programozható_irányítóberendezések_-_egész

7/25/2019 Programozhat_irnytberendezsek_-_egsz

1/191

BUDAPESTI MSZAKI SGAZDASGTUDOMNYI EGYETEM

VILLAMOSMRNKI s INFORMATIKAI KARIrnytstechnika s Informatika Tanszk

Programozhat irnytberendezsek sszenzorrendszerek

oktatsi segdlet

ksztette: Dr. Csubk Tibor

Budapest, 2008.


2/191


3/191

Programozhat irnytberendezsek s

szenzorrendszerek

Tartalomjegyzk

1. A folyamatirnyts szintjei s fejldsi fokozatai..................................................3

2. Az informciszerzs eszkzei: szenzorok, rzkelk, tvadk...........................11

2.1 Szenzorok ltalnos jellemzi...........................................................................11

2.1.1 Mrendmennyisgek...........................................................................11

2.1.2 Mrsi mdszerek..................................................................................11

2.1.3 Mreszkzk........................................................................................12

2.1.4 Szenzorok jellemzi...............................................................................13

2.1.4.1 Statikus karakterisztika hibk...................................................13

2.1.4.2 Szenzorok dinamikus viselkedsnek jellemzi ......................18

2.1.5 Szenzorok csoportostsa az alkalmazsi terlet szerint .......................20

2.1.6 Szenzorok tpfeszltsg elltsa............................................................21

2.1.7 Szenzorok jellemzi a kimeneti jel szerint ............................................21

2.1.7.1 Analg kimeneti jelszenzorok ...............................................22

2.1.7.2 Frekvencia kimeneti jelrzkelk..........................................22

2.1.7.3 Digitlis kimeneti jelszenzorok.............................................23

2.1.7.4 Funkcimegoszts a szenzorok s a vezrl, mrsadatgyjt

egysgek kztt ........................................................................23

3. Az ipari irnytstechnika leggyakrabban mrt mennyisgei s azok

szenzorai ....................................................................................................................24

3.1 Er, nyoms, nyomatk mrse ........................................................................24

3.1.1 Piezorezisztv mrtalaktk................................................................243.1.1.1 Piezorezisztv hats fmekben..................................................25

3.1.1.2 Fm nylsmrellenlls statikus karakterisztikja...............25

3.1.1.3 Piezorezisztv hats flvezetkben...........................................27

3.1.1.4 Flvezetnylsmrellenlls statikus karakterisztikja ......27

3.1.1.5 A hmrsklet, mint zavar paramter.....................................28

3.1.1.5.1 A fm nylsmrellenllsok hmrskletfggse......28

3.1.1.5.2 A flvezetnylsmrellenllsok

hmrskletfggse.........................................................29


4/191

3.1.1.6 A nylsmrellenllsok kialaktsa .....................................29

3.1.1.7 A nylsmrblyegek jellemzi ............................................31

3.1.1.8 A nylsmrblyegek alkalmazsakor fellphibaforrsok.32

3.1.1.9 Nylsmrellenllsok hdkapcsolsban...............................36

3.2 Hmrskletmrs.............................................................................................39

3.2.1 A hmrskletmrk csoportostsa......................................................40

3.2.2 Fm ellenlls-hmrk.........................................................................40

3.2.3 Ellenlls-hmrk mrkrei...............................................................45

3.2.4 Flvezetellenlls-hmrk ................................................................50

3.2.5 PN tmenet-hmrsklet fggse ..........................................................54

3.2.6 Helemek...............................................................................................57

3.2.6.1 A helemek mkdsnek fizikai alapjai.................................57

3.2.6.2 A termofeszltsg keletkezsnek okai....................................60

3.2.6.3 A helemek mkdsnek tapasztalati sszefggsei..............61

3.2.6.4 A helemek statikus jellemzi..................................................62

3.2.7 A hidegponti hmrsklet hatsnak figyelembe vtele .......................64

3.2.8 Tervezsi pldk ....................................................................................66

3.3 raml kzegek mennyisgmrse ..................................................................71

3.3.1 Csoportosts a mkdsi elv alapjn....................................................71

3.3.2 A szkts ramlsmrs elve................................................................71

3.3.2.1 A tmegram szmtsa sszenyomhatatlan kzegek esetn...72

3.3.2.2 sszenyomhat kzegek ramlsmrse .................................76

3.3.2.3 Az expanzis tnyezvizsglata ...........................................77

3.3.2.4 Korrekcis mennyisgmrs ....................................................78

3.3.2.5 Nyomselvteli mdok.............................................................81

3.2.2.6 Szktelemek beptsi kvetelmnyei...................................84

3.3.3 Turbins ramlsmrs ..........................................................................853.3.4 Indukcis ramlsmrs.........................................................................87

3.3.5 rvnytpus ramlsmrs...................................................................91

3.3.6 Ultrahangos ramlsmrs.....................................................................94

4. Tvadk......................................................................................................................98

4.1 Csoportosts genercik szerint ..........................................................................98

4.1.1 Analg mkdss kimenjelC genercis tvadk.........................98

4.1.2 Digitlis mkdsD genercis tvadk.............................................102

4.1.3 Digitlis mkdsE genercis tvadk .............................................1064.1.4 Digitlis mkdsF genercis tvadk .............................................108

ii


5/191

4.2 A tvadk kivitele s beptsi felttelei ...........................................................109

4.3 A tvadk legfontosabb adatai ...........................................................................111

5. A folyamatirnyt rendszerek s az ipari folyamatok jelkapcsolata................116

5.1 Jeltpusok............................................................................................................116

5.1.1 Analg bemeneti jelek tpusai................................................................116

5.1.2 Digitlis bemeneti jelek tpusai ..............................................................116

5.1.3 Digitlis kimeneti jelek tpusai ..............................................................117

5.1.4 Analg kimeneti jelek tpusai ................................................................117

5.2 A jelforrsok s jelvevk tpusai ........................................................................119

5.3 Zavarjelek...........................................................................................................123

5.3.1 Zavarjelek tpusai az ramkrben val megjelensi forma szerint ........124

5.3.2 A zavarjelek tpusai a keletkezsi ok szerint s a zajcskkents

mdszerei...............................................................................................128

5.3.2.1 Konduktv zavarjelek...............................................................128

5.3.2.2 Elektromgneses (induktv) zavarjel .......................................128

5.3.2.3 Elektrosztatikus (kapacitv) zavarjel........................................130

5.3.2.4 A zavarjelek cskkentsnek nhny gyakorlati megoldsa...130

5.4 Fldels...............................................................................................................135

5.4.1 A folyamatirnyt rendszerek fldelsi tpusai ....................................135

5.4.2 A nemkvnatos fldramkrk kikszblsi mdszerei ....................138

5.4.3 Mrkr kialaktsok ramtvadk esetn.............................................139

5.4.4 Mrhidak fldelsi kiakaktsai ...........................................................140

5.4.4.1 A hd tpfeszltsg egyik pontja fldelt ..................................141

5.4.4.2 A hd egyik kimeneti pontja fldelt.........................................141

5.4.4.3 Vezetkrnykols csatlakoztatsa fldelt hd

tpfeszltsg esetn ................................................................141

5.4.4.4 Vezetkrnykols csatlakoztatsa fldelt hd kimenet esetn1425.5 Zavarjelek kiszrse a jelvevben......................................................................143

5.6 Folyamatirnyt berendezsek elektromgneses sszefrhetsge (EMC) ......145

6. Folyamatirnyt rendszerek felptse................................................................147

6.1 Folyamatirnyt rendszerekkel szemben tmasztott kvetelmnyek................147

6.2 Funkcionlis feloszts ........................................................................................147

6.2.1 Mikroszmtgp ...................................................................................148

6.2.1.1 Buszrendszerek........................................................................149

6.2.2 Kzponti vezrlegysg.........................................................................1506.2.2.1 Tervezsi, kivlasztsi szempontok.........................................150

iii


6/191

6.2.2.2 Vezrlegysg felptse .........................................................151

6.2.3 Hlzatkimarads ellen vdett RAM memria ......................................151

6.2.3.1 A folyamatirnyt rendszerek hibtlan

mkdsnek felttele .............................................................152

6.2.3.2 A hlzat-kimarads elleni vdelem elve................................152

6.2.3.3 A funkcionlis egysgek s logikai kapcsolatuk .....................153

6.2.3.4 A hlzat-kimarads s visszatrs szoftver vonatkozsai......155

6.3 Folyamat-szmtgp kapcsolat ramkrei ........................................................156

6.3.1 Analg bemeneti modul .........................................................................158

6.3.1.1 Az analg bemenetek jelcsatlakozsa......................................158

6.3.1.2 Jelforml ramkrk..............................................................159

6.3.1.3 Mrspontvltk (multiplexer) ................................................160

6.3.1.4 Erst......................................................................................165

6.3.1.5 Analg-digitlis talaktk.......................................................166

6.3.1.6 Az analg bemeneti modul vezrlegysge ............................174

6.3.2 Digitlis bemeneti modul .......................................................................175

6.3.2.1 Digitlis (ktllapot) adatbemeneti modul.............................176

6.3.2.2 Megszakts bemenetek...........................................................179

6.3.3 Digitlis (ktllapot) kimeneti modul ..................................................180

6.3.4 Analg kimenetek ..................................................................................182

6.3.4.1 Digitlis-analg talaktk.......................................................182

6.4 Ember-mikroszmtgp kapcsolat ramkrei...................................................185

6.4.1 Billentyzet ............................................................................................185

6.4.2 Kijelzramkr......................................................................................185

6.4.2.1 Kijelzelemek .........................................................................185

6.4.2.2 Kijelzvezrls .......................................................................186

iv


7/191

Dr. Csubk Tibor Programozhat irnytberendezsek s szenzor rendszerek

1. A folyamatirnyts szintjei, a folyamatirnyt rendszerekgenercii

1.1 Alapfogalmak

Ipari folyamat: Az Ipari folyamat olyan eszkzk, berendezsek sszessge, amely

alapanyagok, segdanyagok s energia felhasznlsval, termkek s mellk-termkek

ellltst teszi lehetv.

Folyamatirnyts:A folyamatirnyts adott folyamat zemvitele s felgyelete kezelk s

automatikus berendezsek segtsgvel oly mdon, hogy a kitztt termelsi, termelkenysgi

clt elrjk.

Az ipari folyamatokat a gyrts jellege szerint kt fcsoportba sorolhatk:

folytonos zemfolyamatok

szakaszos zemfolyamatok

A folytonos zemfolyamatokban az alapanyag, a segdanyag s az energia betpllsa s

ezzel egytt a termk kibocstsa is folyamatos. Tipikus folytonos zemfolyamat pldul a

villamos energia ellltsa. A folytonos zem folyamatok irnytsban az indtsokra,

lelltsokra s az ezzel kapcsolatos vezrlsekre viszonylag ritkn kerl sor. (Tipikusan

technolgiai zemzavar vagy karbantarts esetn).

A szakaszos zem folyamatokban a termk ellltshoz szksges anyagok betpllsa

gynevezett adagokban trtnik, az energia felhasznls idszakos, a gyrts eredmnyeknt

egy termk adag kszl el. A szakaszos zem folyamatok fbb irnytsi feladatai

zemindtsok, lellsok, zemllapot vltozsok, teht tlnyomrszt vezrlsek s csak

kisebb mrtkben szablyozsok. Tipikus szakaszos zem folyamat pldul a

gygyszergyrts.

