Mätgivare Mätning av mekaniska storheter och temperatur

En presentation över ämnet: "Mätgivare Mätning av mekaniska storheter och temperatur"— Presentationens avskrift:

1 William Sandqvist william@kth.se
Mätgivare Mätning av mekaniska storheter och temperatur William Sandqvist ISBN William Sandqvist

2 Sensorer för inbyggda system
Att konstruera ett inbyggt system spänner över många skolämnen. Givarna är nyckelkomponenter, men riskerar trots det att hamna ”mellan stolarna” och ämnesgränserna! William Sandqvist

3 Mål: Efter kursen kommer deltagarna att kunna se givare överallt!
Tex. Vad är det här? William Sandqvist

4 Ex. slitageytan på ett lager
När man belägger ett lager med en slitageyta av ett annat material, bildas det ett termoelement. Blir det ”varmgång” i lagret i någon punkt (”hotspot”) så blir det en termoemk – den emk’en kan varna om ett förestående lagerhaveri! Således en gratis-givare! William Sandqvist

5 William Sandqvist william@kth.se
Wingqvists kullager 1907 Men har det här lagret något med dagens givare att göra? William Sandqvist

6 Givare integreras numera ofta i rena verkstadsprodukter
Hjullagerenhet med integrerad ABS-sensor. SKF. William Sandqvist

7 Induktiv ABS-givare (spole)
Det tandade metallhjulet är inbakat i kullagrets plast-tätning! (ex. SKF) Mer senare i kursen … William Sandqvist

8 Givare/Sensor/Transmitter …
Kärt barn har många namn:  Givare (Mätgivare)/Sensor  Kombinationsgivare ex. gyro + accelerometer (ihopbyggda) Givarsystem ex. flera temperaturgivare (på avstånd) Transmitter standard industrisignal, tex strömslinga  Detektor ON/OFF  Vakt NORMAL/ONORMAL William Sandqvist

9 Givare / Sensor blockschema
”Fönster” Mekanisk miljöanpassning ( = hölje ) Instorhet Inre signalbe- handling Utstorhet Av- kännare Givar- element Givarfaktor: för linjär givare Matning, Spänning/Ström Aktiv/Passiv givare. En aktiv givare behöver ingen matning. William Sandqvist

10 Givare / Sensor Avkännare
Avkännaren omvandlar den mekaniska instorheten till någon annan (lämpligare) storhet. Lämpliga avkännare finner man i handböcker över maskinelement. Balk, ring, fjäder, rör, strypning, membran, kugghjul, kon, massa … William Sandqvist

11 Givare / Sensor Avkännare mikromekanik
Med liknande metoder som används vid halv-ledartillverkning av elektronik, kan man numera även tillverka komplicerade mekaniska strukturer. Dessa kan användas som avkännare, tillsammans med inte-grerad elektronik, i miniatyrgivare! William Sandqvist

12 Givare / Sensor Givarelement
Givarelementet är den elektriska komponent som samverkar med avkännaren. Tre principer:  Energiomvandling  Direkt fysikaliskt samband  Mekaniskt ingrepp i elektrisk krets William Sandqvist

13 Energiomvandling – aktiva givare
William Sandqvist

14 Energiomvandling – aktiva givare
Takometer-generator Piezoelektrisk kraftmätare Termo- element William Sandqvist

15 Fysikaliskt samband direkt
William Sandqvist

16 Fysikaliskt samband direkt
Resistans-termometer  resistivitet Töjningsgivare  elasticitet Kraftgivare  magnetoelasticitet William Sandqvist

17 Mekaniskt ingrepp i elektrisk krets – Resistiva givare
William Sandqvist

18 Mekaniskt ingrepp i elektrisk krets – Induktiva givare
Grupp Arbetsprincip Givarens benämning Utstorhet William Sandqvist

19 Mekaniskt ingrepp i elektrisk krets – Kapacitiva givare
Grupp Arbetsprincip Givarens benämning Utstorhet William Sandqvist

20 Några exempel på givarens blockschema
William Sandqvist

21 Exempel – en tryckgivare
William Sandqvist

22 Avkännaren – cirkulärt membran
Gas/Vätsketryck omvandlas till deformation/töjning William Sandqvist

23 Givarelement – töjningsgivare
Givarelementet är en speciellt utformad töjningsgivare som klistrats på membranet – mer om det senare i kursen … William Sandqvist

