdsed; Т temperatuur Kelvinites; k Boltzmann i konstant; q elektroni laeng kt I1 I 2 kt kt I1 U = U1 U 2 = ln ln ( ln I1 ln I0 ln I 2 ln I0 ) ln q = + = I0 I 0 q q I 2 (2.16) kus I1 n =. I 2 kui n = 2, U 60T U = 86,56T ln n, (2.17) µv. S T du = 86,56 ln n. (2.18) dt 20

21 Selle transistoripaari võib teostada integraallülitusena kristalli pinnal. Sellisel juhul integreeritud transistoride parameetrid on paremad ja anduri tunnusjooned on peaaegu lineaarsed. Näiteks integraallülitus AD390, millel on lineaarne tunnusjoon. Väljundsignaaliks on vool. Temperatuurivahemik on -55 kuni 150 С ja tundlikkus on S T = 1µ А/ К. 21

22 III PEATÜKK JÕU- JA MEHAANILISE PINGE ANDURID 3.1. Tensoandurid Tensoandurid on kas elektrijuht- või pooljuhtmuundurid. Nende talitlus põhineb venitusefektile. Venitusefekt on anduri aktiivtakistuse muutus selle geomeetrilise suuruse ja vastupanu muutuse tõttu elastsel mehaanilisel deformatsioonil. Sel viisil saadud muutust iseloomustavad suhteliselt väikesed väärtused. Venitusefekti kvantitatiivseteks tunnusjooneks on suhtelise venitustundlikkuse tegur k, mis on määratud avaldisega ε R R R k = =, (3.1) ε l l l kus ε R = R R on voolujuhi takistuse suhteline muutus ja ε l = l l on selle pikkuse suhteline muutus. Suurel osal voolujuht-tensoanduritel k väärtused on 1.9 kuni 2.5. Tensoandurid jaotatakse: - voolujuht-tensoandurid; - foolium tensoandurid; - pooljuht-tensoandurid Voolujuht-tensoandurid Joonis 3.1 kujutab kõige tavalisemat voolujuht-tensoanduri lihtsustatud ehitust. Vooljuhtidena kasutatakse sulameid, nagu manganiin, konstantaan jne, kuna neil on väike takistuse temperatuuritegur (TCR) ja suur takistus. Vooljuhi paigutuse pikkust А nimetatakse baasiks ja В on anduri laius. Tensoandur kinnitatakse liimiga selle osa külge, mille deformatsiooni tuleb uurida. Selle pikkuse suund peab olema rööbitine mehaanilise pinge suunaga. Kui tensoanduri tegur k on teada ning pärast tensomuunduri takistuse muutuse mõõtmist R võib määrata selle pikkuse suhtelise muutuse kui R R 1 ε l = ε =, (3.2) k R k ja samuti tõmbe- või survepinge E R σ = E εl =. (3.3) k R 22

23 1 uuritav osa; 2 baas (õhuke isoleeritud paber või plastikpadi, tavaliselt sitke pärgamiin või lakk - = µm); 3 voolujuht (d=0,01...0,03 mm); 4 tinatatud vaskjuhi klemmid (d=0,1...0,3 mm); 5 kattekiht - kondensaatorpaber või lakk ( = µm) Joonis 3.1 Mõõdetav jõud F on määratud kui F = σ s, (3.4) kus s on objekti ristlõikepindala. Kuna on võimatu kasutada ühte tensoandurit rohkem kui ühel objektil, tuleb märkida, et kasutatav k väärtus määratakse antud partii proovide statistilise keskmistamisega ja kalibreerimine teostatakse 8-10% näidistele partiist. Selle tüübi tensoandurite puuduseks on nende suur risttundlikkus. Voolujuhttenosandurite piki- ja risttundlikkus on määratud suhtega B/A. Selle puuduse saab suures osas kõrvaldada ristpiirkondadesse paigutatud vasksildadega Foolium-tensoandurid Foolium-tensoandureid kasutatakse praktikas laialdaselt (joonis 3.2). 23