Minden folyamatirnyt rendszernek hrom alapvetfeladatot kell elltnia:

informciszerzs (eszkzei: rzkelk, tvadk) informcifeldolgozs (eszkzei: mrsadatgyjtk, szablyozk, vezrlk (PLC))

beavatkozs (eszkzei: vgrehajtk, beavatkozk)

A termk ellltsa, mint vgs cl valamilyen gazdlkodsi szervezeti struktra

(VLLALAT) keretben valsul meg. A vllalatirnyts strukturlis felptse az 1.1 brn

lthat.

3


8/191


Ipari folyamat

rzkels, beavatkozs

Szablyozs, vezrls

Felgyeli irnyts

zem, zemegysg

Vllalat

Vezetsg

Ip.

ir.

techn.

Technolgia

Vllalatirnyts

Termelsirnyts

I ari irn tstechnika

1.1 braA vllalatirnyts struktrja

Energia

IPARI FOLYAMAT(berendezsek)

Alap- ssegdanyagok

Termk smellktermk

Folytonos zem Szakaszos zem

1.2 braIpari folyamat a gyrts jellege szerint

1.2. A folyamatirnyts szintjei

1.2.1 Termelsirnyts szintjei

1.2.1.1 Vllalatirnytsi szint

Fbb feladatok:

a vllalatvezets utastsainak rtelmezse s lebontsa

a vllalat zemeibl rkezadatok gyjtse

utastsok kiadsa a vllalat zemei szmra adatok szolgltatsa a vllalatvezets szmra

4


9/191


tvlati tervezs s elemzs

piackutats s elemzs

gyrtmnykonstrukci, gyrtsi technolgia meghatrozsa

vllalati raktrgazdlkods

vllalati termelsprogramozs gyrteszkz-gazdlkods

munkaer-gazdlkods

beszerzs, kooperci

pnzgazdlkods

rtkests, szllts

1.2.1.2 zemirnytsi szint

Fbb feladatok:

a vllalatirnytsi szint ltal elrt utastsok vtele s feldolgozsa

az zem mkdsi adatainak gyjtse s feldolgozsa

utastsok kiadsa az zemegysgek fel

mkdsi jelentsek szolgltatsa a vllalatirnyts szmra

a vllalatirnyts szintnl felsorolt feladatok zemi szintvgrehajtsa

1.2.1.3 zemegysg irnytsi szint

Fbb feladatok:

az zemegysg szmra elrt feladatok vtele s bontsa rszfeladatokra

az zem mkdsi adatainak gyjtse s feldolgozsa, mkdsi jelentsek szolgltatsa a

magasabb irnytsi szint szmra

irnytsi utastsok kiadsa az alacsonyabb irnytsi szint szmra

az zemegysg hatsfoknak analzise, optimlis irnytsa

1.2.2 Technolgiai irnyts szintjei

1.2.2.1 Felgyeli irnyts

Fbb feladatok:

analg s digitlis folyamatok mrse s feldolgozsa

ellenrzsi feladatok

szmtott vltozk kpzse

adattrols

jelzsek zenetnek kiadsa

beavatkozsok zavar s vsz esetben

szablyozk alapjeleinek lltsa

adatszolgltats a magasabb irnytsi szint szmra

5


10/191


elrsok, paramterek, receptek megadsa az alacsonyabb irnytsi szint szmra

1.2.2.2 Vezrls s sorrendi irnyts

Fbb feladatok:

ktllapot berendezsek mkdtetse idfggs felttelfggprogramok szerint idztk, ksleltetk indtsa az zemlpsek kztt

a folyamat egysgeinek klnbzirnytsi fzisokba val lptetse

irnytsi krk be-, illetve kikapcsolsa

a megfigyelt folyamat berendezseinek llapotanalzise

gyrtsi receptek feldolgozsa

1.2.2.3 Szablyoz irnyts

Fbb feladatok:

az egyedi folyamatvltozk meghatrozott rtken tartsa rtktart szablyozs

zavar jellemzk hatsnak kiszrse

a folyamat megfeleldinamikj lefutsnak biztostsa

1.3. A folyamatirnyt rendszerek genercii

1.3.1 Elsgenerci: Helyi (terepi) automatikus irnyts

Jellemzje:

nincsenek egysges jelek s jeltartomnyok;

az informci feldolgozst a folyamatparamterek fizikai kzelsgben elhelyezett

egyszeranalg szablyozk s vezrlberendezsek vgzik;

a kezelk e helyi mszerek mkdst ellenrzik, s kritikus esetekben beavatkoznak a

folyamatba.

Htrnya: nagy kiterjeds folyamat s sztszrt elhelyezs esetn a kezelk informcis

kapcsolatnak hinya miatt sszehangolt irnyts nem valsthat meg.

1.3.2 Msodik generci: Kzponti automatikus irnyts

Jellemzje:

az informcit szolgltat mrs jelzmszereket, az analg szablyozkat s vezrl

berendezseket egy kzponti vezrlterembe helyezik;

a folyamat zemvitele a smatblkon jl kvethet;

az irnytst nhny kezelvgezheti.

A kzponti irnyts azonban ignyli az rzkelk jeleinek nagytvolsg tovbbtst, ami

elvezet az egysges jeltartomnyok megjelenshez, ami az ipari irnytstechnika

megjelensnek kezdete.

6


11/191


Az egysges jelek s jeltartomnyok megjelense hatalmas lendletet ad az irnytstechnika

fejldsnek. Az irnytstechnikai kszlkek gyrtsa a technolgiai berendezsek

gyrtstl klnvlt. j vllalkozsok jttek ltre, amelyek egy-egy technolgiai paramter

(nyoms, hmrsklet, szint, ramls stb.), mreszkz (tvad, megjelent, regisztrl,

szablyoz, beavatkoz) gyrtsra szakosodtak, ugyanis az egysges jeltartomny miatt aklnbzgyrtk eszkzei jrulkos fejleszts s kltsg nlkl sszekapcsolhatkk vltak.

A tovbbfejleszts szksgessgt az albbi htrnyok indokoltk:

az zemvitel jellege, a gyrtott termk mennyisge s minsge nagymrtkben fgg a

kezelfelkszltsgtl, pillanatnyi llapottl;

a kezelk a folyamatnak mindig csak egyes rszeit irnytjk, ezrt az irnytsi rendszer

nem kpez egysges egszet;

az zemvitel ltal ignyelt adatrgzts (kzi naplzs, regisztrls) kltsges s fraszt,

nagy a tveszts veszlye; nincs md a technolgiai egysgek kztti klcsnhatsok figyelembe vtelre, optimlis

irnyts megvalstsra.

1.3.3 Harmadik generci: Kzponti szmtgpes irnyts

0/420 mA-es analgjelek

technolgia

veznyl

1.3 bra. Kzponti szmtgpes irnyts

Jellemzje:

a kzponti folyamatirnyt szmtgp s az rzkelk, tvtartk, beavatkozk kztt a

kommunikci analg 0/420 mAramjelekkel trtnik;

az informciszerzst s beavatkozst az rzkel s beavatkoz szervek, az informci

feldolgozst pedig a szmtgp vgzi;

megvalstja a naplzsi, regisztrlsi funkcikat;

7


12/191


lehetv teszi a technolgiai folyamatok sszehangolst, korszerirnytsi algoritmusok

alkalmazst.

Htrnya:

a szmtgp kiesse a teljes technolgiai mkdst veszlyezteti tovbbra is szksg

van az analg httr szablyozkraredundns rendszerdrga;

a kzponti elrendezs miatt magas a vezetkezs kltsge (egy kiterjedt technolgia esetn

a vezetkezs kltsge elrte az irnytrendszer kltsgnek a 40%-t).

1.3.4 Negyedik generci: Hierarchikus, osztott irnytrendszer alkalmazsa

Jellemzje:

a folyamatkzeli intelligens irnytegysgek (PLC-k, mrsadatgyjtk, digitlis

szablyozk) megjelense;

az intelligens irnyt egysgek egy-egy irnytsi feladatot autonm mdon elltnak;

a technolgiai kzelsgk miatt a vezetkezs kltsge cskken;

az intelligens irnytegysg s a tvadk kztti kommunikci tovbbra is analg 0/420

mAszabvnyos ramjel;

az intelligens irnytegysg s a kzponti folyamatirnyt szmtgp kztti

kommunikci digitlis terepbuszon keresztl valsul meg [terepbuszok burjnzsa (tbb

szz), szabvnyok hinya, gyors technikai fejldsjrulkos kltsgek nnek].

1.3.5 tdik generci: Hierarchikus, osztott irnyt rendszer szenzorbuszalkalmazsval

Jellemzje:

a technolgiai paramterek mrst vgzrzkelk s tvadk, valamint a technolgiai

folyamatba beavatkoz vgrehajtk, beavatkozk is digitlis mkdsek, s egy

gynevezett szenzor buszra felfzhetktovbb cskken a vezetkezs kltsge;

a tvadk knnyen tkonfigurlhatk, tesztelhetk, rugalmas irnytrendszer alakthat ki;

szmtgp-hlzat felhasznlsa: nagy trbeli kiterjedshlzatok felgyelete;

GSM felhasznlsa: felgyelet nlkli rendszerek hibajelzsre.

Hatsa:

Az irnytstechnikai kszlkgyrtk az analg technika mellett knytelenek megismerni s

alkalmazni a digitlis cscstechnikt vagy fuzionlni (1989: 26 vezetcg; 2003: 7 vezetcg:

1.6 bra).

8


13/191


SzenzorbuszSzenzorbusz

420 mA 420 mA

Technolgia

Terepbusz, pl. PROFIBUS

Veznyl

1. 4 braOsztott intelligencij (vegyes kommunikcij) folyamatirnyt rendszer

1.3.6 Hatodik generci: Egyttmkd(Collabirative) irnyt rendszerek

Jellemzje:

Az irnytsban rsztvevvalamennyi elem digitlis mkds, digitlis nagysebessg

soros kommunikcival;

minden eszkz kezdemnyezhet adatkrst s adattvitelt;

tbb hurkos, tbbszrs elrsi tvonalak;

nszervezd, njavt funkcival.

nszervezd, njavt, tbbhurkostbb elrsi ttal rendelkez

1.5 braEgyttmkdirnyt rendszerek (6. generci)

9


14/191


1989

1994

RosemountFisher Controls

2003WestinghouseDa Fisher-RosemountSAAB WestinghouseABB DanielCE Taylor SAABAugust Systems ABB

1.6 braAz irnytstechnikai eszkzket gyrtk szmnak alakulsa

1.7 braA folyamatirnytsi stratgik fejldse

BaileyFischer & PorterHartman and BraunRockwellSprecher & SchuhSiemensTexas InstrumentsFoxboroTriconicsAPVWonderwareEurothermHoneywellLeeds & NorthrupMeasurexYokogawa

Elsag-BaileyHartman and BraunRockwellSiemensSiebeAPVWonderwareEurotherm

Honeywell

Emerson ProcessManagementABBRockwellSiemensInvensysHoneywellYokogawa

Leeds & NorthrupMeasurexYokogawa

Kzponti

Osztott

Egyttmkd

10


15/191


2. Az informciszerzs eszkzei: szenzorok, rzkelk, tvadk

2.1 Szenzorok ltalnos jellemzi

Feladat: nemvillamos mennyisgek mrse villamos kimeneti jelrzkelkkel

2.1.1 Mrendmennyisgek

mechanikai:

elmozduls, elforduls, pozci, szghelyzet, tvolsg, trbeli helyzet;

sebessg, fordulatszm, gyorsuls;

er, tmeg, nyomatk;

ramlsi sebessg, tmegram.

termodinamikai: nyoms;

hmrsklet;

hram.

fizikaikmiai:

nedvessgtartalom;

pH-rtk;

folyadk- s gzsszettel.

optikai mennyisgek:

fnyintenzits;

fny spektrlis-eloszls.