24 Vad är en töjningsgivare?
Jämför med en trädgårdsslang Dra i slangen så den blir ”lång och trång” då ökar motståndet! Mer senare i kursen! William Sandqvist

25 Inre signalbehandling – Whetstonebrygga
Givarelementen är fyra och kopplade som en Whetstonebrygga. Detta ger en önskad inre signalbehandling – mer om det snart i kursen … William Sandqvist

26 William Sandqvist william@kth.se
Matning Whetstonebryggan matas med en konstant spänning. Ofta behövs även elektronik med matning (tex. en förstärkare). William Sandqvist

27 Avkännare – Givarelement – Signalbehandling
Det verkar som om de olika funktionerna ”flyter ihop”. Anledningen till att vi delar upp funktionen enligt blockschemat är för att bättre förstå givaren. Avkännare – Givarelement – Signalbehandling William Sandqvist

28 Exempel – en induktiv flödesmätare
William Sandqvist

29 En enkel lågprisvariant?
1 st slang, 2 st magneter, 2 st elektroder Vilka funktioner har delarna? William Sandqvist

30 Arbetsprincipen e = lvB
Inducerad spänning i en ledare som rör sig i ett magnetfält. Instorhet: Volymflöde (vätska) qv [m3/s] Electromagnetic flowmeter Faraday försökte mäta upp Themsens ström-ningshastighet med denna metod. B var då jordens magnetfält. Experimentet misslyckades … William Sandqvist

31 Avkännare – Givarelement – Matning
Rörets tvärsnittsarea som ”omvandlar” strömningshastighet till volymflöde.  Givarelement: Elektroderna som fångar upp spänningen. Nödvändigt är också att vätskan är ledande, och att röret är isolerat mot vätskan och elektroderna vid mätstället.  Matning: Magneterna som ger upphov till magnetfältet B. Nödvändigt är också att röret måste vara av omagnetiserbart material vid mätstället. William Sandqvist

32 William Sandqvist william@kth.se
Avkännaren? Avkännaren, ”röret” – ingår i alla tre delarna! Avkännare/Givarelement/Matning Att ansvara för avkännaren är inte bara att hitta ett rör med passande diameter …  Röret måste vara isolerat  Röret får inte vara magnetiserbart  Vätskan måste vara åtminstone något ledande William Sandqvist

33 William Sandqvist william@kth.se
Den som skall tillverka en givare måste således vara klar över alla de ingående delarnas olika funktioner och andra önskade egenskaper! William Sandqvist

34 William Sandqvist william@kth.se
Vad är det här? En kugghjulsflödesmätare (detta är ju en givarkurs) – men bilden skulle ju lika gärna kunna föreställa en kugghjulspump? William Sandqvist

35 Dualitet Givare – Ställdon
De flesta givare har sin motsvarighet i något ställdon! Varvtal: Generator – Motor Därför kan man numera ha en kombinerad ”starter-generator” till bilmotorn i stället för en startmotor och en generator William Sandqvist

36 Dualitet Givare – Ställdon
De flesta givare har sin motsvarighet i något ställdon! Temperatur: Resistanstermometer – Värmelement William Sandqvist

37 William Sandqvist william@kth.se
En motor med överhettad lindning. Bild tagen med IR-kamera. En motors lindningstemperatur. Mäter man lindnings-resistansen, kan temperaturen beräknas – någon temperatur-givare behövs ej. Lindningen är både ”värme-element” och ”resistanstermometer”. William Sandqvist

38 Dualitet Givare – Ställdon
De flesta givare har sin motsvarighet i något ställdon! Temperatur: Termoelement – Peltierkylare/Värmelement William Sandqvist

39 Dualitet Givare – Ställdon
De flesta givare har sin motsvarighet i något ställdon! Position: Induktiv givare – Dragmagnet Dragmagnetens induktans påverkas av kärnans position – kanske kan man undvara positionsgivaren om man redan har en dragmagnet? William Sandqvist

40 Givarelement i inbyggda system
Hur hittar man mätgivare med rätt prestanda och till rätt pris? Processorn i ett inbyggt system har en avsevärd beräknings-kraft – detta kan utnyttjas till att kompensera de brister som finns hos enklare givarelement. Vet man vad givarna innehåller och hur de fungerar – då kan man börja se givare överallt! Resultatet kan mycket väl bli okonventionella givarlösningar. ( Givar-branschen är mycket konservativ, mycket återstår att uppfinna! … ) William Sandqvist