24 Joonis 3.2 Neid valmistatakse fotokeemilistel meetoditel. Metallfoolium kaetakse fototundliku kihiga ja sellele fotografeeritakse muunduri kuju. Nende eeliseks on voolujuhi suurem laius ristsuuna piirkondades, mis vähendab nende piirkondade takistust ja seega ka risttundlikkust Pooljuht-tensoandurid Pooljuht-tensoandureid valmistatakse sarnase meetodiga nagu fooliumtensoandureid. Nende rakendusi on laiendatud, kasutades germaaniumist, ränist, gallium-arseniidist jne pooljuhtmuundureid. Nende tõmbetundlikkus on tüüpiliselt korda kõrgem kui metall-tensoanduritel väga väikese baasi korral (2,5 mm). Nende tõmbetundlikkuse tegur sõltub tugevasti temperatuurist ja tunnusjoon ( ) R f ε l ε = on mittelineaarne. Foolium- või pooljuht-tensoandurite baasil valmistatakse tensoandurite erinevaid konfiguratsioone ning kombinatsioone. σ12 σ1 σ2 σr σ3 Joonis 3.3 Joonis 3.3 kujutab andurit 3 üksteise suhtes 120 all asetseva tensoanduriga. 24

25 Need moodustavad roseti, mille kaudu saab määrata mõjuvate keerukate mehaaniliste pingete resulteeruva mehaanilise pinge antud kitsas alas (punktis). Joonis 3.4 kujutab andurit, mis sisaldab kahte tensoandurit, mis on paigutatud 90 üksteise suhtes. Neid kasutatakse peamiselt mehaaniliste pingete ja pöördemomendi määramiseks pöörlevate masinate võllidel. (Joonis 3.5). Joonis 3.4 Joonis Piesoelektrilised andurid Nende andurite töö põhineb piesoelektrilisele efektile, mis esineb mõnedes dielektrilistes materjalides. Kui sellisest materjalist lõigatud plaati mehaaniliselt koormata, see polariseerub ja tema pinnal tekivad rakendatud jõuga võrdelised elektrilaengud. Koormuse eemaldamisel polarisatsioon ja laengud kaovad. Seda nähtust nimetatakse otseseks piesoelektriliseks efektiks. Kui selline plaat asetada elektrivälja, tekib temas mehaaniline pinge või muutuvad geomeetrilised mõõtmed. Seda nimetatakse kaudseks piesoelektriliseks efektiks. Laialdaselt kasutatavate piesoelektrikute tüüpiliseks näiteks on moonutusteta kristallivõrega kvarts. Seignette sool ja mõned keraamilised materjalid: piesoelektrikutena kasutatakse ka kunstlikult polariseeritud baariumtitanaati, pliitsirkoonium-titanaati jne. Piesoelektrilised andurid on generaatori tüüpi. Elektrilised laengud tekivad välise jõu mõjul. Jõudude mõõtmiseks kasutatava anduri tekitatud laengud ja pinge jäävad samaks ainult siis, kui mõõteahelal on lõpmata suur sisendtakistus, mis on praktiliselt võimatu. Piesoandurite minimaalsed talitlussagedused on tavaliselt (1... 0,5) Hz. Staatiliste jõudude mõõtmiseks kasutatakse nn piesotrafosid (joonis 3.6). 25