2.1.2 Mrsi mdszerek

A nemvillamos mennyisgek talaktsi mdszere villamos mennyisgg.

FIZIKAI ELVEK, HATSOK

pldul: ellenlls-vltozs (megnyls, hmrsklet, elmozduls)

induktivits-vltozs (elmozduls, er)

kapacitsvltozs (elmozduls, anyagsszettel, szint)

termoelektromos feszltsg (hmrsklet)

stb.

11


16/191


BE KISZENZOR

Nemvillamosmennyisgek

Villamosmennyisgek

U, I, R, L. M, C, f

2.1. bra

2.1.3 A mreszkzk

Mivel mrnk?

BE KISZENZOR

2.2 bra

De mit is neveznk szenzornak?

primer rzkel+ jelforml elektronika

2.3 bra

pldul: nylsmrblyeges ermrcella

nemvillamos mennyisg illesztse: mechanikai konstrukci: ermegnyls

elemi szenzor: nylsmrellenlls: megnylsellenllsvltozs

jeltalakt: hdkapcsols: ellenllsvltozsfeszltsgvltozs

illeszt, jel elfeldolgoz : ersts, hmrskletkompenzci

BENemvillamosmennyisg il-

lesztse

Elemiszenzor

Primer rzkel

Jel-talakt

illesztel-

feldolgoz

jelforml elektronika

KI

SZENZOR

tpfeszltsg

12


17/191


2.1.4 A szenzorok jellemzi

fizikai mkdsi elv

kimeneti mennyisg, tpus, jeltartomny

mrsi tartomny

statikus karakterisztika K = f(B)

rzkenysgdB

dK=

dinamikus paramterek: hatrfrekvencia, bellsi id

pontossg, hibk

2.1.4.1 Statikus karakterisztika hibk

Minden jeltalakthoz tartozik egy elmleti statikus karakterisztika, amelytl az esetek tl-

nyom tbbsgben egy vizsglt jeltalakt statikus karakterisztikja eltr, gy a bemeneti

mennyisget hibsan alaktja t.

A mrendmennyisg mrt s pontos rtke kztti algebrai klnbsget nevezzk a jelt-

alakt hibjnak.

A hiba mint ismeretes eredetre nzve lehet rendszeres s vletlen, s megadhat abszo-

lt, illetve relatvhibaknt. A relatv hibk megadsakor a hibt ltalban a vgrtk%-ban

adjk meg, de elfordul a mrsi tartomny egy meghatrozott rszrevonatoztatott relatv

hiba is. Gyakori hibamegadsi md a hibasv(a mrendmennyisg egsz tartomnyra r-

vnyes maximlis hiba), illetve ennek a vgkitrsre vonatkoztatott %-os rtke, az osztly-

pontossg.

Az egyes jeltalaktk esetben konkrtan kell megvizsglni, hogy milyen mdon adjuk meg

annak hibjt, melyik az a hibafajta, amely legjobban jellemza jeltalakt mkdsre.

A tovbbiakban a statikus karakterisztika ltalnos jellemzin (rzkenysg, talaktsi tnye-

z, mrstartomny stb.) tlmenen azt vizsgljuk, hogy egy mrsi sorozattal megvizsglt

jeltalakt statikus karakterisztikja mennyire tr el az elmleti statikus karakterisztikjtl.

Ezen eltrseknek, karakterisztika hibknakjellegzetes tpusai vannak.Mivel adott esetben a karakterisztika hiba valsgos rtke a hiba defincijtl fggen k-

lnbzlehet (lsd, pl. a linearitsi hibk definciit), nagyon fontos annak pontos, szabatos

megadsa. Ez a tny figyelmeztet bennnket, tovbb arra is, hogy egy jeltalaktnak az

adatlapja alapjn trtn rtkelsekor nagy gondossggal kell eljrnunk, pontosan el kell

tudnunk dnteni, hogy a jeltalakttl mit vrhatunk.

Megjegyzs: Azokat a hibakomponenseket, amelyeket a jeltalakt mkdse s elkszts-

nek jsga hatroz meg, amelyek egyedenknt vltoznak s statisztikus trvnyszersget

kvetnek, alaphibnakis szoktk nevezni. (Ezen kvl a klskrlmnyek: krnyezeti h-

13


18/191


mrsklet, tpfeszltsg, terhels, nyoms stb. is befolysoljk a jeltalakt karakterisztik-

jt, ezekbl szrmaznak ajrulkoshibk.)

Az albbiakban tekintsk t a statikus karakterisztika gyakrabban elfordul hibit.

Hiszterzishiba (2.4 bra)

A jeltalakt kimenetn klnbz rtkeket mrhetnk attl fggen, hogy a bemeneti

mennyisg mrendrtkt melyik irnybl kzeltettk meg.

A kalibrcis ciklusban elfordul, azonos bemeneti mennyisghez tartoz kimeneti jeleknek

a klnbsgt nevezzk hiszterzisnek. Nagysga megadhat a vgkitrs %-ban is.

A nvleges mrsi tartomny egy rszben felvett kalibrcis ciklus hiszterzise (parcilis

hiszterzis) mindig kisebb, mint a nvleges mrsi tartomnyhoz tartoz totlis

hiszterzis.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

maxK

K

[%]Hiszterzishiba 1,5%

030% tartomny parcilis hiszterzise

maxB

B[%]

2.4 braHiszterzishiba (hibalptk 10:1)

Belssrldsi hiba(2. 5 bra)

A jeltalaktk nhny tpusnl (pl. a magnetoelasztikus talaktk) megfigyelhetegy bels

srldsbl szrmaz hibakomponens is. Ezt a srldsi hatst cskkenteni lehet frasztssal,rezgetssel, vibrcival.

Belssrldsi hibn rtjk a kimeneti jel azon maximlis megvltoztatst, amely a mrsi

tartomny valamely pontjban a srldsi hats megszntetse maximalizlsa eltt s

utn mrhet.

A kalibrci sorn trekedni kell a belssrldsmentes vizsglatra.

14


19/191


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 0 90 100

Belssrldsi hiba, 0,8%

maxK

K

[%] Kimenet fraszts eltt

Kimenet fraszts utn

70 8

maxB

B[%]

2.5 braBelssrldsi hiba (hibalptk = 10:1)

Ismtldsi hiba (2.6 bra)

Ismtldsi hibn rtjk a kimen jel szrsbl szrmaz legnagyobb eltrst, ugyanazon

bemeneti jelnek azonos klsfelttelek s azonos jelvltozsi irnyban val mrse esetn.

Meghatrozshoz legalbb kt kalibrcis ciklus szksges.

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

elsciklus

msodik ciklus

Ismtldsi hiba 0,7%

maxK

K

[%]

maxB

B[%]

2.6 braIsmtldsi hiba (hibalptk = 10:1)

15


20/191


Linearitsi hibk

A jeltalaktk egy rsznek elmleti statikus karakterisztikja lineris. A tnyleges mrsi

karakterisztika egyes pontjai azonban tbbnyire nem egy egyenesen tallhatk. A linearitsi

hibval hatrozzk meg a mrsi karakterisztiktl val eltrst.A vonatkoztatsi egyenest az idelis, a lineris karakterisztikt nknyesen vlaszthatjuk

meg, ennek fggvnyeknt ugyanazon statikus karakterisztika esetn is a linearitsi hiba rt-

ke is klnbzlehet.

a) Elmleti egyeneshez mrt linearitsi hiba(2.7 bra)

Ismert a jeltalakt elmleti statikus karakterisztikja. A mrsi karakterisztika egyes pontja-

inak eltrst az elmleti lineris statikus karakterisztikhoz kpest adjk meg. (Az elmleti

lineris statikus karakterisztika a bemeneti s kimeneti mennyisgek 0%-os s 100%-os pont-jait kti ssze.)

1,4%

maxK

K

[%]

0,8%

Elmleti egyeneshez mrtlinearitsi hiba

+1,4% -0,8%

maxB

B[%]

2.7 braElmleti egyeneshez mrt linearitsi hiba (hibalptk = 10:1)

1,1%

maxK

K

[%]1,0%

Vgpontokra vonatkoztatottlinearitsi hiba

+1,0% -1,1%

maxB

B[%]

2.8 braVgpontokra vonatkoztatott linearitsi hiba (hibalptk = 10:1)

16


21/191


b) Vgpontokra vonatkoztatott linearitsi hiba (2.8 bra)

Ebben az esetben a jeltalakt kezds vgpontjt ismerjk, s felttelezzk, hogy a statikus

karakterisztika lineris. A linearitsi hiba ezen defincijnl az elmleti egyenes a mrsi

karakterisztika kezd- s vgpontjt kti ssze (hiszterzis esetn a kezdpontok aritmetikaitlagt kell venni.)

c) Fggetlen linearitsi hiba (2.9 bra)

A fggetlen linearitsi hiba a mrsi karakterisztiknak a mrsi karakterisztikra legjobban

illeszked egyenestl val eltrse. A legjobban illeszkedegyenest a legkisebb ngyzetek

mdszervel hatrozhatjuk meg.

100

90 Legjobb kzeltegyenes

1,1%

maxK

K

8070

[%]

5040

60

3020100

Fggetlen linearitsi hiba+1,1% -1,0%

1,0%

maxB

B[%]

2.9 bra Fggetlen linearitsi hiba (hibalptk = 10:1)

d) Alakhiba (2.10 bra)

Amennyiben a jeltalakt elmleti statikus karakterisztikja nem lineris (pl. rezghengeres,

termisztor stb.) s szksg van arra, hogy jellemezzk a mrt karakterisztiknak az idelistl

val eltrst, akkor ezt a 2.10 brnlthat mdon vgezhetjk el.

10090807060

504030

maxK

K

[%]

20

Elmleti grbe

1,0%Alakhiba

+1,6 -1,0%

1,6%

100

maxB

B[%]

2.10 braAlakhiba (hibalptk = 10:1)

17


22/191


e) Felbontkpessg (2.11 bra)

A jeltalaktk nhny tpusnl a bemenjel folyamatos vltozsa mellett a kimeneti jel ug-

rsszeren vltozik (2.11 bra). Ilyen jelensget figyelhetnk meg, pl. a huzal-

potenciomterek statikus karakterisztikjnak felvtelnl. A felbontkpessg jellemzsretbbfle definci is elterjedt.

Kifejezhet, mint a legnagyobb lpcsa mrsi tartomnyban, vagy gy, hogy megadjk a

lpcsk (ugrsok) hny szzalka kisebb a vgkitrs adott szzalknl. (Pl. az ugrsok 95%-

a kisebb, mint a vgkitrs 0,25%-a, 5% pedig kisebb, mint a vgkitrs 0,5%-a.)

A felbontkpessg jellemezhet a mrsi tartomnyban lev ugrsok szmnak reciprok

rtkvel is, %-ban kifejezve.

f) Kszbrtk

Kszbrtknek nevezzk a mrendmennyisg azon legkisebb vltozst, amelyik a kime-

neti mennyisgben mr mrhetmegvltozst hoz ltre.

1009080

7060

504030

maxK

K

[%]

20 Kimenetugrsalak vltozsa10

0

maxB

B[%]

2.11 braFelbontkpessg

2.1.4.2 Szenzorok dinamikus viselkedsnek jellemzi

Dinamikus karakterisztika jellemzi az idtartomnyban

Az idtartomnybeli jellemzket az egysgugrs bemenjele adott vlaszfggvnye, az tme-

neti fggvny, alapjn mutatjuk be.

