Meettechniek. Michael De Nil February 11, 2004

Transcriptie

1 Meettechniek Michael De Nil February 11, 2004 Contents 1 Inleiding Eenheden Soorten meetsignalen Specificaties Overdrachtfuncties Drift Tijdsconstante Gevoeligheid (sensitivity) Nauwkeurigheid (accuracy) Range Span Lineariteit Repeatability repeteerbaarheid Rangeability turndown Transmitter - Transducer - Meetzender - Meetvoeler Overzicht meettoestellen Drukmeting Barometer Torricelli U-kolom Wijzerinstrumenten Capacitief - keramische cel Rotameter Niveaumeting Vlotter Trilvork Capacitive level switch Geleidbaarheid Ultrasoon Microgolven γ-straling Peilglas

2 2.2.9 Mechanische peilstok Elektrische peilstok Peilloodsysteem Weegmethode Verdringer Temperatuurmeting Metaalweerstandthermometer Thermokoppel Thermopile Diode Thermistoren Uitzettingsmeting Rekstrookje

3 1 Inleiding 1.1 Eenheden Lading q C Coulomb Weerstand R Ω Ohm Spanning U V Volt Stroom I A Ampère Capaciteit C F Fahrad Inductie L H Hening Soortelijke weerstand ρ Ω.mm 2 Massa m kg Kilogram Lengte l m Meter Tijd t s Seconde m Snelheid v m s ρ koper = 0, 017 Ω.mm2 m Versnelling a m s 2 g = 9, 81 m s 2 Kracht F N Newton F = m.a F = kg.m s 2 Energie E J Joule E k = m.v2 2 & E p = m.g.h E = kg.m2 s 2 Vermogen P W Watt P = J s Dichtheid kg m 3 ρ Druk P Pa Pascal 1 Pa = 1 Newton m 2 1 bar = 10 5 Pa ρ water (4 o C, 1 bar) = 1000 kg m 3 P = ρ.g.h = kg m 3. m s 2.m = N m 2 Temperatuur T K Kelvin 0 o K = -273,15 o C 1.2 Soorten meetsignalen Een meetsignaal brengt informatie uit een sensor in the field over naar een laagspanningslokaal. 3 soorten meetsignalen: pneumatisch (druk) (0,2-1 bar) erg traag elektrisch spanning (0-10 V) storingsgevoelig & afstandsafhankelijk stroom (4-20 ma) optisch (glasfiber) 1.3 Specificaties Overdrachtfuncties Hoe input getranformeerd wordt in output, gegeven in: = N.m 3

4 tabellen xy-diagrammen formules Drift Invloed van ongewenste grootheden verandering overdrachtsfunctie door andere dan gemeten grootheden. (bv: beinvloeding door temp) Tijdsconstante Tijd die verstrijkt tot 63% van eindwaarde is bereikt Gevoeligheid (sensitivity) Verhouding tss uitgangsgrootheid en ingangsgrootheid output input Nauwkeurigheid (accuracy) Systematische fout kan door correctie gecompenseerd worden (bv tempcorrectie bij niveaumeting) Toevallige fout kan enkel gecorrigeerd worden met statistiek Range Min. & max. meetwaarde waarvoor meettoestel geschikt is. (bv Ohm-meter - 0 Ω - 100k Ω Span Verschil tussen min. & max. meetwaarde (bv thermometer met range heeft span 200) Lineariteit Mate waarin overdracht input - output een rechte benadert Repeatability repeteerbaarheid Mate waarin meetresultaat gelijk is aan gelijke meetomstandigheden Rangeability turndown Verhouding tussen maximum en minimum meetwaarde die gegarandeerd worden (uitgedrukt in breuk max min 4