26 Joonis 3.6 Kaks piesoandurit paigutatakse tulpa üksteise peale. Vahelduvpinge U 1 rakendatakse alumisele andurile. Alumise kristalli geomeetrilised mõõtmed muutuvad sageduse taktis pöördpiesoelektrilise efekti tulemusel, s. t. tekivad lainetused ja ta muutub emitteriks. Pealmine staatilise jõuga koormatud muunduri seintel tekivad lainetest elektrilaengud piesoelektrilise efekti tulemusel. Väljundelektroodide elektriliste potentsiaalide vahe U 2 on võrdeline rakendatud jõuga. Viimast saab määrata kas U 2 väärtuse alusel või U 1 ja U 2 faasinihke järgi. Praktikas piesotrafod on valmistatud ühtse kolme elektroodiga muundurina Magnetoelastsed andurid Magnetelastsed muundurid põhinevad magnetoelastsel efektil, mis avaldub ferromagnetiliste materjalide magnetilise läbitavuse muutuses välistest jõududest põhjustatud mehaaniliste pingete toimel. On olemas ka vastupidine nähtus, mida nimetatakse magnetostriktiivseks efektiks, mis avaldub magnetvälja paigutatud ferromagnetiliste materjalide geomeetriliste mõõtmete muutuses. Seega, kui ferromagnetilise eseme mõõtmed suurenevad, on see positiivne magnetostriktsioon + λ, kui väli vähendab eseme mõõtmeid negatiivne magnetostriktsioon λ. Raual ja enamusel rauasulamitel esineb positiivne magnetostriktsioon, kuid nikkel jt on negatiivse magnetostriktsiooniga. Magnetoelastse efekti abil saab mõõta jõude, mehaanilisi pingeid ja momente. Magnetostriktiivse efekti põhjal on välja töötatud ultrahelilainete allikaid. 26

27 Induktiivset tüüpi magnetoelastsed andurid Induktiivset tüüpi magnetoelastne andur on kujutatud joonisel 3.7. Joonis 3.7 Kui jõud F on rakendatud magnetsüdamikule, tekivad mehaanilised venitused ja pinged σ, mille tulemusel muutub magnetiline läbitavus µ, põhjustades magnetilise takistuse R µ muutuse. Kui R µ muutub, siis pooli induktiivsus L muutub, mis põhjustab näivtakistuse z muutuse. 2 1 l W Rµ = ; L = ; z = R 2 + ( ωl) 2. (3.5) µ s R µ 2 l Kui R << ωl, siis z ω L = ω W µ. s Seega z = f ( µ ). (3.6) Andur joonis 3.7 positiivsel magnetostriktsioonil z = z l ( µ ) s 2 н z = ω W н µ kehtib, kus z н on pooli algne näivtakistus, kui F=0. (3.7) Vastastikku induktiivset tüüpi magnetoelastsed andurid Iga magnetelastse muunduri võib muuta vastastikku induktiivset (trafo-) tüüpi muunduriks, kui ümber magnetsüdamiku kerida mõõtepool (joonis 3.8). 27

28 Seda tüüpi muundurites Joonis 3.8 W W M =. (3.8) 1 2 R µ s E = ωw1w 2 I1µ. l (3.9) kehtib. Vastastikku induktiivset tüüpi magnetoelastne muundur positiivse magnetostriktsiooni korral joonis 3.10 kehtib. E = 1 s ( µ ) l Eн E = ωm I1 = ωw1w 2 I н µ. (3.10) Vaadeldud muundurid võivad olla üksikud ja diferentsiaalsed. Joonis 3.9 illustreerib magnetoelastset painduva magnetahelaga trafo-diferentsiaalmuundurit. 28

29 Joonis 3.9 Ferromagnetilisest materjalist varras asetatud kahele toele. Ergutusmähis W 1 asetseb keskmisel sambal ning mõõtepooli kaks sektsiooni W 2 ' '' ja W 2 on paigutatud teisele kahele sambale Magnetoanisotroopsed muundurid Nn magnetoanisotroopsed muundurid kuuluvad magnetoelastsete muundurite hulka. Nad põhinevad ferromagnetiliste materjalide magnetilisel mitteisotroopsusel, kui neis tekivad välistest jõududest põhjustatud mehaanilised pinged. а b Joonis

