VO4_Sensorik

K. Niel / Oktober 2008 MRT5VO – VO2 1

Messtechnik - Sensorik

Messtechnik / Regelungstechnik –MRT5VO

Sensorik



SENSORIK

Dehnung

Temperatur

Kraft

Länge, Abstand



Dehnung - Dehnmessstreifen

Draht wird gedehnt

Längenänderung sowie Querschnittsänderung

Drahtwiderstand R = R(ρ, l, r)

Berechnung der Widerstandsänderung mittels totalem Differenzial




πρ 2r

lR ⋅= drrRdl

lRdRdR

∂∂

+∂∂

+∂∂

= ρρ

ldl

rdrd

RdR

+−=2

ρρ

ll

rr

RR ∆

+∆

−∆

=∆ 2

ρρ

Differenzial Differenz

mit Dehungrelativell

Kε=∆ ZahlPoissonllrr

−=−∆

∆

Kµsowie

εµερρ

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

∆∆

12RR

k-FaktorDehnungsempfindlichkeit

ε⋅=∆ kRR

Totales Differenzial:



ε⋅=∆ kRR

=

R+

R-

R

R

A BU

∆U


Beispiel ½ Brücke

22ερ ⋅

−=−=∆ kUU

ερ ⋅==∆ kRRmit :

Metall-DMS: k … 2 bis 4 [1]p-Halbleiter: k … 110 bis 130 [1]n-Halbleiter: k … - 80 bis - 100 [1]



Temperatur

Widerstandsänderung

Seebeck-Effekt

Strahlung



Temperatur - Widerstandsänderung

Messung absoluter Temperatur

Metall – positiver T-Koeffizient (freie Valenzelektronen; Störung der Strömung durch Gitterschwingungen)

Halbleiter – negativer T-Koeffizient (generell geringe Ladungsträger-konzentration; Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration durch thermische Anregung)

Berührendes Verfahren – entzieht Teil der Wärmemenge!

Benötigt Hilfsenergie

T-Bereich -220 °C (-270 °C) bis +1.000 °C



Temperatur - Widerstandsänderung - Leiter

Leiter-Widerstandselemente:

Pt 100, Ni 100 R0°C = 100 Ω

Cu

Widerstandswert steigt im Messbereich linear mit Temperatur

Bestimmung mittlere Wicklungswärme in Maschinen

-50 bis +1504,27Cu

-60 bis +1806,17Ni 100

In Industrie am häufigsten verwendet

-220 bis +750 (+1000)3,85Pt 100EinsatzT-Bereich [°C]α0; 100 [10-3 K-1]Material



Temperatur - Widerstandsänderung - Halbleiter

Halbleiter-Widerstandselemente (Thermistoren) – NTC, PTC

Heißleiter NTC:Alle Halbleiter sind bei 0 K Isolatoren; Leitfähigkeitszunahme steigt exponentiell mit Temperatur (Erzeugung Ladungsträger).

Große Temperaturbereiche (0 °C bis 400 °C, 500 °C – 1.000 °C)

Kaltleiter PTC:bestehen aus ferroelektrischen keramischen Werkstoffen; bis zu bestimmter Termperatur positiven T-Koeffizient, dann negativ (s.o.)

kleiner Temperaturbereich mit großer Steigung -Übertemperatursschutz



Temperatur - Seebeck-Effekt

Grundlage ist thermoelektrische Kraft der Elektronen und Löcher –liefert Zusammenhang zwischen Gittertemperatur- und Potentialänderung

Thermoelektrische Spannung tritt bei Zusammenführung zweier unterschiedlicher Materialien auf (Seebeck-Effekt)[Umkehrung Peltier-Effekt – Temperaturenzug bei Stromfluss]

Thermopaare (Pt10 Rh – Pt, Cu – Konst, NiCr – Ni) für unterschiedliche T-Bereiche/GenauigkeitenMessung von Temperaturunterschieden

Berührendes Verfahren – entzieht Teil der Wärmemenge!

Benötigt keine Hilfsenergie

T-Bereich -250 °C bis +1.800 °C



Temperatur - Seebeck-Effekt

Schaltung mit Vergleichsstelle

Für Auswertung stehen Kennlinien (Thermospannung/Temperatur) für bekannte T0 zur Verfügung

T1

T0

T

Thermo-element

Thermopaar Ausgleichsleitung Kupferleitung

mV



Fehler bei berührenden Temperaturmessfühlern

Wärmeableitfehler durch Zuleitung, mechanische Befestigung, Abstrahlung

Dynamischer Fehler durch Wärmekapazität der PrüfspitzeZeitkenngrößen

t

TS/T

1,00,9

0,5

T0,5 T0,9

T(t)

TS(t) 2,124,10

2100,95

170245

0,651,13

780,27

5788

9235,2

76069

490580

26,511,0

28021

190220

42

153

1515

R mit GlasträgerR mit MantelrohrR mit SchutzrohrThermoelementm Schutzrohr met.m Schutzrohr ker.

T0,9 [s]T0,5 [s]T0,9 [s]T0,5 [s]Ø [mm]

ZeitkenngrößeWasser

ZeitkenngrößeLuft

Fühler

Tab.: VDE/VDI Richtlinie Nr. 3511



Temperatur - Strahlung

Messung von Strahlung – Rückrechnung auf Temperatur

Berührungsloses Verfahren

T-Bereich -50 °C bis +3.000 °C (+4.000 °C)

Grundlage ist Plancksches Strahlungsgesetz

„Schwarzer Strahler“ (α = ε = 1, ρ = 0)„Grauer Strahler“ (ε von Temperatur und Wellenlänge unabhängig)

Oberflächeneigenschaft:Emission ε, Reflexion ρ, Transmission τ, Absorption α

( ) ungAussstrahlespezifischspektraleTfmmWM Kλελ ,2 ⋅=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

1=++ ταρ εα =



Temperatur - Strahlung

Spektralpyrometer (> -40 °C) … ε muss bekannt sein,Verhältnispyrometer (> +300 °C) … (relativ) unabhängig von ε

Band- und Gesamtstrahlpyrometer (> -40 °C)

Wärmebildkamera



Kraft - Piezosensor

Kraft bewirkt Änderung der Geometrie

Änderung der Geometrie bewirkt Ladungserzeugung

Aufnehmer für dynamischer Kräfte bis 100 kHz

Kraft-Bereich < 100 kN

Zeitliche Drift wegen Ladungsabfluss

+

Einkristall aus nichtleitendem Stoff- Quarz, Borsilicat, Bariumtitanat- Verschiebung bewirkt Ladungskonzentrationauf Oberfläche

Uq=f(∆z)-

F

∆z



Länge, Abstand - Triangulation

Lichtstrahl wird aufOberfläche geworfen

Lichtpunkt aus anderemSehwinkel aufgenommen

Über DreiecksbeziehungEntfernung zu errechnen

Entfernungsbereich 10 µm bis 10 m

Funktion abhängig von Oberflächen-beschaffenheit - Grenzen:

schwarz, matt (Gummi) – keine Reflexionspiegelnd – keine diffuse Reflexion

Abb

.: M

icro

-Eps

ilon,

D

Documents

VO4_Sensorik