5 1.4 Transmitter - Transducer - Meetzender - Meetvoeler Transmitter luistert naar input-signaal en stuurt een output-signaal in proportie tss 4 & 20mA. Druk van 3 bar druktransmitter 0-10 bar stroom van = 4, 8mA 2 Overzicht meettoestellen 2.1 Drukmeting Barometer Torricelli Vat met vloeistof opengesteld aan luchtdruk met daarin buisje met P=0. Luchtdruk stijgt meer vloeistof kruipt in buisje. Men moet wel rekening houden met volgende factoren: Temperatuur Warmte uitzetten van vloeistof Verdamping in buisje dampdruk Zwaartekracht (hoogte & plaats op aarde Cohesie & adhesie U-kolom Buis in U-vorm gebogen & aan een kant opengesteld aan atmosfeer & aan andere kant in de hogere / lagere druk Nadelen: Klein bereik (stevigheid buis & vloeistofpijl) Kan niet gebruikt worden bij vloeistoffen (mag niet vermengen) Groot onderhoud Enkel bij drukken die traag veranderen Enkel voor directe aflezing Schuine U-kolom nauwkeurigere aflezing mogelijk. 5

6 2.1.3 Wijzerinstrumenten Druk op elastisch deel vervorming door mechanische spanning. Type Stof Meetbereik Bourdonbuis gas, damp en vloeistoffen 0, bar Membraan gas, damp en vloeistoffen 60 mbar 25 bar Balg gas 6 mbar 0,6 bar Capacitief - keramische cel 2 plaatjes met verschillende spanning condensator. De plaatjes zullen door het drukverschil bijeen worden geduwd grootte condensator in functie van drukverschil Rotameter Debietmeter geeft aan hoeveel lucht er per tijdseenheid wordt doorgelaten. 2.2 Niveaumeting Vlotter Drijvend deel wordt beweegbaar rond vaste metalen staaf geplaatst, die op zijn beurt in vloeistof wordt geplaatst Trilvork 2 metalen elk aan een kristal: Op kristal 1 wordt spanning gezet metaal 1 trilt. Metaal 2 zal op een bepaalde frequentie meetrillen (afhankelijk van de tussenstof van de metalen). Hierdoor zal ook kristal 2 trillen komt spanning over. bij vloeistof of vaste stof zal de spanning over kristal 2 kleiner zijn dan bij lucht. Opm: vaste stoffen kunnen enkel gemeten wanneer de stof tussen het vork kan enkel bij poeder enzo Capacitive level switch In het midden van een metalen vat wordt een staaf gestoken vat zal zich gedragen als een condensator met een capaciteit afhankelijk van de tussenstof. Voorwaarde: ɛ > ɛ lucht ɛ r > 1 6

7 2.2.4 Geleidbaarheid AC-signaal wordt door vloeistof gestuurd geleidbaarheid afhankelijk van de hoogte van de vloeistof Ultrasoon Sensor zendt ultrasoon geluid uit & meet de tijd tussen verzenden en ontvangen van dat geluid (vloeistof zal geluid weerkaatsen). Specificaties: Opm: Bereik: 0,5 60m P max 4 bar T max 100 o C Snelheid geluid temperatuursafhankelijk (0,16% / K) Blocking distance minimumafstand sensor - max-niveau Blind time tijd tss uitzenden en inleesklaar Microgolven Werkt op zelfde manier als ultrasoon, enkel heeft deze meetmethode geen last van temp, druk, enz door de hogere frequentie van de stralingen. Ultrasoon Microgolven (radar) geluid elektromagnetische golven 340 m/s km/s gasmedium medium met dichtheid > vacuum P max = 4 bar P max = 64 bar T max = 100 o C T max = 250 o C γ-straling Zender & ontvanger worden tegenover elkaar opgesteld aan een vat. Wanneer er een vloeistof op die hoogte in het vat komt, zal de ontvanger minder straling waarnemen. Deze meting kan tegen zowat alles. Opm: deze meetmethode wordt enkel gebruikt als het niet anders kan. (zeer hoge kost) 7

8 2.2.8 Peilglas Glazen buisje dat langs zijkant van vat gemonteerd wordt. geen druk buisje open vanboven wel druk buisje vanboven aan bovenkant vat gekoppeld Mechanische peilstok Stok die men in vat steekt en er terug uithaalt men kijkt hoe hoog de vloeistof kwam op de stok. Wordt gebruikt in auto s (oliepeil) Elektrische peilstok U-vormige balk met op de benen allemaal kleine stukjes geleidend materiaal allemaal condensators met grootte afhankelijk van middenstof Peilloodsysteem Gewicht dat aan een ketting door een motor naar beneden gelaten wordt wanneer het gewicht een vaste of een vloeistof tegenkomt daalt de de kracht naar beneden motor haalt gewicht terug omhoog en lengte van de kabel wordt gemeten Weegmethode Onder 1 poot van het vat wordt een weegschaal gemonteerd hoe voller het vat, hoe meer het vat zal doorwegen Verdringer Gewicht wordt aan veer gehangen en in vat gehangen als gewicht onder water komt gaat de veer minder uitrekken dan wanneer er geen water is. 2.3 Temperatuurmeting Metaalweerstandthermometer Principe: wanneer een geleider wordt opgewarmd zullen de atomen zich veel chaotischer gaan bewegen grotere weerstandswaarde (ρ). Volgende stoffen zullen NIET gebruikt worden als metaalweerstandthermometer: Goud & zilver ρ te klein Wolfram ρ groot, maar zeer breekbaar Koper goedkoop, maar ρ klein veel materiaal nodig 8