30 Mitteisotroopsus on materjalide magnetilise läbitavuse erinevus erinevates geomeetrilistes piirkondades. Muundur on kujutatud joonisel See on trafotüüpi. Magnetsüdamik on valmistatud lehtmaterjalist. Sellesse on puuritud neli ava, mis asuvad ruudu tippnurkades. Ergutusmähis W 1 ja mõõtemähis W 2 on paigutatud üksteise suhtes täisnurga alla, mis väldib nendevahelist induktiivset sidet. Kui mõõtemuundur on koormamata (F=0 - joonis 3.12а), siis materjalis pole magnetilist mitteisotroopsust. Ergutusmähise tekitatud magnetvoog kulgeb piki jooni, mis ei lõiku mõõtemähisega W 2 ja selles ei teki e.m.j. Kui rakendatakse jõudu F (joonis 3.12b), tekivad magnetsüdamikus mehaanilised pinged sel juhul need on survepinged. Magnetiline mitteisotroopsus tekib materjalis. Positiivse magnetostriktsiooni korral magnetiline läbitavus väheneb rakendatud jõuga paralleelses suunas, kusjuures jõuga ristsihis magnetiline läbitavus väheneb. Selle tulemusena magnetvälja jõujooned moonduvad. Osa nendest jõujoontest ümbritsevad mõõtemähise ja e.m.j. E = f ( F ). (3.15) indutseeritakse selles võrdeliselt jõuga. 30

31 IV PEATÜKK RÕHUANDURID Füüsikaline kontseptsiooni rõhk on määratud kui kindlale pinnale rakendatud jõu mõju. Rõhku kirjeldatakse kui F P =, (4.1) S kus P on rõhk, F on jõud ja S on pindala, millele jõud on rakendatud. SI süsteemi rõhuühik on Pa (Pascal). Üks Pa on määratud kui üks N (Newton) m 2 N (ruutmeetrile) Pa =. Lisaks paskalitele Pa kasutatakse praktikas sageli ka 2 m teisi mõõtühikuid nagu: psi (naela ruuttollile), atm (atmosfäär), bar, millimeetrit elavhõbedasammast, mida on sageli nimetatud ka torriks. Rõhuühikute teisendused heakskiidetud SI ühikuks Pa on tabelis 4.1. Tabel 4.1 Ühik Teisendamine paskaliteks Pa 1 psi bar atm torr Rõhu mõõtmiseks võib tutvustada järgmisi põhimõtteid: - atmosfäärirõhk: see on atmosfääri rõhk maapinnal. Atmosfäärirõhuks merepinnal eeldatakse kpa. See rõhk väheneb kõrguse suurenedes. - Rõhk 0 Pa on täielik vaakum. - Vaakumiks nimetatakse rõhkusid täielikust vaakumist atmosfäärirõhuni Rõhuandurite tüübid vastavalt mõõtetehnikale Praktikas mõõdetakse peamiselt gaasige ja vedelike rõhku. Rõhu mõõtmiseks erinevates põhitehnikates on välja töötatud suur hulk andureid Absoluutse mõõtmisega Seda tüüpi anduritega (joonis 4.1) määratakse rõhku vaakumis suhtes. 31

32 Joonis Näidikandurid Seda tüüpi andurid mõõdavad rõhku atmosfäärirõhu suhtes. (joonis 4.2). Referentsrõhuna kasutatakse atmosfäärirõhku. Üks variant seda tüüpi andureid määrab rõhku atmosfäärirõhu suhtes merepinnal. (joonis 4.2). 32

