Wikipendium

Share on Twitter Create compendium Add Language
Edit History
Tools
  • Edit
  • History
  • Share on Twitter

  • Add language

  • Create new compendium
Log in
Table of Contents
  1. Signaler og transminsjon
    1. Intro og grunnleggende begreper
      1. Prosessen
    2. Sensordynamikk og signifikans
    3. Analoge signalmodeller
    4. Analog signaltilpasning
    5. Passive kretser og filter
    6. Ideelle og ikke-ideelle operasjonsforsterkere (op-amper)
    7. Aktive kretser
    8. Transmisjonslinjer og terminering
    9. Modulasjon
      1. Amplitudemodulasjon (AM)
      2. Frekvensmodulasjon (FM)
      3. Pulsviddemodulasjon (PWM)
  2. Sensorer
    1. Måling av temperatur
      1. Utfordringer og feilkilder
        1. Prinsipper for overføring av temperatur
      2. Motstandsfølere
        1. Resistance Temperature Detectors (RTD, Motstandsfølere av Metall)
        2. Termistorer
      3. Termopar
    2. Spenningsfølere
      1. Termoelementer
      2. Pyrometer
        1. Ettbånds
        2. Flerbånds
    3. Måling av trykk
      1. Venturirør og dyser
      2. Pitot-rør:
      3. Vortex-måler
      4. Coriolismåler
      5. Måleblende
    4. Optikk
      1. Dioder og fotodioder
    5. Posisjon, hastighet og nivåmåling
      1. Feilkilder
        1. Målemetoder for posisjon og hastighet
      2. Nivåmåling
        1. Måleteknikker
        2. Trykkbaserte
    6. Måling av kraft, akselrasjon og strømning
  3. Pådragsorganer
    1. Ventiler
      1. Intern karakteristikk
      2. Installert karakteristikk
    2. Motorer
      1. Elektriske
      2. Pneumatiske
    3. Måling av kapasitans og magnetfelt
    4. Transmisjonslinjer og bølgefenomener
      1. Refleksjonskoeffisient
      2. Impedans-matching
    5. Tetthet, viskositet og konsistens
    6. Måling av fuktighet
      1. Definisjoner
      2. Måleteknikker
        1. Psykrometer
      3. Duggpunktsmåler
      4. Måling av fuktighet vha. resistans og kapasitans
      5. Fuktighetsmåling vha. varmeledningsevne
      6. Fuktighetsmåling vha. resistans
    7. Gassanalyse
    8. Kamera/Bildesyn
      1. Radar
      2. Ultralyd
‹

TTK4101: Instrumentering og måleteknikk

Tags:
+

Kort oppsummering av teori-biten av faget. På ingen måte en erstatning for forelesning, bok etc. Dette er fortsatt under konstruksjon og bør tas med flere kilo salt. Primært basert på å plagiere forelesningsnotater, grovt. Hvis du føler temaer ikke er forklart grundig nok eller at du kan bidra med informasjon, så er det bare å edite i vei. Samarbeid er hva som lager dette kompendiet.

Signaler og transminsjon

Intro og grunnleggende begreper

Formålet med et prosesskontrollert system er å få en tilstand til å nå en målverdi eller referanseverdi. Dette delkapittelet går gjennom generelle begreper og definisjoner som skal bygges videre på.

Prosessen

Sensordynamikk og signifikans

Analoge signalmodeller

Analog signaltilpasning

Passive kretser og filter

Ideelle og ikke-ideelle operasjonsforsterkere (op-amper)

*Ideell: Evig inngangsimpedans

Aktive kretser

Transmisjonslinjer og terminering

Modulasjon

Definisjon: Konvertering av informasjon fra et signal til et annet signal, typisk blanding av nyttesignal og et bæresignal. Nyttesignalet skal kunne gjenvinnes uten informasjonstap. Egenskap ved bæresignal varieres som funksjon av nyttesignal

Modulerende-signal (Nyttesignal): Hurtigvarierende, periodisk signal. Det vi ønsker å tilpasse

Bærebølge: Transportmiddelet for nyttesignalet.

