TTK4101: Instrumentering og måleteknikk
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:
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
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