33 Diferentsiaalse mõõtmisega Seda tüüpi andurid (joonis 4.3) mõõdavad rõhku teatud referentsrõhu suhtes. Nende andurite tööpõhimõte sarnaneb näidikanduritele, kuid referentsrõhk erineb atmosfäärirõhust ja andur mõõdab erinevust rakendatud ja referentsrõhu erinevust. Joonis Andurite tüübid vastavalt nende tööpõhimõtetele Rõhu mõõtmiseks on välja töötatud palju erinevate mehaaniliste konstruktsioonidega või vedeliku torus liikumisele põhinevaid rõhuandureid. Automaatikas kasutamiseks pakuvad huvi elektrilise väljundsignaaliga rõhuandurid, mida saab ühendada mingit liiki jälgimis- ja juhtimisaparatuuriga. Kõige laialdasemalt kasutatavate rõhuandurite ehituses kasutatakse diafragmat. Membraan on plaat, mis paindub rõhu rakendamisel, ja kõrvalekalle sõltub rakendatud rõhust. Allpool käsitletakse mõnede praktikas laialdaselt rakendatavate andurite kõige tavalisemaid konstruktsioone Vastastikku induktiivsed andurid Seda tüüpi andurid sisaldavad diferentsiaaltrafot, mille magnetahel on ühendatud anduri membraaniga (joonis 4.4). Rõhu rakendamisel membraan paindub, mille tulemusena diferentsiaaltrafo südamik nihkub. Trafo kaks sekundaarmähist on ühendatud vastasfaasides. Primaarmähist toidetakse siinuselise pingega. Kui südamik on trafo magnetilises keskmes, siis trafo väljundsignaal on null. Kui südamik nihkub, siis väljundpinge amplituud muutub sõltuvalt nihkest. Nihke suuna määramiseks saab kasutada faasinihet sisend- ja väljundsignaalide vahel. 33

34 1- primaarmähis; 2- sekundaarmähised; 3- membraan Joonis Mahtuvusandurid Membraan deformeerub rõhu rakendamisel. Viimane täidab kondensaatori plaadi rolli (joonis 4.5). Kui see nihkub, siis kondensaatori mahtuvus muutub. Sobiva elektroonikaskeemiga saab mahtuvuse muutuse lihtsalt teisendada anduri väljundsignaali muutuseks. 1- anduri kest; 2- membraan; 3 - elektrood Joonis

35 Piesoelektrilised andurid Seda tüüpi andurites kasutatakse andurimembraaniga ühendatud ühe või mitme piesokristalli piesoelektrilist efekti (joonis 4.6). Kui membraan nihkub, siis piesokristall tekitab laengu, mis sõltub membraanile rakendatud rõhust. 1- piesoelektriline element; 2 - elektroodid Joonis 4.6 Seda tüüpi andurid sobivad dünaamiliselt muutuva rõhu mõõtmiseks Tensoandurid Seda tüüpi andurid kasutatakse kõige laialdasemalt. Tensoanduritega konstruktsioone on välja töötatud suurel hulgal. Tensoandurid valmistatakse sobivate kujudega (joonis 4.7) ja nad paigutatakse deformeeruvale membraanile. 35

36 a Joonis 4.7 b Rõhu mõjul membraani kuju muutub ja see põhjustab tensoandurite kuju muutuse. Seega muutub nende takistus. Takistuse muutuse saab lihtsalt muundada väljundsignaaliks, mis vastab andurile rakendatud rõhule. Joonisel 4.7 kujutatud tensoanduri element sisaldab 4 rõhu tensoandurit, mis moodustavad alalisvoolusilla 4 õlga Optilised andurid Optilise andurid võivad talitleda valguse peegeldumise või ülekande põhimõttel (joonis 4.8). a b 1 membraan; 2 peegeldav element; 3 - barjäär Joonis 4.8 Esimest tüüpi andurites (joonis 4.8а) peegeldav element on paigutatud membraanile, mis sõltuvalt rakendatud rõhust ja membraani paindumisest peegeldab teatud hulgal temale langevat valgust tagasi vastuvõtjale. Valguse ülekandega andurites (joonis 4.8b) membraanile kinnitatud barjäär vähendab rõhu tõustes vastuvõtjale langeva valguse hulka. 36