Hvorfor modulere?

  • Konvertering av signal til et annet medium (F.eks vanlige lydbølger til radiobølger)
  • Gjøre signalet mer robust ift. støy
  • Overføre signal over en større avstand

Amplitudemodulasjon (AM)

Variering av amplitude bærebølge som funksjon av amplitude nyttesignal

Fordel

Ulempe Sensitivt for amplitudevariasjoner, dempning i ledninger o.l

Demodulering

Kvadratisk demodulasjon

Synkron-demodulasjon

Frekvensmodulasjon (FM)

Variering av frekvens bærebølge som funksjon av amplitude nyttesignal

Demodulering

Fordel Fungerer på ulineære signaler Mer robust for støy enn AM

Ulempe Mer kompleks demodulering Ikke enighet om demoduleringsfrekvensen

Pulsviddemodulasjon (PWM)

Binære av/på-signaler. Vil, gitt lav flickertid oppfattes som å være kontinuerlig på. Typisk innen motorstyring

Duty-cycle: Hvor lenge flanken er på (Informasjonsbærende del av signalet, det som er relevant) Periode

Fordel Strømgjerrig, og høy virkningsgrad. Kan

Ulempe

Sensitivt for støy, typisk ifra motorer

Sensorer

Måling av temperatur

varmestråling: $\epsilon$ + $\rho$ = 1 (Emissivitet + reflektans =1 )

Utfordringer og feilkilder

  • Vi kan aldri måle prosessen direkte, bare temperaturen i selve instrumentet.
  • Innkapsling av sensorer er ofte nødvendig, men vil måle en lavere temp og/eller gå saktere
  • Målinger basert på varmesyn (Typisk metallisk overflate) gir tilsynelatende lavere temperaturverdier enn de ønskede (Siden de reflekteres).
  • Måling av prosess kan i seg selv forstyrre, og være en feilkilde
  • Selvoppvarming: Måleteknikker basert på tilført strøm vil øke temperaturen gjennom sammenhengen p = I*V, observeres derfor en høyere temperatur i instrumentet enn enn den faktiske temperaturen i prosessen
  • Statistiske feilkilder tilknyttet tilfeldige feil
  • Interferens fra omgivelsene og ytre miljø (Eksempel: Temperatur omgivelser, )
  • Stor tidskonstant (Tau). Typisk eksempel: Massivt meteriale som krever lang tid før det når en stasjonær temperatur

Prinsipper for overføring av temperatur

Konveksjon Varme fra gass eller væskestrømning. (Gasssplate --> vann --> Gryte)

Konduksjon Overføring basert på molekylær transport (F.eks ifra grensepunkt på håndtak gryte, til selve håndtaket) Stråling Indirekte kontakt vha. elektromagnetisk stråling (F.eks solen)

Motstandsfølere

Prinsipp: Motstand endres som en funksjon av temperaturen til materialet. Dess høyere temperatur, dess høyere motstand mot strøm Kan konstrueres av enten metallisk (Typisk PT-100) eller et halvleder (Termistor)-materiale

Ulemper: Høy strøm vil gi bedre skjerming mot støy (Høyere spenning), men større selvoppvarming Lav strøm vil virke motsatt.

Resistance Temperature Detectors (RTD, Motstandsfølere av Metall)

Prinsipp Metall (Oftest Platina) varmes opp, temperatur beregnes ut ifra funnet resistans Fordel:

Tilnærmet lineært forhold mellom temperatur og resistans over et større område. Tåler høyere temperaturer. Høy spesifikk motstand Ulempe: Dyrere Større tidskonstant for oppvarming (Større masse, lenger tid for oppvarming)

Termistorer

Hva Liknende prinsipp som med oppvarming av metall, bare at dette er et halvledermateriale. Finnes to typer: resistans som synker, og resistans som øker med temperaturen. (Avhenger av meterialet til termistoren)