18


23/191


100100-

100+

htv(t) %

%

0t

tbe(%)

2.12 bra

Bellsi idnek nevezzk azt az idtartamot, amely alatt egysgugrs bemeneti jel hatsra a

kimeneti jel gy ri el llandsult rtke 100- s 100+%kztti svot, hogy onnan mr

nem lp ki.

szoksos rtke 5, illetve 2%, gy beszlnk 5, illetve 2%-os bellsi idrl. A jeltalakt

tehetetlensgbl fakad idksleltets jellemzsre a bellsi idn kvl hasznljk mg a

flrtkidt s az idllandt is.

A jeltalakt csillaptsi viszonyaira ad felvilgostst a tllvsnagysga.

Dinamikus karakterisztika jellemzi a frekvenciatartomnyban

Frekvenciamenet

Idben szinuszosan vltoz bemeneti jel esetn a jeltalakt adott munkapontjban mrt r-

zkenysgnek vltozst vizsgljuk a mrendmennyisg frekvencijnak fggvnyben.

A jeltalakt viselkedse nem idelis, az rzkenysg fgg a frekvencitl. A frekvenciame-

net jellemzsre ki kell vlasztani egy referenciafrekvencit, s meg kell adni azt a frekven-ciatartomnyt, amelyben a jeltalakt rzkenysge a referenciafrekvencin mrt rtktl

csak egy megadott %-ban tr el.

19


24/191


Referenciafrekvencia(A grbe)

Referenciafrekvencia(A grbe)

Frekvencia-tartomny(A grbe)

,

%

Frekvencia-tartomny(B grbe)

B grbe

A grbe

Bemeneti jel frekvencija, ciklus/sec

2.13 braFrekvenciamenet

Pldul a 2.13 brnkt tipikus frekvenciamenet lthat. Az Agrbe egy statikus s dina-

mikus, a B grbe csak dinamikus mrsekre hasznlhat jeltalakt frekvenciamenett

szemllteti. Az elsfrekvenciatartomnya 0300 Hz, referenciafrekvencia 10 Hz(rzkeny-

sgvltozs legfeljebb 5%), a Bgrbvel jellemzett jeltalaktnl a frekvenciatartomny

103500 Hz, referenciafrekvencia 100Hz(rzkenysgvltozs legfeljebb 5%).

2.1.5 A szenzorok csoportostsa s jellemzse alkalmazsi terlet szerint

laboratriumi preczis mrstechnika

ipari mrstechnika

kzfogyasztsi mrstechnika (aut, hztartsi eszkzk, szrakoztat elektronika)

1. tblzat

Preczis mrs-technika

Ipari mrs-technika

Kzfogyasztsi

Elvrt pontossg 0,01% 0,1% 1%

Karakterisztika, ill.hibakorrekci

digitlis analg

digitlis

nincs

Csatlakozsi fellet labor mr-rendszerekhez,pl. IEEE 488

ipari mrrend-szerekhez

20 mA, 10V

Fieldbus, RS 485

egyedi

r (viszonyszm) 10 000 300 10Darab (viszonyszm) 10 1 000 10 100 000

20


25/191


2.1.6 A szenzorok tpfeszltsg elltsa

4 vezetkes technika fggetlen tp- s jelvezetkek (magas vezetkezsi kltsget eredm-

nyez)

3 vezetkes technika, egy kzs jel- s tpvezetk ( a vezetkezs kltsge -el cskken)

2 vezetkes technika, kzs jel s tpvezetk (a vezetkezs kltsge a felre cskken )(tipi-

kus: 420 mA)

2.1.7 A szenzorok jellemzse a kimeneti jel szerint

folytonos kimenjel

o analg

o frekvencia

digitlis

ktllapot kimenjel

Szenzor

Tpfeszltsg

Jelvezetkek

Tp

SzenzorJel

Kzs

Jel- stpvezetk

Szenzor

21


26/191


2.1.7.1 Analg kimeneti jelszenzorok

pldul: ermrcella

nylsmrblyeges nyomsmr

ellenlls-hmr

induktv elmozduls-rzkel

tachomter genertor

stb.

2.1.7.2 Frekvencia kimeneti jelrzkelk (pszeudo digitlis szenzorok)

kzvetlen talakts frekvencia kimenetszenzorok

pldul: turbins ramlsmr

Doppler effektus elvn mkdultrahangos ramlsmr

rezgkvarcos nyoms s hmrskletrzkel

kzvetett talakts frekvencia kimenetszenzorok

pldul: kapacitv rzkelk

Mrendmennyisg

Primerrzkel

Analgkimeneti jel

Jel-formlAnalgvillamos jel

Primerrzkel

x f

Kimenetifrekvenciajel

fJel-

forml

Primerrzkel

Bemeneti

mennyisg

Analg

villamos jel

22


27/191


2.1.7.3 Digitlis kimeneti jelszenzorok

kzvetlen talakts digitlis kimeneti jelszenzorok

Digitlisinformci

Primerrzkel

pldul: kdtrcss abszolt elmozduls-, illetve elforduls-rzkel

kzvetett talakts digitlis kimeneti jelszenzorok

Digitlisinformci

A/Dtalakt

Primerrzkel

pldul: inkrementlis elmozduls-rzkel

2.1.7.4 Funkcimegoszts a szenzorok s a vezrl, mrsadatgyjtegysgekkztt

rzkelfunkcik jelfeldolgozsi funkcik

Analg

jeltvitela) Elemirzkel Jel-talakt A DigitlisjelfeldolgozsD

Trols,paramterezs

Elemirzkel

Jel-talakt

AAnalgjeltvitel D

Digitlisjelfeldolgozs

Trols,paramterezsb)

Elemirzkel

Jel-talakt

A

D

Digitlis jelt-vitel,

prhuzamosvagy soros


Trols,paramterezsc)

Elemirzkel

Jel-talakt

A

D

Digitlistvitel


Trols,paramterezsd)

23


28/191


3. Az ipari irnytstechnika leggyakrabban mrt mennyisgei sazok szenzorai

3.1 Er, nyoms, nyomatk mrse

3.1.1 Piezorezisztv mrtalaktk

A piezorezisztv hats: A mechanikai feszltsg vltozsa fm s flvezetanyagokban vil-

lamos ellenllsvltozst eredmnyez.

A mechanikai feszltsgek:

Elemi kocka

z

z

hzfeszltsgyz

cssztat feszltsgxz

zy A mechanikai feszltsgek

tenzorai:zx yx xy xz

Hooke-trvny:

A mechanikai feszltsgek s a geometriai mretvltozs kapcsolatt rja le.

y

x

yxxy

T = yx y yzx zx zy z

dualits: ij ji

z

y

x

=

EEE

EEE

EEE

1

1

1

izotrop testre igaz:a kristlytani irnyoktl fggetlen aviselkedse

z

y

x

x,y,z x, y, z irny relatv deformci (megnyls)

E rugalmassgi modulus

Poisson-tnyez

24


29/191


3.1.1.1 Piezorezisztv hats lersa fmekben

Fmekre jellemz:

1. sJprhuzamosak, azaz skalr:

= J villamos trerssg,

villamos vezetkpessg,

J ramsrsg

2. vltozsa klnbzik, ha a villamos s mechanikai hats egyirny, illetve merle-

ges.

3. nem fgg -tl, azaz a cssztat feszltsgektl.

Keressk a (T)sszefggst!Kt lehetsges t:

1. Szilrdsgtest fizikai levezets

2. Ksrleti tapasztalatok matematikai modell: ezt az utat jrjuk.

A ksrleti tapasztalatokat ler matematikai modell:

Ex= 0[1 + 11x+ 12(y+ z)] JxEy= 0[1 + 11y+ 12(x+ z)] JyEz= 0[1 + 11z+ 12(x+ y)] Jz

piezorezisztv llandk

3.1.1.2 Fm nylsmr-ellenlls rzkenysge egyirny mechanikai s

villamos hats esetn

A

Fx= y= z= 0

)1()1)(1(

)1(110 x

yz

x

AR

+

+++

= l

~(1+z+y)

A

F

J

xF

U

xy

z11x

mind kicsi

25


30/191


26

xxE

1

= xyzE

==

)1)(21)(1()1()1)(1(

)1(110110 yzxx

yz

x RA

R

+++++

+= l

mert z=ykicsi:

+

11

1

xx

zxxxzx

ERREE

RR

RR

)21()21

(

)21()1)(21(

11001100

110110

+++=+++=

=++++

Legyen )21( 11

++== Eg

x

, ahol:

0

0

R

RR = , a relatv ellenllsvltozs

A fentiek figyelembe vtelvel a fm nylsmrblyegek statikus karakterisztikja:

R = R0 (1+g)

ahol:

R a nylsmrellenllsa terhelt llapotban

R0 a nylsmrellenllsa terheletlen llapotban

relatv deformci ( megnyls)

g gauge-faktor

Mekkora g nagysgrendje ?

3,0102,01022

11112

11 N

m

m

NE

teht fmekreg 2

Mekkora a relatv ellenllsvltozs?

rugalmassgi hatr

3

211

28

102102

1022 =

===

m

Nm

N

Egg

a maximlis ellenllsvltzozs 0,2%


31/191


Anyagok g

N

m2

11

2m

NE

C1

Konstantn 2,0 -0,4410-11 1,631011 0,0310-3

Manganin 1,9 2,710-11

1,441011

0,0110-3

Nikkel -12,1 6,710-3

3.1.1.3 Piezorezisztv hats lersa flvezetkben

Tipikus anyag a szilicium (Si), a villamos s mechanikai izotrpia nem teljesl:

az alakvltozsi szenzor br szimmetrikus, de az elemek klnbznek

mechanikai terhels hatsra villamos anizotrpia lp fel.

E tulajdonsgokbl kvetkezik, hogy a kristly kivgsval, a kristlytani s a terhels geo-metriai irnyainak belltsval s a villamos mrsi irnyokkal a kristly rzkenysge vl-

toztathat.

A tovbbiakban felttelezzk, hogy a kristlyszerkezet tengelyei s a koordintarendszer ten-

gelyei egybeesnek.

A flvezetk piezorezisztv viselkedst ler egyenletek alapveten abban klnbznek a

fmektl, hogy a cssztat feszltsgek is kivlthatnak piezorezisztv hatst:

Ex=0{[1+11x+12(y+z)]Jx+44xyJy+44xzJz}Ey=0{(44xyJx+[1+11y+12(x+z]Jy+44yzJz}

Ez=0{(44xzJx+44yzJy+[1+11z+12(x+y)] Jz}

3.1.1 4 Flvezetnylsmrellenlls statikus karakterisztikja

Flvezetnylsmrellenlls rzkenysge egyirny mechanikai s villamos hats esetn

(longitudinlis hats)

U J

0, =

=

zy

xA

F

xF F

x A=y*z

++

++=

)1()1(

)1()1( 110

zzyy

xxxR

ll

l

27


32/191


28

)1()1)(1( 110110 zyxxzyxxzy

x R ++++=ll

l

xxxxzyxx EEE

R

RR 3121111111

0

0 +=+=

=

Si esetn:N

mE

211

11 10762,0 =

N

mEE

211

3121 10214,0 ==

N

m21111 102,102

=

vagyis: ==11

1111

1

Ex 1111


33/191


Plda:

KonstatnC

= 1

103 5 2=g 3max 10=

Cg

== 1

105,1 5

l %5.11100

10

105.1100

/3

5

max

=

==

l

rh

Mit jelent ez?