9 Stoffen die wel gebruikt zullen worden: Platina Nikkel hoog smeltpunt (bruikbaar van -200 o C 850 o C) chemisch onaantastbaar zeer stabiel metaal grote α (temperatuurscoeff.) erg gevoelig bruikbaar van -60 o C 180 o C gemakkelijk verwerkbaar goedkoop Deze technologie kan ook worden toegepast op een dunne film: kleinere productietijd hogere weerstand voor gegeven afmeting kleine afmeting kan eender welke vorm hebben Ofwel via folie kan eenvoudig op leidingen worden geplakt. temperatuursbereik responstijd Pt100 (bloot) -200 o C 800 o C 0,4 sec Ni100 (bloot) -60 o C 200 o C ± 1 sec Pt100 / Ni100 (huls) zelfde als bloot ± 2 min dunne film Pt o C 400 o C ± 0,3 sec folie Pt o C 230 o C 0,3 sec Aansluitingswijzen Pt100: 2-draads: Pt 100 9

10 3-draads: Pt draads: Pt 100 Opm: gemeten weerstandswaarde = weerstand Pt100 + weerstand aansluitdraden geen probleem als temp. van omgeving aansluitdraden constant is indien wel probleem: 3 of 4-draads aansluiten Thermokoppel Werking: 2 verschillende metalen worden tegen elkaar geplaatst verschillende EMK (elektro-magnetische kracht) afhankelijk van temp spanning over beide metalen afhankelijk van temp (Thomson-effect). De 5 wetten van het thermokoppel (hoe lief ;=)) 1. EMK enkel afhankelijk van temp op junctie, niet die van verbindingsdraden. 2. Wanneer er een metaal tussen een ander metaal wordt gezet, maar met dezelfde temperatuur op beide juncties beïnvloedt schakeling niet. 3. Als er een 3e metaal tussen de 2 juncties van 2 metalen wordt geplaatst (en de uiteinden van dit 3e metaal hebben dezelfde temperatuur), dan beïnvloedt dit de schakeling niet soldeersel tss 2 metalen (om ze vast te maken) gaat schakeling niet beïnvloeden. 10

11 4. Als er nu om de een of andere reden een ander metaal tussen de 2 metalen zit no problem. 5. Als er nu om de een of andere reden een andere temp tussen zit no problem. Compensatiekabel normaal zou men zelfde metalen moeten gebruiken als in het thermokoppel om de meting over te bringen, maar meestal is dit zeer duur andere metalen met zelfde EMK worden gebruikt veel goedkoper Thermopile Serieschakeling van thermokoppels stroom wordt groter & beter te meten Diode Hoe warmer een diode staat, hoe minder spanning erover zal staan temperatuurscoëfficiënt α 2, 2 mv o C Men plaatst diode in de te meten ruimte en men jaagt er constante stroom door spanning over diode is recht evenredig met temperatuur in die ruimte. Opm: men kan ook de base & emitter van een transistor gebruiken Thermistoren Thermistoren thermally sensitve resistor halfgeleiderweerstan temperatuurscoeff 10x groter dan die van metallieke weerstand (weerstand verandert exponentieel met temp). Eigenschappen: zeer klein zeer snelle responsietijd kleine span grote weerstandsverandering zeer gevoelig wordt vooral in medische dingen & labo-dinges gebruikt, span te klein voor industrie 2.4 Uitzettingsmeting Rekstrookje Folie met daarop geleidens materiaal als folie wordt uitgerokken vergroot de weerstand. 11