Fordel: Mindre tidskonstant (Mindre masse) Sensitive, veldig gode til å fange opp endringer innen kortere intervaller. Raskere Billigere

Ulempe: Tåler ikke like høye temperaturer Ulineære Støy

Termopar

Prinsipp Direkte kontakt mellom to ulike materialer som etter oppvarming danner ulik elektromotorisk spenning (EMS). Brukes som oftest til å måle lavere spenninger

Fordel: Enkelt Billig Robust Tilnærmet lineær sammenheng over et lenger intervall

Ulempe:

Spenningsfølere

Termoelementer

Pyrometer

Prinsipp: Måler utstrålt effekt ifra et legeme

Feilkilder/ulemper:

Ettbånds
Flerbånds

Måling av trykk

Belg/trekkspill Prinsipp

__Fordeler_

Ulemper

Orifice Prinsipp

__Fordeler_

Ulemper

Elektromagnetisk måler Prinsipp: Induksjonsspole plasseres vinkelrett på et rør, på hver side. Gitt at væsken er elektrisk ledende, vil dette endre magnetfeltet. Endring er proporsjonal med væskestrøm

Fordeler + Få bevegelige deler + Lite trykktap + Nøyaktig + Kan brukes på mange typer medium (Gass, væske etc.) Ulemper * Forutsetter en elektrisk ledende væske (Ikke destillert vann, petroleum f.eks)

Venturirør og dyser

Prinsipp

__Fordeler_

Ulemper

Pitot-rør:

Prinsipp

__Fordeler_

Ulemper

Vortex-måler

Prinsipp Fluid danner vortex/målstrømmer via. hinder i måleren, som så en sensor fanger opp. Virvelfrekvensen er proporsjonal med volumfrekvensen (Van-karman-frekvensen)

Fordeler +Bruker lite kraft + Funker på flere ulike medium Ulemper Forutsetter en høy hastighet på mediumer

Coriolismåler

Prinsipp To Rør utsettes for en mekanisk svingning, den ene er som en referanse. Sensorer fanger opp svingning og frekvens. Kan så finnes trykk basert på fysisk sammenheng. Fordeler Få bevegelige deler og krever lite vedlikehold Allsidig bruksområde (Kan brukes til å finne flere parametre) Ulemper Trykkfall indusert av målingen

Måleblende

Prinsipp: Strømning går inn i et vertikalt rør, flottør beveger seg opp basert på fortreng væske. Basert på denne og tetthet kan vi finne trykk.

Fordeler Enkelt Få bevegelige deler

Ulemper Forutsetter en kontinuerlig strømning

Optikk

Dioder og fotodioder

Fotoemissive

Fotovoltaiske

Fototransistor

Fotoresistor

Posisjon, hastighet og nivåmåling

Feilkilder

Friksjon Ulineære bevegelser Friksjon

Målemetoder for posisjon og hastighet

Kodeskiver inkrementelle Absolutte *Kapasitive

Nivåmåling

Usikkerhetsmomenter skum på overflate Støv Gasser Temperaturdifferanser (Siden volum er variabelt)

Måleteknikker

Mekaniske Forflytning av flottør Fortrengning av væske (Arkimedes prinsipp)

Kapasitive

Induktive

Trykkbaserte

Differensielle trykksensorer.Trykk varierer ut ifra den enkle sammenhengen $\rho$gh. Gitt en kjent tetthet og målt trykk, kan vi da finne høydedifferansen mellom punktene.

Usikkerhetsmomenter: Kavitasjonsbobler (Gassbobler) Kondens Krever kjent egenvekt på mediene Sjikten vi ønsker å måle må ligge innen differensielle trykksensorer sitt område

Måling av kraft, akselrasjon og strømning

Pådragsorganer

Ventiler

Intern karakteristikk

Karakteristikk basert på en konstand prosessmotstand

  • Lineær ventil: Egner seg bra ved kontroll, innstrømningshastighet varierer lineært med åpningen.
  • Likeprosentlig: Oppfører seg relativt til endring i prosenten for ventilåpningen. Eksempel.
  • Hurtigåpnende: Vil ikke egne seg til kontinuerlig kontroll, bare til å skru av eller på ventilen

Installert karakteristikk

Karakteristikk som oppleves som følge av at trykkdifferansen ikke er konstant (Enten lavt eller høyt pådrag): For høy trykkdifferenase ifra fluidet, vil vi oppleve at lineær vil oppføre seg som en hurtigåpnende ventil, mens en likeprosentlig vil oppføre seg som en hurtigåpnende.