1 C hmrskletvltozs 1,5% mrsi hibt jelent a teljes mrsi tartomnyra vonatkozan.

EZ RISI HIBA!

csak hmrskletkompenzlt mrkapcsolsban mrhetnk!

A gauge-faktor hmrskletfggse

ok:a rugalmassgi modulus hmrskletfggse blyeg anyaga

hordoz (felragasztott hd)

Blyeg s a hordoz lineris htgulsi egytthatja

3.1.1.5.2 Flvezetnylsmrellenlls hmrskletfggse

Si esetn a ltszlagos relatv megnyls:

Cg

== 1

1047,7 6

l

C

= 1

10 3

8,133=g 3

max 105,0 =

Mit jelent ez?

1 C hmrskletvltozs 1,49%-os mrsi hibt jelent a teljes mrsi tartomnyra vonatko-

zan. A hmrsklet hatsa lnyegben megegyezik a fmeknl tapasztalt mrtkkel.

A kvetkeztets itt is az, hogy csak hmrskletkompenzlt mrkapcsolsban szabad mrni!

3.1.1.6 A nylsmrellenllsok kialaktsa

A nylsmrellenllsok (nylsmrblyegek) nhny kialaktsi mdjt a 3.1 bramutatja.

29


34/191


SR-4 SR-4 SR-4 B

C.J.

D.B.A.

L.SR-4K.

E. F.G. H.

M.

3.1 braNylsmrellenllsok kialaktsa

Az alkalmazsoknl a nylsmrblyeget felragasztjk vagy magra a mrenddeformci-

j testre, vagy kln erre a clra ksztett prbatestre. A prbatest rendszerint fmbl kszl.

A 3.2 braers nyomatk rzkelsre alkalmas prbatest kialaktsokat mutat.

Univerzlis gyrs mrleg-cella (HBM)Nyomott rd mrtesttel

kikpzett mrlegcella

Ngyoszlopos mrlegcella(MOM Kalibergyr)

Hajltott tart mrtest, feszltsggyjthelyekkel (2.866.059 USA szabadalom)Mrlegcella nyomott cskikpzs

mrtesttel

3.2 braErs nyomatk rzkelsre alkalmas tipikus kialaktsok

30


35/191


3.3 braNyoms mrsre alkalmas prbatest-kialaktsok

s flia nylsmrblyegek

3.1.1.7 A nylsmrblyegek jellemzadatai

1.talaktsi tnyez

rtke fmek esetben 22,7 kztt vltozik.

2.Alapellenlls

Szabvnyos alapellenlls rtke 90, 120, 300, 350, 600 s 1000 ohm.

3.Maximlis deformci

ltalban 10100 m.

4.Maximlis zemi hmrsklet

ltalban 80 C

specilis kivitelnl 200250 C

5.Maximlis frekvencia

Maga a blyeg 0-tl nhny ezer Hz frekvencij dinamikus ignybevtel talaktsra

hasznlhat.

Jegyezzk meg: A nylsmrblyegek jl hasznlhatk dinamikus mrsekre is!

6.

Keresztirny rzkenysgTekintsk a 3.4 brt!

3.4 bra

31


36/191


Helyesfelragaszts esetn a mrenddeformci az XXtengely irnyba hat. A blyeg

azonban rzkeny az Y-Yirny megnylsra is. A keresztirnymegnyls esetben mu-

tatott talaktsi tnyeza hosszirnybanmrhettalaktsi tnyeznhny szzalka.

(ltalban 3%, vagy ennl kisebb. Lsd Hooke trvny)

A fm nylsmrblyegek elnyei:

kis mret;

stabilits;

pontossg.

A fm nylsmrblyegek htrnyai:

az ellenllsanyag hmrsklet fggse;

a prbatest htgulsbl szrmaz hiba;

a ragasztsbl szrmaz hiba; kis rzkenysg.

A flvezetnylsmrblyegek elnyei:

a fm blyegekhez kpest nagy rzkenysg;

kis mret;

az alapellenlls az adalkokkal jl befolysolhat.

A flvezetnylsmrblyegek htrnyai:

a statikus karakterisztika nem lineris;

a fm blyegekhez kpest kisebb stabilits s pontossg;

az ellenlls ers hmrsklet-fggse;

a fm blyegeknl felsorolt egyb hibaforrsok.

3.1.1.8 A nylsmrblyegek alkalmazsakor fellphibaforrsok

1.A ragasztsbl eredhiba:

A nylsmrblyegeket a mrenddeformcij testre, vagy a prbatestre felragasztjuk.

A ragaszts akkor j, ha a nylsmrblyeg pontosan kveti a mrendtest minden de-

formcijt. Ha a blyeg nem kveti a test deformciit, akkor a blyeg kszik. A kszs

mrsi hibt okoz. A kszst helyes ragasztsi technolgival lehet kikszblni. A tech-

nolgia a ragasztanyagtl, a fellet elksztstl s a ragaszts minsgtl fgg. Rszle-

teket itt nem ismertetnk, csupn a ragaszts fontossgra hvjuk fel a figyelmet.

A j ragasztanyaggal szemben tmasztott kvetelmnyek:

rugalmassgi modulusza kzeltse meg az alap rugalmassgi moduluszt;

megkts utn ne vltoztassa mreteit (trfogatt), ne repedezzen, kmiai bomls ne

lpjen fel, stb.;

32


37/191


jl tapadjon mind a mrendtest fellethez, mind a blyeghez.

A blyegragaszts cljaira az egyes gyrtk specilis ragasztkat, pl. tbbkomponenspo-

limerizld manyag ragasztkat hoznak forgalomba.

2.

A hmrskletbl eredhiba:A 3.1.1.5 pontban megvizsgltuk a fm s flvezetalap nylsmrblyegek hmrsk-

letfggst.

Megllaptottuk: nylsmr blyeget csak olyan mrkapcsolsban szabad hasznlni,

amely cskkenti a hmrskletvltozs ltal okozott hibt.

Ilyen kapcsols a klnbsgi mrs elvt megvalst hibakapcsols.

Vizsgljuk meg, hogyan cskkenti a hdkapcsols a hmrskletvltozs ltal okozott hibt!

Tekintsk a 3.5 brnlthat kapcsolst!

Az elemek:

RA nylsmrblyeg;

RK nylsmrblyeg;

Rf hmrskletfggetlen ellenlls.

RA RK

U

Rf Rf

UT

3.5 bra

Felttelezzk: A blyegek alapelltsa, hmrskleti tnyezje, talaktsi tnyezje egyforma.

A kt blyeg kzl:

RAfelragasztsi irnya olyan, hogy a mrenddeformci azXXtengely irnyban hat

(lsd a 3.4 brt!)

RKfelragasztsi irnya olyan, hogy a mrenddeformci az YYtengely irnyba hat

(lsd a 3.4 brt!)A blyegek irnyhelyes felragasztsa a 3.6 brnlthat.

33


38/191


Aktv blyegKompenzl blyeg

F F

3.6 bra Aktv s kompenzl blyeg felragasztsa hz ignybevtel esetn

A mrenddeformci irnyba ragasztott blyeg az n. aktv blyeg, a 3.5 brn:RA.A mrenddeformci irnyra merlegesen felragasztott blyeg az n. kompenzl blyeg,

a 3.5 brn:RK.

A kompenzl blyeg feladata ltni fogjuk a hmrskletvltozs hatsnak kompenzlsa.

Az egyes blyegek egyttes ellenllsvltozsa:

)1()1( ++=E

gRRA , ahol

A

F=

)1()1( ++=E

gRR kK ,

ahol Ra blyegek 0C-on mrt azonos alapelenlls, terheletlen ellenllsa,

- az ellenllsanyag hmrskleti tnyezje,

- a hmrskletvltozs,

g - a blyeg talaktsi tnyezje,

gk - a keresztirny talaktsi tnyez

E - a mrenddeformcij test rugalmassgi modulusza,

- a mechanikai feszltsg.A

F=

F - a probatestre x irnyban hat er

A - a prbatest x tengelyre merleges fellete

A fenti kpletek felrsnl a mechanikai feszltsg irnyra merleges mretvltozst elha-

nyagoltuk.

Szmtsuk ki a hd resjrsi kimeneti feszltsgt!

Mivel az egyik hdg kt azonos elemet tartalmaz:

KA

KAT

RR

RRUU

+

=2

34


39/191


Behelyettestve:

)1()1()1()1(

)1()1()1()1(

2

+++++

++++=

EgR

EgR

E

gR

E

gR

UU

k

k

T

Vegyk szre:

1.A jobb oldal egyszersthetR-rel. Ez azt jelenti, hogy a kimeneti feszltsg nem fgg a

blyeg 0C-on mrt alapelltstl.

2.A jobb oldal egyszersthet(1+)-val. Ez azt jelenti, hogy a felvett kzeltsek esetn

a kimeneti feszltsg nem fgg a hmrsklettl.

Vgezzk el az egyszerstseket:

)(2

)(

2k

kT

ggE

ggEUU

++

=

Kzelts:

A nevezben 2 mellett ag-t tartalmaz tagok elhanyagolhatk, mivelEigen nagy. A szml-

lban pediggk


40/191


41/191


4 aktv blyeges mrhd feszltsggenertoros tpllssal

3.9 bra

=+

=

=++

=

+

+=

TT

TTTKi

UR

RRU

RRRR

RRRRU

RR

RU

RR

RUU

20

220

220

4321

3241

21

2

43

4

4

)1()1(

))((

Hogyan kompenzlja az ellenllsok hmrskletfggst a hdkapcsols?

)1)(1(041 ++== RRR ==g

)1)(1(032 +== RRR

==+

+++= gUU

R

RRUU TTTKi 22

0

2220

2220

)1(4

)1()1()1()1(

Ltszik, hogy a hmrsklet kompenzci mellett a kimeneti feszltsg ngyszeres az egy

aktv blyeges kialaktshoz kpest.

A cellatnyezfogalma:

Fmek esetn: 3maxmax 102 == g

V

mVg

U

U

T

Ki 2102 3maxmaxmax ==== ez a cellatnyez

Mekkora lehet UT?

Ezt az ellenllsok nmelegedsbl szrmaz hiba korltozza. Az ram ltalban nem lehet

nagyobb mint 1015 mA. R0ltalban 100500 ohmkztt vltozik. Ezrt UTlegfeljebb 5V.A mrendfeszltsg maximuma 10 mV.

UTUki

R1 R3R1

R2

R3R2 R4

R4

FR1=R4=R0(1+)

R2=R3=R0(1)

37


42/191


Nylsmrellenllsok mrelektronikja

1.Egyenfeszltsgmrhidak

2.A vvfrekvencis mrhidak (nem trgyaljuk)

3.Az egyenfeszltsgs a vvfrekvencis mrerstk sszehasonltsa

Az egyenfeszltsgs a vvfrekvencis mrhidak, mrerstk sszehasonltsa

Vvfrekvencia 225 Hz 5 Hz Egyenfeszltsg

Felshatrfrekvencia 9 Hz 500 Hz 10 000 Hz

Felfutsi id 20 ms 0,5 ms 10 sec

A nullpont hmrskletfggse 0,5 mV 3,5 mV 15 mV

Az rzkenysg hmrskletfggse 0,05% 0,2% 0,01%Linearitsi hiba 0,01% 0,05% 0,01%

Zaj (effektus-rtk) 0,04 V 0,02V 0,13 V

38


43/191


3.2 Hmrskletmrs

A hmrsklet

Az anyag belsenergiallapotval sszefggjellemz, kzelebbi meghatrozssal a moleku-

lk mozgsi energija. gy mint skalris mennyisg egyetlen mrszmmal jellemezhet. Amrszm megvlasztshoz egysgre s sklra van szksg.

