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Sensoren- und Signalauswertung (Subject) / die Vorlesung WS2015 an der TUC (Lesson)
Inhalt der Sensoren und Signalauswertung vorlesung
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- Druckmessung - Piezoelektrischer Sensor Druck deformiert Membran Verformung wird auf Kristall übertragen Ladungstrennung aufgrund piezoelektrischen Effek Ladungen sehr klein und flüchtig Ladungsverstärker nötig Ausgabe einer elektrischen Spannung proportional zur Ladung Offset anpassbar dadurch Druckänderungen direkt messbar
- Druckmessung - Induktiver Sensor Induktiven Wegaufnehmer mit Membran verbunden Druckänderungen bewegt Membran und damit auch den Eisenanker Zwei Spulen gegensinnig angeordnet in einer steigt die Induktivität, in der anderen sinkt sie Unterschied sehr genau elektrisch bestimmbar (siehe Positionsmessung
- Beschleunigungssensoren - Hall-Effekt Elastisch befestigtes Feder-Masse-System•Dauermagnet als seismische Masse•Hallelement für die Messung der Position des Dauermagnetes•linearer Zusammenhang zwischen Hallspannung und Beschleunigung
- Durchfluss - Definitionen Volumen, Massendurchfluss Zähler - Sensor Geschwindigkeitsprofil Art der Strömung Sensor Volumen pro Zeiteinheit oder Strömungsgeschwindigkeit [m³/s], [m/s] Zähler Volumen in einem Abrechnungszeitraum [m³] Geschwindigkeitsprofil- Stoffkennwerten, wie Dichte ρ und Viskosität η,- Einflussgrößen, wie Temperatur T ( ~ D³) und Druck p- Geometrie: Rohrduchmesser D und derOberflächenbeschaffenheit des Rohres- Art der Strömung: laminar, turbulent Durch Wandreibung und innere Reibung in Rohrleitungen, Formstücken,Armaturen, Messgeräten entstehen Druckverluste! Stömungsarten: laminare Strömung (Das Fluid strömt in Schichten, die sich nicht vermischen.) turbulente Strömung (Instationäre Bewegungen der Fluidteilchen Verwirbelungen) Verwirbelung in der Rohrleitung erst ab einer Grenzgeschwindigkeit. Reynolds-Zahl als Beurteilungskriterium Reynolds-Zahl: Dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis der an denStrömungsteilchen angreifenden Trägheitskräften zu den Zähigkeitskräften(Reibungskräften) angibt Für eine ideale Flüssigkeit ohne Viskosität ist die Reynolds-Zahl unendlichRe > Rekrit Transition, von laminarer in turbulenter StrömungDie kritische Reynoldszahl kann nur empirisch ermittelt werden und ist von derGeometrie abhängig!S
- Druchfluss: Ringkolbenzähler Vorteile Nachteile Vorteile: genauer als Woltmannzähler •zwei Fließrichtungen messbar •kein Einfluss des Strömungsprofils •keine Hilfsenergie notwendig Messbereich Nachteile: Verschleiß des Ringkolbens Druckverluste Trägheit Durchflussblockade bei Stillstand durch Verunreinigungen
- Durchfluss - Differenzdruckverfahren Eine Verengung des Strömungsquerschnitts verursacht eine Erhöhung derStrömungsgeschwindigkeit und einen Abfall des Drucks. Messung der Druckdifferenz nach einer Verengung Eigenschaften der Durchflussmessung nach dem Wirkdruckverfahren• Robust, einfach und widerstandsfähig (halten harte Betriebsbedingungen aus).• Keine bewegten Elemente.• Eingeschränkter Messbereich wegen quad. Druckabhängigkeit.• Meistverwendetes und weitgehend genormtes Verfahren
- Durchfluss - Bernoulli-Gleichung: Für eine betrachtete Masseneinheit ist die Summe ausstatischer Druckenergie und kinetischer Energie konstant Voraussetzungen für die Bernoulli-Gleichung (Erhaltung der Energie):• Stationäre Potentialströmung (keine Turbulenzen)• Nicht kompressible Medien (keine innere Reibung)
- Durchfluss - Schwebekörper - Durchflussmesser Vorteile: preiswert-schmutzunempfindlich (undurchsichtige Flüssigkeiten)-keine Hilfsenergie Nachteile: Genauigkeit ±2 %-konstanter Druckverlust-empfindlich gegen Pulsation und Vibration-abhängig von der Viskosität
- Durchfluss - Magnetisch-induktive Durchflussmesser (MID) Störeffekte Vorteile Nachteile Galvanische oder kapazitive Kopplung möglich Störeffekte• elektrochemische Gleichspannung (bei konstantem Magnetfeld)• kapazitive Kopplung Magnet-Elektroden bzw. Flüssigkeit• Wertigkeitsverteilung: Ungleichverteilung der Elementarspannungen• Gasanteile Vorteile robust•Messung unabhängig von Fluid-Eigenschaften•Genauigkeiten bis zu 0,2%•linear über einen großen Messbereich•kein Druckabfall•Erkennung der Strömungsrichtung Nachteile nur auf Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit > 0,05 μS/cm•Ablagerungen im Messrohr erhöhen die Messabweichung•isolierende Ablagerungen an den Elektroden führen zu Signalausfällen•Verhinderung der Signalbildung durch Luftpolster an den Elektroden•turbulente Strömung•Gasanteile