37 V PEATÜKK POSITSIOONI-, NIHKE-, KIIRUS- JA KIIRENDUSANDURID 5.1. Kontaktandurid Kontaktandurid (contacthrones) on muundurid, milles sirgjooneline või nurga nihe (mõõtmed) muundatakse elektriahelat juhtivate kontaktide avatud või suletud olekuks. On välja töötatud ühepiirkonna- (joonis 5.1), topeltpiirkonna- (joonis 5.2) ning mitmepiirkonna- (joonis 5.3) kontaktandureid. 1 juhitav objekt; 2 võll; 3 silindrilised juhikud; 4 kontaktelektrood; 5 lame (silindriline) kontakt; 6 fikseeritud kontakt; 7 kaarekustutusgrupp Joonis

38 1 lamevedrud Joonis isolatsioon Joonis

39 U out = n i=1 U R R + R i (5.1) Kontaktid on valmistatud hõbedast, vasest, plaatinast, roodiumist, volframist, molübdeenist jne. Kaarekustutusgrupi ülesanne on vältida sädemeid ja elektrikaart. Magnet-juhtimisega kontaktid See on üks variant kontaktmuunduritest (joonis 5.4). Neid nimetatakse ka herkoniteks (hermeetilisteks kontaktideks) või keelanduriks. 1 klaasampull; 2 magnetiliselt pehmest materjalist elekroodplaadid (nt. permalloi); 3 kontaktid (plaatina, kuld, hõbe jne) Joonis 5.4 Klaasampulli läbimõõt on u 3 mm ja see on u 20 mm pikkune. See on täidetud kas inertgaasiga (lämmastik, argoon või vesinik) või see on hermeetiline. Elektroodplaadid on sellesse pressitud. Nad on valmistatud magnetiliselt pehmest materjalist (tavaliselt permalloi). Magnetväli sulgub nende ümber ja läbi kontaktide vahelise õhupilu. Kontaktid on kaetud hõbeda, kulla, plaatina, plaatinaroodiumi või nende sulamitega. Elektroodid töötavad magnetahelana, kontaktide ja vedrudena. Kontakte juhitakse välise magnetväljaga, mida tekitab püsimagnet. Magnetväli muutub kahel viisil: - magnetvälja tekitava püsimagneti liigutamise või pööramisega (jooni 5.5а, b); - püsimagneti ja ampulli vahele paigutatud ekraani liigutamisega (joonis 5.5c). 39

40 - a b c Joonis 5.5 Magnet-juhitavatel kontaktidel on järgmised eelised: väikesed mõõtmed, madal hind, hea oksüdeerumise- ja tolmukindlus, suur lülituste arv , hea kiirus 0,2...0,5 µs jne Potentsiomeetrilised andurid Mehaaniliste kontaktidega potentsiomeetrilised andurid Potentsiomeeter on takisti konstantse takistuse väärtusega R p, millel libiseb liugur, mis moodustab elektrilise kontakti. Liugur on mehaaniliselt ühendatud uuritava objektiga, mille liikumist tuleb üle kanda. Takistus R liuguri ja takisti ühe otsa vahel on järgmine funktsioon: - liuguri asend; - takisti ehitus. Kui takistil on homogeenne ehitus, siis potentsiomeeter on lineaarne, kuna esineb otsene proportsionaalne sõltuvus takistuse R ja liuguri asendi vahel. Sel juhul saab sõltuvalt liuguri nihketrajektoorist eristada: - lineaarse nihkega potentsiomeetreid (joonis 5.6 а) R l = l / L R (5.2) ( ) ( ) p 40

41 a b - pöördpotentsiomeetreid c Joonis 5.6 ( α ) ( α / ) p R = α m R. (5.3) See alagrupp sisaldab: = ringpotentsiomeetreid ( α m < 360 ) (joonis 5.6 b) = mitmepöördelisi potentsiomeetreid ( α > 360 ) (joonis 5.6 c) Potentsiomeetriliste andurite takisti võib olla kas elektrijuht või voolujuhtiv riba. Kui nendes andurites on kasutatud õhukest kalibreeritud voolujuhti koos liuguriga, neid nimetatakse ka reohordmuunduriteks (reohordideks). Kui voolujuht on mähitud karkassile, neid nimetatakse reostaatanduriteks. Reostaatandurid on erilahendusega reostaadid, mille liugur liigub sisendsuurusega lineaar- või nurknihe vm suurus (jõud, rõhk jne), mis on eelnevalt muudetud lineaarseks või nurknihkeks. Seetõttu nende muundurite ülekandefunktsiooniks on: R = f X, (5.4) m ( ) 41