Az elsmaradand hmrskletsklt Fahrenheit hozta ltre, amely az ember hrzett tartot-

ta szem eltt. Ezrt vlasztotta sklja fixpontjnak az emberi test hmrsklett.

Fahrenheit ma is hasznlatos az angolszsz orszgokban. A Celsius-skla mr jl reprodukl-

hat fixpontokra plt. A vz fagyspontja s a forrpontja egy higanyos hmrszmra 0,1

egysg pontossggal lltja ela sklt. A htgulsos rzkelkre alapult sklk annyira el-

terjedtek, hogy egysgeit ma is knytelenek vagyunk hasznlni akkor is, ha jelenlegi tudom-

nyos ismereteink alapjn tlhaladottak.

A Kelvin-skla

A jelenlegi fizikai ismereteink felhasznlsnl az elfogadott skla. Segtsgvel hozzuk ltre

a Nemzetkzi Hmrskletsklkat, amelyek a mrstechnika fejldst kvetve ~20 ven-

knt megjulnak.

A nemzetkzi mrtkegysgrendszer, az SI a hmrsklet egysgeknt a kelvint (K) fogadta

el. A kelvin a Lord Kelvin ltal ltrehozott hmrskletskla egysge. A skla lnyege, hogy

az anyag bels

energia llapothoz egy energiamentes pontot rendel, s ez a skla 0-pontja, azabszolt nulla hmrsklet.

Az anyag hmrskletnek nvekedshez a kzlt hmennyisget rendelte, s a kettkztti

kapcsolatot linerisnak tekintette. Ezen az alapon felptett skljnak egysgl a mr bevlt

1 C egysget vlasztotta.

gy: 1 K (egysg) = 1 C (egysg)

A skla alapjul a jl reproduklhat vz hrmaspontot vlasztotta. Ezzel elllt a kt fixpont

kztti sklatartomny. Az abszolt nulla hmrsklet s a vz hrmasponti hmrsklete

kztt az 1K egysg 273,16-szor fr el. Teht a vz hrmasponti hmrsklete 273,16 K.

Az sszefggsek:

0 K -273,16 C

0 C 273,16 K

A Celsius-hmrsklet jele:

A Kelvin-hmrsklet jele: T

tszmtsok: = T273,16 (C)

T = +273,16 (K)

Az elmleti Kelvin-sklt a gztrvny s a Planck-fle sugrzsi trvny valstja meg.

39


44/191


3.2.1 Hmrskletmrk csoportostsa

1. rintkezses hmrskletrzkelk

Ha a mrni kvnt hmrskleti trben elhelyeznk egy hrzkelt s az teljes egszben

tveszi a tr hmrsklett, akkor az rzkelhmrskletvel mrhetjk, jellemezhetjk ahmrskleti teret. Az vatos fogalmazsbl kiderl, hogy a felttel nehezen teljesl. Ezrt

az rintkezses hmrskletrzkelknek a mrendtrrel kapcsolatosstatikus s dina-

mikus hibjuk van.

Statikus hiba

Az rzkel vezetkei s szelvnye, amelyek a hmrskleti tr mrendpontjbl a tr

hatrig terjednek, ht vezetnek el a mrendpontrl. Ezrt a mrendpont hmrsklete

ms akkor, amikor rzkelnlkl van. Ezt a hibt gy cskkenthetjk, ha a hrzkel

szerelvnyt hosszan izothermn vezetjk, felptsben rossz hvezetv alaktjuk.

A dinamikus hiba

A nagytmegrzkelksssel kveti a tr hmrskletvltozsait. Klnsen htrnyos

ez szablyoz krkben. A kss lengseket okoz a szablyozsban, amelyet a szablyo-

zkat gyrt cgek nagy tartomnyban llthat PID elemekkel ajnlanak megszntetni.

2. Sugrzsos hmrskletrzkelk

A hmrskletmrs a testek hmrskleti sugrzsainak rzkelsvel trtnik. Egyre n-

vekszik alkalmazsi terletk, klnsen azta, hogy az Si-rzkelk trt nyertek a hmr-

skletmrs terletn.

Elnye a sugrzsos hmrskletmrsnek az rintkezses hmrskletmrssel szemben,

hogy a statikus s dinamikus hiba szinte elhanyagolhat vlt.

Htrnya viszont, hogy a kisugrzott energia, amelyre a mrs alapul, csak az abszolt fe-

kete test esetn arnyos a hmrsklettel (Planck-fle sugrzsi trvny). A gyakorlatban

az emisszis tnyezismerete szab hatrt az elrhetmrsi pontossgnak. Egyre gyako-

ribb, hogy a szablyozst optikai piromterre bzzk, mg a mrsi pontossgot rintkez-

ses hrzkelvel javtjk.

3.2.2 Fm ellenlls-hmrk

1. A vezets fizikja

A vezetsben rsztvev tltshordozk (elektronok) rendezetlen hmozgst vgeznek. E

elektromos tr hatsra felgyorsulnak, egszen addig, amg egy ionnal tkzve, annak t-

adjk sszes tbbletenergijukat. gy teht a rendezetlen hmozgsra szuperponldik a

trerssg irnyval ellenttes, azzal arnyos sebessgtranszlcis mozgs.

40


45/191


Jelljk a transzlcis mozgs sebessgt vt-vel. Krds, hogy mekkora ram lp ki egy az

E irnyra merleges egysgnyi felletvezetbl 1 sec alatt?Ez ppen az ramsrsg.

1

J

1

E

(1) ahol venvJ t = t a transzlcis sebessg

n a trfogategysgben lvelektronok szma

e az elektron tltse

Vezessk be a kvetkezmennyisget:

legyeneaz egysgnyi trerssg hatsra ltrejv transzlcis sebessg, s nevezzk

ezt mozgkonysgnak.

(2)E

vte=

(2)-bl fejezzk ki vt-t s rjuk (1)-be.

(3) EenJ e=

Vezessk be a kvetkezjellst:

(4) = een

s nevezzk ezt fajlagos vezetsnek, aminek jelentse, az egysgnyi trerssg hatsra

ltrejvramsrsg. Ennek reciproka a fajlagos ellenlls:

(5)

1

=

Ezzel felrva (3)-at:

(6) EJ = illetve EJ =

1

Ez adifferencilis ohm-trvny.

Az elektronmozgkonysg s gy a fajlagos vezets is kifejezhetatomi llandkkal. Leve-

zets nlkl:

(7)k

e vm

e

=2

ahol:

az tlagos szabad thossz

m az elektron tmegevk a rendezetlen elektronmozgs tlagos sebessge

41


46/191


(8)kvm

en

=2

2

2. A vezets hmrskletfggse fmekben

Nzzk meg a fajlagos vezets (4) kifejezst!A eelektronmozgkonysg minden vezetanyagban hmrskletfgg, az na vezetsben

rsztvevtltshordozk, az elektronok szma pedig fmeknl lland, flvezetknl h-

mrskletfgg.

Mirt s hogyan fgg az elektronmozgkonysg a hmrsklettl?

A hmrsklet nvekedsvel nvk, s cskken , tehtecskken. Ez azt jelenti, hogy a

fajlagos vezetkpessg emiatt cskken, azaz a fajlagos ellenlls n. Ez a jelensg hat-

rozza meg a fm ellenlls-hmrk mkdst.

3. A fm hmrskletfggellenllsok statikus karakterisztikja

Az elzekben megllaptottuk, hogy a fmek ellenllsa a hmrsklettel egytt n. Mi-

lyen ez a fggvnykapcsolat?ltalban igaz, hogy a nem ferromgneses fmek esetn az

sszefggs j kzeltssel lineris, ferromgneses fmek esetn pedig a7,1Tc curieTT<

sszefggs szerinti.

Hogyan jellemezzk a fm ellenlls-hmrket?

R

[C]0

AzR()karakterisztikt a 0helyen sorban fejtjk:

...])()(1)[()( 2000 +++= RR

Szabvny szerint C= 00 s == 100)( 00 RR

Lineris kzeltst alkalmazva az ellenllshmrstatikus karakterisztikja:

)1()( 0 +=RR (9)

42


47/191


ahol:

Ro az ellenllshmrellenllsa 0oC-on

a 0 oC-hoz kpesti hmrskletvltozs

az ellenlls-hmrhmrskleti egytthatja:

=

=

=

Cvagy

CR

d

dRR

R

R

RR

%1

)()(

0

00

0

vagyis jelentse az egysgnyi hmrskletvltozsra jut relatv ellenlls-vltozs, va-

gyis a hmrskletfggellenlls rzkenysge.

4. Tipikus ellenlls-hmranyagokPlatina

C


48/191


49/191


AMatteynyomtatotttekercselsThermafilm

tpus rzkel

25,4

82

82

60

25,4

-60

-62

45

v =1 mm3

030

-30

3

2,5 7,64,55,5

55 33,54,5 45

0,39DeyussasHaereusgyrtmny Al2O3; Al2O3: vegtestplatina ellenlls-hmrk

3.11 braEllenllshmrk kialaktsa

nmelegeds

Az ellenllshmr feszltsg jell alaktst a hmrskletfgg ellenllson tfolyatott

lland mrrammal valstjuk meg. Az ellenllshmrn tfoly mrram melegedst

okoz, amely hibaknt jelentkezik. Ezt a hibt a disszipcis konstans segtsgvel szmthat-

juk. A mrram s az nmelegedsi hiba sszefggst a 3.12 bra szemllteti.

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

mA

t,C

nyugv levegben

raml levegben

vzben

,C

3.12 braA mrram s az nmelegedsi hiba sszefggse

3.2.3 A fm hmrskletrzkelk mrkrei

A fm ellenlls-h

mr

k mr

elektronikival szemben tmasztott kvetkezmnyek:

45


50/191


A mrt feszltsg s a hmrskletfggellenlls-vltozs U(R)karakterisztikja legyen

lineris.

Ki kell kszblni, vagy jelents mrtkben cskkenteni kell a vezetkellen-llsok hat-

st. Ezrt hosszabb mrvezetkek esetn hrom-, vagy ngyvezetkes ellenllsmrt al-

kalmazunk. A mrram ltal okozott nmelegedsi hibt a megengedett hibahatr alatt kell tartani.

Nagy kzs jelelnyomst kell biztostani.

A tovbbiakban passzv s aktv mrkrket ismertetnk, megadjuk a vezetk-ellenlls ltal

okozott hibt s bemutatjuk a vezetk-ellenlls hatsnak kikszblsi lehetsgt.

a.) Ellenlls-hmrpasszv Wheatstone-hdban

A hd kimeneti feszltsge:

=++

+

=RRR

RU

RR

RUU TTki

01

1

01

1

01

201

1

1)(RR

RR

RR

RUT

+

+

+=

Ltszik, hogy a hd kimeneti feszltsg

hmrsklet sszefggs nem lineris. A

R=R0 a nevezben is szerepel, teht apasszv Wheatstone-hd az eredetileg line-

ris statikus karakterisztikt elrontja. A

kimeneti feszltsg ellenlls vltozsra vo-

natkoz rzkenysge 0=R helyen:

201

10 )(0 RR

RU

R

U TR

kiR +

=

= =

3.13 bra

A kimeneti feszltsgnek a hmrsklet-vltozsra vonatkoz rzkenysge a = 0RR

sszefggs figyelembevtelvel:

201

1000 )(00 RR

RRUR

R

R

UU TR

kikiv +

==

== =

A hd kimeneti feszltsgnek kzeltkifejezse:

RU Rki = 0~

vagy = 0~

Uki

A kzeltkifejezssel szmtott Rilletve relatv hibja a mrt rtkre vonatkozan:

RRR

R

R

RRRh

r ++

=

=

01

')(

0

10

')(

RRR

vhr

++=

=

46


51/191


vagyis, ha R1>>R0, akkor a linearitsi hiba egy jelents hmrskleti tartomnyban elfogad-

hat rtk alatt marad.

b.) Ellenlls-hmraktv mrhidakban

Az aktv Wheatstone-hd alapkapcsolsa

00 2 R

UI T

=

=+= )(22 00

RRR

UUU TTki

= 22 0

TT U

R

RU

3.14 bra

Lthat, hogy az aktv Wheatstone-hd a lneris statikus karakterisztikt nem rontja el.