I prinsippet: Den beste ventilen for å regulere vil for de tilfeller med høyt trykk være likeprosentlig, ellers vil det beste valget være en lineær-ventil

Fail open og fail save ("Positioner") Dersom ventilen blir skrudd av, typisk ved strømbrudd, vil en mekanisme sørge for at den enten åpnes eller lukkes basert på om denne er avskrudd.

Motorer

Elektriske

DC:

Flere typer:

AC:

Flere typer:

Steppermotorer:

Basert på diskrete hakk

Fordel: Vi slipper å programmere inn logikk, eller styre posisjonen for denne på samme måte som ved en kontinuerlig motor, iom. at denne er diskrefte. Brukes derfor ofte i industrien for posisjonering

Pneumatiske

(Trykkluftbaserte)

Måling av kapasitans og magnetfelt

Transmisjonslinjer og bølgefenomener

Klassisk elektroteknikk har begrenset virkeområde. Grunnen til dette er at den ikke tar høyde for tap over større strekninger, eller høyfrekvente signaler. Datamaskiner har korte ledninger, men høyere frekvenser. Må i prinsippet derfor ta høyde for det også her.

Kan i prinsippet neglisjeres over kortere signaler, og/eller lavere bølgelengder (Def)

Refleksjonskoeffisient

Definisjon:

Ønskes ideelt sett å være lik null

Impedans-matching

Tetthet, viskositet og konsistens

Måling av fuktighet

Definisjoner

Partielltrykk Trykk utøvet av en individuell gass. Trykk i luft er summen av trykket utøvet av de individuelle gassene

Metningsgrense Hvor mye vanndamp luften kan holde. Avhenger av temperatur, uavhengig av trykk og utblanding ifra andre gasser.

Kondensasjon Overgang gass til væske. Skjer ved avkjøling. Motsatt av fordampning Fordampning Overgang ifra væske til gass. Økning i temperatur

Duggpunkt Temperatur hvor gassen begynner å kondensere (Innebærer 100% luftfuktighet) Avhengig av partielltrykk

Relativ fuktighet Trykk vann/trykk metning (Avhengig av temperatur)

Måleteknikker

Psykrometer

Metode for å måle vanndamp i luft. Termometer fuktes inntil det mettes med fukt. Dette fører til at luften kjøles ned, dess tørrere lufft, dess større nedkjøling. Ser da på differanse mellom temperatur før/etter. Slutt-fuktighet kan finnes som en funksjon av dette.

Duggpunktsmåler

Måling av fuktighet vha. resistans og kapasitans

Fuktighetsmåling vha. varmeledningsevne

Prinsipp Gass går igjennom apperatur, varmetråd kjøles ned. Høy fukt gir større kjøling av varmetråd. Konduktans sammenliknes med tørr referansegass

Fuktighetsmåling vha. resistans

Resistans øker med økende fuktighet

Gassanalyse

Kamera/Bildesyn

Hvorfor Forstyrrer ikke prosessen i like stor grad som andre, siden det ikke er like direkte Mye informasjon i bilder Lettere å måle høye temperaturer Kan måle objekter som er lenger borte (F.eks stjerner/planeter

Radar

Ultralyd

Written by

aadneToblerone CarstenA
Last updated: Tue, 4 May 2021 12:44:59 +0200 .
  • Contact
  • Twitter
  • Statistics
  • Report a bug
  • Wikipendium cc-by-sa
Wikipendium is ad-free and costs nothing to use. Please help keep Wikipendium alive by donating today!