42 kus X on sirgjooneline või nurganihe. Kõige sagedamini kasutatakse lineaarseid reostaate. Nende takistustraat on mähitud karkassile kogu selle pikkuses ühtlase sammuga ühtse sektsioonina (joonis 5.7 а). Liugurilt algavad kaks klemmi ja tekitavad kaks äljundtakistust v R 1 ja R 2. Joonise 5.7 b kõveratelt on näha, kuidas need takistused muutuvad. Tunnusjooned R1 = f1( l) ja R f ( l) 2 = 2 on lineaarsed ning R p on reostaadi kogutakistus. a b Joonis 5.7 Toodetakse ka funktsionaalseid reostaate, mille tunnusjoon on tahtlikult 42

43 mittelineaarne. Selle võib saavutada karkassi sobiva kujuga (joonis 5.8), sobiva keerdude sammu valikuga või lineaarse reostaadi osade takistitega lühistamisega. a b Joonis Mehaaniliste kontaktideta potentsiomeetrilised andurid Nad võivad põhineda erinevatel efektidel. Nende peamiseke eeliseks on kontaktpindade hõõrdumise ja kulumise puudumine. Need on kontaktivabad 43

44 muundurid. - Fotoefektil põhinevad potentsiomeetrid (pöördpotentsiomeeter optilise ühendusega) Fototundliku kihi takistus väheneb järsult valguse mõjul (joonis 5.9). 1 fikseeritud ketas; 2 juhtivast materjalist rõngas (kontaktiala); 3 fototundlik rõngas (ala); 4 takistusala (mõõteala); 5 valgusdiood. See väljastab valguskiire; 6 pöörlev element. Selle kohale on paigutatud kaks üksteise suhtes täisnurga all asuvat peeglit Joonis 5.9 See punkti, kus valguskiir põrkub fototundliku alaga, muutub juhtivaks ja moodustab sel viisil kontakti tsoonides 4 ja 2. Valguskiir on niisiis liuguri rollis. - Magnetilised potentsiomeetrid Neis kasutatakse magnettakisteid. Need on takistid, mille väärtus muutub magnetvälja mõjul. Kui selline takisti asub magnetväljas, siis tema takistus suureneb järsult. Magnetpotentsiomeetri ehitus (joonis 5.10) koosneb poolketta kujulisest kambrist, millesse sisenevad kaks magnettakistit R 1 ja R 2. Selle ketta ülemisele ja alumisele pinnale on paigutatud magnetpoolused, mis tekitavad magnettakistitega lõikuva magnetvälja. Punkt 3 on neile ühine. Kui ketast pööratakse, siis R 1 ja R 2 muutuvad erinevates suundades. Mida suurem osa magnettakistist on kaetud magnetväljaga, seda suurem on takistus. Joonis 5.11 kujutab takistuse R 1 muutust sõltuvalt nurkhälbest α. 44

45 Joonis 5.10 Joonis ketas katab R 2 ja taksitusel R 1 on miinimumväärtus; 90 - takistusel on keskmine väärtus ja R 1 =R 2; R 1 on maksimaalväärtusega; takistusel on jälle keskmine väärtus ja R 1 =R 2; takistus R 1 on jälle minimaalväärtusega; 45