A vezetk-ellenlls hatsa

Az rzkel( ellenllshmr) a jelfeldolgoz elektroniktl tvolabb helyezkedik el, azon-

ban a hozzvezets ellenllsa is befolysolhatja a mrs pontossgt.

c.) Az ellenllshmrs mrs pontossga ktvezetkes kialakts esetn:

R helyett 'R -t mrnk,

ahol:

vRRR 2' += ahol Rva hozzvezetsellenllsa

Az abszolt hiba:[ ] va RRRh 2' ==

[ ]0

2

R

RCh va

=

A relatv hiba:

=

=

=0

22'

R

R

R

R

R

RRh vvr

3.15 bra

47


52/191


53/191


f.) A vezetk-ellenlls hatsnak kikszblse hromvezetkes ellenlls-mrsnl llan-

d ram mrhd alkalmazsval:

3.18 bra

Az lland mrram: 00 /RUI REF=

)22( 00 RRRIU v ++= )2(

2 00R

RRIU

U v

++==+

)( 00 vRRIU +=

000 22)(;2 RRUGRIGUUGURIUU

REFki ==== ++

=2

REFki

UGU

Az elzkapcsolsnak egy mdostott vltozata:

Differencia erst

3.19 bra

49


54/191


50

RIRRIRRRIU vv ++=++=+ 00000 )(2)22(

vRRIU += 00 (2

RIUU = + 0 RIGUki = 0

3.2.4 A flvezetellenlls-hmrk

A flvezetanyagok ellenllsnak hmrskletfggse lnyegesen nagyobb, mint a fmek.

Vannak olyan flvezetk, amelyek ellenllsa a hmrsklet nvekedsvel cskken, ezeket

NTC (negatv hmrskleti egytthatj) ellenllsoknak, thermisztoroknak (thermal sensitiv

resistor) nevezzk.

Amelyek ellenllsa a hmrsklettel n: PTC thermisztor.

3.2.4.1 Thermisztorok

Az NTC thermisztorok mkdsnek fizikai alapjai:

Flvezetkben, az elektromos vezetsben kis szm tltshordoz vesz rszt. A flvezetve-

zetkpessge a tltshordozk szmval arnyos. A vezetsi svban lv tltshordozk

szma ersen, exponencilisan hmrskletfgg.

Termszetesen itt is jelen van a fm ellenlls-hmrknl megvizsglt vezetkpessget

cskkent fizikai hats (az elektronmozgkonysg hfokfggse), ez azonban elenysz az

exponencilis hats mellett.

Ennek megfelelen az NTC thermisztorok ellenlls-hmrsklet karakterisztikja:

T

BeAR T =)(

A karakterisztikt a gyakorlatban a CT = 250 -nl mrt rtkekhez kpest kapjk meg:

0

)(

)(

0

T

Be

F

Be

R

R

T

T

=

)11

(

)()(0

0

TTB

TT eRR

=

ahol: B- a thermisztorra jellemzllandR(T0) A thermisztor ellenllsa CT = 250 -on

Itt is definiljuk az hmrskleti egytthatt:

2)(

)(

T

B

R

d

Rd

T

T

T

==

R(T)

%4)25( = C T


55/191


Az ram-feszltsg karakterisztikja:

Kicsi ram-feszltsg rtkeknl a termisztoron disszipld teljestmny kicsi, ez nem nveli

a termisztor hmrsklett a krnyezeti hmrsklet fl. A disszipld teljestmny nve-

kedsvel a termisztor nmelegedse kvetkeztben az ellenllsa cskken. Az UIkarakte-

risztikja:

Szoksos paramter:UT dissziplcis konstansD.C.

pl.DC = 0,1 mW/C

I

A pozitv hmrskleti egytthatj (PTK) thermisztorok ktfle hatsmechanizmus alapjn

kszthetk

a) A tipikus karakterisztika a ferroelektromos anyagbl kszlt PTK thermisztorra:

R(T)R2

%100loglog

12

12

=TT

RRR

R1

T

T1 T2

A ferroelektromos anyag ferroelektromos tulajdonsgaa Curie-pont kzelben anyag-

szerkezeti vltozsok miatt megsznik, ennek eredmnyeknt egy viszonylag szk (50

100 C) hmrskleti tartomnyban az ellenllsa hmrsklet fggvnyben rohamosan

emelkedik. T2hmrsklet fltt az elektromos vezetst az NTC termisztoroknl trgyalt

fizikai hatsok hatrozzk meg.Tipikusanyag: Ba Ti Lantnnalszennyezve. A ferroelektromos anyagban a nagy polari-

zci miatt a bels trerssg sokszorosa a kls trernek, illetve a paraelektromos

anyagban kialakul trernek. Az ramsrsg, pedig a belstrerfggvnye.

b) A msik hatsmechanizmus lnyege, hogy megfelel szennyezssel elrhet, hogy egy

bizonyos hmrsklettartomnyban nem a tltshordozk szmnak hfokfggse, hanem

az elektronmozgkonysg hfokfggse legyen a dominns.

51


56/191


Paramter aszennyezettsg

RT

T200 C-156

3.20 bra

A thermisztorok statikus karakterisztikja teht nemlineris, azonban a flvezet gyrt

cgek olyan elektronikus kapcsolssal egybeptett hmrskletrzkelket is forgalmaz-

nak, amelyek statikus karakterisztikja lineris. Lsd a 3.22 bra.

No. 44014

0

1

2

3

4

5

0 30 60 90 120 150

hmrsklet, C

hmrsklet,C

No. 44030 &44034

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-60 -20 20 60 100

hmrsklet, C

hmrsklet,C

No. 44031

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-60 -20 20 60 100

hmrsklet, C

hmrsklet,C

No. 44015

0

1

2

3

4

5

0 30 60 90 120 150

hmrsklet, C

hmrsklet,C

No. 44032

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-60 -20 20 60 100

hmrsklet, C

hmrsklet,C

No. 44033

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-60 -20 20 60 100

hmrsklet, C

hmrsklet,C

3.21 braPreczis therm torok tolerancia grbiisz

52


57/191


3.22 braLinearizlt thermisztor kapcsolsok s karakterisztikk

3.2.4.2. A terjedsi ellenllson alapul hmr

d

AlSiO2

Az alapanyag: n-Siolyan mrtk-

ben szennyezve, hogy pozitv

TKjelemet kapjuk.n-Si -(T)

Al

Az elrendezs tulajdonkppen egy kondenztor, ahol a dielektrikumnak hmrskletfggellenllsa van.

dR

2

)()(

=

()- lineris fggvny a 50 +120 C tartomnyban.

rzkenysge ~ 0,7%/C

Empirikus kzeltssel:

])25()25(1[)( 225 ++= RR

ahol:

53


58/191


54

25R az alapellenlls 25 C-on

a mrendhmrsklet C-ban

[ ]

[ ]26

3

/1104,18

/1108,7

K

K

=

=

3.2.5 A PN tmenet hmrskletfggse

a.) A dida, mint hmrskletrzkel

Apntmenet nyitirny rama:

)1(0 = e TN

UU

II ahol: UN -a nyitirny feszltsg (1)

q

KTUT= termikus feszltsg

Apntmenet zrirny rama:

T

ti

U

U

meTKI

=0 ahol: Uti- az adott flvezetkre jellemztiltott (2)sv, UTi= 1,21 V szilcium esetn

Az (1)-bl fejezzk ki UNnyitirny feszltsget:

0

lnIIUU TN (3)

Apntmenet feszltsgnek hmrskletfggse llI= esetn egyrszt UT, msrsztI0h-

mrskletfggsbl addik.

T

U

Tq

TK

dT

dU

dT

I

Id

UI

I

dT

dU

dT

dU TTT

TN =

=+= ;ln

ln 0

0

T

UII

T

U

I

I

dT

dU NTT == 00

/lnln

dT

IdU

T

U

dT

dUT

NN 0ln= (4)

rjuk fel az ln I0 (T) fggvny derivltjt a (2) alapjn!

T

ti

U

UTmKI += lnlnln 0 (5)

20 11;

ln

TTdT

d

UT

U

T

m

dT

Id

T

ti =

+= (6)


59/191


Ezt rjuk be (4)-be: 25 C-on~4050 mV

T

UmU

T

U

dT

dU tiTNN += (7)

~1,2 V

T

UU

dT

dU tiNN (8)

Mit mond neknk ez a kifejezs?

Tudjuk, hogy szobahmrskleten UNj kzeltssel 0,6 V. Ebbl addik, hogy:

K

mV

K

V

dT

dUN 2300

2,16,0=

Pontosabb szmtsok szerint ez az rtk -jelljk a tovbbiakban az abszolt rtkt C-vel-:

KmVC 15,2=

Fejezzk ki (8)-bl UN-et:

TdT

dUUU NtiN += (9)

Itt nem ismertetett megfontolsok s mrsek igazoljk, hogy C szles hmrskleti tarto-

mnyban kzel lland, ezrt:

CTUU tiN = (10)

A (10)-bl jl lthat, hogy egy dida vagy tranzisztor bzis-emitter tmeneti nyitirny

feszltsgnek hmrskletfggse lineris s negatv. Gyrtstechnolgiai okok miatt (pa-

ramterszrs) didt nem alkalmaznak hmrskletmreszkzknt, tranzisztorok BE t-

menett azonban igen.

Mg egyszer felhvjuk a figyelmet, hogy a levezets sorn feltteleztk, hogy I = lland,

teht apntmenet hmrskletfggsnek linearitst csak lland ram mrkzbentud-

juk kihasznlni.

b.) Bzis- emitter feszltsgek klnbsgnek hfokfggsn alapul hmrskletrzkel

Kpezzk kt azonos technolgival kszlt azonos hmrskleten mkdtranzisztor bzis-

emitter feszltsgeinek klnbsgt. A kt tranzisztor klnbzmunkapontban zemel (I1

I2).

2

02

01

1

02

2

01

1 lnlnlnI

I

I

IU

I

IU

I

IUU TTTBE ==

A fenti felttelek mellett igaz, hogy

0101 JAI = s 0202 JAI = ,

55


60/191


61/191


Teht az U(T)kimeneti feszltsg a Thmrsklet lineris fggvnye.

A 3.23 brn lthat kapcsols a hmrsklet mrsen kvl nagypontossg referencia fe-szltsg ellltsra is alkalmas( pl.: REF-10):

=+

=++=++=+=+

CJ

J

q

K

R

Raha

UCTUJJ

qKT

RRaU

RRUaUTU

RRRU titiBEBEBEref

2

1

1

2

2

1

1

22

1

22

54

4

ln)1(

,ln)1()1()(

tiref UR

RRU

+=

4

54

3.2.6 Helemek

3.2.6.1 A helemek mkdsnek fizikai alapjai

Azt tapasztaljuk, hogy ha kt klnbzfmet egyik vgpontjuknl sszeforrasztjuk s a for-

rasztsi pontot melegtjk, a kt fm msik vgpontjai kztt hmrskletfggfeszltsget

mrhetnk. A vezetpr neve: helem, a mrt feszltsget termofeszltsgnek nevezik.