- Durchfluss - Ultraschall-Durchflussmessung - Dopplereffekt Doppler-Verfahren: Frequenzverschiebung der reflektierten Schallwellen in Abhängigkeitvon der Strömungsgeschwindigkeit Frequenzen abhängig von Schallgeschwindigkeit und damit von derTemperatur (Wasser: c = 2400 ppm/K); unabhängig von c ist Sinn des Doppler-Verfahrens: Geschwindigkeit der mitgeführtenTeilchen wird gemessen Signalauswertung: Eigenschaften von Ultraschall-Durchflussmessverfahren:• linearer Messeffekt• Genauigkeiten bis zu 2% erzielbar• auch bei großen Querschnitten anwendbar• keine Querschnittsverengung oder Rohreinbauten ⇒druckverlustfrei• Einsatz auch bei nichtleitenden und verschmutzten Fluiden• relativ großer messtechnischer Aufwand
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- Durchfluss - Massendurchfluss - Corioliskraft Vorteile: - Nachteile: Vorteile: Direkte Messung des Massestroms•Geringer oder kein Druckverlust•Kleine Messabweichung: <0,2% v. E.•Messstofftemperatur: z. B. -25°C bis 125°C•Gase, Flüssigkeiten, Stäube und Zweiphasenströmungen Nachteile: •Nur für kleine bis mittlere Durchmesser (ca. 300mm)•Energiebedarf (20W)
- Magnetfeldsensoren - Hallsensoren Vorteile. Nachteile Vorteile:– keine Hysterese– galvanische Trennung zwischen Messgröße und Messung– unempfindlich gegenüber Verschmutzung– niedrige Kosten• Nachteile:– niedrige Empfindlichkeit– kleiner Signalpegel– nur niedrige Distanzen erfassbar
- Magnetfeldsensoren - XMR - Magneto-resistive Messprinzipien Magneto-resistive Messprinzipien Veränderung von Festkörpereigenschaften durch externes Magnetfeld(Widerstände, typischerweise als Wheatstone-Brücke)Da die Elektronen durch Magnetfelder von ihrer Bahn abgelenkt werden(Beispiel: Bildröhre in Fernseher), können sie nicht mehr den kürzesten Weggehen. Der Widerstand wird größer. anwendungsrelevant: AMR – Anisotropic Magneto Resistance Sensor raumrichtungsabhängige Streuung von Elektronen in dünnen Schichten GMR – Giant Magneto Resistance Sensor quantenmechanischer Effekt in dünnen Strukturen zwischen ferromagnetischen und nichtmagnetischen Schichten
- Magnetfeldsensoren - AMR-Sensoren “anisotrop”: Ungleichheit von physikalischen Eigenschaften inunterschiedlichen Richtungen in einem Material• AMR-Effekt: Abhängigkeit des Widerstandes von der Richtung derMagnetisierung• AMR-Materialien: ferromagnetische Materialien, wie z. B. Permalloy(20% Fe und 80% Ni)• zur Messung von magnetischen Feldern bereits ab 20 μT Vorteile von AMRs:– ausreichend hohe Empfindlichkeit– Stabilität– niedrige Empfindlichkeit zu mechanischem Stress• Nachteile von AMRs:– Hysterese– Kennlinie ist nicht immer reproduzierbar– zu hohe magnetische Felder verändern/invertieren die Kennlinie– nicht vollständig linear– höhere Kosten AMR-Winkelsensor 90° Winkel zwischen denWiderständen einer Brücke Gegenläufige Änderung Maximale Brückenempfindlichkeit45° Winkel zwischen den Brücken 90° Phasenverschiebung im Signal(sin und cos Signal) Eindeutige Zuordnung
- Magnetfeldsen Messprinzip basiert auf einem quantenmechanischen Grenzschichteffekt:soren - Elektronen mit einem Spin parallel zum magnetischen Moment streuen viel weniger als dieElektronen mit Spin antiparallel zum magnetischen MomentOhne Externfeld: Spin der Elektronen antiparallel -> hohe Streuung -> hoher WiderstandMit Externfeld: -> Spin der Elektronen parallel -> weniger Streuung -> niedriger Widerstand Praktischer Aufbau:– Mehr als 3 Schichten (bis zu 100 Schichten) höhere Empfindlichkeit– volle Wheatstone-Brücke• Vorteile von GMRs:– hohe Empfindlichkeit– hohe Temperaturstabilität– hohe Kosten• Nachteile von GMRs:– Hysterese– Vormagnetisierung erforderlich
- Magnetfeldsensoren - TMR-Sensoren Ferromagnetische Schichten durch Isolationsschicht getrennt mindestens 2 ferromagnetische Schichten und eineIsolationsschicht– Tunnelwiderstand abhängig von Magnetisierungsrichtungen
- Magnetfeldsensoren - SQUID – superconducting quantum interference device Prinzip Vorteil Nachteil Supraleiter durch dünne Schicht eineselektrisch leitenden oder isolierenden Materialsunterbrochen• Funktion auf Basis der Flussquantisierungin supraleitenden Ringen und dem Josephson-Effekt Vorteile• kleine Magnetfelder erfassbar• richtungsabhängige Messung• großer Messbereich, bspw. 2-400K, bis 7 TNachteile• teuer in Anschaffung, Wartung• störanfällig
- A/D - Wandler Definition Der unendliche Wertevorrat der analogen Größe wird auf einen endlichen Wertevorrat von Teilbereichen (Quanten) abgebildet.
- Datenblatt Referenzbedingungen Messabweichung (Linearität) Wiederholbarkeit Einfluss der Umgebungstemperatur Temperaturbereich Ansprechzeit