46 5.3. Induktiivsed ja vastastikku induktiivsed andurid Induktiivandurid koosnevad induktiivpoolist, mis on paigutatud õhupiluga magnetsüdamikule. Pooli parameetrid sõltuvad sisendsuurusest, milleks tavaliselt on lineaarne või nurknihe vm suurus, mis on muudetud nihkeks. Sisendsuuruse Х, mõjul muutuvad õhupilu parameetrid (selle pikkus δ või pindala s) ja seega muutub õhupilu ja kogu pooli magnetahela takistus. Selle tulemusena muutub pooli induktiiv- ja näivtakistus. Kogu magnetiline takistus on R µ = R δ + R М (5.5) kus R δ on õhupilu magnetiline takistus, R М on pooli (tavaliselt lehtterasest) magnetsüdamiku magnetiline takistus. Kuna magnetiline kogutakistus on määratud õhupilu takistusega ( R δ >> RМ ), siis δ Rµ Rδ =, (5.6) µ 0 s kus δ on õhupilu pikkus, µ 0 on magnetiline konstant (vaakumi magnetiline läbitavus), s on õhupilu ristlõike pindala. Need muundurid töötavad vahelduvvooluga ja pooli näivtaksitus on ( ω ) 2 z = R 2 + L, (5.7) kus R on pooli aktiivtakistus, L on selle induktiivsus, ω on selle nurksagedus ω = 2π f ja f on sagedus. Kuna ω L >> R kehtib poolile, siis ω W ω W µ 0 s z ω L =. (5.8) R δ µ Järelikult, kui δ ja s muutuvad, muutub ka pooli takistus. Seetõttu kasutatakse muunduri ehitusi, kus muutub üks kahest parameetrist. On võimalik välja töötada nii üksikuid kui diferentsiaalandureid. Lähtudes ülekandefunktsioonist (5.8), z = f ( δ ) on üksikutel muunduritel mittelineaarne ja z = f ( s) on lineaarne. Diferentsiaalmuundurid võimaldavad laiendada tundlikkust, parandada muundusfunktsiooni lineaarsust, aga ka vähendada vigade määra. Iga induktiivse muunduri võib muuta vastastikkus induktiivseks (trafomuunduriks), kui magnetsüdamikule paigutada teine (mõõte) mähis, milles indutseeritaks elektromotoorjõud. Esimest mähist nimetatakse ergutusmähiseks. Diferentsiaalanduritel on lisatud kaks täiendavat sekundaarmähist. Üksikmuundurites kahe mähise vastastikune induktiivsus M on W1W2 M =. (5.9) 2 R µ 2 46

47 Muunduri sekundaarmähises indutseeritud elektromotoorjõud (e.m.j.) on s E = ω M I1 ω W1W 2 I1µ 0 δ. (5.10) Järelikult, kui δ või s muutuvad, muutub ka indutseeritud e.m.j. Sõltuvus f δ E = f s on lineaarne. E = ( ) on mittelineaarne ja ( ) Mõõtemuundurite ehitus Muutuva õhupiluga magnetsüdamikuga muundurid δ Need on enimkasutatavad induktiivmuundurid. Joonisel 5.12 on kujutatud seda tüüpi üksik induktiivmuundur. 1 magnetsüdamik; 2 ankur; 3 mähis Joonis 5.12 Ankur liigub sisendsuuruse Х mõjul ja tekitab õhupilu muutuse δ ning vastavalt (5.8-le) - ka mähise näivtakistuse muutuse. Joonisel 5.13 kujutatakse diferentsiaalset induktiivmuundurit, millel muutubδ. 47

48 Joonis 5.13 Joonised 5.14 ja vastavalt 5.15 kujutavad vastastikku induktiivset üksik- ja diferentsiaalmuundurit õhupilu δ muutmisega lineaarnihkega. Joonis

49 Joonis Muutuva õhupilu pindalaga magnetsüdamikuga muundurid Joonis 5.16 kujutab üksik-induktiivmuundurit ja joonis 5.17 kujutab seda tüüpi induktiivset diferentsiaalmuundurit. Üksik-induktiivmuundur joonisel 5.16а töötab lineaarnihkele. Sisendsuuruse X mõjul ankur liigub vasakule või paremlae ja sedasi suurendab või vähendab pindala s. 49