A helem mkdsnek fizikai alapjt a termoelektromos jelensgek kpezik.

A Seebeck-effektus:

Ha kt klnbz(A s B) fmbl zrt ramkrt ksztnk s a kt forrasztsi helyet kln-

bz hmrskleten (T illetve T+dT) tartjuk, akkor a krben feszltsg keletkezik s ram

folyik. (3.24 bra)A feszltsg:

dTSdU ABAB = , dT

dUS ABAB =

SABa Seebeck-egytthat, ms nven a differencilis termofeszltsg. Dimenzija [V/K], r-

tk a kt fm anyagi minsgtl s a hmrsklettl fgg.

A

dTSdU ABAB =

T T+dTB

3.24 braA Seebeck-effektus

57


62/191


A Peltier-effektus

Ha kt klnbzvezetbl kszlt zrt ramkrben ramot folyatunk keresztl, akkor a for-

rasztsi pontokon hszabadul fel, illetve nyeldik el, azaz a forrasztsi pontok egyike felme-

legszik, a msik lehl. (3.25 bra)Az idegysg alatt kivlt hmennyisg a Peltier-h:

IdQ ABP =

AB[V]a Peltier-egytthat, rtke a kt anyag jellemzitl s a hmrsklettl fgg.

A

IdQP dQPIdQ ABP =

B

3.25 braA Peltier-effektus

A Thomson-effektus

Ha egy vezetmentn hmrsklet-gradienst hozunk ltre s ezen a vezet szakaszonIra-

mot hajtunk keresztl, akkor dxhosszsg szakaszon hmennyisg szabadul fel, vagy nyel-

dik el az ram irnytl fggen (3.26 bra).Ez a Thomson-h:

dx

dx

dTIdQT

=

[V/K]a Thomson-egytthat, rtke fgg az anyagi minsgtl s a hmrsklettl.

dQT

I Idx

dx

dTIdQT

=

T dx T+dT

3.26 braA Thomson-effektus

A termoelektromos egytthatk kapcsolata

Mi a szerepe a Thomson- s Peltier-effektusoknak a termofeszltsg ltrehozsban? Ms-

kppen feltve a krdst: milyen sszefggs van az S, , egytthatk kztt? Erre a kr-

dsre a termodinamika I. s II. fttelnek segtsgvel vlaszolhatunk. Az alapvetssze-

fggs az I. fttel segtsgvel llapthat meg.

58


63/191


KsztsnkAs Banyagokbl zrt krt s tartsuk a kontaktusokat T, illetve T+dThmrsk-

leten. A krben SABdTIvillamos teljestmnyt kapunk. AzI ram a kontaktuson thaladva a

Peltier-hatson keresztl ht von el, illetve ht szabadt fel, s ha a kontaktusokat a megadott

lland hmrskleten akarjuk tartani, akkor a meleg kontaktusba

IdtdT

d ABAB

+

ht kell betpllni, a hideg kontaktusbl pedig

IAB

ht kell elvonni (3.27 bra).

BA

AB

AB dT

d

S

++=

IdTT T+dTAI

B BI (AB+dAB)I

BIdT

3.27 braA termoelektromos egytthatk sszefggse

Ugyanakkor a vezetk egyik gbanBdTIhszabadul fel, a msik gba +AdTIht kell

betpllni. (Ha az ramerssg kicsi a Joule-vesztesgtl eltekinthetnk). Az energiaegyenlet

(I. fttel):

( ) IdTIIdTdT

dIdTS BAAB

ABABAB +

+=

Ebbl:

BAAB

AB dT

dS

+=

Ennek az sszefggsnek integrlis alakja adja meg egy helemben kialakultermofeszltsget, T0, T1csatlakozsi ponti hmrskletek mellett:

( ) ( ) ( ) [ ] +==1

0

1

0

)()(, 0110

T

T

T

T

BaABABABAB dTTTTTdTSTTU

A termodinamika I. fttelnek segtsgvel teht lertuk a Seebeck-, Peltier- s Thomson-

egytthatk kztti sszefggst. Mit is mond ez? Azt, hogy a termo-feszltsg egy

helemben egyrszt a csatlakozsi pontokon, msrszt a helem szrai mentn keletkezik. Az

eddigiek alapjn fel tudjuk rajzolni a h

elem villamos helyettest

kpt (3.28 bra):

59


64/191


AdTT T+dT

B(T) AB(T+dT) SABdT

R R

BdT

3.28 braA helem villamos helyettestkpe

3.2.6.2 A termofeszltsg keletkezsnek okai

A termofeszltsg keletkezsnek jelensgt lertuk, st kt klnll termoelektromos jelen-

sgre bontottuk. Ezzel azonban nem adtunk vlaszt a termofeszltsg keletkezsnek okra. A

magyarzatot az elektrofizika vilgban kell keresnnk.

A termoelektromos jelensgek kzs alapja az, hogy a 0-tl klnbzhmrskleten minden

szabad tltshordoz rendezetlen mozgsi energij, de gy minden elektromos vltozs

egyttal a test henergijnak eloszlsban is vltozst okoz s fordtva. A tltshordoz r-

szecskk, elektronok nemcsak az elektromos ram ltrehozsban, de a henergia tovbbt-sban is alapvetszerepet jtszanak. gy nem meglep, hogy a termikus inhomogenitsokkal

villamos jelensgek is egytt jrnak.

Helyezznk homogn hmrsklet eloszls trbe egy villamos vezett. Ekkor a vezetben

az elektronok eloszlsa egyenletes: Melegtsk fel ennek a vezetnek az egyik vgt! Ek-

kor az elektronok termikus sebessge ezen a vgn megn, s tbb elektron jut a meleg ol-

dalrl a hideg oldalra, mint fordtva. Diffzis ram indul meg teht, ami addig tart, amg a

hidegebb oldalon felhalmozdott tltstbblet nem teremt ppen annyi feszltsget, amely

ezt az ramot ellenslyozza. Ez a Thomson-hats mikrofizikja.

A klnbzvezetanyagok rintkezsi pontjainl kontaktpotencil jn ltre. Ennek oka,

hogy annak az anyagnak az elektronjai, amelynek Fermi-szintje magasabb azaz a vezet-

si elektronok potencilja nagyobb az rintkezs pillanatban szinte akadlytalanul t-

ramlanak a msik vezetbe. Ez az ramls addig tart, amg az gy kialakul tltstbblet

ltal ltrehozott feszltsg nem ellenslyozza ezt az elektron ramot. Ez a Peltier-hats

magyarzata.

60


65/191


3.2.6.3 A helemek mkdsnek tapasztalati trvnyszersgei

Br az elmleti ismeretek a helem mkdsnek szmos rszlett tisztztk, a minden kr-

dst tisztz elmleti lers ma mg nem ll rendelkezsre. Ezrt is fontos a ksrleti tapaszta-

lati trvnyszersgek ismerete. Ezek kzl a legfontosabbak:

Egy helemmel mrt termofeszltsg mindig kt hmrsklet, az n. melegponti, illetve

hidegponti hmrsklet fggvnye. A termofeszltsg fggetlen a helem szrai mentn

kialakul hmrsklet-eloszlstl, csak a vgpontok hmrsklete szmt. (3.29 bra)

AUm=UAB(T1,T2)

T2T1

B

3.29 braA termofeszltsg a meleg- s a hidegponti hmrskletektl fgg

Ha egy helem zrt krt felszaktom s oda egy ms anyag vezett helyezek, (3.30 bra)

akkor a krben kialakul termofeszltsg nem vltozik, ha az idegen vezetcsatlakozsi

pontjain a hmrsklet azonos. (Ezrt pldul, ha a helem hidegpontjt felszaktjuk s oda

rzvezetkkel mrmszert csatlakoztatunk, akkor ez nem befolysolja a krben kialakul

feszltsget.)

Legyen T1>T2>T3. Egy helemmel mrjk e hmrskletek klnbsgt. Igaz, hogy:( ) ( ) ( ) ( ) ( )2321322131 ,,,, TTUTTUTTUTTUTTU ABABABABAB =++=

3.30 braIdegen anyag vezeta helem krben

T1

C

AA

T2T1

=T2

BB BT3

C

D

61


66/191


(Ez a trvnyszersg teszi lehetv a helemekkel mrt termofeszltsg kirtkelhets-

gt. Ha egy helem melegpontja 1[C]hmrskleten van, akkor a mrt termofeszltsg

felrhat a kvetkezmdon:

( ) ( ) ( )0,0,, 2121 ABABAB UUU =

gy a 0 C-os hidegponti hmrskletre megadott tblzat, vagy kzeltkarakterisztika

alapjn 2ismeretben a melegponti hmrsklet meghatrozhat.)

3.2.6.4 A helemek statikus jellemzi

A helemek hmrsklet-feszltsg karakterisztikjt 0 C-os hidegponti hmrskletre vo-

natkozan tblzatban s 59 egytthatt tartalmaz polinomok segtsgvel adjk meg:

nnxaxaxaa ++++= L

2210

ahol a melegponti hmrsklet, x a mrt termofeszltsg. A kzeltegyenletek pontossga

+/0,1 Cs +/ 1 Ckztt van.

A nemzetkzi szabvnyoknak megfelelhelemek legfontosabb jellemzit adja meg az 1.

tblzat. A Seebeck-egytthatk hmrskletfggst mutatja 3.31 bra.

Ezek alapjn rviden jellemezzk az egyes helem-tpusokat:

1. tblzat

A helemek statikus jellemzi

Helemjellse

Helem tpus Polarits Mrsi tartomny[C]

tlagos rzkeny-sg [V/C]

KChromel* Ni-CrAlumel* Ni-Al

+

200 . +1000rvid ideig

+1200

41

NNicrosilNisil

+

40 . + 130039 900 C -nl36 1300 C-nl

JVasKonstantn

+

40 . + 750 55

EChromel-

Konstatn

+

200 . + 900 68

SPlatina 10% rhodiumPlatina

+

0 . + 1600 12

RPlatina 13% rhodiumPlatina

+

0 . + 1600 14

BPlatinum 30% rhodiumPlatinum +6% rhodium

+

0 . + 1700 10

Tungsten Rhenium 5%Tungsten Rhenium 26%

+

0 . + 220017 1300 C-nl13 2000 C-nl

Tungsten Rhenium 3%Tungsten Rhenium 25%

+

0 + 180020 1000 C-nl18 1500 C-nl

62


67/191


K, Chromel-Alumel

Sok eurpai gyrt ezt a helemet NiCr-Ni elnevezssel forgalmazza. Klnsen a

kpenyhelemek kategrijban ez a tpus a legelterjedtebb. Mrsi tartomnya200 1150 C

felett a hmrsklet-feszltsg karakterisztikja kzel lineris, a nvleges karakterisztiktl val

eltrs 333 C-ig +/ 2,5 C, e fltt 0,75%a mrt rtkre vonatkoztatva.

N, Nicrosil Nisil

Ennek az j helemnek nagyon j a termoelektromos stabilitsa, sszemrheta platina alap

helemekvel. Nagy hmrskleten is nagyon ellenll az oxidcis folyamatokkal szemben.

Mrsi tartomnya40 1300 C, tolerancia rtkei megegyeznek a K tpusval.

Tunsten Rhenium 5% vsTungsten Rhenium 26%

Jells:

E: Chromel KonstatnJ: Vas KonstatnK: Chromel

programozható_irányítóberendezések_-_egész

Documents